王 虎，仲崇峰，李付軍，喬 揚

(中國電子科技集團公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

某球載穩(wěn)定平臺系統(tǒng)設(shè)計

王 虎，仲崇峰，李付軍，喬 揚

(中國電子科技集團公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

針對球載穩(wěn)定平臺系統(tǒng)設(shè)計過程中存在的對重量與空間的嚴格限制等難點，文中著重從結(jié)構(gòu)設(shè)計、伺服控制方面進行了闡述，并針對設(shè)計難點給出了解決方案與實現(xiàn)方法。通過合理設(shè)計和精心布局，找到了一種重量輕、承載力大的穩(wěn)定平臺系統(tǒng)，為今后類似的穩(wěn)定平臺設(shè)計提供了寶貴的理論和實踐基礎(chǔ)。

球載穩(wěn)定平臺系統(tǒng)；伺服控制；結(jié)構(gòu)設(shè)計

引 言

系留氣球裝置作為飛機和衛(wèi)星不可替代的一種全新概念的空中平臺，可搭載各類電子裝備，在氣象探測以及遠程通訊等軍事和民用方面應(yīng)用廣泛，可以在時間和空間上彌補飛機和衛(wèi)星的不足[1]。穩(wěn)定平臺系統(tǒng)為球載雷達的關(guān)鍵部分，其主要作用是消除或減弱系留氣球姿態(tài)變化對雷達天線的影響[2]，實現(xiàn)天線指向可控，并可驅(qū)動天線作預(yù)定掃描動作。隨著球載平臺功能的多樣化，對其重量與空間的要求越來越苛刻。穩(wěn)定平臺系統(tǒng)在向著輕量化、小型化方向發(fā)展的同時對伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性提出了較高的要求。本文通過論述某型球載雷達穩(wěn)定平臺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計和伺服控制方案的優(yōu)化，探討了輕量化設(shè)計、高精度實時運動補償技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)的解決途徑，并通過有限元仿真對結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性進行了分析和驗證。

1.環(huán)境的影響。當前，社會環(huán)境中各種享樂主義、拜金主義思想不斷沖擊著職工隊伍，在挑戰(zhàn)和考驗面前，一些黨員干部、項目管理人員的世界觀、人生觀、價值觀、利益觀發(fā)生扭曲，進而導(dǎo)致行為失范。

1 穩(wěn)定平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 方位機構(gòu)設(shè)計

如圖1所示，方位機構(gòu)主要由基座、方位驅(qū)動裝置、旋轉(zhuǎn)組合、回轉(zhuǎn)支承以及撥叉組成。本設(shè)計采用電機不跟轉(zhuǎn)(定軸轉(zhuǎn)動)的方式，即方位驅(qū)動裝置安裝在基座上，回轉(zhuǎn)支承的內(nèi)圈、外圈分別與基座和俯仰轉(zhuǎn)盤固定連接，通過方位驅(qū)動回轉(zhuǎn)支承實現(xiàn)俯仰轉(zhuǎn)盤的方位運動，這種定軸轉(zhuǎn)動方案省去了為方位電機供電的大功率旋轉(zhuǎn)組合，減少了通道數(shù)，同時也減輕了重量。

圖1 方位機構(gòu)示意圖

設(shè)備掛架上的光信號、電信號經(jīng)過旋轉(zhuǎn)組合到達俯仰電機及天線設(shè)備，旋轉(zhuǎn)組合下端安裝在俯仰轉(zhuǎn)盤上，通過撥叉實現(xiàn)相對運動。

2017年，為了進一步推動我國科技期刊的發(fā)展，提高其整體水平，更好地宣傳和利用我國的優(yōu)秀學(xué)術(shù)成果，中國科學(xué)技術(shù)信息研究所對中國正式出版的各學(xué)科6154種中英文期刊進行綜合科學(xué)評價，遴選出新的300種以中文出版的中國精品科技期刊，其中《冶金分析》雜志有幸入選“第4屆中國精品科技期刊”。中國科學(xué)技術(shù)信息研究所在中國精品科技期刊的基礎(chǔ)上，擇優(yōu)遴選頂尖學(xué)術(shù)論文，建設(shè)了“中國精品科技期刊頂尖學(xué)術(shù)論文—領(lǐng)跑者5000(F5000)平臺”，集中對外展示和交流我國的優(yōu)秀科技論文，《冶金分析》同時為“中國精品科技期刊頂尖學(xué)術(shù)論文(F5000)”項目來源期刊。

