消防動(dòng)中通天線控制系統(tǒng)改造升級(jí)中的問(wèn)題研究

◆幸雪初 任 巍

（1.湖南省消防救援總隊(duì) 湖南 410205；2.長(zhǎng)沙市消防救援支隊(duì) 湖南 410008）

1 引言

衛(wèi)星通信具有不受地域、環(huán)境及時(shí)間限制的特點(diǎn)，成為消防綜合救援主要應(yīng)急通信手段之一，近年來(lái)得到了迅速的應(yīng)用和發(fā)展，其中動(dòng)中通系統(tǒng)作為消防應(yīng)急衛(wèi)星通信的模式，越來(lái)越受到高度重視。在動(dòng)中通系統(tǒng)中，動(dòng)中通天線是重要的關(guān)鍵設(shè)備，伺服跟蹤控制系統(tǒng)的可靠性及跟蹤精度始終是動(dòng)中通天線面臨的最主要的技術(shù)瓶頸。為了在確保跟蹤可靠性、精度的前提下有效降低成本，目前國(guó)內(nèi)相關(guān)單位均在加緊開(kāi)發(fā)新型的伺服跟蹤控制系統(tǒng)，但這一過(guò)程是漫長(zhǎng)而且是逐步漸進(jìn)的。對(duì)于消防動(dòng)中通系統(tǒng)應(yīng)用單位來(lái)說(shuō)，建設(shè)越早，其使用的動(dòng)中通天線技術(shù)水平越低。但由于系統(tǒng)建設(shè)時(shí)間不長(zhǎng)，又不可能將系統(tǒng)報(bào)廢重建。為此，如何利用先進(jìn)成熟的技術(shù)對(duì)原動(dòng)中通天線進(jìn)行技術(shù)改造，提高性能而又不需要大的投入具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

我單位動(dòng)中通系統(tǒng)是2010年建成投入使用的，是消防系統(tǒng)最早建成的動(dòng)中通衛(wèi)星系統(tǒng)，曾經(jīng)是消防動(dòng)中通系統(tǒng)應(yīng)用的示范項(xiàng)目。多年來(lái)系統(tǒng)穩(wěn)定，在滅火搶險(xiǎn)救援中發(fā)揮了應(yīng)有的作用。該系統(tǒng)使用的0.9米動(dòng)中通天線系統(tǒng)，如圖1所示。

但由于建設(shè)較早，技術(shù)相對(duì)不成熟，為此我單位提出了在不對(duì)系統(tǒng)硬件大改的前提下，通過(guò)控制軟件的升級(jí)來(lái)提高控制性能的思路，在原廠家的大力配合下，獲得了成功。

本文以我單位動(dòng)中通天線為對(duì)象，探討了基于雙速度環(huán)的穩(wěn)定跟蹤系統(tǒng)的原理。通過(guò)引入前饋控制技術(shù)對(duì)原系統(tǒng)的控制系統(tǒng)進(jìn)行了軟件升級(jí)，顯著提高動(dòng)中通天線跟蹤精度，使我單位的動(dòng)中通天線性能得到了很大提高，為我國(guó)突破制約天線實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的主要技術(shù)瓶頸提供了新的技術(shù)手段。同時(shí)也為消防動(dòng)中通天線的技術(shù)改造升級(jí)提供了一條思路。

圖1 動(dòng)中通衛(wèi)星天線

2 我單位動(dòng)中通天線系統(tǒng)改造前的控制系統(tǒng)分析以及改造思路

如圖 2所示，我單位使用的動(dòng)中通天線為方位/俯仰兩軸結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定跟蹤平臺(tái)，在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)將其化解為兩個(gè)單軸的穩(wěn)定跟蹤系統(tǒng)，每個(gè)軸的控制結(jié)構(gòu)如圖2，控制模型如圖 3，采用的是單速度環(huán)控制系統(tǒng)。

圖2 原動(dòng)中通天線單軸速度環(huán)控制結(jié)構(gòu)

圖3 原動(dòng)中通天線單軸速度環(huán)控制模型

在控制器設(shè)計(jì)時(shí)，在通帶內(nèi)滿(mǎn)足：

則有：

另外，原系統(tǒng)完全屬于反饋控制系統(tǒng)，在控制領(lǐng)域，前饋和反饋是兩種并列的控制方式。具有各自的優(yōu)勢(shì)。反饋控制必須等到被控參數(shù)出現(xiàn)偏差后，控制器才動(dòng)作，以補(bǔ)償擾動(dòng)對(duì)被控參數(shù)的影響。而動(dòng)中通天線在實(shí)際工作過(guò)程中恰恰是要在受到各自姿態(tài)干擾的情況下，保持系統(tǒng)的輸出（天線指向）不變，應(yīng)用前饋控制會(huì)大大提該系統(tǒng)抗干擾的性能。

