郭亞奎，吳影生，余澍民

（中國電子科技集團(tuán)公司第38研究所,安徽合肥 230031）

雷達(dá)的機(jī)動性能對雷達(dá)的快速反應(yīng)能力和戰(zhàn)場生存能力有決定性影響。隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭需求，地面軍用雷達(dá)天線陣面越來越大，需要雷達(dá)在公路、鐵路和空運(yùn)中不拆分、不吊裝，可快速高效遠(yuǎn)程投送[1]。本文針對一種新穎的高壓縮比橫展結(jié)構(gòu)的大陣面天線折疊機(jī)構(gòu)，設(shè)計了橫展同步控制系統(tǒng)，解決了低頻段大口徑雷達(dá)天線快速架撤和高機(jī)動運(yùn)輸難題，可滿足機(jī)動部署需求，提高戰(zhàn)場生存能力[2]。該橫展機(jī)構(gòu)設(shè)計同步控制系統(tǒng)，能確保橫展運(yùn)動過程中天線列骨架不因形變損壞其內(nèi)部元器件。

1 邊塊橫展機(jī)構(gòu)

天線陣面骨架由左邊塊、右邊塊和中塊骨架組成，如圖1所示。雷達(dá)天線工作狀態(tài)尺寸為11900 mm ×8150 mm（長×寬），天線質(zhì)量為16 t。邊塊可通過橫展伸縮和翻轉(zhuǎn)折疊實(shí)現(xiàn)天線快速架撤狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。

圖1 陣面骨架機(jī)構(gòu)示意圖

單個邊塊骨架包含11根列骨架、可自動折疊的反射網(wǎng)、定位拉桿以及3組橫展驅(qū)動機(jī)構(gòu)。每組橫展驅(qū)動機(jī)構(gòu)由3節(jié)臂組成。展開過程中液壓油由橫展油缸的活塞桿端進(jìn)油口進(jìn)入油缸腔體，隨著活塞桿端的伸長，驅(qū)動第二節(jié)臂展開，滑輪組固定于橫展油缸的缸體端部，鋼絲繩繞過滑輪組一段固定在第一節(jié)臂上，另一端固定在第三節(jié)臂上。缸體向前移動過程中，滑輪組也隨之向右移動，通過鋼絲繩組，帶動第三節(jié)臂同步展開，如圖2所示。邊塊骨架展開和收攏寬度分別為2900 mm和1360 mm，實(shí)現(xiàn)大于2倍的展收比。油缸兩端安裝了磁致伸縮位移傳感器，實(shí)時反饋每根油缸位移量。邊塊骨架在展開過程中要確保兩側(cè)6個橫展油缸精準(zhǔn)動態(tài)同步，控制精度要求為3 mm以內(nèi)，才能避免邊塊列骨架形變而損壞內(nèi)部電子器件。針對該陣面具有大跨距、大承載、高精度等特殊需求，邊塊橫展機(jī)構(gòu)的伺服控制采用電液伺服系統(tǒng)，它具有大質(zhì)量比、響應(yīng)速度快和控制精度高等優(yōu)點(diǎn)，且經(jīng)過試驗(yàn)論證，其能滿足邊塊橫展機(jī)構(gòu)的精準(zhǔn)控制需求。

圖2 橫展同步伸縮原理

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

控制核心采用功能強(qiáng)大、接口豐富的貝加萊可編程計算機(jī)控制器X20CP3586。通過RJ45端口與工控觸摸屏傳輸指令和顯示狀態(tài)；通過擴(kuò)展模塊DO9322控制壓力閥；通過AO4622及放大器處理模擬量信號，調(diào)控橫展油缸運(yùn)動方向和速度；通過擴(kuò)展模塊AI4622采集磁致伸縮位移傳感器反饋信息，如圖3所示?；诳刂破鲝?qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，采樣控制周期僅為5 ms，為能精準(zhǔn)控制6組油缸同步伸縮提供有力保障。

