馬俊安 吳建剛 高玉文 楊紅霞 劉璐雅
(四川航天燎原科技有限公司 成都 610100)
導(dǎo)引頭是精確制導(dǎo)武器的核心設(shè)備之一,用來完成對(duì)目標(biāo)的自主搜索識(shí)別和跟蹤,并給出制導(dǎo)律所需要的控制信號(hào)[1],作為導(dǎo)引頭重要組成部分的伺服穩(wěn)定平臺(tái),應(yīng)具有有效的故障自檢和故障定位能力,且自檢功能需方便、快捷、準(zhǔn)確。伺服穩(wěn)定平臺(tái)自檢功能設(shè)計(jì)的不僅要能夠全面覆蓋這個(gè)組成部分,還應(yīng)考慮外部環(huán)境擾動(dòng)的影響,所以對(duì)伺服穩(wěn)定平臺(tái)上電自檢進(jìn)行研究很有必要。
夏靜萍[2]設(shè)計(jì)了角位置回路自檢,被動(dòng)執(zhí)行主控計(jì)算機(jī)角位置指令,完成相應(yīng)功能,實(shí)現(xiàn)平臺(tái)基本功能的檢查。王昊[3]設(shè)計(jì)了測(cè)角編碼器的故障檢測(cè),判斷故障進(jìn)入驅(qū)動(dòng)器保護(hù)模式。李艷紅[4]在陀螺不接入情況下,提出了導(dǎo)引頭位標(biāo)器自檢合格的判定方法。文獻(xiàn)[2~4]設(shè)計(jì)的角位置自檢,雖然結(jié)構(gòu)清晰,功能明確,但是沒有對(duì)陀螺進(jìn)行檢測(cè),存在陀螺故障無(wú)法檢測(cè)的情況。文獻(xiàn)[5~8]提到研究的伺服穩(wěn)定平臺(tái)具備上電自檢功能,但都未提及具體實(shí)現(xiàn)方式,而且僅限于外部靜止情況下伺服穩(wěn)定平臺(tái)上電自檢。對(duì)于移動(dòng)發(fā)射外部姿態(tài)擾動(dòng)情況下的伺服穩(wěn)定平臺(tái)自檢研究較少?;谛袠I(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展需求,本文針對(duì)移動(dòng)發(fā)射外部姿態(tài)擾動(dòng)情況下的伺服穩(wěn)定平臺(tái)自檢方法進(jìn)行了研究。
伺服穩(wěn)定平臺(tái)上電自檢用于伺服控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、陀螺、角度傳感器等部件進(jìn)行檢測(cè),采用兩環(huán)控制方案,即有陀螺速度環(huán),角度位置環(huán)兩個(gè)回路組成,組成框圖如圖1所示。
圖1 伺服穩(wěn)定平臺(tái)組成原理框圖
系統(tǒng)工作原理為上電后自動(dòng)進(jìn)入自檢流程,在規(guī)定時(shí)間內(nèi)運(yùn)動(dòng)到極限位置并回到零位,上報(bào)自檢正常,否則自檢超時(shí)異常。
將伺服穩(wěn)定平臺(tái)的伺服控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、陀螺、角度傳感器等部件用傳遞函數(shù)表示,伺服穩(wěn)定平臺(tái)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
圖2 伺服穩(wěn)定平臺(tái)單速度環(huán)結(jié)構(gòu)框圖
圖2中,qz為目標(biāo)角;qs為伺服穩(wěn)定平臺(tái)框架角;為彈體擾動(dòng)角速度;G1(s)為位置回路傳遞函數(shù);G2(s)為速度回路傳遞函數(shù),Kg為陀螺反饋通道比例系數(shù)。uf為速度環(huán)反饋速度,uc為控制速度,un為伺服穩(wěn)定平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度。
根據(jù)圖2,可得速度環(huán)反饋速度uf式(1):
速度誤差ue式(2):
當(dāng)速度誤差ue為0時(shí),可得式(3)
將式(1)帶入式(3)中,可得式(4)
當(dāng)外部平臺(tái)靜止時(shí),陀螺測(cè)量速度為機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度,起測(cè)速機(jī)的功能,機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度按照給定速度進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。
當(dāng)外部平臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí),陀螺測(cè)量速度為機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)和外部平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的合成速度,即慣性空間速度。當(dāng)外部運(yùn)動(dòng)速度方向與給定速度反向時(shí),機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度會(huì)加快,伺服穩(wěn)定平臺(tái)自檢時(shí)間減少。當(dāng)外部運(yùn)動(dòng)速度方向與給定速度同向時(shí),機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度會(huì)減慢;伺服穩(wěn)定平臺(tái)自檢時(shí)間增大,超過自檢規(guī)定時(shí)間造成上電自檢異常。
針對(duì)移動(dòng)發(fā)射姿態(tài)擾動(dòng)情況下導(dǎo)引頭伺服穩(wěn)定平臺(tái)單速度環(huán)自檢超時(shí)現(xiàn)象,采用雙速度環(huán)閉環(huán)控制,根據(jù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度un大小進(jìn)行切換,伺服穩(wěn)定平臺(tái)雙速度環(huán)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。
