二軸穩定平臺穩定精度分析

馬文韜

(中國電子科技集團公司第二十八研究所，江蘇 南京 210014)

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二軸穩定平臺穩定精度分析

馬文韜

(中國電子科技集團公司第二十八研究所，江蘇 南京 210014)

穩定平臺是一種安裝在載體上，能夠隔離載體安裝面的位置變化，提供一個水平安裝面的設備。主要對某二軸穩定平臺的穩定精度進行了分析，得到了穩定精度與干擾力矩大小有關的結論，干擾力矩增大，穩定精度下降。

穩定平臺；穩定精度；干擾力矩

由于部隊機動作戰的需要，越來越多的光電偵察設備集成在車載升降桅桿的頂部，當桅桿舉升工作時，環境中各種因素的影響將導致紅外偵察設備的視線造成擾動，此時獲取的外部環境信息具有不連續性，應經過復雜的姿態矩陣變換后才能對其進行處理與識別。為了消除上述影響，通常在升降桅桿與傳感器之間安裝可有效隔離載體運動的穩定平臺，來實現視線穩定，使傳感器視線在大地坐標系中保持穩定，從而實現車載傳感器系統對目標的可靠、高精度跟蹤與測量。本文主要分析并研究某車載紅外設備兩軸穩定平臺穩定精度。

1　穩定平臺工作原理

穩定平臺的工作原理是通過姿態測量得出當前實時姿態信息，通過驅動伺服電動機的轉動，調節上平臺面達到穩定姿態。

當光學系統隨車體發生抖動時，要測量出抖動量，然后對該抖動量進行補償。本文選用兩軸穩定平臺來實現視軸的穩定。兩軸穩定平臺以隔離原理為理論基礎，選用現代控制元件為執行元件，最終實現視軸在慣性空間的穩定。

兩軸穩定平臺由方位環和俯仰環構成，以實現在方位與俯仰方向的穩定。方位環和俯仰環穩定回路均采用陀螺儀作為慣性敏感元件，敏感載體運動在方位上產生角誤差，該角誤差信號以相應極性和線性比例的電壓信號形式輸出，經過預處理的電壓信號通過控制器在直流力矩電動機軸上產生反作用穩定力矩，從而實現對視軸擾動的抑制，保持視軸在慣性空間的相對穩定[1]。

表5　無助焊劑共晶工藝內部水汽含量表

4　結語

在具體工藝過程中，還可以通過對比上述研究積累的X射線照片，根據X射線照相的空洞分布特征，快速判斷產生空洞的原因，為工藝參數調整提供捷徑。

[1] Licari J J, Enlow L R.混合微電子電路技術手冊[M]. 朱瑞廉，譯.北京：電子工業出版社，2004.

責任編輯鄭練

2　穩定平臺組成及技術指標

紅外穩定平臺能夠實現紅外設備在水平和俯仰方向上的穩定、搜索和跟蹤功能，它由水平回轉座、俯仰框架、慣性傳感器、角度傳感器、力矩電動機以及控制電路板組成[2]。結構外形如圖1所示。

圖1　穩定平臺結構圖

紅外穩定平臺采集慣性傳感輸出的方位角速率和俯仰角速率信號，以驅動方位電動機和俯仰電動機，實現平臺穩定，其功能框圖如圖2所示。

圖2　穩定平臺功能框圖

紅外穩定平臺需要達到的穩定精度：瞄準線雙向穩定≤0.1 mrad(1σ)。

3　穩定精度計算

3.1穩定平臺控制模型

平臺穩定系統控制框圖如圖3所示。由速率陀螺構成的速度閉環形成了穩定系統主回路，一旦系統受到外擾動，穩定平臺通過速率陀螺獲得平臺相對慣性空間的角速度，經信號調理后驅動力矩電動機輸出力矩，以抵抗干擾力矩，直至平臺相對慣性空間的角速度為零。可見基于速度反饋的穩定平臺能夠迅速把擾動消除在速度閉環內，保證跟蹤過程中光軸的始終穩定[3]。

圖3　穩定回路(速度環)原理框圖

上述參數中，Tm、Te和Ce為力矩電動機傳遞函數參數，根據本系統選用的力矩電動機參數、速率陀螺參數，以及負載折算到電動機軸上的轉動慣量，可以獲得電動機、速率陀螺和穩定平臺臺體的傳遞函數G1(s)、G2(s)和G3(s)[4]。

