徐志亮

[摘 要]針對大型天線系統(tǒng)應(yīng)用過程中統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)簡單，不能適應(yīng)低頻風(fēng)擾動(dòng)等一些復(fù)雜環(huán)境的現(xiàn)狀，本文在基于內(nèi)模原理LQR輸出反饋控制器基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出天線伺服自動(dòng)化測試系統(tǒng)，并對天線伺服自動(dòng)化測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、有限元模型、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行介紹。最后將系統(tǒng)應(yīng)用到天線檢測中，用測試的實(shí)例證明了系統(tǒng)具有實(shí)用性。

[關(guān)鍵詞]天線伺服系統(tǒng) 自動(dòng)化測試 內(nèi)模原理 有限元模型

中圖分類號：TM 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）10-0019-01

天文觀測領(lǐng)域中大口徑射電望遠(yuǎn)鏡得到了廣泛應(yīng)用。大型天線系統(tǒng)應(yīng)用過程中，傳統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)簡單，不能適應(yīng)低頻風(fēng)擾動(dòng)等一些復(fù)雜環(huán)境，不能讓高精度伺服指標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)[1-2]。為解決這一問題，本文在基于內(nèi)模原理LQR輸出反饋控制器基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出天線伺服自動(dòng)化測試系統(tǒng)，并通過實(shí)例應(yīng)用證明了系統(tǒng)可行性。

1.天線伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

此次研究我們以上海某一大型射電望遠(yuǎn)鏡為研究對象，此望遠(yuǎn)鏡口徑為65米，包括方位轉(zhuǎn)動(dòng)及仰臥轉(zhuǎn)動(dòng)兩個(gè)系統(tǒng)。速度環(huán)還有位置環(huán)分別由陀螺儀、軸角編碼器等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并將數(shù)據(jù)反饋到速度輸入及位置輸入上。射電望遠(yuǎn)鏡驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由電機(jī)、齒輪箱、放大器等組成，伺服系統(tǒng)主要由方位伺服、俯仰伺服兩個(gè)控制系統(tǒng)。

2.天線伺服系統(tǒng)有限元模型

2.1 模態(tài)結(jié)構(gòu)模型

通過有限元建模的方法我們能夠得到天線伺服系統(tǒng)的模態(tài)結(jié)構(gòu)模型。具體方法是：將天線復(fù)雜結(jié)構(gòu)體劃分成一個(gè)個(gè)節(jié)點(diǎn)單元（基本構(gòu)建組成），并在牛頓力學(xué)原理下以各個(gè)節(jié)點(diǎn)單元節(jié)點(diǎn)速度、加速度及位移等當(dāng)作研究對象，構(gòu)建出天線伺服系統(tǒng)的模態(tài)結(jié)構(gòu)方程.[3]

2.2 傳遞函數(shù)

通過公式（2-2）能夠得到系統(tǒng)的傳遞函數(shù)：

（2-3）

鑒于、都是對角陣，因此我們在上式基礎(chǔ)上能夠得出第個(gè)模態(tài)之下的傳遞函數(shù)：

（2-4）

3.天線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

天線伺服自動(dòng)化測試系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是由主機(jī)顯示控制單元，光耦隔離電路，MCU，電流采樣電路，直流電動(dòng)機(jī)，功率驅(qū)動(dòng)電路，速度采樣電路等結(jié)構(gòu)部分所組成[5]。其中主機(jī)顯示控制單元屬于人機(jī)交互界面，能夠在此界面對MCU發(fā)送各種控制指令（如起動(dòng)、減速、提速、緊急制動(dòng)、制動(dòng)等等）。MCU在接受控制指令之后就會(huì)按照指令要求對反饋的電流信號及速度信號進(jìn)行反饋，在反饋過程中電流速度采樣電路負(fù)責(zé)采集電流信號，速度采樣器負(fù)責(zé)采集速度信號，之后會(huì)在既定控制器下將PWM脈沖輸出。PWM脈沖會(huì)通過光耦隔離電路對功率驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)的CMOS管進(jìn)行控制，控制CMOS管關(guān)閉及導(dǎo)通，并在此基礎(chǔ)上達(dá)到控制電機(jī)輸入電壓、控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的目的。

