馬文韜

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十八研究所，江蘇 南京 210014)

?

二軸穩(wěn)定平臺(tái)穩(wěn)定精度分析

馬文韜

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十八研究所，江蘇 南京 210014)

穩(wěn)定平臺(tái)是一種安裝在載體上，能夠隔離載體安裝面的位置變化，提供一個(gè)水平安裝面的設(shè)備。主要對(duì)某二軸穩(wěn)定平臺(tái)的穩(wěn)定精度進(jìn)行了分析，得到了穩(wěn)定精度與干擾力矩大小有關(guān)的結(jié)論，干擾力矩增大，穩(wěn)定精度下降。

穩(wěn)定平臺(tái)；穩(wěn)定精度；干擾力矩

由于部隊(duì)機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)的需要，越來(lái)越多的光電偵察設(shè)備集成在車載升降桅桿的頂部，當(dāng)桅桿舉升工作時(shí)，環(huán)境中各種因素的影響將導(dǎo)致紅外偵察設(shè)備的視線造成擾動(dòng)，此時(shí)獲取的外部環(huán)境信息具有不連續(xù)性，應(yīng)經(jīng)過(guò)復(fù)雜的姿態(tài)矩陣變換后才能對(duì)其進(jìn)行處理與識(shí)別。為了消除上述影響，通常在升降桅桿與傳感器之間安裝可有效隔離載體運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定平臺(tái)，來(lái)實(shí)現(xiàn)視線穩(wěn)定，使傳感器視線在大地坐標(biāo)系中保持穩(wěn)定，從而實(shí)現(xiàn)車載傳感器系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)的可靠、高精度跟蹤與測(cè)量。本文主要分析并研究某車載紅外設(shè)備兩軸穩(wěn)定平臺(tái)穩(wěn)定精度。

1　穩(wěn)定平臺(tái)工作原理

穩(wěn)定平臺(tái)的工作原理是通過(guò)姿態(tài)測(cè)量得出當(dāng)前實(shí)時(shí)姿態(tài)信息，通過(guò)驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)節(jié)上平臺(tái)面達(dá)到穩(wěn)定姿態(tài)。

當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)隨車體發(fā)生抖動(dòng)時(shí)，要測(cè)量出抖動(dòng)量，然后對(duì)該抖動(dòng)量進(jìn)行補(bǔ)償。本文選用兩軸穩(wěn)定平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)視軸的穩(wěn)定。兩軸穩(wěn)定平臺(tái)以隔離原理為理論基礎(chǔ)，選用現(xiàn)代控制元件為執(zhí)行元件，最終實(shí)現(xiàn)視軸在慣性空間的穩(wěn)定。

兩軸穩(wěn)定平臺(tái)由方位環(huán)和俯仰環(huán)構(gòu)成，以實(shí)現(xiàn)在方位與俯仰方向的穩(wěn)定。方位環(huán)和俯仰環(huán)穩(wěn)定回路均采用陀螺儀作為慣性敏感元件，敏感載體運(yùn)動(dòng)在方位上產(chǎn)生角誤差，該角誤差信號(hào)以相應(yīng)極性和線性比例的電壓信號(hào)形式輸出，經(jīng)過(guò)預(yù)處理的電壓信號(hào)通過(guò)控制器在直流力矩電動(dòng)機(jī)軸上產(chǎn)生反作用穩(wěn)定力矩，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)視軸擾動(dòng)的抑制，保持視軸在慣性空間的相對(duì)穩(wěn)定[1]。

表5　無(wú)助焊劑共晶工藝內(nèi)部水汽含量表

4　結(jié)語(yǔ)

在具體工藝過(guò)程中，還可以通過(guò)對(duì)比上述研究積累的X射線照片，根據(jù)X射線照相的空洞分布特征，快速判斷產(chǎn)生空洞的原因，為工藝參數(shù)調(diào)整提供捷徑。

[1] Licari J J, Enlow L R.混合微電子電路技術(shù)手冊(cè)[M]. 朱瑞廉，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2004.