圖3 橫展同步控制工作原理圖

橫展機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)原理如圖4所示。執(zhí)行橫展動作時，啟動液壓泵組1.8，通過預(yù)設(shè)的溢流閥1.9，使系統(tǒng)壓力達(dá)到設(shè)定值，壓力表1.10顯示壓力值，油液通過單向閥1.11、高壓過濾器1.12進(jìn)入閥組。此時，壓力油可通過比例換向閥2.2、平衡閥2.3，到達(dá)油缸2.4，實(shí)現(xiàn)油缸的動作：通過比例換向閥2.2的換向動作，實(shí)現(xiàn)油缸2.4的伸出和縮回動作切換；通過控制比例換向閥的開度，實(shí)現(xiàn)油液流量精準(zhǔn)控制。每條油缸兩端均安裝磁致伸縮位移傳感器2.5，伺服系統(tǒng)對橫展機(jī)構(gòu)液壓缸進(jìn)行PI同步算法控制，實(shí)現(xiàn)6個橫展油缸精準(zhǔn)同步。橫展動作完成后關(guān)閉泵站，平衡閥在彈簧力的作用下自動將液壓油缸鎖止。

圖4 橫展機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)原理圖

油缸位移傳感器采用磁致伸縮位移傳感器，具有高精度、高可靠性和無磨損等優(yōu)點(diǎn)。液壓系統(tǒng)使用比例換向閥在精度控制、速度調(diào)節(jié)、環(huán)境適應(yīng)性等方面有顯著優(yōu)點(diǎn)，可有效避免不同負(fù)載情況下的不同步現(xiàn)象[3?5]出現(xiàn)。由于天線橫展驅(qū)動機(jī)構(gòu)分布跨度大，為提高控制精度，減少信號衰減損耗影響，因此，所選型使用的放大器、換向比例閥和磁致伸縮位移傳感器均采用電流式信號控制。

3 橫展同步控制策略

相對于常規(guī)線性調(diào)節(jié)控制策略，采用PI控制策略能提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，具有超調(diào)量小、穩(wěn)態(tài)誤差小的優(yōu)點(diǎn)。以橫展伸出動作為例，按照油缸分布順時針標(biāo)為1—6號，給定2號油缸比例閥開口輸出值為定值U2=U0，為保持1號和2號油缸同步，根據(jù)兩油缸位移傳感器反饋差值ΔS21K，實(shí)時計算1號油缸比例閥開口度的增益值，增益值加上基礎(chǔ)值為比例閥開口度的輸出值為U1K。PI同步控制原理圖如圖5所示。

圖5 橫展機(jī)構(gòu)PI同步控制原理

控制系統(tǒng)采樣周期為5 ms，ΔS21K=S2K?S1K作為動作啟動后控制器第k周期的偏差值，積分值為控制器從0到k周期ΔS21j的累加值，其中j=0，1，2，···，k，KP1和KI1分別為1號油缸的比例系數(shù)和積分系數(shù)，PI算法公式為

整理式（1），可得U1K，為

同理，3號和5號油缸為保持和2號油缸同步，可推出U3K和U5K的表達(dá)式，為：

得出5號油缸比例閥開口度U5K后，4號和6號油缸均以U5K為基礎(chǔ)值，為保持和5號油缸同步分別計算出增益值，進(jìn)而用PI控制算法推導(dǎo)出U4K和U6K的表達(dá)式，為：

U0為給定2號油缸伸出動作時比例閥開口度的中位定值，對應(yīng)的油缸運(yùn)動速度滿足架設(shè)機(jī)動性要求，同時也給開口度調(diào)節(jié)預(yù)留空間。PI算法控制須設(shè)置比例閥開口度上下限值，防止輸出值溢出。完成PI同步控制算法程序后，使用調(diào)試筆記本與控制器X20CP3586網(wǎng)線連接通信，調(diào)用AS軟件Trace功能跟蹤橫展伸出過程中各油缸位移差變量值，運(yùn)動結(jié)束后生成位移差值變化曲線圖，根據(jù)變化曲線圖按照先調(diào)節(jié)1號和3號再調(diào)節(jié)5號最后調(diào)節(jié)4號和6號油缸的比例系數(shù)和積分系數(shù)的順序調(diào)控。根據(jù)PI控制原理可知：比例系數(shù)偏大會引起系統(tǒng)振蕩，偏小則調(diào)節(jié)速度慢；積分系數(shù)偏大消除偏差快、但穩(wěn)定性減小，偏小則系統(tǒng)偏差波動周期長。本文先嘗試預(yù)設(shè)各油缸系數(shù)值，再按照調(diào)試順序依次根據(jù)位移差變化曲線圖微調(diào)油缸比例系數(shù)和積分系數(shù)，直至橫展展開運(yùn)動過程中根據(jù)位移差值能快速響應(yīng)且穩(wěn)定在同步精度需求范圍內(nèi)，并將此組參數(shù)作為橫展展開的PI控制參數(shù)，如1號油缸比例系數(shù)KP1=9.8、積分系數(shù)KI1=0.6。

