吳婉蘭，陳施華，劉 麗

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京 211153)

雷達(dá)伺服控制安全性和可靠性的若干技術(shù)設(shè)計(jì)

吳婉蘭，陳施華，劉 麗

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京 211153)

介紹了雷達(dá)伺服控制安全性和可靠性的若干技術(shù)設(shè)計(jì)，主要包括安全開關(guān)技術(shù)設(shè)計(jì)、電機(jī)報(bào)閘技術(shù)設(shè)計(jì)、電氣限位技術(shù)設(shè)計(jì)、穩(wěn)定平臺(tái)防傾倒技術(shù)設(shè)計(jì)及跟蹤引導(dǎo)數(shù)據(jù)外推插值預(yù)報(bào)算法。具體介紹了相關(guān)的電訊設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)處理方法，并給出了部分實(shí)際應(yīng)用結(jié)果。

伺服系統(tǒng)；穩(wěn)定平臺(tái)；安全開關(guān)；報(bào)閘；電氣限位

0 引 言

伺服系統(tǒng)是雷達(dá)的重要組成部分。當(dāng)伺服系統(tǒng)出現(xiàn)故障不能工作時(shí)，雷達(dá)系統(tǒng)隨之失去功效，故現(xiàn)代雷達(dá)對(duì)伺服系統(tǒng)的可靠性提出了很高的要求。隨著技術(shù)的進(jìn)步，交流伺服系統(tǒng)的可靠性達(dá)到了相當(dāng)高的水平，但失效和故障仍是不能完全避免的。當(dāng)伺服控制出現(xiàn)故障時(shí)，控制系統(tǒng)應(yīng)立即停止當(dāng)前運(yùn)動(dòng)或直接切斷電源并報(bào)警，將安全風(fēng)險(xiǎn)降至最低，確保設(shè)備安全，避免可能造成的安全隱患。這就需要機(jī)電控制系統(tǒng)應(yīng)具有可靠的故障檢測(cè)方法及完善的故障處理措施。

1 安全開關(guān)技術(shù)設(shè)計(jì)

為保障維修人員的安全，雷達(dá)天線穩(wěn)定轉(zhuǎn)臺(tái)上設(shè)有安全開關(guān)。當(dāng)安全開關(guān)處于“斷”位置時(shí)，天線轉(zhuǎn)臺(tái)控制模塊禁止轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)并發(fā)出相應(yīng)的故障報(bào)警信息；當(dāng)安全開關(guān)處于“通”位置時(shí)，天線轉(zhuǎn)臺(tái)方可正常運(yùn)動(dòng)。安全開關(guān)設(shè)計(jì)的有效性涉及維修人員的人身安全，必須采取多重措施確保安全開關(guān)斷開時(shí)天線轉(zhuǎn)臺(tái)能夠停止運(yùn)動(dòng)。如圖1所示，在硬件設(shè)計(jì)時(shí)，采用固態(tài)繼電器K1控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)三相動(dòng)力電Ma、Mb和Mc。當(dāng)安全開關(guān)斷開，固態(tài)繼電器切斷驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力電，電機(jī)停止運(yùn)動(dòng)；同時(shí)，控制模塊使用安全開關(guān)狀態(tài)信號(hào)(SAFESWITCH_STATUS)控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)使能。安全開關(guān)斷開時(shí)狀態(tài)信號(hào)SAFESWITCH_STATUS為高電平，此時(shí)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)使能無(wú)效，即使固態(tài)繼電器K1損壞，電機(jī)依舊會(huì)停止運(yùn)動(dòng)，確保維修人員的人身安全。

2 電機(jī)報(bào)閘技術(shù)設(shè)計(jì)

艦載雷達(dá)穩(wěn)定方式現(xiàn)大多采用方位-俯仰型兩軸穩(wěn)定或方位-縱搖-橫搖三軸穩(wěn)定。俯仰軸、縱搖軸和橫搖軸一般采用帶報(bào)閘的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，當(dāng)穩(wěn)定平臺(tái)不工作時(shí)可確保俯仰軸、縱搖軸和橫搖軸穩(wěn)定在水平位置而不傾倒。當(dāng)穩(wěn)定平臺(tái)工作時(shí)，必須首先開報(bào)閘，然后驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)；若電機(jī)報(bào)閘未打開，而電機(jī)開始旋轉(zhuǎn)，則電機(jī)的報(bào)閘會(huì)很快磨損報(bào)廢，所以電機(jī)的報(bào)閘檢測(cè)電路必須可靠。