2.2 驅(qū)動器

高性能負載回轉(zhuǎn)支承的應(yīng)用，既省去了軸承、軸以及方位齒輪等傳動件，減輕了重量，又省去了齒圈的安裝定位，因而方位機構(gòu)更加緊湊可靠。

安裝在天線陣面上的航姿測量系統(tǒng)直接實時輸出天線的方位角度信息，用以參與閉環(huán)控制并被實時送達信號處理系統(tǒng)用于顯示。

1.2 俯仰機構(gòu)設(shè)計

由于天線陣面的重心距離俯仰軸遠，偏心負載太大， 因此若采用傳統(tǒng)的圓柱齒輪傳動，雖然結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，成熟度高，但要達到較高的承載能力，則傳動比大，傳動鏈級數(shù)多，穩(wěn)定平臺的驅(qū)動裝置重量大[3]，安全性差，無法滿足研制要求。經(jīng)過反復(fù)研究，俯仰機構(gòu)擬采用電動缸驅(qū)動方式，如圖2所示。該結(jié)構(gòu)形式重量輕，比傳統(tǒng)的圓柱齒輪傳動驅(qū)動形式輕30%左右，提高了穩(wěn)定平臺系統(tǒng)的穩(wěn)定性和與天線陣面的適裝性[3]。

圖2 俯仰結(jié)構(gòu)設(shè)計

俯仰機構(gòu)主要由俯仰轉(zhuǎn)盤、電動缸、俯仰角度反饋裝置等組成。電動缸的絲杠副兩端加碟形彈簧，起緩沖保護和機械限位的作用，無需再設(shè)計專用的機械限位。通過三維仿真模擬，優(yōu)化電動缸推點的位置，使得電動缸運行到一側(cè)極限位置時，推桿末端不與安裝在穩(wěn)定平臺上的分機發(fā)生干涉，同時保證滿足俯仰驅(qū)動力矩要求。

3.1.1 系統(tǒng)化設(shè)計

2 伺服系統(tǒng)設(shè)計

對現(xiàn)有國內(nèi)外軟件的應(yīng)用分析調(diào)研是搭建基于建筑信息模型架構(gòu)的關(guān)鍵一步，通過應(yīng)用分析，找出架構(gòu)不合理和不足的部分，為重新架構(gòu)明確方向，確定建筑模型的描述方法，為后續(xù)集成做好技術(shù)支撐。

圖3 控制器功能框圖

這是采訪的好機會，記者怎么會放棄呢。一個扛著攝影機的人屁顛屁顛跟在記者后面，倆人跑到牛黃丸面前。記者對著話筒興奮地朝他說，我們電視臺首先代表全市人民向英雄致敬！接下來，我們想請你談?wù)勛约菏侨绾斡露反跬降氖虑?？說完就把話筒遞到他的嘴前。

驅(qū)動器接收姿態(tài)測量系統(tǒng)送來的氣球航向角信號、姿態(tài)角信號、角速度信號等，并接收控制器指令，控制天線運轉(zhuǎn)，同時輸出天線在地理坐標系下的角度。它由單片機最小系統(tǒng)、RS422接口、同步串行接口、A/D轉(zhuǎn)換器、PWM功率放大器等組成，其功能框圖如圖4所示。

圖4 驅(qū)動器功能框圖

3 關(guān)鍵技術(shù)

將安裝在天線框架上的3個分機合理集成于俯仰轉(zhuǎn)盤上，使得天線框架的縱向尺寸大幅減小，剛度要求降低，重量大大減輕，同時也降低了俯仰的驅(qū)動功率。穩(wěn)定平臺系統(tǒng)的尺寸雖然增大了，但仍然在整個天線包絡(luò)內(nèi)，最終滿足載荷系統(tǒng)的重量指標。圖5為系統(tǒng)化布局形式。

系留氣球?qū)走_重量和空間有嚴格的限制，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時必須進行輕量化設(shè)計。擬采用以下2種措施來加以保證：1)系統(tǒng)化設(shè)計，確定最佳的整體布局，從整個系留載荷系統(tǒng)上減輕重量；2)高性能負載比設(shè)計，選擇合適的驅(qū)動方式，通過合理的集成，優(yōu)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計。

