CN101382805A - 速率陀螺稳定平台式天线随动跟踪系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种速率陀螺稳定平台式天线随动跟踪系统。它包括测向装置、校正环节、PID控制器、PWM驱动、力矩电机、测角电位器、角速率陀螺和微分环节。PWM驱动、力矩电机、角速率陀螺和微分环节依次连接构成角加速度负反馈回路；PID控制器、PWM驱动、力矩电机和角速率陀螺依次连接构成角速度负反馈回路；测向装置、前置放大器、校正环节和角速度负反馈回路构成角位置负反馈回路；测角电位器、前置放大器、校正环节和角速度负反馈回路构成角度搜索回路。本发明是一种用于运动载体中雷达、光学成像等测向装置实现稳定跟踪、搜索和隔离载体角运动的随动跟踪技术，以实现高精度、弱耦合、抗关机、快速平稳、实现比例导引的天线随动系统。

Description

速率陀螺稳定平台式天线随动跟踪系统

(一)技术领域

本发明涉及的是一种天线随动跟踪技术。

(二)背景技术

雷达、光学成像等测向装置截获目标信号，实时检测出电轴或光轴与目标视线误差角信息，须经随动系统控制电轴或光轴实时跟踪目标，并输出与目标视线角速度成比例的信号，送入飞行器自动驾驶仪系统，用于实现比例导引。采用随动系统去耦，可以保证天线电轴始终快速跟踪上目标，同时又可以隔离载体姿态角运动。因此天线随动系统的性能的好坏，对整个测向系统的性能有着重要的影响。随动系统一般存在颤振现象，其系统稳定性较差。因此高精度、弱耦合、快速平稳的随动系统设计是必须要解决的实用技术问题。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种高精度、弱耦合、抗关机、快速平稳、能实现比例导引的速率陀螺稳定平台式天线随动跟踪系统。

本发明的目的是这样实现的：

它包括测向装置1、校正环节3、PID控制器4、PWM驱动5、力矩电机6、测角电位器7、角速率陀螺12和微分环节10。PWM驱动5、力矩电机6、角速率陀螺12、微分环节10和角加速度反馈放大环节11依次连接构成角加速度负反馈回路；PID控制器4、PWM驱动5、力矩电机6、角速率陀螺12和角速度反馈放大环节9依次连接构成角速度负反馈回路；测向装置1、前置放大器2、校正环节3和角速度负反馈回路连接构成角位置负反馈回路。

基于本发明的角加速度负反馈回路实现方法为：采用对角速率陀螺12的输出的角速率信号经DSP处理器的软件实现的微分环节10输出角加速度信号，角加速度信号经角加速度反馈放大环节11输出后与PID控制器4输出信号相减，经PWM驱动5作用在力矩电机6上构成角加速度负反馈回路。

角速度负反馈回路中，采用角速率陀螺12作为测量元件，输出的角速率信号经角速度反馈放大环节9作用在PID控制器4上。PID控制器4在力矩电机6死区特性的前面，与PWM驱动5、力矩电机6构成角速度负反馈回路。

开关K₁、开关K₂同时断开，并接通跟踪信号，则由测向装置1、前置放大器2、校正环节3和角速度负反馈回路连接构成角位置负反馈回路。

开关K₁、开关K₂同时接通，断开跟踪信号，构成角度搜索回路，角度搜索回路由前置放大器2、校正环节3、角速度反馈回路、测角电位器7、放大环节8构成。

开关K₁、开关K₂同时接通，扫描信号通过开关K₁驱动随动系统天线负载盘，对目标进行扫描；测向装置1截获目标后，开关K₁、开关K₂同时断开，并接通跟踪信号，雷达天线在随动系统驱动下转入对视线跟踪状态。

基于本发明的天线随动系统，处于跟踪状态时，测向装置1输出的角误差信号经放大环节K_T，输出与目标视线角速度成比例的信号，送入飞行器自动驾驶仪系统，用于实现比例导引；本发明的天线随动系统，在距目标较近时，接通开关K₂，随动系统由比例导引变为追踪法导引。

本发明的速率陀螺稳定平台式天线随动跟踪系统由内到外组成角加速度负反馈回路、角速度负反馈回路、角位置负反馈回路三个闭环反馈控制回路。可应用到雷达、光学成像等测向装置实现稳定跟踪、搜索和隔离载体角运动的伺服装置中。天线或光学成像器安装在内框架(俯仰框架)上，作为负载。内框架和外框架(方位框架)分别由俯仰和方位面电机驱动，两个速率陀螺分别安放在内框架和外框架上，测量框架相对于惯性空间的俯仰和方位面的角运动速率。本发明可以实现高精度、弱耦合、抗关机、快速平稳、实现比例导引的天线随动系统。本发明的特点主要有以下四点。

