一種動平臺下導引頭伺服穩定平臺自檢方法*

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

導引頭是精確制導武器的核心設備之一，用來完成對目標的自主搜索識別和跟蹤，并給出制導律所需要的控制信號［1］，作為導引頭重要組成部分的伺服穩定平臺，應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、準確。伺服穩定平臺自檢功能設計的不僅要能夠全面覆蓋這個組成部分，還應考慮外部環境擾動的影響，所以對伺服穩定平臺上電自檢進行研究很有必要。

夏靜萍［2］設計了角位置回路自檢，被動執行主控計算機角位置指令，完成相應功能，實現平臺基本功能的檢查。王昊［3］設計了測角編碼器的故障檢測，判斷故障進入驅動器保護模式。李艷紅［4］在陀螺不接入情況下，提出了導引頭位標器自檢合格的判定方法。文獻［2～4］設計的角位置自檢，雖然結構清晰，功能明確，但是沒有對陀螺進行檢測，存在陀螺故障無法檢測的情況。文獻［5～8］提到研究的伺服穩定平臺具備上電自檢功能，但都未提及具體實現方式，而且僅限于外部靜止情況下伺服穩定平臺上電自檢。對于移動發射外部姿態擾動情況下的伺服穩定平臺自檢研究較少。基于行業現狀及發展需求，本文針對移動發射外部姿態擾動情況下的伺服穩定平臺自檢方法進行了研究。

2 系統組成及原理

伺服穩定平臺上電自檢用于伺服控制器、電機驅動器、陀螺、角度傳感器等部件進行檢測，采用兩環控制方案，即有陀螺速度環，角度位置環兩個回路組成，組成框圖如圖1所示。

圖1 伺服穩定平臺組成原理框圖

系統工作原理為上電后自動進入自檢流程，在規定時間內運動到極限位置并回到零位，上報自檢正常，否則自檢超時異常。

3 單速度環自檢分析

將伺服穩定平臺的伺服控制器、電機驅動器、陀螺、角度傳感器等部件用傳遞函數表示，伺服穩定平臺結構框圖如圖2所示。

圖2 伺服穩定平臺單速度環結構框圖

圖2中，qz為目標角；qs為伺服穩定平臺框架角；為彈體擾動角速度；G1(s)為位置回路傳遞函數；G2(s)為速度回路傳遞函數，Kg為陀螺反饋通道比例系數。uf為速度環反饋速度，uc為控制速度，un為伺服穩定平臺運動速度。

根據圖2，可得速度環反饋速度uf式（1）：

速度誤差ue式（2）：

當速度誤差ue為0時，可得式（3）

將式（1）帶入式（3）中，可得式（4）

當外部平臺靜止時，陀螺測量速度為機構的運動速度，起測速機的功能，機構運動速度按照給定速度進行運動。

當外部平臺運動時，陀螺測量速度為機構運動和外部平臺運動的合成速度，即慣性空間速度。當外部運動速度方向與給定速度反向時，機構運動速度會加快，伺服穩定平臺自檢時間減少。當外部運動速度方向與給定速度同向時，機構運動速度會減慢；伺服穩定平臺自檢時間增大，超過自檢規定時間造成上電自檢異常。

4 平臺擾動情況下自檢設計

針對移動發射姿態擾動情況下導引頭伺服穩定平臺單速度環自檢超時現象，采用雙速度環閉環控制，根據機構運動速度un大小進行切換，伺服穩定平臺雙速度環結構框圖如圖3所示。

圖3 伺服穩定平臺雙速度環結構框圖

圖3中，qz為目標角；qs為伺服穩定平臺框架角；為彈體擾動角速度；G1(s)為位置回路傳遞函數；G2(s)為速度回路傳遞函數，Kg為陀螺反饋通道比例系數，Kw為角度微分反饋通道比例系數。uf為速度環反饋速度，uc為控制速度，un為伺服穩定平臺運動速度。

當伺服穩定平臺運動速度|un|小于等于10°/s時速度回路采用微分速度進行閉環，否則速度回路采用陀螺速度進行閉環。

根據圖3，可得速度環反饋速度uf式（5）：

將式（5）帶入式（3）中，可得式（6）

當外部平臺靜止時，速度環反饋速度為機構的運動速度，機構運動速度按照給定速度進行運動。

當外部平臺運動時，當外部運動速度方向與給定速度同向時，機構運動速度會減慢，當小于等于10°/s時速度回路采用微分速度進行閉環，速度環反饋速度為機構的運動速度，機構運動速度按照給定速度進行運動，不受平臺擾動干擾，保證平臺擾動情況下上電自檢正常。

5 軟件設計

根據設定好的自檢流程，控制電機帶動負載轉動極限位置并回到零位，如果在規定的時間內完成自檢，則上報自檢正常，否則上報故障，中止后續流程，系統處于剎車保護狀態，流程圖如圖4所示。

圖4 自檢流程圖

運動子程序流程圖如5所示，速度環控制器和位置環控制器均采樣PID控制，速度環采樣時間采樣0.5ms，位置環采樣時間采用5ms。速度控制器輸入采用陀螺速度和位置微分速度自動切換，切換條件為位置微分速度小于等于10°/s時采用微分速度進行閉環，大于10°/s采用陀螺速度進行閉環。

圖5 運動子程序流程圖

6 試驗測試

6.1 搭建測試系統

搭建的測試系統示意圖如圖6所示，包括上位機、伺服控制器和電機驅動器以及執行機構，其中，執行機構安裝在三軸轉臺上，上位機為我所成熟軟件，具有數據存儲功能，可將數據導出用于分析。測試用伺服穩定平臺俯仰角度下極限為-42°，上極限為14°，自檢狀態用bit位表示：0為正常、1為異常。

圖6 測試系統示意圖

6.2 單速度環自檢測試

采用陀螺單速度閉環方式，控制三軸轉臺以10°/s的速度向上運動的同時，伺服穩定平臺進行上電自檢，記錄俯仰角度數據和自檢狀態如圖7所示。

圖7 平臺擾動情況下單速度環自檢數據圖

從圖7數據分析，俯仰角度到達下極限（-42°）后，向上極限過程中12°附近保持不動，不能到達上極限（14°），自檢狀態異常（1），自檢失敗。

6.3 雙速度環自檢測試

采用雙速度閉環方式，控制三軸轉臺以10°/s的速度向上運動的同時，伺服穩定平臺進行上電自檢，記錄俯仰角度數據和自檢狀態如圖8所示。

圖8 平臺擾動情況下雙速度環自檢數據圖

從圖8數據分析，俯仰角度先后到達下極限（-42°）、上極限（14°）、0°位置，自檢狀態正常（0），完成自檢流程。

7 結語

為了適應了移動發射姿態擾動情況下上電自檢需求，設計一種動平臺下導引頭伺服穩定平臺自檢方法。通過對單速度環自檢的分析，得到動平臺下自檢超時的原因，提出采用陀螺速度和位置微分速度自動切換的閉環的雙速度環方式，實驗結果表明，該方式在移動發射姿態擾動情況下上電自檢功能可靠和穩定，為工程實現提供了技術支撐。