徐梁

中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司洛陽(yáng)電光設(shè)備研究所

本文研究的新型慣性平臺(tái)系統(tǒng)對(duì)傳統(tǒng)的平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)做出了整改，傳統(tǒng)的平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要是以氣浮單自由度陀螺儀為重要的敏感元件，但經(jīng)過(guò)重新設(shè)計(jì)后，用干涉式光纖陀螺取代了氣浮單自由度陀螺儀，重新建立起了陀螺慣性平臺(tái)的數(shù)字穩(wěn)定回路，并具有氣浮單自由度陀螺儀所不具備的良好的動(dòng)態(tài)性能及穩(wěn)態(tài)性能，不僅如此，新型慣性平臺(tái)系統(tǒng)較之傳統(tǒng)系統(tǒng)重量更輕、功耗更低、尺寸更小、價(jià)格更低、壽命更長(zhǎng)。

1 新型慣性平臺(tái)系統(tǒng)的穩(wěn)定回路建模及其組成

光纖陀螺慣性平臺(tái)摒棄了之前的穩(wěn)定回路設(shè)計(jì)，而是采用三軸對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)定，改變了原有軸彼此之間發(fā)生的耦合，三軸穩(wěn)定結(jié)構(gòu)是由3條互為孤立的數(shù)字穩(wěn)定回路構(gòu)成的。其中，每一條回路又包含敏感元件、執(zhí)行構(gòu)件、中間裝備以及穩(wěn)定目標(biāo)等多部分組成。

其結(jié)構(gòu)原理為：當(dāng)Mf以干擾力的形式對(duì)臺(tái)體框架軸起到作用時(shí)，光纖陀螺很快就會(huì)感受到該軸比較敏感的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，會(huì)相應(yīng)地把調(diào)寬信號(hào)輸出，此時(shí)的功率放大器就會(huì)促使后驅(qū)動(dòng)直流力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)，Md就會(huì)被作為電機(jī)力矩長(zhǎng)產(chǎn)生，并對(duì)臺(tái)體框架軸上的干擾力矩進(jìn)行抵消，通過(guò)各種作用原理，平臺(tái)便被穩(wěn)定在慣性空間。

根據(jù)直流力矩電機(jī)的自身工作原理，設(shè)電機(jī)機(jī)械時(shí)間常數(shù)（Tm）、電氣時(shí)間常數(shù)(Te)、電機(jī)力矩系數(shù)(Cm)、電機(jī)反電勢(shì)系數(shù)(Ce)、電機(jī)電樞的電鈕(Ra)。在陀螺穩(wěn)定回路的設(shè)計(jì)中，不光有光纖陀螺、直流力矩電機(jī)及校正網(wǎng)絡(luò)，其他的各個(gè)環(huán)節(jié)都可以是比例環(huán)節(jié)，可得穩(wěn)定回路另外方框圖，設(shè)光纖陀螺的傳遞函數(shù)（Kgs）、校正網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)（H(S)）、回路總放大倍數(shù)（k）。鑒于光纖陀螺工作中輸出的信號(hào)與其對(duì)角速度的敏感度構(gòu)成正比，因此，只有在信號(hào)輸出端口加上積分環(huán)節(jié)，才能使其與平臺(tái)穩(wěn)定回路相匹配。

現(xiàn)以?xún)?nèi)環(huán)軸作為典型案例，在忽略校正網(wǎng)絡(luò)的前提下，平臺(tái)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：

將數(shù)值代入（1），經(jīng)過(guò)化簡(jiǎn)后，得：

這時(shí)，開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性曲線(xiàn)圖，我們?cè)谙聢D很容易就可以得出相角裕度是-12.9°，幅值裕度是-51.6dB，但是這個(gè)系統(tǒng)是不穩(wěn)定的，迫切需要校正。

2 數(shù)字校正網(wǎng)絡(luò)相關(guān)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

2.1 串聯(lián)超前校正 新型平臺(tái)系統(tǒng)也會(huì)相應(yīng)存在新要求，如受到單位階躍作用時(shí)，穩(wěn)定回路應(yīng)該小于30%的響應(yīng)超調(diào)，調(diào)節(jié)時(shí)間應(yīng)該小于0.2秒，震蕩次數(shù)應(yīng)該小于2；當(dāng)干擾力矩是28000g.cm時(shí)，平臺(tái)的偏差角應(yīng)該不大于20毫分。由系統(tǒng)的時(shí)域指標(biāo)以及系統(tǒng)的頻域指標(biāo)之間存在的關(guān)系可得，需提高系統(tǒng)的相角裕度，可采用串聯(lián)超前校正。

