李朝陽，張立中，2，白楊楊，2

（1.長春理工大學 機電工程學院，長春 130022；

2.長春理工大學 空地激光通信國防重點學科實驗室，長春 130022）

激光通信大口徑地面站機電聯(lián)合仿真

李朝陽1，張立中1，2，白楊楊1，2

（1.長春理工大學 機電工程學院，長春 130022；

2.長春理工大學 空地激光通信國防重點學科實驗室，長春 130022）

針對激光通信大口徑地面站對目標快速掃描、迅速捕獲和穩(wěn)定跟蹤，減少伺服控制誤差，采用Solidworks、ADAMS和MATLAB對大口徑地面站機電控制系統(tǒng)聯(lián)合仿真。聯(lián)合仿真基于Solidworks建立的大口徑地面站物理模型，在ADAMS建立起系統(tǒng)動力學模型，在MATLAB上建立起伺服控制模型。通過對系統(tǒng)模型仿真結果分析，說明系統(tǒng)響應速度快、超調(diào)量小，視軸指向精度優(yōu)于5″，穩(wěn)態(tài)跟蹤精度優(yōu)于10″，滿足系統(tǒng)指標要求。仿真分析確立了系統(tǒng)的可實施性。另外伺服控制仿真參數(shù)為實際系統(tǒng)的控制調(diào)試提供了可靠參考，提高了設備研發(fā)效率。

激光通信；機電聯(lián)合仿真；ADAMS；MATLAB

激光通信是激光攜帶信息進行通信，具有通信速率高、通信容量大、信息安全性高、體積小、重量輕和功耗低等優(yōu)點［1］。激光通信對軍事信息傳輸、民用通信以及太空探索信息傳送等均有迫切需求［2］。

隨著激光通信的不斷發(fā)展，各國對激光通信技術的重視程度越來越高，對激光通信系統(tǒng)應用所涉及的各項關鍵性技術展開了更深入的研究［3］。空間激光通信工作環(huán)境一般比較復雜。激光的發(fā)射角比較小，這樣導致了激光的光束很窄，光端機對光束的捕獲難度增加。另外空間激光通信的距離遠，通信光端機間有很大的相對運動存在。激光通信過程中地面站能否在光束到達地面站位置時對光束快速捕獲和穩(wěn)定跟蹤成為激光通信能否穩(wěn)定有效進行的前提條件。所以地面站對激光光束迅速響應和穩(wěn)定跟蹤一直是各國激光通信建設研究的重點。

基于Solidworks建立的物理模型，利用ADAMS和MATLAB進行機電聯(lián)合仿真，在大口徑地面站加工之前對地面站控制系統(tǒng)的關鍵性指標進行了仿真驗證。確定了大口徑地面站機構能夠滿足系統(tǒng)控制指標要求。為地面站前期設計和優(yōu)化提供了有利參考，節(jié)約了大口徑地面站的設計成本，提高了大口徑地面站設計效率。

1 激光通信大口徑地面站

激光通信大口徑地面站主要完成對空間光端機發(fā)送的激光光束的掃描、捕獲和跟蹤，在跟蹤過程中進行激光通信。大口徑地面站主要由圖像處理系統(tǒng)、伺服控制系統(tǒng)和激光通信系統(tǒng)等幾大部分組成。其中伺服控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)對目標的快速捕獲瞄準和穩(wěn)定精確跟蹤。大口徑地面站機構運動分為方位運動和俯仰運動。俯仰軸系運動機構主要由通信天線、四通、俯仰軸、軸承、分裝式直流力矩電機、絕對式編碼器、俯仰軸座等組成。方位軸系運動機構主要有方位軸基座、方位軸、分裝式直流力矩電機、軸承、絕對式圓光柵、方位軸外殼和U形架等。另外除了系統(tǒng)運動部件外大口徑地面站還有地腳調(diào)平機構、地面支座和限位機構。在Solidworks中建立三維結構模型，如圖1所示。

大口徑地面站伺服控制主要技術指標如下所示：

（1）轉臺運動速度＞20°/s；

（2）保精度速度＞2°/s；

（3）轉臺運動范圍：方位：0°～360°，俯仰：-5°～+80°；

3）期限溢價是投資者持有長期債券承擔遠期風險的期限補償，當宏觀環(huán)境向好，投資者的風險偏好上升，對股市、原油等風險資產(chǎn)的需求增加，原油價格上漲，而對長期國債類防御性資產(chǎn)的需求減少，期限溢價上漲推高10年期國債收益率。

