控制實(shí)現(xiàn) - 船載通信天線控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

　　2．2 控制實(shí)現(xiàn)

　　天線跟蹤設(shè)備的三軸穩(wěn)定控制采用測(cè)速機(jī)作為速度反饋，編碼器作為位置反饋，并將船搖擾動(dòng)經(jīng)速率陀螺檢測(cè)前饋于速度回路。工作原理框圖如圖2所示。

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　　圖2中，K1W1為位置回路校正控制傳遞函數(shù)；K2W2為速度回路閉環(huán)傳遞函數(shù)，F(xiàn)(S)為補(bǔ)償通道傳遞函數(shù)，系統(tǒng)傳遞函數(shù)為：

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　　由式(8)可知：回路跟隨能力是由項(xiàng)決定，而船搖擾動(dòng)消除能力由項(xiàng)決定。從第二項(xiàng)可以看出消除船搖擾動(dòng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)角速度量由兩部分組成，一是慣性空間中視軸被擾動(dòng)的當(dāng)前角速度(目標(biāo)靜止)。二是由補(bǔ)償回路給出的當(dāng)前時(shí)刻擾動(dòng)量通過(guò)速度回路給出的電機(jī)驅(qū)動(dòng)角速度。

　　依據(jù)完全不變性原理，當(dāng)(1+F(S)K2W2)ωf，即F(s)=-1／K2W2時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)船搖擾動(dòng)的完全隔離，即滿足這個(gè)條件時(shí)，不論擾動(dòng)量ωf為多大，對(duì)輸出無(wú)影響?？墒?，速度回路K2W2中含有積分環(huán)節(jié)、慣性環(huán)節(jié)、二階環(huán)節(jié)，如果要實(shí)現(xiàn)完全的不變性，必然F(S)中要具有許多個(gè)微分環(huán)節(jié)，這樣 F(S)的輸出將充滿噪聲，使系統(tǒng)根本無(wú)法工作。但是實(shí)現(xiàn)局部的不變性是可能的。即用低階微分代替高階微分，并使其系數(shù)滿足某種條件，從而滿足系統(tǒng)精度的要求。

　　實(shí)際使用中，合理選擇前饋補(bǔ)償系數(shù)，使前饋回路最大化的消除當(dāng)前擾動(dòng)，在此基礎(chǔ)上結(jié)合環(huán)路的跟隨能力，有效的消除視軸的偏差，實(shí)現(xiàn)高精度跟蹤。因此，前饋回路起到粗調(diào)節(jié)的作用，而位置跟蹤回路則可稱為精調(diào)節(jié)。

2．3 工程應(yīng)用

　　2．3．1 安裝與測(cè)量

　　采用3個(gè)速率陀螺測(cè)量出因船體搖擺引起的附加在方位軸、橫傾軸和俯仰軸方向的速度，用于開(kāi)環(huán)補(bǔ)償。

　　俯仰陀螺安裝在方位轉(zhuǎn)臺(tái)上，敏感軸與天線的俯仰軸平行，陀螺隨方位軸運(yùn)動(dòng)，敏感不到方位軸的旋轉(zhuǎn)、俯仰軸的旋轉(zhuǎn)、船體的航向速率等，它敏感的是船體的橫搖、縱搖速率，如式(2)所示，可直接對(duì)俯仰軸進(jìn)行開(kāi)環(huán)前饋補(bǔ)償。

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　　分析橫傾軸的擾動(dòng)(式(3))和方位軸的擾動(dòng)(式(4))，無(wú)法用一只陀螺直接測(cè)量到，可用間接的方法獲得。用2只陀螺分別測(cè)量cosAωy+s- inAωp和ωh，根據(jù)俯仰角E用數(shù)學(xué)的方法得到式(3)和式(4)。這樣，測(cè)量ωh分量的速率陀螺安裝在方位底座(不隨方位軸轉(zhuǎn)動(dòng))，其敏感軸與方位軸平行，輸出主要為船體的航向速率信息。測(cè)量cosAωy+sinAωp分量的速率陀螺安裝在方位轉(zhuǎn)盤(pán)上(隨方位軸轉(zhuǎn)動(dòng))，其敏感軸與橫傾軸平行。

　　2．3．2 測(cè)試與分析

　　某船載三軸天線控制系統(tǒng)采用抗擾動(dòng)設(shè)計(jì)。在海上進(jìn)行搖擺實(shí)驗(yàn)，在典型海況參數(shù)(搖擺振幅±6°，搖擺周期12s)下。天線指向衛(wèi)星自跟蹤，轉(zhuǎn)動(dòng)船的航向，使船升搖時(shí)測(cè)量俯仰軸的船搖隔離度。這時(shí)天線方位角轉(zhuǎn)至90°或270°；測(cè)量橫傾軸的船搖隔離度，使天線方位角轉(zhuǎn)至0°或180°。隔離度測(cè)試結(jié)果如圖 3所示。圖中，曲線系列1表示加前饋跟蹤數(shù)據(jù)；曲線系列2表示無(wú)前饋跟蹤數(shù)據(jù)。測(cè)試結(jié)果為：船搖隔離度為46．4 dB；跟蹤精度為0．031°。由以上數(shù)據(jù)分析，可以得出開(kāi)環(huán)補(bǔ)償方案完全滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的性能指標(biāo)要求。

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　　3 結(jié)束語(yǔ)

　　前饋補(bǔ)償并未改變?cè)]環(huán)系統(tǒng)的極點(diǎn)和閉環(huán)零點(diǎn)。因此，不會(huì)影響系統(tǒng)的伺服帶寬和穩(wěn)定性。工程使用時(shí)融合了前饋補(bǔ)償和反饋控制的應(yīng)用，在保證功能、性能的同時(shí)，簡(jiǎn)化系統(tǒng)、提高設(shè)備的可靠性和使用壽命，實(shí)際使用效果顯著。

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