責(zé)任編輯鄭練

2　穩(wěn)定平臺(tái)組成及技術(shù)指標(biāo)

紅外穩(wěn)定平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)紅外設(shè)備在水平和俯仰方向上的穩(wěn)定、搜索和跟蹤功能，它由水平回轉(zhuǎn)座、俯仰框架、慣性傳感器、角度傳感器、力矩電動(dòng)機(jī)以及控制電路板組成[2]。結(jié)構(gòu)外形如圖1所示。

圖1　穩(wěn)定平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

紅外穩(wěn)定平臺(tái)采集慣性傳感輸出的方位角速率和俯仰角速率信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)方位電動(dòng)機(jī)和俯仰電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)穩(wěn)定，其功能框圖如圖2所示。

圖2　穩(wěn)定平臺(tái)功能框圖

紅外穩(wěn)定平臺(tái)需要達(dá)到的穩(wěn)定精度：瞄準(zhǔn)線雙向穩(wěn)定≤0.1 mrad(1σ)。

3　穩(wěn)定精度計(jì)算

3.1穩(wěn)定平臺(tái)控制模型

平臺(tái)穩(wěn)定系統(tǒng)控制框圖如圖3所示。由速率陀螺構(gòu)成的速度閉環(huán)形成了穩(wěn)定系統(tǒng)主回路，一旦系統(tǒng)受到外擾動(dòng)，穩(wěn)定平臺(tái)通過(guò)速率陀螺獲得平臺(tái)相對(duì)慣性空間的角速度，經(jīng)信號(hào)調(diào)理后驅(qū)動(dòng)力矩電動(dòng)機(jī)輸出力矩，以抵抗干擾力矩，直至平臺(tái)相對(duì)慣性空間的角速度為零?？梢?jiàn)基于速度反饋的穩(wěn)定平臺(tái)能夠迅速把擾動(dòng)消除在速度閉環(huán)內(nèi)，保證跟蹤過(guò)程中光軸的始終穩(wěn)定[3]。

圖3　穩(wěn)定回路(速度環(huán))原理框圖

上述參數(shù)中，Tm、Te和Ce為力矩電動(dòng)機(jī)傳遞函數(shù)參數(shù)，根據(jù)本系統(tǒng)選用的力矩電動(dòng)機(jī)參數(shù)、速率陀螺參數(shù)，以及負(fù)載折算到電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，可以獲得電動(dòng)機(jī)、速率陀螺和穩(wěn)定平臺(tái)臺(tái)體的傳遞函數(shù)G1(s)、G2(s)和G3(s)[4]。

3.2速度環(huán)校正

調(diào)整穩(wěn)定控制系統(tǒng)開環(huán)增益。由于速度環(huán)為Ⅰ型系統(tǒng)，在階躍輸入作用下可完全消除靜態(tài)誤差，但是要求增益充分大。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的穩(wěn)定精度為0.1 mrad，即要滿足靜態(tài)誤差<0.006°，為保證裕量，應(yīng)針對(duì)速度環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)波特圖調(diào)整開環(huán)增益，使其滿足靜態(tài)誤差要求。

考慮到速度環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)波特圖中的相角裕度太小，導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性較差，因此，應(yīng)采用超前校正提高截止頻率，以使相角裕度>45°。此外為消除噪聲影響，要求高頻區(qū)的斜率應(yīng)≥-40 dB/dec，因此，還必須對(duì)高頻進(jìn)行校正。經(jīng)過(guò)反復(fù)計(jì)算，調(diào)整并確定校正函數(shù)。在仿真計(jì)算中最終獲得的速度環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)波特圖如圖4所示。

圖4　最終校正速度環(huán)的波特圖

圖4中校正后開環(huán)系統(tǒng)的截止頻率約為20 rad/s，相位裕度為46°，幅值裕度為32.4，可以看出，此時(shí)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性得到了很大改善，響應(yīng)速度較快，且低頻段增益充分大，高頻段增益減小，滿足速度控制系統(tǒng)要求。