（4）視軸指向精度：優(yōu)于5″；

（5）跟蹤精度：優(yōu)于10″。

圖1 大口徑地面站結構示意圖

2 地面站仿真模型建立

2.1 簡化結構模型

在Solidworks中建立大口徑結構簡化模型，除去對伺服控制運動無關的地腳調(diào)平機構和地面支座等結構。另外對其余部件在總裝之前進行試裝、調(diào)整。由于利用ADAMS進行運動學、動力學仿真分析計算時，只需考慮構件的質量和質心位置，各個構件的外部形狀不予考慮［4］，所以在對各零件連接重組成構件的過程中只要在構件外形與原形差距不是很大的情況下，保證構件的質量和質心即可。由于軸承、電機、編碼器和通信天線等器件內(nèi)部零部件結構、材料各不相同，所以稱量出其重量后以最接近原外形的情況下畫出模型然后對其打孔、挖槽，進行質量和質心位置調(diào)整［5］。最后需要對俯仰軸系和方位軸系以增加配重等方式進行配平處理。將簡化的模型另存為“x_t”格式導入到ADAMS軟件中［6］。AD?AMS中仿真簡化模型如圖2所示。

2.2 ADAMS中仿真模型約束關系建立

導入ADAMS的模型各構件均定義為剛性，對各構件添加材料、顏色等屬性。對各構件間設置約束關系。各構件間主要約束關系定義如表1所示。

圖2 仿真簡化模型

表1 ADAMS中主要構件約束關系

2.3 參變量設置

在ADAMS中對方位軸和俯仰軸轉動副處分別施加旋轉力矩pit_torque和az_torque。分別將狀態(tài)變量VARVAL（pit_tor）和VARVAL（az_tor）賦值給pit_torque和az_torque。對運動機構存施加摩擦阻力矩，由于大口徑地面站的摩擦阻力主要來源于軸承內(nèi)部的摩擦，軸承內(nèi)部的摩擦屬于潤滑鋼和潤滑鋼之間的摩擦，阻尼系數(shù)為0.16［7］。在轉動副JOINT_3和JOINT_8分別產(chǎn)生角速度測量值和轉動角度測量值，方位軸系角速度：dakoujing.JOINT_ 3.MEA_1，俯仰軸系角速度：dakoujing.JOINT_8. MEA_1；方位軸系轉動角度：dakoujing.JOINT_3. MEA_2，俯仰軸系轉動角度：dakoujing.JOINT_8. MEA_2。各狀態(tài)變量參數(shù)設置如表2所示。

表2 狀態(tài)量與各參量設置對應關系

3 電機工作原理

根據(jù)直流力矩電機原理建立直流力矩電機電壓-角位移模型框圖，如圖3所示。圖中U(s)、ω(s)、θ(s)分別為電壓、轉動角速度和轉動角度，La、Ra、Cm、Ce、I、E、Md和Mf分別為電機電感、電阻、轉矩系數(shù)、反電動勢系數(shù)、電流、反電動勢、電機轉矩和摩擦轉矩，J為大口徑地面站總轉動慣量。

圖3 電機模型框圖

ADAMS與MATLAB聯(lián)合仿真中電壓-轉矩模型在MATLAB中建立，轉矩-轉動角度模型在ADAMS中實現(xiàn)。電壓-轉矩模型傳遞函數(shù)如式（1）。

式中，Te為電機電磁時間常數(shù)，Te=La/Ra。

表3 俯仰軸電機控制單元基本參數(shù)

俯仰軸和方位軸有相同的控制特性，列出俯仰軸電機控制單元基本特性參數(shù)，如表3所示。

4 ADAMS與MATLAB聯(lián)合仿真

4.1 聯(lián)合仿真控制系統(tǒng)搭建

ADAMS與MATLAB聯(lián)合仿真原理框圖如圖4所示。

圖4 聯(lián)合仿真原理框圖

在ADAMS和MATLAB接口建立好之后，打開MATLAB調(diào)出接口控制模型，利用adams_sub接口在MATLAB/Simulink模塊中搭建控制系統(tǒng)。adams_sub接口內(nèi)部模型如圖5所示。

圖5 adams_sub接口內(nèi)部模型

在MATLAB/Simulink中建立控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)原理圖如圖6所示。

圖6 控制系統(tǒng)原理圖

圖中“地面站”即為ADAMS中模型，在AD?AMS中建立起的測量值作為控制系統(tǒng)的反饋值與控制信號構成閉環(huán)。為提高系統(tǒng)響應速度、運動精確度，采用雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，位置環(huán)控制器和速度環(huán)控制器雙控制器共同控制?？紤]到大口徑地面站結構較大，野外工作時會受到風力等干擾力矩的影響，本次仿真加入了-2～+2N·m范圍的力矩隨機干擾信號。