3.2速度環校正

調整穩定控制系統開環增益。由于速度環為Ⅰ型系統，在階躍輸入作用下可完全消除靜態誤差，但是要求增益充分大。系統設計的穩定精度為0.1 mrad，即要滿足靜態誤差<0.006°，為保證裕量，應針對速度環開環傳遞函數波特圖調整開環增益，使其滿足靜態誤差要求。

考慮到速度環開環傳遞函數波特圖中的相角裕度太小，導致系統穩定性較差，因此，應采用超前校正提高截止頻率，以使相角裕度>45°。此外為消除噪聲影響，要求高頻區的斜率應≥-40 dB/dec，因此，還必須對高頻進行校正。經過反復計算，調整并確定校正函數。在仿真計算中最終獲得的速度環開環傳遞函數波特圖如圖4所示。

圖4　最終校正速度環的波特圖

圖4中校正后開環系統的截止頻率約為20 rad/s，相位裕度為46°，幅值裕度為32.4，可以看出，此時系統動態特性得到了很大改善，響應速度較快，且低頻段增益充分大，高頻段增益減小，滿足速度控制系統要求。

3.3穩定平臺精度計算

影響穩定精度的主要因素是框架不平衡力矩、摩擦力矩、載體擾動力矩以及風阻力矩。為了說明本系統在干擾作用下的穩定精度，在計算機上利用MATLAB軟件對設計的穩定平臺控制系統模型進行模擬干擾力矩仿真[5-6]。假設閉環系統的輸入為0，在平臺軸系上直接施加各種模擬干擾力矩。對各種干擾力矩進行模擬仿真后獲得的穩定精度曲線如圖5～圖8所示。

圖5　　　　輸入大小為500 gf·cm正弦波干擾力矩時　　　的穩定精度曲線

圖6　　　　輸入大小為800 gf·cm正弦波干擾力矩時的　　　穩定精度曲線

圖7　　　　輸入大小為500 gf·cm方波干擾力矩時的　　　穩定精度曲線

圖8　　　　輸入大小為800 gf·cm方波干擾力矩時的　　　穩定精度曲線

4　結語

綜合上述分析可知，穩定精度與干擾力矩大小有關，干擾力矩變大，穩定精度下降。而平臺的主要干擾力矩為摩擦力矩、導線干擾力矩和質量不平衡力矩，最大干擾力矩預計可達800 gf·cm。從上述穩定精度模擬仿真中可看出，在800 gf·cm的外加干擾力矩條件下，該穩定平臺穩定精度的峰值約為±0.2 mrad，折合為0.07 mrad(1σ)，滿足0.1 mrad(1σ)的指標要求，且留有裕量，因此，穩定平臺的穩定精度能夠達到0.1 mrad的指標要求。

參考文獻

[1] 胡壽松.自動控制原理[M]. 北京：科學出版社，2005.

[2] 張鵬.艦載攝像穩定平臺的結構設計[J].艦船電子對抗，2006，6(3)：70-73.

[3] 張智永.移動載體穩定跟蹤平臺測控技術研究匯[D]. 長沙：國防科學技術大學，2001.

[4] 郭新勝.車載穩定平臺伺服控制系統[D]. 南京：南京理工大學，2004.

[5] 王蘇.艦載激光武器高精度穩定平臺系統研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學，2009.

[6] 張施賢.機載相機穩定平臺伺服系統的研究[D]. 南京：南京理工大學，2008.

作者簡介：馬文韜(1981-)，男，工程師，主要從事指控裝備機構工藝設計等方面的研究。

收稿日期：2015-12-25

責任編輯鄭練

Stabilized Precision Analysis of Two Axes Stablized Platform

MA Wentao

(The 28th Research Institute of CETC, Nanjing 210014, China)

The stablized platform which is fixed on the carrier can isolute the change of the carrier’s installation surface and supply the retentive plane. Mainly analyze the stabilized precision of a two-axes stablized platform. The stable accuracy is associated with the disturbance torque size, and when the disturbance torque increases, the stable accuracy decreases.

stablized platform, stabilized precision, disturbance torque

TN1 24

A

李波(1974-)，男，高級工程師，大學本科，主要從事混合電路組裝、封裝工藝等方面的研究。

2015-12-18