區(qū)別于橫展伸出動作，執(zhí)行橫展收回動作時油缸為有桿腔進(jìn)油驅(qū)動，此時給定的2號油缸比例閥開口度值按照進(jìn)油口有效橫截面之比折算，其值要小于U0，再按照同樣的調(diào)試過程整定橫展收回各油缸的比例系數(shù)和積分系數(shù)。

4 橫展控制界面設(shè)計

工控觸摸屏采用型號為5AP1120.101E貝加萊10.1英寸彩色觸摸屏，使用Automation Studio軟件開發(fā)車載雷達(dá)伺服控制界面。其中橫展控制界面左側(cè)顯示邊塊橫展油缸狀態(tài)，數(shù)字1—6旁邊的圓圈為綠色表示相應(yīng)橫展油缸正在動作，對應(yīng)文本框里的數(shù)值為該油缸位移傳感器反饋位移值，中間部位5個文本框?yàn)檫B接線對應(yīng)的兩油缸位移差值。橫展控制的故障報警信息位于界面右側(cè)：控制器故障、5個位移超差故障、6個放大器故障和6個位移傳感器故障；圓圈紅色表示故障報警，綠色表示無故障。橫展伸出運(yùn)行過程中每個掃描周期循環(huán)檢測：控制器自檢是否有故障；兩油缸位移差值是否超過設(shè)定報警值；放大器自檢輸入信號是否處于正常范圍；位移傳感器反饋值是否處于設(shè)定范圍?？刂平缑嫦路接袃尚袆幼髦噶?，其右側(cè)圓圈的不同顏色標(biāo)識該動作指令的狀態(tài)：藍(lán)色閃爍標(biāo)識該動作正在運(yùn)行；綠色常亮表示處于動作到位狀態(tài)；灰色表示該動作既不正在運(yùn)行也未動作到位。由于液壓系統(tǒng)遲滯性，位移超差報警界限值設(shè)為2.5 mm，確保在調(diào)試和工作過程中不會因位移超差導(dǎo)致列骨架形變損壞其內(nèi)部功能器件，橫展控制界面如圖6所示。

圖6 橫展控制界面

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

對該控制系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)：執(zhí)行橫展動作指令，觀察770 mm全行程過程中位移差值變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，動作起始瞬間最大位移差值為1.5 mm，PI控制策略快速響應(yīng)，在2 s內(nèi)將位移差值動態(tài)調(diào)整到0.8 mm以內(nèi)。同時，經(jīng)過大量實(shí)踐和環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明，該橫展同步控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)天線兩側(cè)六缸的精準(zhǔn)同步控制，動態(tài)位移差值小于2 mm，滿足某型雷達(dá)陣面精度3 mm的要求且有效保護(hù)邊塊列骨架，解決了低頻段大口徑雷達(dá)天線快速架撤和高機(jī)動運(yùn)輸難題，為某雷達(dá)項目的順利研制解決了瓶頸問題。

6 結(jié)束語

針對某新穎的高壓縮比橫展結(jié)構(gòu)的天線，本文設(shè)計了精準(zhǔn)同步控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用PI同步控制算法，實(shí)現(xiàn)了天線兩側(cè)六缸的精準(zhǔn)同步，其PI算法具有可調(diào)性高、應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)。同時該控制系統(tǒng)使用主流控制器件和C語言編程，其移植方便、通用性好、工程應(yīng)用價值高。