（三）識記漢字低年級學(xué)生是記性好，忘性大地。針對這個特點，應(yīng)該及時地鞏固。鞏固一定要多次數(shù)，多數(shù)量，當然也要多方法，比如采取小火車快快開，看誰記性好，誰當小老師等多富趣味性地方法會讓學(xué)生在保持積極地狀態(tài)下更牢固地記住生字。

通過前期對穩(wěn)定平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的優(yōu)化，確定了驅(qū)動方案，然而整個載荷系統(tǒng)仍然超重。因此需對整個載荷系統(tǒng)進行系統(tǒng)化設(shè)計，以最終實現(xiàn)輕量化目標。

3.1 輕量化設(shè)計技術(shù)

圖5 系統(tǒng)化布局形式

3.1.2 高性能負載比設(shè)計

根據(jù)俯仰轉(zhuǎn)盤跨度大、懸臂承重等特點，需對其進行高性能負載比設(shè)計，如圖6所示。擬采用鋁板拼焊而成，材料選用焊接性能良好的5A06，主承力框架由中心圓筒及6塊主支撐板組成，呈輻射狀排布。在滿足空間尺寸包絡(luò)要求的條件下，增加俯仰轉(zhuǎn)盤桁高，以減輕自重及增大剛度。此外，主吊耳承受整個天線的重量，該部位通過斜拉板與上平面相連，局部加筋板，以增加其剛強度，同時采取有效措施，減小應(yīng)力集中。根據(jù)仿真分析結(jié)果，對俯仰轉(zhuǎn)盤進行進一步優(yōu)化設(shè)計，以提高負載比。

圖6 俯仰轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)設(shè)計

控制器的功能包括接收信號處理指令，發(fā)出驅(qū)動信號給驅(qū)動器，控制天線啟動或停轉(zhuǎn)；接收姿態(tài)測量系統(tǒng)輸出的天線航向、姿態(tài)等信號。經(jīng)過判斷處理后，將穩(wěn)定平臺系統(tǒng)的工作狀態(tài)、方位角度、俯仰角度等送給信號處理單元?？刂破饔蓡纹瑱C最小系統(tǒng)、RS422接口、同步串行接口等組成，其功能框圖如圖3所示。

3.2 高精度實時運動補償技術(shù)

方位和俯仰軸的控制采用經(jīng)典PI控制，將姿態(tài)測量系統(tǒng)直接安裝在天線安裝板上，輸出的3個角度就是天線的方位角、俯仰角和橫滾角，同時，它還可以輸出天線3個方向的旋轉(zhuǎn)角速度。驅(qū)動器根據(jù)給定角度和姿態(tài)測量系統(tǒng)輸出的角度進行比較，得到角度誤差，進行位置環(huán)放大與校正，形成位置閉環(huán)控制。位置環(huán)輸出的速度控制量再與姿態(tài)測量系統(tǒng)輸出的角速度進行比較，得到基于地理坐標系的角速度誤差，進行速度環(huán)放大與校正，形成速度閉環(huán)控制[4]。電流閉環(huán)由PWM功率放大器電路SA03構(gòu)成，直接驅(qū)動直流電機。位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)這3個閉環(huán)系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)放大倍數(shù)和積分時間常數(shù)，可以改變系統(tǒng)的穩(wěn)定精度和響應(yīng)速度。PI控制框圖如圖7所示。

圖7 PI控制框圖

2.1 控制器

每個人與他人他物打交道之時，首先是站在自身角度出發(fā)看待對象，不論是人還是物質(zhì)，都會被冠以客體之名，并以對象的身份待之。人人是主體，主體是人人，但人類總是缺乏換位思考的能力，在自我主體與互為客體的交往行為當中，必定會引起對方的不滿與抵制，導(dǎo)致人際關(guān)系的緊張與不睦，這將是人之主體的矛盾所在。他人的對象客體化，對他人主體性的確立產(chǎn)生強烈的沖擊，人與人關(guān)系的定位陷入互相制約之中，而非相互進步。在社會實踐過程中，避免不了人與人的相互交涉，“我”既是自我眼中的主體，也是他人眼中的客體，人與人之間的主體與客體處于相互倒轉(zhuǎn)的狀態(tài)。相互局限在片面的表象中，踐行自我的主體之姿，限制人類主體地位向完滿狀態(tài)的通達。

