程小平

（船舶重工集團(tuán)公司723所，揚(yáng)州 225001）

0 引 言

艦載搜索雷達(dá)穩(wěn)定平臺為雷達(dá)天線提供了一個不受船體搖擺干擾的安裝平面，使雷達(dá)方位角與大地坐標(biāo)保持一致，是影響雷達(dá)戰(zhàn)技性能的重要組成部分之一。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，雷達(dá)穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)不斷向小型化、數(shù)字化方向發(fā)展。本文從工程應(yīng)用角度出發(fā)，利用大規(guī)?？删幊唐骷F(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）和面向運(yùn)動控制數(shù)字信號處理（DSP）芯片為硬件基礎(chǔ)，采用改進(jìn)型比例積分微分（PID）控制算法，實(shí)現(xiàn)了高可靠、高精度的全數(shù)字、小型化穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)設(shè)計方案。

1 系統(tǒng)組成和硬件設(shè)計

艦載搜索雷達(dá)穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)接收艦艇搖擺信號，并檢測平臺實(shí)時搖擺角度，由此得到誤差信號來執(zhí)行控制算法，控制平臺快速跟蹤船體的縱橫搖擺，使平臺保持水平，其原理框圖如圖1所示［1］。系統(tǒng)采用交流伺服電機(jī)為驅(qū)動執(zhí)行單元，以驅(qū)動器為電機(jī)功率驅(qū)動部分，以無刷雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器為位置檢測單元，以旋轉(zhuǎn)變壓器數(shù)字轉(zhuǎn)換器（RDC）模塊實(shí)時解算縱橫搖位置信號，以FPGA和DSP芯片為核心完成控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理、計算。

圖1 穩(wěn)定平臺系統(tǒng)原理框圖

系統(tǒng)中DSP芯片采用的是TMS320C28X系列TMS320F2812芯片，該系列DSP芯片面向運(yùn)動控制領(lǐng)域設(shè)計，集微控制器和高性能DSP的特點(diǎn)于一身，具有強(qiáng)大的控制和信號處理能力，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的控制算法，特別適用于有大批量數(shù)據(jù)處理的測控系統(tǒng)［2］。FPGA 芯片選用 Cyclone II系 列 芯 片EP2C6。數(shù)／模轉(zhuǎn)換器（DAC）選用具有四通道D／A轉(zhuǎn)換功能的芯片DAC7725，同時轉(zhuǎn)換縱、橫搖指令信號。

2 改進(jìn)型PID控制算法原理［3］

隨著PID控制算法的發(fā)展，數(shù)字PID控制發(fā)展為各種改進(jìn)、復(fù)合算法，是一種最普遍采用的控制方法。在數(shù)字系統(tǒng)中，離散PID算法的表達(dá)式為：

式中：U（k）為第k次采樣時控制器輸出；E（k）為第k次采樣時的偏差值；E（k－1）為第（k－1）次采樣時的偏差值；K p為控制器的比例系數(shù)；T i為控制器的積分時間；T d為控制器的微分時間。

取K i＝K p T／T i，K d＝K p T d／T，則有：

在實(shí)際的控制系統(tǒng)中，普通的PID控制算法往往不能滿足系統(tǒng)需要。為了艦載搜索雷達(dá)穩(wěn)定平臺的控制精度和跟蹤性能，運(yùn)用智能控制的思想改造普通PID算法，系統(tǒng)中復(fù)合運(yùn)用了積分分離、抗積分飽和、不完全微分的PID控制算法。

積分分離控制的思想是：當(dāng)系統(tǒng)誤差較大時，采用比例微分（PD）控制，取消積分作用，以避免產(chǎn)生大的超調(diào)量，同時使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)速度；當(dāng)誤差較小時，采用PID控制，引入積分作用，以保證系統(tǒng)的控制精度。

積分分離控制算法可表示為：

式中：參數(shù)β為積分項的開關(guān)系數(shù)，為根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定的誤差閥值。

抗積分飽和算法是為了防止系統(tǒng)由于一個方向的偏差而使控制進(jìn)入飽和區(qū)，其思想為：在計算U（k）時，先判斷上一時刻U（k－1）是否已經(jīng)超出限制范圍。若U（k－1）＞Umax，則只累加負(fù)偏差；若U（k－1）＜Umin，則只累加正偏差。該算法可避免控制量長時間停留在飽和區(qū)。

不完全微分PID控制算法的運(yùn)用可改善系統(tǒng)性能，相當(dāng)于在PID算法中加入1個一階慣性環(huán)節(jié)（低通濾波器）Gf（s）＝1／（1＋T fs），其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 不完全微分結(jié)構(gòu)

總控制輸出寫成微分方程離散化為：

結(jié)合使用上述幾種算法，能使穩(wěn)定平臺控制達(dá)到最佳性能，同時根據(jù)艦載搜索雷達(dá)穩(wěn)定平臺工作實(shí)際情況，把穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)分為開機(jī)歸零、正常搖擺、關(guān)機(jī)歸零、錯誤狀態(tài)歸零幾個區(qū)間，分區(qū)間設(shè)定PID參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的最佳調(diào)整。

