某大口徑米波雷達(dá)天線折疊同步控制研究

孟國(guó)軍

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,安徽 合肥 230031)

0 引言

大口徑米波段雷達(dá)用于米波段的地空動(dòng)態(tài)RCS測(cè)量,為評(píng)估新型航空武器裝備雷達(dá)隱身性能提供數(shù)據(jù)支撐,兼顧空中目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡測(cè)量。其具備對(duì)空中目標(biāo)動(dòng)態(tài)RCS測(cè)量功能、對(duì)空中目標(biāo)搜索、捕獲和跟蹤測(cè)量的功能、超分辨測(cè)角功能、分離目標(biāo)的捕獲、跟蹤測(cè)量功能。為了滿足作戰(zhàn)要求,米波段雷達(dá)必須具有大口徑、高機(jī)動(dòng)性以及精密測(cè)量等特點(diǎn)[1],對(duì)雷達(dá)天線陣面折疊提出了更高的要求[2]。

本研究以某米波段大口徑、高機(jī)動(dòng)雷達(dá)天線陣面高精度同步折疊控制策略為研究對(duì)象,對(duì)天線陣面折疊的同步控制進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì),在此基礎(chǔ)上研制一種新型的大口徑長(zhǎng)薄雷達(dá)天線同步控制方法。

1 工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)指標(biāo)

天線指標(biāo)要求如下。

天線工作口徑:寬×高=6.4 m×14 m;

天線運(yùn)輸口徑:長(zhǎng)×寬×高=14 m×3 m×2.5 m;

天線陣面面精度:≤10 mm(均方根);

天線陣面面變形:≤30 mm;

天線展開(kāi)/收攏時(shí)間:≤1.5 min;

天線抗風(fēng)能力:風(fēng)速8級(jí)以下正常工作,風(fēng)速12級(jí)以下不破壞(天線倒伏狀態(tài))。

1.2 結(jié)構(gòu)方案

本研究設(shè)計(jì)的天線陣面主要由中陣面、左陣面和右陣面組成,如圖1所示。左/右陣面分別通過(guò)7個(gè)支耳與中陣面連接,通過(guò)4根液壓缸(簡(jiǎn)稱缸)實(shí)現(xiàn)折疊。每個(gè)陣面由天線骨架和天線振子組成,其中天線振子安裝在天線骨架上,天線骨架是保證天線陣面剛強(qiáng)度的基礎(chǔ)。為保證天線工剛強(qiáng)度和運(yùn)輸尺寸,經(jīng)分析論證,中陣面骨架尺寸(寬×高×厚)為2.2 m×14 m×0.8 m,左/右陣面骨架尺寸(寬×高×厚)為2.1 m×14 m×0.2 m。

圖1 天線展開(kāi)狀態(tài)

天線架設(shè)時(shí),左/右陣面的4根折疊液壓缸驅(qū)動(dòng)天線左/右陣面折疊到指定角度,并通過(guò)液壓缸上的夾緊器夾住折疊液壓缸活塞桿,完成展開(kāi)鎖定,天線收攏動(dòng)作是架設(shè)展開(kāi)動(dòng)作的逆過(guò)程,具體如圖2所示。

圖2 天線折疊狀態(tài)

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 天線折疊

天線左/右陣面骨架厚度為0.2 m,高度達(dá)14 m,高厚比為70,長(zhǎng)薄結(jié)構(gòu),其特點(diǎn)是剛性差。為此,在左/右陣面沿天線高度(14 m)方向等距離分別布置4根液壓缸(相鄰兩根液壓缸距離為4 m),每根液壓缸上安裝有平衡閥、液壓鎖、夾緊器和拉桿傳感器。其中,平衡閥和液壓鎖安裝在液壓缸缸體上,夾緊器安裝在液壓缸缸體前端,拉桿傳感器與液壓缸平行安裝。液壓缸缸體端支耳通過(guò)銷軸連接在中陣面骨架的液壓缸支耳上,液壓缸活塞桿端支耳通過(guò)銷軸連接在左/右陣面邊緣的液壓缸支耳上。在伺服控制系統(tǒng)的控制下,液壓泵站為左/右陣面4根液壓缸同時(shí)供油,實(shí)現(xiàn)左/右陣面的折疊。當(dāng)4根液壓缸活塞桿全部伸出到位時(shí)左/右陣面折疊到與中陣面成0°(實(shí)現(xiàn)天線振子共面),天線變?yōu)楣ぷ鳡顟B(tài)。當(dāng)4根液壓缸活塞桿全部收回到位時(shí)左/右陣面折疊到與中陣面成90°,天線變?yōu)檫\(yùn)輸狀態(tài)。

