艦載搜索雷達穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)設計

程小平

（船舶重工集團公司723所，揚州 225001）

0 引 言

艦載搜索雷達穩(wěn)定平臺為雷達天線提供了一個不受船體搖擺干擾的安裝平面，使雷達方位角與大地坐標保持一致，是影響雷達戰(zhàn)技性能的重要組成部分之一。隨著現代電子技術的發(fā)展，雷達穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)不斷向小型化、數字化方向發(fā)展。本文從工程應用角度出發(fā)，利用大規(guī)模可編程器件——現場可編程門陣列（FPGA）和面向運動控制數字信號處理（DSP）芯片為硬件基礎，采用改進型比例積分微分（PID）控制算法，實現了高可靠、高精度的全數字、小型化穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)設計方案。

1 系統(tǒng)組成和硬件設計

艦載搜索雷達穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)接收艦艇搖擺信號，并檢測平臺實時搖擺角度，由此得到誤差信號來執(zhí)行控制算法，控制平臺快速跟蹤船體的縱橫搖擺，使平臺保持水平，其原理框圖如圖1所示［1］。系統(tǒng)采用交流伺服電機為驅動執(zhí)行單元，以驅動器為電機功率驅動部分，以無刷雙通道旋轉變壓器為位置檢測單元，以旋轉變壓器數字轉換器（RDC）模塊實時解算縱橫搖位置信號，以FPGA和DSP芯片為核心完成控制系統(tǒng)數據管理、計算。

圖1 穩(wěn)定平臺系統(tǒng)原理框圖

系統(tǒng)中DSP芯片采用的是TMS320C28X系列TMS320F2812芯片，該系列DSP芯片面向運動控制領域設計，集微控制器和高性能DSP的特點于一身，具有強大的控制和信號處理能力，能夠實現復雜的控制算法，特別適用于有大批量數據處理的測控系統(tǒng)［2］。FPGA 芯片選用 Cyclone II系 列 芯 片EP2C6。數／模轉換器（DAC）選用具有四通道D／A轉換功能的芯片DAC7725，同時轉換縱、橫搖指令信號。

2 改進型PID控制算法原理［3］

隨著PID控制算法的發(fā)展，數字PID控制發(fā)展為各種改進、復合算法，是一種最普遍采用的控制方法。在數字系統(tǒng)中，離散PID算法的表達式為：

式中：U（k）為第k次采樣時控制器輸出；E（k）為第k次采樣時的偏差值；E（k－1）為第（k－1）次采樣時的偏差值；K p為控制器的比例系數；T i為控制器的積分時間；T d為控制器的微分時間。

取K i＝K p T／T i，K d＝K p T d／T，則有：

在實際的控制系統(tǒng)中，普通的PID控制算法往往不能滿足系統(tǒng)需要。為了艦載搜索雷達穩(wěn)定平臺的控制精度和跟蹤性能，運用智能控制的思想改造普通PID算法，系統(tǒng)中復合運用了積分分離、抗積分飽和、不完全微分的PID控制算法。

積分分離控制的思想是：當系統(tǒng)誤差較大時，采用比例微分（PD）控制，取消積分作用，以避免產生大的超調量，同時使系統(tǒng)有較快的響應速度；當誤差較小時，采用PID控制，引入積分作用，以保證系統(tǒng)的控制精度。

積分分離控制算法可表示為：

式中：參數β為積分項的開關系數，為根據實際情況設定的誤差閥值。

抗積分飽和算法是為了防止系統(tǒng)由于一個方向的偏差而使控制進入飽和區(qū)，其思想為：在計算U（k）時，先判斷上一時刻U（k－1）是否已經超出限制范圍。若U（k－1）＞Umax，則只累加負偏差；若U（k－1）＜Umin，則只累加正偏差。該算法可避免控制量長時間停留在飽和區(qū)。

不完全微分PID控制算法的運用可改善系統(tǒng)性能，相當于在PID算法中加入1個一階慣性環(huán)節(jié)（低通濾波器）Gf（s）＝1／（1＋T fs），其結構如圖2所示。

圖2 不完全微分結構

總控制輸出寫成微分方程離散化為：

結合使用上述幾種算法，能使穩(wěn)定平臺控制達到最佳性能，同時根據艦載搜索雷達穩(wěn)定平臺工作實際情況，把穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)分為開機歸零、正常搖擺、關機歸零、錯誤狀態(tài)歸零幾個區(qū)間，分區(qū)間設定PID參數，以實現PID參數的最佳調整。

