馬俊安 吳建剛 高玉文 楊紅霞 劉璐雅

（四川航天燎原科技有限公司 成都 610100）

1 引言

導(dǎo)引頭是精確制導(dǎo)武器的核心設(shè)備之一，用來(lái)完成對(duì)目標(biāo)的自主搜索識(shí)別和跟蹤，并給出制導(dǎo)律所需要的控制信號(hào)［1］，作為導(dǎo)引頭重要組成部分的伺服穩(wěn)定平臺(tái)，應(yīng)具有有效的故障自檢和故障定位能力，且自檢功能需方便、快捷、準(zhǔn)確。伺服穩(wěn)定平臺(tái)自檢功能設(shè)計(jì)的不僅要能夠全面覆蓋這個(gè)組成部分，還應(yīng)考慮外部環(huán)境擾動(dòng)的影響，所以對(duì)伺服穩(wěn)定平臺(tái)上電自檢進(jìn)行研究很有必要。

夏靜萍［2］設(shè)計(jì)了角位置回路自檢，被動(dòng)執(zhí)行主控計(jì)算機(jī)角位置指令，完成相應(yīng)功能，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)基本功能的檢查。王昊［3］設(shè)計(jì)了測(cè)角編碼器的故障檢測(cè)，判斷故障進(jìn)入驅(qū)動(dòng)器保護(hù)模式。李艷紅［4］在陀螺不接入情況下，提出了導(dǎo)引頭位標(biāo)器自檢合格的判定方法。文獻(xiàn)［2～4］設(shè)計(jì)的角位置自檢，雖然結(jié)構(gòu)清晰，功能明確，但是沒(méi)有對(duì)陀螺進(jìn)行檢測(cè)，存在陀螺故障無(wú)法檢測(cè)的情況。文獻(xiàn)［5～8］提到研究的伺服穩(wěn)定平臺(tái)具備上電自檢功能，但都未提及具體實(shí)現(xiàn)方式，而且僅限于外部靜止情況下伺服穩(wěn)定平臺(tái)上電自檢。對(duì)于移動(dòng)發(fā)射外部姿態(tài)擾動(dòng)情況下的伺服穩(wěn)定平臺(tái)自檢研究較少?；谛袠I(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展需求，本文針對(duì)移動(dòng)發(fā)射外部姿態(tài)擾動(dòng)情況下的伺服穩(wěn)定平臺(tái)自檢方法進(jìn)行了研究。

2 系統(tǒng)組成及原理

伺服穩(wěn)定平臺(tái)上電自檢用于伺服控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、陀螺、角度傳感器等部件進(jìn)行檢測(cè)，采用兩環(huán)控制方案，即有陀螺速度環(huán)，角度位置環(huán)兩個(gè)回路組成，組成框圖如圖1所示。

圖1 伺服穩(wěn)定平臺(tái)組成原理框圖

系統(tǒng)工作原理為上電后自動(dòng)進(jìn)入自檢流程，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)運(yùn)動(dòng)到極限位置并回到零位，上報(bào)自檢正常，否則自檢超時(shí)異常。

3 單速度環(huán)自檢分析

將伺服穩(wěn)定平臺(tái)的伺服控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、陀螺、角度傳感器等部件用傳遞函數(shù)表示，伺服穩(wěn)定平臺(tái)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 伺服穩(wěn)定平臺(tái)單速度環(huán)結(jié)構(gòu)框圖

圖2中，qz為目標(biāo)角；qs為伺服穩(wěn)定平臺(tái)框架角；為彈體擾動(dòng)角速度；G1(s)為位置回路傳遞函數(shù)；G2(s)為速度回路傳遞函數(shù)，Kg為陀螺反饋通道比例系數(shù)。uf為速度環(huán)反饋速度，uc為控制速度，un為伺服穩(wěn)定平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度。

根據(jù)圖2，可得速度環(huán)反饋速度uf式（1）：

速度誤差ue式（2）：

當(dāng)速度誤差ue為0時(shí)，可得式（3）

將式（1）帶入式（3）中，可得式（4）

當(dāng)外部平臺(tái)靜止時(shí)，陀螺測(cè)量速度為機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度，起測(cè)速機(jī)的功能，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度按照給定速度進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。

當(dāng)外部平臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)，陀螺測(cè)量速度為機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)和外部平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的合成速度，即慣性空間速度。當(dāng)外部運(yùn)動(dòng)速度方向與給定速度反向時(shí)，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度會(huì)加快，伺服穩(wěn)定平臺(tái)自檢時(shí)間減少。當(dāng)外部運(yùn)動(dòng)速度方向與給定速度同向時(shí)，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度會(huì)減慢；伺服穩(wěn)定平臺(tái)自檢時(shí)間增大，超過(guò)自檢規(guī)定時(shí)間造成上電自檢異常。

4 平臺(tái)擾動(dòng)情況下自檢設(shè)計(jì)

針對(duì)移動(dòng)發(fā)射姿態(tài)擾動(dòng)情況下導(dǎo)引頭伺服穩(wěn)定平臺(tái)單速度環(huán)自檢超時(shí)現(xiàn)象，采用雙速度環(huán)閉環(huán)控制，根據(jù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度un大小進(jìn)行切換，伺服穩(wěn)定平臺(tái)雙速度環(huán)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 伺服穩(wěn)定平臺(tái)雙速度環(huán)結(jié)構(gòu)框圖

