大型雷達(dá)天線的精度補(bǔ)償研究

劉喆，湯輝，倪仁品

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

Research on Compensating Precision in the Large-scale Radar

LIU Zhe，TANG Hui，NI Renpin

(NO.38 Research Institute of CETC，Hefei 230088，China)

摘要：闡述了某大型雷達(dá)天線的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析了軸系誤差測(cè)量和精度補(bǔ)償?shù)脑?。介紹了PCC(programmable computer controller)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)使用PCC控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)某大型雷達(dá)天線的俯仰運(yùn)動(dòng)，詳細(xì)描述了控制系統(tǒng)軟件程序的設(shè)計(jì)。最后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量獲得雷達(dá)天線的誤差補(bǔ)償模型，實(shí)現(xiàn)了該雷達(dá)天線的高精度運(yùn)動(dòng)控制。

關(guān)鍵詞：雷達(dá)天線；精度補(bǔ)償；PCC控制系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP23

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-2257(2015)04-0023-03

收稿日期：2014-10-29

作者簡(jiǎn)介：劉喆(1985-)，男，河南鄭州人，工程師，研究方向?yàn)樗欧刂?；湯輝(1980-),男，安徽淮南人，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樗欧刂疲荒呷势?1966-)，男，安徽合肥人，工程師，研究方向?yàn)樗欧刂啤?/p>

Abstract：The structural characteristic of the large-scale radar antenna was introduced. The principle of measuring error and compensating precision were analyzed. The feature of PCC was stated. The PCC is used in a large-scale radar system. The design of PCC program was concerned. The model of compensating precision was carried out experimentally. The high-precision motion control of the radar antenna was achieved.

Key words：radar antenna；compensating precision； PCC control system

0引言

大型化天線是未來(lái)雷達(dá)的一個(gè)重要發(fā)展方向。對(duì)于運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，使用傳統(tǒng)的閉環(huán)控制方法很難實(shí)現(xiàn)大型雷達(dá)天線的平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)和精準(zhǔn)定位。因此，軸系誤差測(cè)量和精度補(bǔ)償技術(shù)成為實(shí)現(xiàn)大承載高精度傳動(dòng)與控制的必然手段。高性能的角度檢測(cè)裝置和控制系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)高精度運(yùn)動(dòng)控制的必要手段。在此，使用鋼柵尺作為角度傳感器，使用PCC作為運(yùn)動(dòng)控制器，實(shí)現(xiàn)了某大型雷達(dá)天線的俯仰運(yùn)動(dòng)控制。利用誤差檢測(cè)和精度補(bǔ)償?shù)南嚓P(guān)方法，實(shí)現(xiàn)了大型雷達(dá)天線的高精度運(yùn)動(dòng)控制。

1雷達(dá)總體結(jié)構(gòu)

研究的對(duì)象是某大型雷達(dá)，天線的長(zhǎng)寬尺寸超過(guò)10 m，重量接近100 t。雷達(dá)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。為了保證該大型天線的平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)采用雙端驅(qū)動(dòng)形式，即左右各1套傳動(dòng)和位置檢測(cè)裝置。雷達(dá)天線安裝在2個(gè)支撐座之間，通過(guò)齒輪傳動(dòng)的形式，依靠伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)該天線的俯仰運(yùn)動(dòng)。鋼柵尺是角度測(cè)量傳感器。PCC控制器是雷達(dá)天線運(yùn)動(dòng)的控制核心，它與各個(gè)部件相連，接收各傳感器的反饋信息和角度參數(shù)，輸出運(yùn)動(dòng)指令控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)天線的俯仰運(yùn)動(dòng)。

圖1　雷達(dá)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)使用的鋼柵尺是AMO公司設(shè)計(jì)的一種直線/角度測(cè)量傳感器，具有精度高、抗干擾等特點(diǎn)。鋼柵尺的系統(tǒng)組成如圖2所示。鋼帶尺上分布著腐蝕刻制的高精度柵格，使用過(guò)盈配合套裝在旋轉(zhuǎn)軸上；讀數(shù)頭固定在軸承支座上，當(dāng)被測(cè)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，讀數(shù)頭與鋼帶尺相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)參數(shù)測(cè)量；細(xì)分盒的功能是數(shù)據(jù)處理。系統(tǒng)使用一款增量式鋼柵尺，采用雙讀數(shù)頭形式，旋轉(zhuǎn)1周輸出1 039 360個(gè)脈沖，每個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)約1.25″。

