◆幸雪初 任 巍

（1.湖南省消防救援總隊 湖南 410205；2.長沙市消防救援支隊 湖南 410008）

1 引言

衛(wèi)星通信具有不受地域、環(huán)境及時間限制的特點，成為消防綜合救援主要應(yīng)急通信手段之一，近年來得到了迅速的應(yīng)用和發(fā)展，其中動中通系統(tǒng)作為消防應(yīng)急衛(wèi)星通信的模式，越來越受到高度重視。在動中通系統(tǒng)中，動中通天線是重要的關(guān)鍵設(shè)備，伺服跟蹤控制系統(tǒng)的可靠性及跟蹤精度始終是動中通天線面臨的最主要的技術(shù)瓶頸。為了在確保跟蹤可靠性、精度的前提下有效降低成本，目前國內(nèi)相關(guān)單位均在加緊開發(fā)新型的伺服跟蹤控制系統(tǒng)，但這一過程是漫長而且是逐步漸進的。對于消防動中通系統(tǒng)應(yīng)用單位來說，建設(shè)越早，其使用的動中通天線技術(shù)水平越低。但由于系統(tǒng)建設(shè)時間不長，又不可能將系統(tǒng)報廢重建。為此，如何利用先進成熟的技術(shù)對原動中通天線進行技術(shù)改造，提高性能而又不需要大的投入具有重大的現(xiàn)實意義。

我單位動中通系統(tǒng)是2010年建成投入使用的，是消防系統(tǒng)最早建成的動中通衛(wèi)星系統(tǒng)，曾經(jīng)是消防動中通系統(tǒng)應(yīng)用的示范項目。多年來系統(tǒng)穩(wěn)定，在滅火搶險救援中發(fā)揮了應(yīng)有的作用。該系統(tǒng)使用的0.9米動中通天線系統(tǒng)，如圖1所示。

但由于建設(shè)較早，技術(shù)相對不成熟，為此我單位提出了在不對系統(tǒng)硬件大改的前提下，通過控制軟件的升級來提高控制性能的思路，在原廠家的大力配合下，獲得了成功。

本文以我單位動中通天線為對象，探討了基于雙速度環(huán)的穩(wěn)定跟蹤系統(tǒng)的原理。通過引入前饋控制技術(shù)對原系統(tǒng)的控制系統(tǒng)進行了軟件升級，顯著提高動中通天線跟蹤精度，使我單位的動中通天線性能得到了很大提高，為我國突破制約天線實現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的主要技術(shù)瓶頸提供了新的技術(shù)手段。同時也為消防動中通天線的技術(shù)改造升級提供了一條思路。

圖1 動中通衛(wèi)星天線

2 我單位動中通天線系統(tǒng)改造前的控制系統(tǒng)分析以及改造思路

如圖 2所示，我單位使用的動中通天線為方位/俯仰兩軸結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定跟蹤平臺，在控制系統(tǒng)設(shè)計時將其化解為兩個單軸的穩(wěn)定跟蹤系統(tǒng)，每個軸的控制結(jié)構(gòu)如圖2，控制模型如圖 3，采用的是單速度環(huán)控制系統(tǒng)。

圖2 原動中通天線單軸速度環(huán)控制結(jié)構(gòu)

圖3 原動中通天線單軸速度環(huán)控制模型

在控制器設(shè)計時，在通帶內(nèi)滿足：

則有：

另外，原系統(tǒng)完全屬于反饋控制系統(tǒng)，在控制領(lǐng)域，前饋和反饋是兩種并列的控制方式。具有各自的優(yōu)勢。反饋控制必須等到被控參數(shù)出現(xiàn)偏差后，控制器才動作，以補償擾動對被控參數(shù)的影響。而動中通天線在實際工作過程中恰恰是要在受到各自姿態(tài)干擾的情況下，保持系統(tǒng)的輸出（天線指向）不變，應(yīng)用前饋控制會大大提該系統(tǒng)抗干擾的性能。

為此，本文提出采用以下兩種技術(shù)思路對原天線控制系統(tǒng)進行技術(shù)改造升級。這兩種方案均不需要對原系統(tǒng)的硬件進行變動，只需要升級軟件系統(tǒng)，也具有實現(xiàn)的可操作性。