2.2 折疊鎖定

左右陣面向上折疊到位鎖定是通過(guò)機(jī)械定位銷和液壓缸夾緊器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。為保證整個(gè)天線陣面在各種工況下的面精度,左/右陣面通過(guò)4根液壓缸從運(yùn)輸狀態(tài)向前折疊90°與天線中陣面共面時(shí),左/右陣面與中陣面有機(jī)械定位結(jié)構(gòu)限制其繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng),同時(shí)每根折疊液壓缸上都有一個(gè)夾緊器夾住液壓缸活塞桿限制左右陣面向下運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)對(duì)左右陣面的完全鎖定,使左、中、右3個(gè)陣面形成一個(gè)共面剛體,保證天線工作狀態(tài)時(shí)的剛性和面精度。

2.3 同步控制策略

天線左/右陣面折疊分別采用4根液壓缸驅(qū)動(dòng),采用多根液壓缸同時(shí)驅(qū)動(dòng)必須解決多缸同步控制問(wèn)題[3],以避免多缸不同步或單缸失效時(shí)對(duì)天線陣面造成的危害。

經(jīng)仿真分析,當(dāng)天線左/右陣面4根折疊液壓缸行程差超過(guò)20 mm時(shí),將導(dǎo)致左右陣面產(chǎn)生明顯的扭曲變形。當(dāng)天線左/右陣面4根折疊液壓缸行程差超過(guò)100 mm時(shí),將造成左右陣面不可逆的塑性變形。為此,研究中采用了液壓缸+液壓比例閥+拉桿傳感器構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)8缸同步,且同步行程誤差控制在±20 mm。利用比例放大器實(shí)時(shí)采集并放大拉桿傳感器的長(zhǎng)度信息(拉桿傳感器實(shí)時(shí)反映折疊液壓缸的行程),通過(guò)同步控制策略來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)整各液壓缸活塞桿伸出速度,從而實(shí)現(xiàn)折疊液壓缸閉環(huán)同步控制。8缸同步控制策略具體如下。

根據(jù)左/右陣面折疊的時(shí)間指標(biāo)推算出電流型比例閥的開(kāi)口大小(即輸出模擬量大小),這里將與時(shí)間指標(biāo)對(duì)應(yīng)的輸出模擬量值匹配液壓缸活塞桿伸/縮速度稱之為液壓缸基準(zhǔn)速度。為保證折疊液壓缸活塞桿伸出或縮回的速度相同,由于液壓缸無(wú)桿腔所需流量較有桿腔大,所以液壓缸活塞桿伸出的輸出模擬量值較縮回的輸出模擬量值大一些。

左陣面1—4缸同步控制策略:先對(duì)4根缸對(duì)應(yīng)的比例閥給定同樣的電流模擬量,即給定4根缸同樣的基準(zhǔn)速度。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,實(shí)時(shí)根據(jù)采樣拉桿傳感器的長(zhǎng)度數(shù)據(jù)對(duì)缸的比例閥電流進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整,實(shí)現(xiàn)對(duì)缸活塞桿伸出/縮回速度進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)控,使4缸的行程誤差在規(guī)定范圍內(nèi),實(shí)現(xiàn)對(duì)4缸實(shí)時(shí)同步控制。具體控制模式為比較缸2和缸3的伸/縮速度,速度慢的缸向速度快的缸逼近,這兩缸的比例閥的增益設(shè)為G1(數(shù)值居于G2與G3之間)。缸1的速度以缸2的速度為基準(zhǔn)并向缸2的速度逼近,缸4的速度以缸3的速度為基準(zhǔn)向缸3的速度逼近,這兩缸的比例閥的增益設(shè)為G2(數(shù)值較大),可得缸1的比例閥電流=基準(zhǔn)速度電流+缸1-2速度差值×G2,同理缸4的比例閥電流=基準(zhǔn)速度電流+缸3-4速度差值×G2。

按照左陣面1—4缸同步控制策略對(duì)右陣面1—4缸進(jìn)行同步控制。為保障左/右陣面折疊同步,可對(duì)左陣面缸2和缸3的速度平均值與右陣面缸2和缸3的速度平均值進(jìn)行對(duì)比,平均速度慢的兩缸向平均速度快的兩缸逼近,此時(shí)比例閥的增益設(shè)為G3(數(shù)值較小)。

2.4 天線面精度控制

天線面精度是通過(guò)高剛性中陣面、左/右陣面展開(kāi)到位機(jī)械定位和左/右陣面折疊液壓缸展開(kāi)到位行程不變(通過(guò)夾緊器鎖定實(shí)現(xiàn))來(lái)實(shí)現(xiàn)。天線中陣面采用框架結(jié)構(gòu),具有高剛性。左/右陣面各采用4根液壓缸實(shí)現(xiàn)折疊,液壓缸的缸體和活塞桿均為剛性結(jié)構(gòu),活塞桿采用夾緊器機(jī)械鎖定結(jié)構(gòu),具有高剛性。當(dāng)左/右陣面折疊到工作狀態(tài)時(shí),左/右陣面與天線中陣面有4根定位面實(shí)現(xiàn)機(jī)械定位。同時(shí)左/右陣面的4根折疊液壓缸帶有夾緊器實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓缸活塞桿的可靠鎖定(使得液壓缸缸筒和活塞桿變成一根剛性桿),使左右陣面與中陣面形成一個(gè)類整體的結(jié)構(gòu),保證了整個(gè)天線陣面有足夠剛性和面精度。