圖2　鋼柵尺測(cè)量系統(tǒng)

2誤差測(cè)量和精度補(bǔ)償原理

大型雷達(dá)天線軸系誤差測(cè)量和精度補(bǔ)償?shù)脑砣鐖D3所示。使用高精度的角度測(cè)量裝置可以獲得天線陣面的真實(shí)俯仰角度，這個(gè)值與鋼柵尺傳感器示數(shù)之間的偏差就是運(yùn)動(dòng)控制誤差。在天線運(yùn)動(dòng)行程上選取若干特定點(diǎn)進(jìn)行誤差測(cè)量，再經(jīng)過(guò)諧波分析或曲線擬合即可得到誤差補(bǔ)償模型。將誤差補(bǔ)償模型代入控制器的程序算法中，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)讓天線運(yùn)轉(zhuǎn)，通過(guò)軟件的方式實(shí)現(xiàn)了軸系精度的實(shí)時(shí)補(bǔ)償。

圖3　軸系精度補(bǔ)償原理

針對(duì)大型雷達(dá)的特點(diǎn)，選用激光跟蹤儀作為角度測(cè)量手段。雷達(dá)天線角度測(cè)量原理如圖4所示。激光跟蹤儀測(cè)量天線陣面上4個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的空間坐標(biāo)，通過(guò)坐標(biāo)運(yùn)算可以獲得陣面的傾角和兩端扭動(dòng)程度。采用算法消除天線兩端的扭動(dòng)后，由激光跟蹤儀測(cè)算出的陣面傾角可以作為天線的真實(shí)俯仰角代入誤差分析。

圖4　雷達(dá)天線角度測(cè)量原理

誤差補(bǔ)償模型可以分為公式模型和查表模型。公式模型的含義是推導(dǎo)出補(bǔ)償曲線的數(shù)學(xué)公式后直接代入控制器中，這種誤差補(bǔ)償方法精準(zhǔn)度高，但是計(jì)算復(fù)雜，適用于高性能控制器。查表模型是將擬合出的補(bǔ)償曲線離散成補(bǔ)償表，該表保存在控制器內(nèi)部以備查詢。查表法不需要復(fù)雜運(yùn)算，不影響控制器的實(shí)時(shí)動(dòng)作。在此，使用三次曲線插值擬合補(bǔ)償曲線，并利用查表法構(gòu)建運(yùn)動(dòng)誤差補(bǔ)償模型。

3控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1PCC控制器

PCC是貝加萊公司提出的自動(dòng)控制系統(tǒng)。PCC控制系統(tǒng)融合了PLC和工業(yè)PC的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，采用Runtime定性分時(shí)多任務(wù)的操作系統(tǒng)，具備可靠性高、多任務(wù)運(yùn)行、運(yùn)算速度高、內(nèi)存和存儲(chǔ)單元容量大、擴(kuò)展性和開放性好、通信組網(wǎng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在工業(yè)控制領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。本設(shè)計(jì)使用貝加萊2003系列PCC模塊搭建運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，2003系列PCC采用模塊化結(jié)構(gòu)，支持熱插拔，屬于高性價(jià)比的緊湊型可編程控制器。

PCC控制系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是分時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，全部任務(wù)程序按照優(yōu)先級(jí)分層，優(yōu)先級(jí)高的任務(wù)具有較短的循環(huán)周期。在PCC軟件系統(tǒng)中，關(guān)鍵任務(wù)及時(shí)間要求高的任務(wù)一般放在優(yōu)先級(jí)高的任務(wù)層中，普通任務(wù)可以放在優(yōu)先級(jí)較低的任務(wù)層中。如圖5所示，Cyclic #1是優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)層，它的循環(huán)周期最短，而Cyclic #2、Cyclic #3隨著優(yōu)先級(jí)依次遞減，循環(huán)周期依次遞增。優(yōu)先級(jí)高的任務(wù)可以中斷優(yōu)先級(jí)低的任務(wù)，因此，系統(tǒng)可以保證高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的實(shí)時(shí)執(zhí)行。PCC的分時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)使得循環(huán)周期處理更加靈活，優(yōu)化了控制系統(tǒng)資源，提高控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

圖5　PCC分時(shí)多任務(wù)的執(zhí)行示意

3.2軟件程序設(shè)計(jì)