圖3中，qz為目標(biāo)角；qs為伺服穩(wěn)定平臺(tái)框架角；為彈體擾動(dòng)角速度；G1(s)為位置回路傳遞函數(shù)；G2(s)為速度回路傳遞函數(shù)，Kg為陀螺反饋通道比例系數(shù)，Kw為角度微分反饋通道比例系數(shù)。uf為速度環(huán)反饋速度，uc為控制速度，un為伺服穩(wěn)定平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度。

當(dāng)伺服穩(wěn)定平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度|un|小于等于10°/s時(shí)速度回路采用微分速度進(jìn)行閉環(huán)，否則速度回路采用陀螺速度進(jìn)行閉環(huán)。

根據(jù)圖3，可得速度環(huán)反饋速度uf式（5）：

將式（5）帶入式（3）中，可得式（6）

當(dāng)外部平臺(tái)靜止時(shí)，速度環(huán)反饋速度為機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度按照給定速度進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。

當(dāng)外部平臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)，當(dāng)外部運(yùn)動(dòng)速度方向與給定速度同向時(shí)，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度會(huì)減慢，當(dāng)小于等于10°/s時(shí)速度回路采用微分速度進(jìn)行閉環(huán)，速度環(huán)反饋速度為機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度按照給定速度進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，不受平臺(tái)擾動(dòng)干擾，保證平臺(tái)擾動(dòng)情況下上電自檢正常。

5 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)定好的自檢流程，控制電機(jī)帶動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)極限位置并回到零位，如果在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成自檢，則上報(bào)自檢正常，否則上報(bào)故障，中止后續(xù)流程，系統(tǒng)處于剎車保護(hù)狀態(tài)，流程圖如圖4所示。

圖4 自檢流程圖

運(yùn)動(dòng)子程序流程圖如5所示，速度環(huán)控制器和位置環(huán)控制器均采樣PID控制，速度環(huán)采樣時(shí)間采樣0.5ms，位置環(huán)采樣時(shí)間采用5ms。速度控制器輸入采用陀螺速度和位置微分速度自動(dòng)切換，切換條件為位置微分速度小于等于10°/s時(shí)采用微分速度進(jìn)行閉環(huán)，大于10°/s采用陀螺速度進(jìn)行閉環(huán)。

圖5 運(yùn)動(dòng)子程序流程圖

6 試驗(yàn)測(cè)試

6.1 搭建測(cè)試系統(tǒng)

搭建的測(cè)試系統(tǒng)示意圖如圖6所示，包括上位機(jī)、伺服控制器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其中，執(zhí)行機(jī)構(gòu)安裝在三軸轉(zhuǎn)臺(tái)上，上位機(jī)為我所成熟軟件，具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，可將數(shù)據(jù)導(dǎo)出用于分析。測(cè)試用伺服穩(wěn)定平臺(tái)俯仰角度下極限為-42°，上極限為14°，自檢狀態(tài)用bit位表示：0為正常、1為異常。

圖6 測(cè)試系統(tǒng)示意圖

6.2 單速度環(huán)自檢測(cè)試

采用陀螺單速度閉環(huán)方式，控制三軸轉(zhuǎn)臺(tái)以10°/s的速度向上運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，伺服穩(wěn)定平臺(tái)進(jìn)行上電自檢，記錄俯仰角度數(shù)據(jù)和自檢狀態(tài)如圖7所示。

圖7 平臺(tái)擾動(dòng)情況下單速度環(huán)自檢數(shù)據(jù)圖

從圖7數(shù)據(jù)分析，俯仰角度到達(dá)下極限（-42°）后，向上極限過(guò)程中12°附近保持不動(dòng)，不能到達(dá)上極限（14°），自檢狀態(tài)異常（1），自檢失敗。

6.3 雙速度環(huán)自檢測(cè)試

采用雙速度閉環(huán)方式，控制三軸轉(zhuǎn)臺(tái)以10°/s的速度向上運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，伺服穩(wěn)定平臺(tái)進(jìn)行上電自檢，記錄俯仰角度數(shù)據(jù)和自檢狀態(tài)如圖8所示。

圖8 平臺(tái)擾動(dòng)情況下雙速度環(huán)自檢數(shù)據(jù)圖

從圖8數(shù)據(jù)分析，俯仰角度先后到達(dá)下極限（-42°）、上極限（14°）、0°位置，自檢狀態(tài)正常（0），完成自檢流程。

7 結(jié)語(yǔ)

為了適應(yīng)了移動(dòng)發(fā)射姿態(tài)擾動(dòng)情況下上電自檢需求，設(shè)計(jì)一種動(dòng)平臺(tái)下導(dǎo)引頭伺服穩(wěn)定平臺(tái)自檢方法。通過(guò)對(duì)單速度環(huán)自檢的分析，得到動(dòng)平臺(tái)下自檢超時(shí)的原因，提出采用陀螺速度和位置微分速度自動(dòng)切換的閉環(huán)的雙速度環(huán)方式，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方式在移動(dòng)發(fā)射姿態(tài)擾動(dòng)情況下上電自檢功能可靠和穩(wěn)定，為工程實(shí)現(xiàn)提供了技術(shù)支撐。