3 系統(tǒng)軟件實現

3.1 FPGA軟件實現

系統(tǒng)的軟件設計包括FPGA軟件和DSP軟件設計，根據FPGA芯片功能，其軟件設計框圖如圖3所示。

圖3 FPGA軟件框圖

FPGA芯片接收艦艇搖擺信號、依據RDC模塊數據解算縱橫搖實時位置信號、輸出PID運算結果、與DSP交換數據等程序主要由RDC解算模塊、DSP數據交換模塊、DAC接口輸出模塊3個部分組成。

系統(tǒng)啟動時，FPGA程序同時接收外部縱橫搖指令數據和解算穩(wěn)定平臺位置數據，通過DSP數據交換模塊實時與DSP芯片交換數據，把DSP計算后的PID數據經DA接口輸出模塊送給外部DA器件，經DA器件處理后送給相關輸出口。

同時，FPGA程序還包括其他邏輯判斷、組合程序，以完成穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)的I／O口管理、平臺其他檢測、加電等邏輯控制。

3.2 DSP軟件實現

DSP軟件由主程序及用戶中斷程序組成，主程序按固定周期調用用戶中斷程序，整個程序包括初始化模塊、平臺狀態(tài)檢測模塊、后臺循環(huán)模塊、定時器中斷模塊。DSP控制軟件流程圖如圖4所示。

圖4 DSP控制軟件流程圖

系統(tǒng)啟動后，程序首先進入初始化模塊，完成系統(tǒng)寄存器、定時器、控制系統(tǒng)參數的初始化設定，然后檢測平臺狀態(tài)（正常、限位、故障等），打開定時器中斷使能，進入后臺循環(huán)模塊，在循環(huán)程序中判斷平臺工作區(qū)間（開機歸零、工作搖擺、關機歸零、錯誤狀態(tài)歸零），并相應設置PID參數、變量值。循環(huán)的同時主程序按固定周期進入定時器中斷程序，在中斷程序中調用PID計算子程序，完成PID控制算法計算。

DSP軟件的核心部分為改進型PID控制算法的實現，即定時器中斷模塊中調用的PID計算子程序部分，根據改進型PID控制算法原理編制，其流程框圖如圖5所示。其中誤差閥值和不完全微分系數根據穩(wěn)定平臺系統(tǒng)實際在調試中調整設置。

4 系統(tǒng)性能測試

系統(tǒng)性能測試時，由外部模擬器仿真艦體縱、橫搖擺指令信號，裝訂縱搖指令為±6.5°幅度、4 s時間周期正弦波，橫搖為±15°、6 s時間周期正弦波。穩(wěn)定平臺系統(tǒng)軟硬件設計時，設定誤差增益1°對應6 V，即K＝6 V／°，在若干搖擺周期內測量其誤差電壓均方根值E，代入（E／K）×（π／180）×1 000換算成毫弧度表示的搖擺誤差。誤差測試結果如表1所示。其中Er、E p分別為縱、橫搖搖擺誤差，v為雷達天線掃描速度。

圖5 控制算法實現程序流程圖

表1 穩(wěn)定平臺縱橫搖擺誤差表

由表1可看出，雷達天線轉速越低，天線轉動對穩(wěn)定平臺性能影響越小。當天線以最高轉速60 r／min轉動時，穩(wěn)定平臺系統(tǒng)誤差也只有0.931 mrad，遠遠小于系統(tǒng)指標3 mrad。

5 結束語

本文所述的艦載搜索雷達穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)，基于FPGA和DSP芯片全數字化處理，硬件組成簡單，可靠性高，采用了改進型的PID控制算法，系統(tǒng)響應速度快，跟蹤精度高。該穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)已成功應用于某裝備中，經過了一系列的試驗考驗，性能穩(wěn)定，工作可靠。

［1］曹正才.一種新型高精度艦載雷達伺服控制系統(tǒng)的設計［J］.雷達與對抗，2001（3）：54－62.

［2］三恒星科技.TMS320F2812 DSP原理與應用實例［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2009.

［3］劉金琨.先進PID控制 MATLAB仿真［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2005.