1、一般的惯性平台式随动系统大都采用位置陀螺仪，由陀螺的进动对目标进行跟踪，这种随动系统不但转动的角度受到限制，而且跟踪的速度也比较慢，本发明采用的是速率陀螺惯性平台式跟踪系统完成跟踪和解耦，所以转动的角度不受限制，而且跟踪速度快。

2、PID控制器不仅是随动随动系统中角速度回路的校正元件，而且其中的积分环节也是速率陀螺输出的积分器，把角速度变成角度。同时积分环节在电机死区特性的前面，系统只要有误差，PID控制器就会积分，因此其可提高系统的稳态精度。由于PID的作用，使得经测向装置输出u_T信号不存在载体姿态角的一阶导数项，而与二阶导数项成正比。因此本发明对PID的应用是独特的。

3、随动系统中增加了从角速率陀螺输出的角加速度的反馈回路，该回路的作用不但用于抑制系统的高频振荡，解决随动系统的颤振问题，而且能克服惯性平台的“航向效应”，同时提高电机参数的鲁棒性，使平台式随动系统的性能更加可靠。

4、在距目标较近时，接通角度搜索回路，随动系统由比例导引变为追踪法导引，提高命中精度，可避免比例导引信号过大的影响。

(四)附图说明

图1是本发明的系统原理框图；

图2是本发明的系统仿真框图；

图3至图7是针对本发明的仿真曲线。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1，本发明的基于角加速度反馈的速率陀螺稳定平台式天线随动跟踪系统由测向装置1、校正环节3、PID控制器4、PWM驱动5、力矩电机6、测角电位器7、角速率陀螺12和微分环节10构成。由内到外组成角加速度负反馈回路、角速度负反馈回路、角位置负反馈回路三个闭环反馈控制回路。

角加速度反馈回路由PWM驱动5、力矩电机6、角速率陀螺12、微分环节10、角加速度反馈放大环节11构成。采用对角速率陀螺输出信号微分得到角加速度信号。

角速度反馈回路由PID控制器4、PWM驱动5、力矩电机6、角速率陀螺12、角速度反馈放大环节9构成。

角位置反馈回路由测向装置1、前置放大器2、校正环节3、角速度反馈回路构成。

角度搜索回路由前置放大器2、校正环节3、角速度反馈回路、测角电位器7、放大环节8构成。

K₁、K₂为两个开关，当系统开机时，K₁、K₂同时接通，扫描信号通过K₁驱动随动系统，对目标进行扫描；测向装置截获目标后，K₁、K₂同时断开，接通跟踪信号，随动系统驱动转入对视线跟踪状态。

对本发明的随动系统进行仿真测试，图2给出了系统加入陀螺漂移、电机和陀螺的饱和及死区非线性、系统间隙等非线性的仿真图。各环节参数选取形式如下。

$G_d\left(s\right)=\frac{K_d}{({\mathrm{\τ}}_{m}s+1)({\mathrm{\τ}}_{e}s+1)}$ ——力矩电机传递函数

$G_g\left(s\right)=\frac{K_g}{T_g^2{s}^2+2{\mathrm{\ξ}}_g{T}_{g}s+1}$ ——角速率陀螺仪传递函数

$G_c\left(s\right)=\frac{T_{1}s+1}{T_{2}s+1}$ ——校正装置传递函数，校正的作用可以增大系统带宽，提高系统解耦性能。同时超前网络校正环节可以改善系统的φ和u_T的输出，减弱输出产生的纹波。

$G_{\mathrm{PID}}\left(s\right)=\frac{K_P(T_{I}s+1)}{s}$ ——PID控制器传递函数，因为角加速度反馈回路已经贡献了一个零点，因此具体应用中，将PID控制器改为PI控制器。

$G_{\mathrm{ac}}\left(s\right)=\frac{s}{(T_{\mathrm{ac}1}s+1)(T_{\mathrm{ac}2}s+1)}$ ——加速度反馈通道传递函数，具体应用中，为进一步增强阻尼作用，取微分加惯性环节形式。

具体设计参数时，为保证解耦性能，应保证K_c1K_pK_wK_dK_g>50。

根据以上参数，可得采用基于角加速度负反馈的速率陀螺稳定平台式天线随动跟踪系统的特性。

1、输出特性。q是系统视线角输入，ψ是系统的载体姿态角耦合输入；u_T是系统输出。

$u_T=\frac{K_T{K}_g{K}_{c1}}{K_Z}\stackrel{.}{q}-\frac{K_T}{K_w{K}_d{K}_z{K}_p}\stackrel{..}{\mathrm{\ψ}}$

等号右边第一项为随动系统输出到载体控制系统的信号，是与视线角速度成正比例的信号；第二项是载体角运动的铰链输出。表明系统实现了比例导引所要求的视线角速度信号输出。

2、解耦特性。即载体角运动对天线电轴在导航坐标系中的位置影响。计算系统稳态时φ(t)＝-ψ(t)。表明天线电轴能够隔离载体的姿态角运动。

3、抗关机性。即目标丢失后，对天线电轴在导航系的位置的影响，计算系统稳态时φ(t)＝-ψ(t)。表明载体角运动不影响天线电轴在导航系统中的位置，能保持目标丢失前的指向不变。