3.3穩(wěn)定平臺(tái)精度計(jì)算

影響穩(wěn)定精度的主要因素是框架不平衡力矩、摩擦力矩、載體擾動(dòng)力矩以及風(fēng)阻力矩。為了說(shuō)明本系統(tǒng)在干擾作用下的穩(wěn)定精度，在計(jì)算機(jī)上利用MATLAB軟件對(duì)設(shè)計(jì)的穩(wěn)定平臺(tái)控制系統(tǒng)模型進(jìn)行模擬干擾力矩仿真[5-6]。假設(shè)閉環(huán)系統(tǒng)的輸入為0，在平臺(tái)軸系上直接施加各種模擬干擾力矩。對(duì)各種干擾力矩進(jìn)行模擬仿真后獲得的穩(wěn)定精度曲線如圖5～圖8所示。

圖5　　　　輸入大小為500 gf·cm正弦波干擾力矩時(shí)　　　的穩(wěn)定精度曲線

圖6　　　　輸入大小為800 gf·cm正弦波干擾力矩時(shí)的　　　穩(wěn)定精度曲線

圖7　　　　輸入大小為500 gf·cm方波干擾力矩時(shí)的　　　穩(wěn)定精度曲線

圖8　　　　輸入大小為800 gf·cm方波干擾力矩時(shí)的　　　穩(wěn)定精度曲線

4　結(jié)語(yǔ)

綜合上述分析可知，穩(wěn)定精度與干擾力矩大小有關(guān)，干擾力矩變大，穩(wěn)定精度下降。而平臺(tái)的主要干擾力矩為摩擦力矩、導(dǎo)線干擾力矩和質(zhì)量不平衡力矩，最大干擾力矩預(yù)計(jì)可達(dá)800 gf·cm。從上述穩(wěn)定精度模擬仿真中可看出，在800 gf·cm的外加干擾力矩條件下，該穩(wěn)定平臺(tái)穩(wěn)定精度的峰值約為±0.2 mrad，折合為0.07 mrad(1σ)，滿足0.1 mrad(1σ)的指標(biāo)要求，且留有裕量，因此，穩(wěn)定平臺(tái)的穩(wěn)定精度能夠達(dá)到0.1 mrad的指標(biāo)要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 胡壽松.自動(dòng)控制原理[M]. 北京：科學(xué)出版社，2005.

[2] 張鵬.艦載攝像穩(wěn)定平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].艦船電子對(duì)抗，2006，6(3)：70-73.

[3] 張智永.移動(dòng)載體穩(wěn)定跟蹤平臺(tái)測(cè)控技術(shù)研究匯[D]. 長(zhǎng)沙：國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2001.

[4] 郭新勝.車載穩(wěn)定平臺(tái)伺服控制系統(tǒng)[D]. 南京：南京理工大學(xué)，2004.

[5] 王蘇.艦載激光武器高精度穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2009.

[6] 張施賢.機(jī)載相機(jī)穩(wěn)定平臺(tái)伺服系統(tǒng)的研究[D]. 南京：南京理工大學(xué)，2008.

作者簡(jiǎn)介：馬文韜(1981-)，男，工程師，主要從事指控裝備機(jī)構(gòu)工藝設(shè)計(jì)等方面的研究。

收稿日期：2015-12-25

責(zé)任編輯鄭練

Stabilized Precision Analysis of Two Axes Stablized Platform

MA Wentao

(The 28th Research Institute of CETC, Nanjing 210014, China)

The stablized platform which is fixed on the carrier can isolute the change of the carrier’s installation surface and supply the retentive plane. Mainly analyze the stabilized precision of a two-axes stablized platform. The stable accuracy is associated with the disturbance torque size, and when the disturbance torque increases, the stable accuracy decreases.

stablized platform, stabilized precision, disturbance torque

TN1 24

A

李波(1974-)，男，高級(jí)工程師，大學(xué)本科，主要從事混合電路組裝、封裝工藝等方面的研究。

2015-12-18