原本的系統(tǒng)是I型的系統(tǒng)，從理論來(lái)說(shuō)，不存在階躍輸入作用中的穩(wěn)態(tài)誤差，但是卻需要對(duì)附加的相角和幅值進(jìn)行超前校正，加入超前校正目前的傳遞函數(shù)為

沒(méi)有校正時(shí)系統(tǒng)相角裕度是-12.9°,45°是系統(tǒng)的期望相角裕度，所以，可以取超前矯正所能達(dá)到的相角最大值65°，當(dāng)頻率為160rad/s時(shí)可以取得。經(jīng)計(jì)算，a的值為20，此時(shí)得到超前矯正傳遞函數(shù)是

超前矯正之后，系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)是

經(jīng)過(guò)校正之后，0.252dB就是系統(tǒng)的增值裕度，0.803則是相角裕度，196rad/s則是截止頻率，此時(shí)的數(shù)值雖穩(wěn)定，但達(dá)不到系統(tǒng)數(shù)據(jù)要求，因此，需要串聯(lián)滯后校正，對(duì)相角裕度進(jìn)行提高。

2.2 串聯(lián)滯后校正

3 數(shù)字校正網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)舉措

模擬電路形式一直被傳統(tǒng)的校正網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)所采用，其主要特點(diǎn)就是硬件結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，在調(diào)試工作中面臨困難。新型系統(tǒng)則是采用了光纖陀螺，其內(nèi)部的處理芯片型號(hào)為T(mén)MS320F206DSP，這種數(shù)字的校正網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，有著傳統(tǒng)校正網(wǎng)絡(luò)所不具備的優(yōu)勢(shì)，主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是TMS320F206DSP這種芯片具有高速運(yùn)算能力，能夠使控制值與響應(yīng)速度得到數(shù)值運(yùn)算的準(zhǔn)確性和高速性；二是TMS320F206DSP 處理器可以對(duì)周?chē)脑叨燃?，并形成結(jié)構(gòu)特性，運(yùn)用軟件技術(shù)對(duì)校正網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，在減少元件組成的同時(shí)，增加了新型系統(tǒng)的可移植。

光纖陀螺數(shù)字信號(hào)處理芯片型號(hào)為T(mén)MS320F206，其程序包括對(duì)陀螺的控制和數(shù)字校正網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)方面的程序。對(duì)陀螺的控制程序主要包括首先是芯片初始化，其次是等待中斷出現(xiàn)，再次是對(duì)數(shù)據(jù)的采集，最后是對(duì)相關(guān)信號(hào)的傳輸。陀螺控制程序存在內(nèi)部的接口以及空間預(yù)留，利用這兩個(gè)特點(diǎn)，可以把校正網(wǎng)絡(luò)程序方便快捷地嵌入進(jìn)主程序。此時(shí)的陀螺角速度值便會(huì)成為校正網(wǎng)絡(luò)的輸入值，在校正工作后，轉(zhuǎn)變?yōu)镻WM信號(hào)，最后作為光纖陀螺的最后輸出。此過(guò)程中都是以匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的形式對(duì)程序編程，控制算法程序表述為：程序入口-輸入校正網(wǎng)絡(luò)參數(shù)（a、b、T、T)-設(shè)初值y（k-1)=u(k-1)=0-本次采樣陀螺角速度值u（k）-計(jì)算校正網(wǎng)絡(luò)輸出值y（k）-輸出y（k）到累加器進(jìn)行調(diào)寬輸出運(yùn)算-為下一時(shí)刻準(zhǔn)備y（k）→y（k-1)，u(k）→u(k-1)-采集時(shí)刻-本次采樣陀螺角速度值u（k），如此循環(huán)，直至出現(xiàn)采集時(shí)刻。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上，本文對(duì)光纖陀螺慣性平臺(tái)穩(wěn)定回路設(shè)計(jì)模型進(jìn)行了分析，并對(duì)穩(wěn)定回路的校正網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了進(jìn)一步設(shè)計(jì)。將光纖陀螺的內(nèi)部具備高速運(yùn)轉(zhuǎn)及數(shù)值運(yùn)算能力的DSP處理芯片加以利用，把數(shù)字校正網(wǎng)絡(luò)手段直觀(guān)地展現(xiàn)出來(lái)，此方法不僅可以對(duì)元件構(gòu)成數(shù)量進(jìn)行簡(jiǎn)化，還可以方便系統(tǒng)重新組建和調(diào)試。

[1]黃威，陳家斌，張延順.光纖陀螺在航空武器裝備中的應(yīng)用及前景[J].電光與控制，2008（04）

[2]吳凡，楊小軍，曹劍中，劉波，楊敏達(dá)，宋憑.基于DSP的光軸穩(wěn)定平臺(tái)控制系統(tǒng)[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2010（03）