圖3 伺服穩(wěn)定平臺(tái)雙速度環(huán)結(jié)構(gòu)框圖
圖3中,qz為目標(biāo)角;qs為伺服穩(wěn)定平臺(tái)框架角;為彈體擾動(dòng)角速度;G1(s)為位置回路傳遞函數(shù);G2(s)為速度回路傳遞函數(shù),Kg為陀螺反饋通道比例系數(shù),Kw為角度微分反饋通道比例系數(shù)。uf為速度環(huán)反饋速度,uc為控制速度,un為伺服穩(wěn)定平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度。
當(dāng)伺服穩(wěn)定平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度|un|小于等于10°/s時(shí)速度回路采用微分速度進(jìn)行閉環(huán),否則速度回路采用陀螺速度進(jìn)行閉環(huán)。
根據(jù)圖3,可得速度環(huán)反饋速度uf式(5):
將式(5)帶入式(3)中,可得式(6)
當(dāng)外部平臺(tái)靜止時(shí),速度環(huán)反饋速度為機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度,機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度按照給定速度進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。
當(dāng)外部平臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí),當(dāng)外部運(yùn)動(dòng)速度方向與給定速度同向時(shí),機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度會(huì)減慢,當(dāng)小于等于10°/s時(shí)速度回路采用微分速度進(jìn)行閉環(huán),速度環(huán)反饋速度為機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度,機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度按照給定速度進(jìn)行運(yùn)動(dòng),不受平臺(tái)擾動(dòng)干擾,保證平臺(tái)擾動(dòng)情況下上電自檢正常。
根據(jù)設(shè)定好的自檢流程,控制電機(jī)帶動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)極限位置并回到零位,如果在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成自檢,則上報(bào)自檢正常,否則上報(bào)故障,中止后續(xù)流程,系統(tǒng)處于剎車保護(hù)狀態(tài),流程圖如圖4所示。
圖4 自檢流程圖
運(yùn)動(dòng)子程序流程圖如5所示,速度環(huán)控制器和位置環(huán)控制器均采樣PID控制,速度環(huán)采樣時(shí)間采樣0.5ms,位置環(huán)采樣時(shí)間采用5ms。速度控制器輸入采用陀螺速度和位置微分速度自動(dòng)切換,切換條件為位置微分速度小于等于10°/s時(shí)采用微分速度進(jìn)行閉環(huán),大于10°/s采用陀螺速度進(jìn)行閉環(huán)。
圖5 運(yùn)動(dòng)子程序流程圖
搭建的測(cè)試系統(tǒng)示意圖如圖6所示,包括上位機(jī)、伺服控制器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器以及執(zhí)行機(jī)構(gòu),其中,執(zhí)行機(jī)構(gòu)安裝在三軸轉(zhuǎn)臺(tái)上,上位機(jī)為我所成熟軟件,具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能,可將數(shù)據(jù)導(dǎo)出用于分析。測(cè)試用伺服穩(wěn)定平臺(tái)俯仰角度下極限為-42°,上極限為14°,自檢狀態(tài)用bit位表示:0為正常、1為異常。
圖6 測(cè)試系統(tǒng)示意圖
采用陀螺單速度閉環(huán)方式,控制三軸轉(zhuǎn)臺(tái)以10°/s的速度向上運(yùn)動(dòng)的同時(shí),伺服穩(wěn)定平臺(tái)進(jìn)行上電自檢,記錄俯仰角度數(shù)據(jù)和自檢狀態(tài)如圖7所示。
圖7 平臺(tái)擾動(dòng)情況下單速度環(huán)自檢數(shù)據(jù)圖
從圖7數(shù)據(jù)分析,俯仰角度到達(dá)下極限(-42°)后,向上極限過程中12°附近保持不動(dòng),不能到達(dá)上極限(14°),自檢狀態(tài)異常(1),自檢失敗。
采用雙速度閉環(huán)方式,控制三軸轉(zhuǎn)臺(tái)以10°/s的速度向上運(yùn)動(dòng)的同時(shí),伺服穩(wěn)定平臺(tái)進(jìn)行上電自檢,記錄俯仰角度數(shù)據(jù)和自檢狀態(tài)如圖8所示。
圖8 平臺(tái)擾動(dòng)情況下雙速度環(huán)自檢數(shù)據(jù)圖
從圖8數(shù)據(jù)分析,俯仰角度先后到達(dá)下極限(-42°)、上極限(14°)、0°位置,自檢狀態(tài)正常(0),完成自檢流程。
為了適應(yīng)了移動(dòng)發(fā)射姿態(tài)擾動(dòng)情況下上電自檢需求,設(shè)計(jì)一種動(dòng)平臺(tái)下導(dǎo)引頭伺服穩(wěn)定平臺(tái)自檢方法。通過對(duì)單速度環(huán)自檢的分析,得到動(dòng)平臺(tái)下自檢超時(shí)的原因,提出采用陀螺速度和位置微分速度自動(dòng)切換的閉環(huán)的雙速度環(huán)方式,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該方式在移動(dòng)發(fā)射姿態(tài)擾動(dòng)情況下上電自檢功能可靠和穩(wěn)定,為工程實(shí)現(xiàn)提供了技術(shù)支撐。