2.5 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

天線折疊液壓系統(tǒng)原理如圖3所示[4]。為保證系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn),采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵作為液壓系統(tǒng)的動(dòng)力源。

圖3 液壓系統(tǒng)控制原理

伺服電機(jī)可以根據(jù)天線展開(kāi)或收攏時(shí)進(jìn)行有效調(diào)速,保證天線在整個(gè)動(dòng)作過(guò)程中既無(wú)沖擊又無(wú)顫抖。在液壓系統(tǒng)中采用了換向閥、液壓比例閥、單向閥、溢流閥、平衡閥、液壓鎖、防爆閥、壓力表等器件。換向閥用于控制液壓缸輸出軸的伸出與收回,從而控制天線陣面的仰起與俯下、伸出與收回。液壓比例閥用于調(diào)整液壓缸運(yùn)動(dòng)速度。單向閥用于防止系統(tǒng)長(zhǎng)期不工作時(shí)液壓缸和管路中液壓油的回流。溢流閥用于控制整個(gè)系統(tǒng)的壓力。平衡閥用于保證平衡重力和風(fēng)載,驅(qū)動(dòng)液壓缸同步運(yùn)行,保證液壓缸運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)可靠。防爆閥用于防止當(dāng)系統(tǒng)管路突然失效時(shí)天線上陣面發(fā)生跌落失效,壓力表用于檢測(cè)管路油壓。

3 天線剛強(qiáng)度仿真

以天線陣面三維模型作為仿真分析對(duì)象,負(fù)載為自重和風(fēng)載荷,約束位置是天線與俯仰座連接處和天線與俯仰液壓缸連接處。采用有限元法分析天線在8級(jí)風(fēng)速時(shí)的剛度和12級(jí)風(fēng)速時(shí)的強(qiáng)度變化[5]。分析結(jié)果表明,天線陣面最大變形量為6.9 mm,最大應(yīng)力為163 Mpa,剛強(qiáng)度滿足指標(biāo)要求。

4 試驗(yàn)測(cè)試

4.1 液壓缸同步精度測(cè)量

邊塊陣面兩個(gè)相鄰液壓缸展開(kāi)和收攏過(guò)程中同步控制誤差實(shí)測(cè)曲線如圖4所示。由實(shí)測(cè)曲線圖4(a)可知,展開(kāi)過(guò)程中兩相鄰液壓缸誤差值均控制在±6 mm以內(nèi),滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求;由實(shí)測(cè)曲線圖4(b)可知,收攏過(guò)程中兩相鄰液壓缸誤差值均控制在±10 mm以內(nèi),滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。對(duì)比圖4(a)和圖4(b)可以發(fā)現(xiàn),收攏過(guò)程中同步誤差較展開(kāi)過(guò)程中較大,主要原因是收攏過(guò)程時(shí)間短,速度較快,系統(tǒng)延時(shí)及響應(yīng)致使收攏時(shí)誤差較大,但均滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

圖4 液壓缸同步精度實(shí)測(cè)曲線

4.2 天線面精度測(cè)量

為驗(yàn)證剛強(qiáng)度分析的真實(shí)性及偏差,本文對(duì)天線陣面工作狀態(tài)時(shí)的面精度進(jìn)行了實(shí)測(cè),如圖5所示。水平方向等間距選擇11個(gè)點(diǎn),垂直方向等間距選擇18個(gè)點(diǎn),共計(jì)測(cè)試198點(diǎn)。如圖6所示給出了陣面坐標(biāo)點(diǎn)變形量曲線,由圖可知,陣面最大變形量為3.4 mm(<15 mm),天線陣面實(shí)測(cè)的面精度均方根值為1.2 mm(<5 mm),均滿足指標(biāo)要求。

圖5 陣面坐標(biāo)點(diǎn)布置情況

圖6 陣面坐標(biāo)點(diǎn)變形量

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種大高厚比長(zhǎng)薄天線多缸同步控制策略,滿足長(zhǎng)薄天線快速展開(kāi)/收攏的同時(shí),實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)薄天線多缸高剛性高精度的同步,為大口徑長(zhǎng)薄米波雷達(dá)天線折疊同步控制和精度測(cè)量提供了理論依據(jù),并在實(shí)踐中得以應(yīng)用,具有較高的推廣價(jià)值和借鑒意義。

(1)通過(guò)多次實(shí)測(cè),天線展開(kāi)平均時(shí)間為65 s,天線收攏平均時(shí)間為54 s,滿足指標(biāo)要求。

(2)對(duì)液壓缸展開(kāi)和收攏行程誤差進(jìn)行實(shí)測(cè),行程誤差均在± 10 mm左右,滿足指標(biāo)要求。

(3)通過(guò)拍照法實(shí)測(cè),天線陣面最大變形量為3.4 mm,均方根1.2 mm,滿足精度要求。