4、搜索特性。当接通随动系统方位或俯仰角位置反馈，断开测向角误差输入时，设扫描输入为信号R_s(t)。稳态时

$\mathrm{\φ}\left(t\right)=\frac{1}{K_f{K}_{\mathrm{\φ}}}{R}_s-\frac{K_{c1}{K}_g}{K_z{K}_f{K}_{\mathrm{\φ}}}\stackrel{.}{\mathrm{\ψ}}$

表明天线能按照给定的信号，在方位或俯仰面上进行要求方式的扫描。当距离目标较近时，系统转换导引方式，由比例导引转换为追踪法导引，稳态时 $\mathrm{\φ}\left(t\right)=\frac{K_T{K}_D{K}_f{K}_{\mathrm{\φ}}}{K_f{K}_{\mathrm{\φ}}+K_D}(q-\mathrm{\ψ}).$

图3给出了输入q＝1(t)，ψ＝0；输出φ(t)和u_T(V)的曲线。可见稳态性能较好，并且实现了 $u_T=K_{\stackrel{.}{q}}\stackrel{.}{q}$ 的比例导引规律。

图4给出了q为输入，φ为输出的曲线。表明电轴可以稳定跟踪视线角，实现高精度跟踪。

图5给出了输入ψ＝5sin(2πt)，输出δ(t)＝ψ(t)+φ(t)的曲线。相当于载体作幅值为5°，频率为2Hz的扰动时，天线稳态误差小于0.05°。表明系统具有良好的解耦性能。

图6给出了扫描信号为6.4sin(2t)，输出φ(t)的曲线，表明只要输入适当的扫描信号，天线可以在-30°—30°之间搜索。

图71°测向误差输入，即输入q，方差为σ_i＝0.33。取K_c2＝1.2，即加速度回路起作用，输出φ曲线。得 ${\mathrm{\σ}}_{K_{c2}=1.2}=0.21,$ 表明天线随动系统的φ的角度输出得到平滑滤波。当K_c2＝0，即加速度回路不起作用时，得 ${\mathrm{\σ}}_{K_{c2}=0}=0.23.$ ${\mathrm{\σ}}_{K_{c2}=0}>{\mathrm{\σ}}_{K_{c2}=1.2},$ 因此加入加速度反馈回路可以进一步降低φ的输出的振荡。

Claims (5)

1、一种速率陀螺稳定平台式天线随动跟踪系统，它包括测向装置(1)、校正环节(3)、PID控制器(4)、PWM驱动(5)、力矩电机(6)、测角电位器(7)、角速率陀螺(12)和微分环节(10)；其特征是：组成角加速度负反馈、角速度负反馈、角位置负反馈三个闭环反馈控制回路；PWM驱动(5)、力矩电机(6)、角速率陀螺(12)、微分环节(10)和角加速度反馈放大环节(11)依次连接构成角加速度负反馈回路；PID控制器(4)、PWM驱动(5)、力矩电机(6)、角速率陀螺(12)和角速度反馈放大环节(9)依次连接构成角速度负反馈回路；测向装置(1)、前置放大器(2)、校正环节(3)和角速度负反馈回路连接构成角位置负反馈回路。

2、根据权利要求1所述的速率陀螺稳定平台式天线随动跟踪系统，其特征是：所述的角加速度负反馈回路的微分环节(10)对角速率陀螺(12)的输出进行微分得角加速度信号，与PWM驱动(5)、力矩电机(6)连接构成角加速度负反馈回路。

3、根据权利要求1或2所述的速率陀螺稳定平台式天线随动跟踪系统，其特征是：所述的PID控制器(4)在力矩电机(6)死区特性的前面，与角速率陀螺(12)和角速度反馈放大环节(9)依次连接构成角速度负反馈回路。

4、根据权利要求1或2所述的速率陀螺稳定平台式天线随动跟踪系统，其特征是：接通开关K₂，在角位置负反馈回路的基础上，加入由前置放大器(2)、校正环节(3)、角速度反馈回路、测角电位器(7)、放大环节(8)依次连接构成的角度搜索回路，随动系统经比例放大环节K_T的输出由比例导引信号变为追踪导引信号。

5、根据权利要求3所述的速率陀螺稳定平台式天线随动跟踪系统，其特征是：接通开关K₂，在角位置负反馈回路的基础上，加入由前置放大器(2)、校正环节(3)、角速度反馈回路、测角电位器(7)、放大环节(8)依次连接构成的角度搜索回路，随动系统经比例放大环节K_T的输出由比例导引信号变为追踪导引信号。

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