在此驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中我們要對電機(jī)輸入電壓平均值進(jìn)行調(diào)節(jié)只要對PWM所占的空比進(jìn)行調(diào)節(jié)就能夠?qū)崿F(xiàn)，通過這樣的調(diào)節(jié)就能夠讓電機(jī)速度達(dá)到給定值。

4.系統(tǒng)測試

為測試天線伺服自動(dòng)化系統(tǒng)的實(shí)用性，我們將天線系統(tǒng)方位的速度輸入u 還有方位角的位移輸出y 進(jìn)行對接處理，得到系列系統(tǒng)參數(shù)，隨后按照圖3及圖4 進(jìn)行模擬連接，分別得到系統(tǒng)的測試示意圖及系統(tǒng)的辨識示意圖。

此次設(shè)計(jì)的天線伺服系統(tǒng)是由 MCU控制卡、傳動(dòng)部分、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等結(jié)構(gòu)部分所組成得。MCU測試卡在功能上同MCU 控制卡是一致的，此卡應(yīng)用的目的是要讓系統(tǒng)可以采集同實(shí)際系統(tǒng)相同的信號[6]。系統(tǒng)在對信號進(jìn)行辨識的時(shí)候，會(huì)在軟件平臺的辨識區(qū)域中對辨識信號參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，同時(shí)根據(jù)所設(shè)置的參數(shù)生成相應(yīng)辨識信號，并經(jīng)過CAN總線將這些信號分別發(fā)送到MCU測試卡及MCU 控制卡上，并讓他們產(chǎn)生相同控制信號 u。

MCU控制卡會(huì)將控制信號向天線伺服系統(tǒng)輸入，從而達(dá)到控制天線伺服系統(tǒng)的作用；同時(shí)MCU控制卡還能利用軸角編碼器對天線的輸出信號y進(jìn)行采集，采集之后通過CAN 總線將這些信號傳輸?shù)娇刂破鞯脑O(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)。而MCU測試卡會(huì)根據(jù)接收速度給定一個(gè)信號u，同時(shí)MCU測試卡還會(huì)自周角編碼器得到一個(gè)輸出信號y，系統(tǒng)將所獲得的輸入、輸出信號進(jìn)行同步處理，就能夠?qū)π盘栠M(jìn)行辨識了。

對于測試中的辨識信號，在測試中我們采用的是典型方波信號，在此系統(tǒng)下，表現(xiàn)優(yōu)異的一些偽隨機(jī)信號會(huì)更容易得到。測試中為確保辨識可靠性，我們將此系統(tǒng)應(yīng)用到3種不同天線系統(tǒng)中進(jìn)行辨識測試。但限于篇幅我們僅選取一套系統(tǒng)辨識實(shí)例進(jìn)行介紹。

我們將設(shè)計(jì)系統(tǒng)應(yīng)用到口徑為0.6米的天線系統(tǒng)中，系統(tǒng)檢測過程中的測試指標(biāo)為：實(shí)驗(yàn)信號的寬度T是6s，幅值M是3，實(shí)驗(yàn)的持續(xù)時(shí)間是10s，階躍的時(shí)間t0是1s。表1給出了測試中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

從上表可以看出，天線伺服自動(dòng)化測試系統(tǒng)辨識的結(jié)果比較穩(wěn)定，在多次辨識中所得到的參數(shù)波動(dòng)不大，同我們預(yù)先期望相符合。

5.結(jié)束語

綜上所述，基于內(nèi)模原理的LQR輸出反饋控制器可讓天線伺服自動(dòng)化測試系統(tǒng)控制器性能得到有效改善，通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)系統(tǒng)具備極強(qiáng)的實(shí)用性，能夠在不是特別苛刻的控制效果下，得到預(yù)期目的，天線伺服自動(dòng)化測試系統(tǒng)使用狀況良好，工作人員工作負(fù)擔(dān)大大減輕。

參考文獻(xiàn)

[1] 薄志峰.基于LabWindows/CVI的電動(dòng)舵機(jī)自動(dòng)化測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 國外電子測量技術(shù)，2015（5）：66-69.

[2] 張金全，陳正寧.天線方向圖自動(dòng)測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2014，33（1）：40-44.

[3] 鄧江安，金晟，李銳.基于定位信息的天線伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].艦船電子工程，2014（7）：194-197.