圖1 安全開關(guān)設(shè)計(jì)原理圖

圖2中，M為電機(jī)，當(dāng)開報(bào)閘信號(hào)OPEN_LOCK有效時(shí)(高電平)，繼電器K1閉合，電機(jī)報(bào)閘A端施加24V驅(qū)動(dòng)電壓，報(bào)閘B端接繞線電阻R4(功率8～10W)。若報(bào)閘打開，報(bào)閘檢測(cè)信號(hào)LOCK_CHECK為低電平，此時(shí)控制系統(tǒng)使能信號(hào)有效，驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作；反之，控制系統(tǒng)使能信號(hào)無(wú)效，電機(jī)不工作。

圖2 電機(jī)報(bào)閘信號(hào)檢測(cè)原理圖

3 電氣限位技術(shù)設(shè)計(jì)

對(duì)于運(yùn)動(dòng)范圍有限的機(jī)械系統(tǒng)，為了防止在伺服控制出現(xiàn)故障時(shí)機(jī)械運(yùn)動(dòng)超出運(yùn)動(dòng)范圍，造成設(shè)備損壞，必須設(shè)計(jì)限位保護(hù)裝置，包括電氣限位和機(jī)械限位緩沖器。當(dāng)伺服系統(tǒng)出現(xiàn)故障且機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)至電氣限位位置時(shí)，控制系統(tǒng)立即進(jìn)行制動(dòng)，隨即切斷電機(jī)驅(qū)動(dòng)，使機(jī)械系統(tǒng)以盡可能小的慣量沖擊機(jī)械限位緩沖器。圖3中，電氣限位傳感器采用歐姆龍E2E-X1R5E1型接近開關(guān)。當(dāng)電氣限位信號(hào)XW_Signal為高電平時(shí)，表示機(jī)械系統(tǒng)已運(yùn)動(dòng)至電氣限位位置，此時(shí)控制系統(tǒng)立即進(jìn)行電氣制動(dòng)，隨即切斷電機(jī)驅(qū)動(dòng)，使電機(jī)停止工作。

在實(shí)際工作中，如果電氣限位傳感器損壞，則限位保護(hù)裝置失效，機(jī)械運(yùn)動(dòng)還有可能超出運(yùn)動(dòng)范圍，造成設(shè)備損壞。為了防止上述情況出現(xiàn)，在實(shí)際運(yùn)用中，同時(shí)使用機(jī)械運(yùn)動(dòng)測(cè)角傳感器的位置信號(hào)進(jìn)行判斷。當(dāng)測(cè)角位置連續(xù)超出限位位置時(shí)，控制系統(tǒng)同樣進(jìn)行電氣制動(dòng)、切斷電機(jī)驅(qū)動(dòng)，使電機(jī)停止工作。

圖3 電氣限位檢測(cè)原理圖

4 穩(wěn)定平臺(tái)防傾倒技術(shù)設(shè)計(jì)

艦載型警戒雷達(dá)穩(wěn)定平臺(tái)控制一般采用平臺(tái)羅經(jīng)的縱搖和橫搖信號(hào)作為閉環(huán)控制的給定值。平臺(tái)羅經(jīng)的縱、橫搖信號(hào)由于傳輸干擾等原因時(shí)會(huì)出現(xiàn)時(shí)間長(zhǎng)短不一、幅值大小不定的突跳。這種不確定性的突跳給閉環(huán)控制帶來很大的階躍輸入，造成閉環(huán)控制的劇烈振蕩，甚至導(dǎo)致穩(wěn)定平臺(tái)失控傾倒，而一般的平滑濾波并不能取得令人滿意的效果。本文采用的限位恒速跟隨法可有效解決上述問題，具體方法：在平臺(tái)羅經(jīng)縱、橫搖信號(hào)瞬時(shí)發(fā)生突跳時(shí)，控制系統(tǒng)給定值不是直接采用突跳信號(hào)，而是從當(dāng)前位置以較小的恒定速度逼近突跳信號(hào)。若給定信號(hào)逼近運(yùn)動(dòng)范圍邊界時(shí)，給定信號(hào)保持在邊界值不再遞增(給定值限位)。當(dāng)突跳信號(hào)回落時(shí)，給定信號(hào)同樣以較小的恒定速度回落。圖4中，data1為艦船橫搖信號(hào)，當(dāng)data1發(fā)生突跳時(shí)，采用限位恒速跟隨法得到data2信號(hào)。 data2在位置上是連續(xù)的，消除了data1的位置階躍突跳，只是在突跳的上、下沿有著較小的速度波動(dòng)，從而避免了位置閉環(huán)控制的劇烈振蕩，確保穩(wěn)定平臺(tái)不會(huì)失控傾倒。