系統(tǒng)接入階躍信號和正弦信號對響應速度和穩(wěn)態(tài)跟蹤精度等系統(tǒng)性能做了仿真測試。聯(lián)合仿真控制系統(tǒng)階躍響應模型如圖7，正弦響應模型如圖8所示。

圖7 階躍響應聯(lián)合控制模型

圖8 正弦響應聯(lián)合控制模型

4.2 仿真結果分析

大口徑地面站控制器根據(jù)臨界比例度PID整定法［8］，通過觀察系統(tǒng)響應曲線反復調(diào)整控制參數(shù)最終確定各控制器參數(shù)。

（1）方位運動仿真結果及分析

方位軸轉動位置環(huán)采用PI控制器，各參數(shù)設置：P=10，I=0.2；速度環(huán)采用PID控制器，各參數(shù)設置：P=80，I=20，D=1。當方位軸輸入終值為3的階躍信號，方位階躍響應曲線如圖9所示。方位階躍跟蹤誤差曲線如圖10所示。當方位軸輸入3sin（t）正弦信號，方位正弦響應如圖11所示。方位跟蹤誤差曲線如圖12所示。

從圖9得出系統(tǒng)階躍響應時間0.35s，超調(diào)量為0.66%，系統(tǒng)響應速度快而且有較小的超調(diào)。從圖10得出指向精度為1.25×10-3度（4.5″），小于5″（5.43″）。從圖12可以得出系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度1.51×10-3度，優(yōu)于10″。

圖9 方位階躍響應曲線

圖10 方位階躍跟蹤誤差曲線

圖11 方位正弦響應曲線

圖12 方位跟蹤誤差曲線

（2）俯仰運動仿真結果及分析

俯仰軸轉動位置環(huán)采用PI控制器，各參數(shù)設置：P=50，I=1；速度環(huán)采用PID控制器，各參數(shù)設置：P=10，I=2，D=2。當俯仰軸輸入終值為3的階躍信號時，俯仰階躍響應如圖13所示。俯仰階躍響應誤差曲線如圖14所示。當俯仰輸入3sin（t）正弦信號，俯仰正弦響應如圖15所示，俯仰正弦跟蹤誤差曲線如圖16所示。

圖13 俯仰階躍響應曲線

圖14 俯仰階躍跟蹤誤差曲線

圖15 俯仰正弦響應曲線

圖16 俯仰跟蹤誤差曲線

從圖13得出俯仰穩(wěn)態(tài)響應時間為0.12s，超調(diào)量為5%，系統(tǒng)響應迅速，超調(diào)量也比較小。從圖12得出指向精度為1.35×10-3度（4.86″），滿足指標優(yōu)于5″要求。從圖16俯仰跟蹤誤差曲線可知系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度為1.06×10-3度（3.82″），優(yōu)于10″，滿足指標跟蹤精度要求。

5 結論

本文通過對大口徑地面站機電聯(lián)合仿真分析得出，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)響應速度快，超調(diào)量小，跟蹤精度高。最大超調(diào)量5%，視軸指向誤差滿足系統(tǒng)指標要求優(yōu)于5″，跟蹤誤差小于10″，滿足指標跟蹤精度要求。本次仿真加入了運動摩擦，另外對機器實際工作情況給予考慮，施加了外部干擾力矩，更貼近真實工作狀態(tài)。在物理樣機制造之前通過模擬控制系統(tǒng)工作狀態(tài)，測試各運動性能，對系統(tǒng)研發(fā)和優(yōu)化提供很大幫助。

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Electromechanical Co-simulation of
Large-caliber Ground Station in Laser Communication

LI Chaoyang1，ZHANG Lizhong1，2，BAI Yangyang1，2
（1.School of Mechatronical Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；2.Fundamental Science on Space-Ground Laser Communication Technology Laboratory，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

Aiming at large-caliber ground station for laser communication，with the target that can be quickly scanned，quickly captured and stably tracked to reduce the servo control error，the electromechanical control system of large-caliber ground station was simulated by applying Solidworks，ADAMS and MATLAB.Based on the physical model of Solidworks，the system dy?namics model was established in ADAMS and the servo control model is built on MATLAB.The simulation results show that the response speed of the system is fast and the overshoot is small.The pointing accuracy of the boresight was better than 5″and the tracking accuracy of the steady state was better than 10″and the system requirements were met.The feasibility of the system was established by simulation analysis.In addition，a reliable reference for the actual system control and debugging was provided by servo-control simulation parameters and the efficiency of equipment research and development was improved.

laser communication；electromechanical co–simulation；ADAMS；MATLAB

TN9291

A

1672-9870（2017）02-0070-05

2016-12-28

李朝陽（1991-），男，碩士研究生，E-mail：2310021705@qq.com

張立中（1968-），男，教授，博士生導師，E-mail：zlzcust@126.com