（1）采用雙速度環(huán)方案取代原系統(tǒng)的單速度環(huán)方案；

（2）引入前饋控制技術(shù)提高系統(tǒng)的控制性能；

3 雙速度環(huán)穩(wěn)定控制系統(tǒng)的分析

在控制系統(tǒng)設(shè)計時將其化解為兩個單軸的雙速度環(huán)穩(wěn)定跟蹤系統(tǒng)，如圖4所示，數(shù)學(xué)模型框圖如圖5。

圖4 動中通天線單軸雙速度環(huán)控制結(jié)構(gòu)

圖5 雙速度環(huán)的模型框圖

在控制器設(shè)計時，在通帶內(nèi)滿足：

4 引入前饋控制的雙速度環(huán)穩(wěn)定控制系統(tǒng)

4.1 引入前饋控制的雙速度環(huán)穩(wěn)定控制結(jié)構(gòu)

在控制領(lǐng)域，前饋和反饋是兩種并列的控制方式。前面討論的都是反饋控制系統(tǒng)的應(yīng)用，反饋控制必須等到被控參數(shù)出現(xiàn)偏差后，控制器才動作，以補償擾動對被控參數(shù)的影響。

引入前饋控制的雙速度環(huán)控制結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 引入前饋控制的雙速度環(huán)控制系統(tǒng)

前饋控制雖然對擾動有很好的抑制作用，但必須基于兩個前提。一是必須精確得到被控對象的數(shù)學(xué)模型，二是對擾動的精確測量或估計。下面以俯仰軸為例探討前饋控制器的設(shè)計與實施。

4.2 俯仰軸電機速度閉環(huán)的傳遞函數(shù)的辨識

為了得到被控對象的數(shù)學(xué)模型，采用單位階躍激勵法辨識被控對象的數(shù)學(xué)模型。辨識的實驗框圖入圖7所示。

圖7 模型辨識框圖

測試條件：

（2）響應(yīng)單位：驅(qū)動器設(shè)定的速度單位（rpm）。

（3）采樣周期：2.048ms。

圖8 辨識曲線圖

4.3 俯仰正饋控制器設(shè)計與驗證

前饋控制系統(tǒng)的框圖如圖9。

圖9 前饋控制系統(tǒng)框圖

4.4 載體姿態(tài)干擾的測量估計

在動中通天線控制系統(tǒng)中，載體的姿態(tài)干擾沒有辦法直接測量，只能通過中間測試量估計得到。如圖10所示。

圖10 載體姿態(tài)干擾估計

5 改造前后效果對比

采用雙速度環(huán)和前饋控制兩種技術(shù)對我單位原動中通天線進行改造的技術(shù)思路，理論上是可行的。由于原系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)采用的基于CAN總線的多CPU分布式控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)都是數(shù)字控制系統(tǒng)，多 CPU結(jié)構(gòu)中也有足夠的冗余計算能力處理復(fù)雜的算法，升級時只需要對原系統(tǒng)的任務(wù)進行重新規(guī)劃，不需要更改任何硬件，具有實施的可行性。

編寫軟件后，對我單位的動中通天線控制軟件進行了升級并進行了調(diào)試，改造前后動中通天線的跟蹤性能在搖擺臺上測試的結(jié)果對比如圖11。

動中通天線改造前：跟蹤誤差的RMS值為0.48dB，極差值：3.2dB。

動中通天線改造后：跟蹤誤差的RMS值為0.28dB，極差值：0.9dB。

圖11 改造前后對比圖

6 結(jié)語

實踐證明，本文研究雙速度環(huán)和前饋控制兩種技術(shù)在動中通天線控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，對于提高動中通天線伺服跟蹤控制系統(tǒng)的性能提供了新的解決方案。探討出一種新的穩(wěn)定跟蹤技術(shù)，在不提高成本的前提下，有效地提高控制系統(tǒng)，從而很好解決制約天線實現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的主要瓶頸。本論文的實踐也為消防系統(tǒng)動中通天線的技術(shù)升級提供了一條切實可行的思路。