3 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

3.1 FPGA軟件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括FPGA軟件和DSP軟件設(shè)計，根據(jù)FPGA芯片功能，其軟件設(shè)計框圖如圖3所示。

圖3 FPGA軟件框圖

FPGA芯片接收艦艇搖擺信號、依據(jù)RDC模塊數(shù)據(jù)解算縱橫搖實(shí)時位置信號、輸出PID運(yùn)算結(jié)果、與DSP交換數(shù)據(jù)等程序主要由RDC解算模塊、DSP數(shù)據(jù)交換模塊、DAC接口輸出模塊3個部分組成。

系統(tǒng)啟動時，F(xiàn)PGA程序同時接收外部縱橫搖指令數(shù)據(jù)和解算穩(wěn)定平臺位置數(shù)據(jù)，通過DSP數(shù)據(jù)交換模塊實(shí)時與DSP芯片交換數(shù)據(jù)，把DSP計算后的PID數(shù)據(jù)經(jīng)DA接口輸出模塊送給外部DA器件，經(jīng)DA器件處理后送給相關(guān)輸出口。

同時，F(xiàn)PGA程序還包括其他邏輯判斷、組合程序，以完成穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)的I／O口管理、平臺其他檢測、加電等邏輯控制。

3.2 DSP軟件實(shí)現(xiàn)

DSP軟件由主程序及用戶中斷程序組成，主程序按固定周期調(diào)用用戶中斷程序，整個程序包括初始化模塊、平臺狀態(tài)檢測模塊、后臺循環(huán)模塊、定時器中斷模塊。DSP控制軟件流程圖如圖4所示。

圖4 DSP控制軟件流程圖

系統(tǒng)啟動后，程序首先進(jìn)入初始化模塊，完成系統(tǒng)寄存器、定時器、控制系統(tǒng)參數(shù)的初始化設(shè)定，然后檢測平臺狀態(tài)（正常、限位、故障等），打開定時器中斷使能，進(jìn)入后臺循環(huán)模塊，在循環(huán)程序中判斷平臺工作區(qū)間（開機(jī)歸零、工作搖擺、關(guān)機(jī)歸零、錯誤狀態(tài)歸零），并相應(yīng)設(shè)置PID參數(shù)、變量值。循環(huán)的同時主程序按固定周期進(jìn)入定時器中斷程序，在中斷程序中調(diào)用PID計算子程序，完成PID控制算法計算。

DSP軟件的核心部分為改進(jìn)型PID控制算法的實(shí)現(xiàn)，即定時器中斷模塊中調(diào)用的PID計算子程序部分，根據(jù)改進(jìn)型PID控制算法原理編制，其流程框圖如圖5所示。其中誤差閥值和不完全微分系數(shù)根據(jù)穩(wěn)定平臺系統(tǒng)實(shí)際在調(diào)試中調(diào)整設(shè)置。

4 系統(tǒng)性能測試

系統(tǒng)性能測試時，由外部模擬器仿真艦體縱、橫搖擺指令信號，裝訂縱搖指令為±6.5°幅度、4 s時間周期正弦波，橫搖為±15°、6 s時間周期正弦波。穩(wěn)定平臺系統(tǒng)軟硬件設(shè)計時，設(shè)定誤差增益1°對應(yīng)6 V，即K＝6 V／°，在若干搖擺周期內(nèi)測量其誤差電壓均方根值E，代入（E／K）×（π／180）×1 000換算成毫弧度表示的搖擺誤差。誤差測試結(jié)果如表1所示。其中Er、E p分別為縱、橫搖搖擺誤差，v為雷達(dá)天線掃描速度。

圖5 控制算法實(shí)現(xiàn)程序流程圖

表1 穩(wěn)定平臺縱橫搖擺誤差表

由表1可看出，雷達(dá)天線轉(zhuǎn)速越低，天線轉(zhuǎn)動對穩(wěn)定平臺性能影響越小。當(dāng)天線以最高轉(zhuǎn)速60 r／min轉(zhuǎn)動時，穩(wěn)定平臺系統(tǒng)誤差也只有0.931 mrad，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于系統(tǒng)指標(biāo)3 mrad。

5 結(jié)束語

本文所述的艦載搜索雷達(dá)穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)，基于FPGA和DSP芯片全數(shù)字化處理，硬件組成簡單，可靠性高，采用了改進(jìn)型的PID控制算法，系統(tǒng)響應(yīng)速度快，跟蹤精度高。該穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)已成功應(yīng)用于某裝備中，經(jīng)過了一系列的試驗(yàn)考驗(yàn)，性能穩(wěn)定，工作可靠。

［1］曹正才.一種新型高精度艦載雷達(dá)伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計［J］.雷達(dá)與對抗，2001（3）：54－62.

［2］三恒星科技.TMS320F2812 DSP原理與應(yīng)用實(shí)例［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2009.

［3］劉金琨.先進(jìn)PID控制 MATLAB仿真［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2005.