圖4 橫搖信號(hào)防突跳處理示意圖

5 跟蹤引導(dǎo)數(shù)據(jù)外推插值預(yù)報(bào)算法

某些具有跟蹤功能的雷達(dá)，其跟蹤功能需要外部系統(tǒng)給伺服控制系統(tǒng)提供真實(shí)目標(biāo)的引導(dǎo)位置。由于伺服系統(tǒng)自身的采樣控制頻率一般比較高(通常大于等于100 Hz)，而外部提供的引導(dǎo)數(shù)據(jù)率比較低。因此，為保證引導(dǎo)的精度和可靠性，需要對(duì)引導(dǎo)數(shù)據(jù)進(jìn)行外推預(yù)報(bào)計(jì)算，使得外推計(jì)算的數(shù)據(jù)率與伺服系統(tǒng)的采樣控制頻率一致，從而減小控制誤差，實(shí)現(xiàn)天線平穩(wěn)無(wú)抖動(dòng)跟蹤。

當(dāng)外部提供的引導(dǎo)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)率和伺服系統(tǒng)的采用頻率都是固定不變時(shí)，一般采用離散型等距點(diǎn)牛頓后插公式進(jìn)行數(shù)值外推[2]。實(shí)際試驗(yàn)表明，上述方法非常有效。等距點(diǎn)牛頓后插外推預(yù)報(bào)公式如下：

圖5為某雷達(dá)方位跟蹤數(shù)據(jù)外推預(yù)報(bào)示意圖，data1為方位跟蹤外部引導(dǎo)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)率為1 Hz。使用二階差分對(duì)data1進(jìn)行外推預(yù)報(bào)。

圖5中，data2為data1的二階外推預(yù)報(bào)值，數(shù)據(jù)率為100 Hz，data2較之data1明顯平滑連續(xù)，可引導(dǎo)伺服系統(tǒng)進(jìn)行平穩(wěn)跟蹤。

圖5 某型雷達(dá)方位跟蹤數(shù)據(jù)外推預(yù)報(bào)示意圖

6 結(jié)束語(yǔ)

安全性和可靠性是伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。當(dāng)故障和失效發(fā)生時(shí)，將安全風(fēng)險(xiǎn)降至最低并確保人身和設(shè)備安全是雷達(dá)伺服系統(tǒng)必須具有的基本功能。本文介紹了雷達(dá)伺服控制常見的安全開關(guān)技術(shù)設(shè)計(jì)、電機(jī)報(bào)閘技術(shù)設(shè)計(jì)、電氣限位技術(shù)設(shè)計(jì)、穩(wěn)定平臺(tái)防傾倒技術(shù)設(shè)計(jì)及跟蹤引導(dǎo)數(shù)據(jù)外推插值預(yù)報(bào)算法等，對(duì)雷達(dá)轉(zhuǎn)臺(tái)伺服系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

[1] 平麗浩，等．雷達(dá)結(jié)構(gòu)與工藝[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[2] 陳曾平，等．電路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與專用系統(tǒng)構(gòu)成[M]．北京：科學(xué)出版社，2006.

[3] 叢爽，等．實(shí)用運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[4] 劉勝，等．現(xiàn)代伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M]．哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2001.

Design of several technologies of safety and reliability of radar servo control

WU Wan-lan, CHEN Shi-hua, LIU Li

(No.724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

Several technologies of safety and reliability of radar servo control is designed, mainly including the safety switch, the motor lock, the electric limit stop, the tilting resistance of the stabilizing platform, and the extrapolation forecast algorithm of the tracked and derived data. The corresponding telecommunication design and data processing methods are introduced specifically, and part of the applied results is also given.

servo system; stabilizing platform; safety switch; lock; electric limit stop

2014-03-11；

2014-03-28

吳婉蘭(1979-)，女，工程師，碩士，研究方向：控制理論與控制工程；陳施華(1979-)，女，高級(jí)工程師，碩士，研究方向：控制理論與控制工程；劉麗(1988-)，女，助理工程師，碩士，研究方向：控制理論與控制工程。

TN820.3

A

1009-0401(2014)02-0056-03