PCC控制系統(tǒng)的軟件任務(wù)層如表1所示，所有的程序被分為3層。Cyclic #1層放入強(qiáng)實(shí)時(shí)任務(wù)，包括指令解析、參數(shù)計(jì)算、動(dòng)作執(zhí)行以及狀態(tài)機(jī)跳轉(zhuǎn)。Cyclic #2層放入的是弱實(shí)時(shí)任務(wù)，包括PCC系統(tǒng)與監(jiān)控主站、角度傳感器的通信。Cyclic #3層的任務(wù)優(yōu)先級(jí)和實(shí)時(shí)性要求最低，它實(shí)現(xiàn)的動(dòng)作包括故障處理、IO映射和按鍵掃描等。

表1　PCC軟件任務(wù)層

PCC控制器的軟件流程如圖6所示。指令解析、計(jì)算運(yùn)動(dòng)參數(shù)、誤差補(bǔ)償、狀態(tài)機(jī)跳轉(zhuǎn)和元器件動(dòng)作這5個(gè)任務(wù)屬于Cyclic #1強(qiáng)實(shí)時(shí)任務(wù)層，其他的程序都是以這個(gè)任務(wù)循環(huán)作為主體。首先，鋼柵尺的角度信息被傳遞到參數(shù)計(jì)算程序塊，經(jīng)過(guò)解碼運(yùn)算后進(jìn)入誤差補(bǔ)償任務(wù)。接著，PCC控制器查詢誤差補(bǔ)償表，修正運(yùn)動(dòng)參數(shù)。隨后，軟件程序依據(jù)補(bǔ)償后的參數(shù)控制狀態(tài)機(jī)的跳轉(zhuǎn)，并執(zhí)行實(shí)時(shí)動(dòng)作。這時(shí)，Cyclic #1強(qiáng)實(shí)時(shí)任務(wù)循環(huán)結(jié)束，PCC控制器準(zhǔn)備下一次任務(wù)循環(huán)。

圖6　軟件控制流程

4實(shí)驗(yàn)

利用圖4所示原理標(biāo)定某大型雷達(dá)天線的6個(gè)俯仰運(yùn)動(dòng)角度，同時(shí)根據(jù)鋼柵尺的反饋示數(shù)計(jì)算對(duì)應(yīng)的角度。2個(gè)角度值及測(cè)角誤差如表2所示。

在圖7中，橫軸是鋼柵尺角度，縱軸是測(cè)角誤差，6個(gè)標(biāo)記點(diǎn)對(duì)應(yīng)每次誤差標(biāo)定。使用三次曲線擬合法擬合1條曲線，該曲線就是雷達(dá)天線的誤差補(bǔ)償曲線。為了減少PCC控制系統(tǒng)的CPU計(jì)算壓力，采用查表法保存精度補(bǔ)償模型。以0.1°為間隔在橫坐標(biāo)進(jìn)行離散化處理，再將對(duì)應(yīng)的數(shù)值導(dǎo)入PCC控制器中，保存成數(shù)組表格的形式以備查詢。

表2　天線誤差測(cè)量

圖7精度補(bǔ)償擬合曲線

5結(jié)束語(yǔ)

研究了大型雷達(dá)天線誤差測(cè)量和精度補(bǔ)償?shù)脑?，使用鋼柵尺作為角度反饋裝置，PCC系統(tǒng)作為運(yùn)動(dòng)控制器，詳細(xì)介紹了主要功能部件的工作原理。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了提出的精度補(bǔ)償方法，實(shí)現(xiàn)了大型雷達(dá)天線的高精度運(yùn)動(dòng)控制。

該技術(shù)能夠在精度較低的結(jié)構(gòu)硬件條件下，僅通過(guò)軟件算法補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)控制精度的提升，大幅度節(jié)約成本，降低開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。提出的設(shè)計(jì)思路也可以在大型雷達(dá)的控制系統(tǒng)中作為參考范例。

參考文獻(xiàn)：

[1]張力.天線座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與軸系精度分析.西安:西安電子科技大學(xué)，2012.

[2]鮑茂然.感應(yīng)同步器精密測(cè)角技術(shù)研究.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013.

[3]齊蓉，肖維榮.可編程控制器技術(shù).北京:電子工業(yè)出版社，2011.

[4]貝加萊工業(yè)自動(dòng)化公司.自動(dòng)化運(yùn)行(Runtime)系統(tǒng) TM213.2007:29.