4 仿真分析

穩(wěn)定平臺系統(tǒng)的剛強度是設(shè)計分析中的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，剛度不足會使伺服系統(tǒng)不穩(wěn)定，強度不足會破壞系統(tǒng)，甚至影響其安全性。為了滿足輕量化的設(shè)計要求，本文采用有限元分析軟件對不同工況下的俯仰轉(zhuǎn)盤進行了優(yōu)化設(shè)計和剛強度計算。有限元模型共有1 437 865個節(jié)點和1 662 341個單元，如圖8所示。詳細的有限元計算結(jié)果見表1。

圖8 有限元模型

費洛姆這樣描述父親的愛，父親的愛是有條件的：“我愛你，因為你滿足了我的要求；我愛你，因為你盡到了你的職責；我愛你，因為你像我。”[7]59-61可惜，天生羸弱且宣稱自己是“最瘦的人”的卡夫卡與父親心中的期望相差甚遠。

表1 各工況下的剛強度響應(yīng)

如圖9所示，天線骨架的最大變形發(fā)生在沿OX軸橫滾23°且受到法向(Z向) 3 m/s2過載時，最大位移出現(xiàn)在天線骨架底部，為5.3 mm，滿足剛性要求。

毫無疑問，以上的文獻構(gòu)成了本文的研究基礎(chǔ)。但是他們對貿(mào)易便利化與貿(mào)易邊際增長關(guān)系的研究都基于二元邊際層面，并未將集約邊際深入分解為數(shù)量邊際和價格邊際，從而不能更為全面地揭示物流績效水平改善帶來的可觀的貿(mào)易帶動效果。對此，本文從三元邊際——擴展邊際、數(shù)量邊際和價格邊際的角度，來分析“一帶一路”物流績效指數(shù) （LPI）及6個分項指標對中國機械運輸設(shè)備出口的影響。

圖9 天線骨架最大變形

如圖10所示，最大應(yīng)力為34.1 MPa，發(fā)生在OX軸橫滾23°且受到法向(X向) 5 m/s2過載時，取安全系數(shù)1.5，則最小剩余安全裕度為1.5 > 0，滿足強度設(shè)計要求。

圖10 俯仰轉(zhuǎn)盤最大應(yīng)力

5 結(jié)束語

本文從結(jié)構(gòu)設(shè)計、伺服控制等方面詳細闡述了一種球載雷達穩(wěn)定平臺系統(tǒng)設(shè)計。為滿足輕量化要求，通過合理的載荷系統(tǒng)布局及驅(qū)動方案選擇，找到了一種新型的簡單可靠的機械結(jié)構(gòu), 獲得了較高的負載比，同時仿真結(jié)果滿足指標要求。目前該穩(wěn)定平臺系統(tǒng)已進入實際應(yīng)用階段，運行良好, 各方面指標均滿足設(shè)計要求。

[1] 馮強. 氣球載監(jiān)視雷達定位系統(tǒng)研究[D]. 西安: 西安電子科技大學(xué), 2010.

[2] 陳昌勝, 趙攀峰. 系留氣球載雷達系統(tǒng)分析[J]. 雷達科學(xué)與技術(shù), 2007, 5(6): 410-414.

[3] 吳金彪. 滾珠絲杠副在天線座穩(wěn)定平臺中的應(yīng)用[J]. 艦船電子對抗, 2008, 31(2): 116-117.

[4] 王振收. 機載SAR穩(wěn)定平臺直流力矩電機驅(qū)動器[J]. 現(xiàn)代雷達, 2006, 28(3): 70-75.

王 虎(1986-)，男，工程師，主要從事雷達機電傳動設(shè)計工作。

仲崇峰(1983-)，男，高級工程師，主要從事彈載雷達結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。

Design of a Balloon-borne Stable Platform System

WANG Hu，ZHONG Chong-feng，LI Fu-jun，QIAO Yang

(The38thResearchInstituteofCETC,Hefei230088,China)

To solve the strict restrictions of weight and dimension in the balloon-borne stable platform system, the structure design and servo control are expounded and the design method and realization process are introduced in this paper. A stable platform system,which has the characteristics of light weight and high-carrying capacity, is found through reasonable design and careful layout. It can provide valuable theoretical and practical basis for the design of the similar stable platform system.

balloon-borne stable platform system; servo control; structure design

2015-07-28

TN959.73

A

1008-5300(2015)06-0035-04