為此，本文提出采用以下兩種技術(shù)思路對(duì)原天線控制系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造升級(jí)。這兩種方案均不需要對(duì)原系統(tǒng)的硬件進(jìn)行變動(dòng)，只需要升級(jí)軟件系統(tǒng)，也具有實(shí)現(xiàn)的可操作性。

（1）采用雙速度環(huán)方案取代原系統(tǒng)的單速度環(huán)方案；

（2）引入前饋控制技術(shù)提高系統(tǒng)的控制性能；

3 雙速度環(huán)穩(wěn)定控制系統(tǒng)的分析

在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)將其化解為兩個(gè)單軸的雙速度環(huán)穩(wěn)定跟蹤系統(tǒng)，如圖4所示，數(shù)學(xué)模型框圖如圖5。

圖4 動(dòng)中通天線單軸雙速度環(huán)控制結(jié)構(gòu)

圖5 雙速度環(huán)的模型框圖

在控制器設(shè)計(jì)時(shí)，在通帶內(nèi)滿(mǎn)足：

4 引入前饋控制的雙速度環(huán)穩(wěn)定控制系統(tǒng)

4.1 引入前饋控制的雙速度環(huán)穩(wěn)定控制結(jié)構(gòu)

在控制領(lǐng)域，前饋和反饋是兩種并列的控制方式。前面討論的都是反饋控制系統(tǒng)的應(yīng)用，反饋控制必須等到被控參數(shù)出現(xiàn)偏差后，控制器才動(dòng)作，以補(bǔ)償擾動(dòng)對(duì)被控參數(shù)的影響。

引入前饋控制的雙速度環(huán)控制結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 引入前饋控制的雙速度環(huán)控制系統(tǒng)

前饋控制雖然對(duì)擾動(dòng)有很好的抑制作用，但必須基于兩個(gè)前提。一是必須精確得到被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，二是對(duì)擾動(dòng)的精確測(cè)量或估計(jì)。下面以俯仰軸為例探討前饋控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)施。

4.2 俯仰軸電機(jī)速度閉環(huán)的傳遞函數(shù)的辨識(shí)

為了得到被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，采用單位階躍激勵(lì)法辨識(shí)被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。辨識(shí)的實(shí)驗(yàn)框圖入圖7所示。

圖7 模型辨識(shí)框圖

測(cè)試條件：

（2）響應(yīng)單位：驅(qū)動(dòng)器設(shè)定的速度單位（rpm）。

（3）采樣周期：2.048ms。

圖8 辨識(shí)曲線圖

4.3 俯仰正饋控制器設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

前饋控制系統(tǒng)的框圖如圖9。

圖9 前饋控制系統(tǒng)框圖

4.4 載體姿態(tài)干擾的測(cè)量估計(jì)

在動(dòng)中通天線控制系統(tǒng)中，載體的姿態(tài)干擾沒(méi)有辦法直接測(cè)量，只能通過(guò)中間測(cè)試量估計(jì)得到。如圖10所示。

圖10 載體姿態(tài)干擾估計(jì)

5 改造前后效果對(duì)比

采用雙速度環(huán)和前饋控制兩種技術(shù)對(duì)我單位原動(dòng)中通天線進(jìn)行改造的技術(shù)思路，理論上是可行的。由于原系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)采用的基于CAN總線的多CPU分布式控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)都是數(shù)字控制系統(tǒng)，多 CPU結(jié)構(gòu)中也有足夠的冗余計(jì)算能力處理復(fù)雜的算法，升級(jí)時(shí)只需要對(duì)原系統(tǒng)的任務(wù)進(jìn)行重新規(guī)劃，不需要更改任何硬件，具有實(shí)施的可行性。

編寫(xiě)軟件后，對(duì)我單位的動(dòng)中通天線控制軟件進(jìn)行了升級(jí)并進(jìn)行了調(diào)試，改造前后動(dòng)中通天線的跟蹤性能在搖擺臺(tái)上測(cè)試的結(jié)果對(duì)比如圖11。

動(dòng)中通天線改造前：跟蹤誤差的RMS值為0.48dB，極差值：3.2dB。

動(dòng)中通天線改造后：跟蹤誤差的RMS值為0.28dB，極差值：0.9dB。

圖11 改造前后對(duì)比圖

6 結(jié)語(yǔ)

實(shí)踐證明，本文研究雙速度環(huán)和前饋控制兩種技術(shù)在動(dòng)中通天線控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，對(duì)于提高動(dòng)中通天線伺服跟蹤控制系統(tǒng)的性能提供了新的解決方案。探討出一種新的穩(wěn)定跟蹤技術(shù)，在不提高成本的前提下，有效地提高控制系統(tǒng)，從而很好解決制約天線實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的主要瓶頸。本論文的實(shí)踐也為消防系統(tǒng)動(dòng)中通天線的技術(shù)升級(jí)提供了一條切實(shí)可行的思路。