摘要：由于穩(wěn)像系統(tǒng)一般都只考慮隔離載體的角運動,因此穩(wěn)像系統(tǒng)的設(shè)計主要采用光學(xué)和電子學(xué)結(jié)合的伺服控制方法。本文重點論述了車輛電子綜合系統(tǒng)中車長周視指揮鏡的伺服控制設(shè)計。本文通過對車載穩(wěn)定平臺各部件的組成分析，得出影響穩(wěn)像平臺穩(wěn)定的幾個重要因素。并進行校正設(shè)計,通過實驗驗證了上述校正的可行性,完成了對車載穩(wěn)定平臺伺服控制的設(shè)計。

關(guān)鍵詞：穩(wěn)定平臺;角運動;伺服控制;位置控制

中途分類號：TP9文獻標(biāo)識碼：B

0引言

隨著光電監(jiān)視、跟蹤、偵察系統(tǒng)使用要求的不斷提高,對光學(xué)圖像的穩(wěn)定要求也日趨嚴格。圖像不穩(wěn)定的實質(zhì)是瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的光軸與目標(biāo)之間有相對運動,包括平移和角運動。

圖像不穩(wěn)定會使觀察者產(chǎn)生疲勞感,繼而容易導(dǎo)致誤判和漏判；對于目標(biāo)自動識別與跟蹤系統(tǒng)會導(dǎo)致動態(tài)跟蹤誤差增大,降低跟蹤目標(biāo)的能力。造成瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的光軸與目標(biāo)之間的角運動有兩種情況:一種是目標(biāo)的運動，另一個原因是載體的運動。通常瞄準(zhǔn)時目標(biāo)距離較遠,因目標(biāo)運動而造成的相對運動較少；然而理論上載體自身的運動是以1:l的比例傳遞給系統(tǒng)的瞄準(zhǔn)線,其造成的相對角速度很大。兩者相比，第一個因素可以忽略，所以，穩(wěn)像系統(tǒng)一般都只考慮隔離載體角運動?，F(xiàn)在使用的方法主要有光學(xué)的方法、光學(xué)和電子學(xué)結(jié)合的穩(wěn)定平臺主動補償方法以及電子學(xué)穩(wěn)像的方法。

穩(wěn)定圖像的方式，大致可分為被動穩(wěn)定和主動穩(wěn)定。被動穩(wěn)定的方法主要使用彈簧、阻尼系統(tǒng)，可以有效衰減高頻振動。主動穩(wěn)定系統(tǒng)主要是應(yīng)用車載技術(shù)進行閉環(huán)穩(wěn)定控制，用于消除出低頻運動和振動的影響。在相當(dāng)程度上來說，圖像穩(wěn)定技術(shù)就是要隔離外部對成像系統(tǒng)、瞄準(zhǔn)系統(tǒng)、定位系統(tǒng)的擾動。最直接的方法是將其架設(shè)在減震裝置上，如無角位移減震器，但是其缺點是減震器只能隔離載體的高頻低幅振動，并且經(jīng)過減振以后的窄帶隨機振動都在系統(tǒng)的固有頻率附近，若諧振煩率在系統(tǒng)帶寬之內(nèi)將使圖像產(chǎn)生抖動,所以必須提高系統(tǒng)的剛度保證系統(tǒng)諧振頻率遠大于系統(tǒng)的帶寬，觀察系統(tǒng)中的低頻振動會使圖像隨之顫動，解決的方法是采用光學(xué)穩(wěn)定或電子學(xué)圖像處理穩(wěn)定的方法。

1車載穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)組成

穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)按照穩(wěn)定軸的數(shù)量可以分為單軸、雙軸、和三軸穩(wěn)定平臺按照穩(wěn)定的方式分為平臺式穩(wěn)定、反射鏡穩(wěn)定系統(tǒng)和有兩者組成的兩級穩(wěn)定系統(tǒng)。

一級穩(wěn)定得到了廣泛的應(yīng)用,它是采用一個環(huán)架系統(tǒng)作為光電傳感器的光學(xué)平臺，在平臺上放置車載來測量平臺的運動,車載敏感姿態(tài)角的變化經(jīng)過放大以后驅(qū)動環(huán)架的力矩電機，通過力矩電機驅(qū)動平臺使光電傳感器保持穩(wěn)定。由于一級穩(wěn)定兩軸穩(wěn)定平臺固有的原理誤差，它不可能完全隔離載體的擾動力矩，導(dǎo)致瞄準(zhǔn)線圍繞著光軸旋轉(zhuǎn)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度較大時會對像質(zhì)造成嚴重影響。要完全隔離須采用三軸的車載穩(wěn)定平臺或采用兩軸四環(huán)的穩(wěn)定平臺，這兩種方法在原理上可以完全隔離載體的擾動。兩軸、三軸穩(wěn)定技術(shù)在各國的機載偵察設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用,在導(dǎo)彈導(dǎo)引頭中一般采用兩軸穩(wěn)定，如美國的幼畜戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈，也有為進一步提高精度而采用三軸穩(wěn)定的。本文采用的是兩軸一級整體穩(wěn)定方式。

車載穩(wěn)定平臺方位環(huán)的穩(wěn)定由方位穩(wěn)定回路來完成，回路由下列部件構(gòu)成：

(l)敏感元件—車載儀;

(2)伺服電子線路—由濾波器、校正網(wǎng)絡(luò)、PWM驅(qū)動電路等組成;

(3)執(zhí)行對象元件—直流力矩電機;

(4)控制對象—穩(wěn)定平臺。

車載穩(wěn)定平臺俯仰環(huán)的穩(wěn)定也是由以上四部分組成。穩(wěn)定平臺一般為兩個或三個穩(wěn)定回路,每個穩(wěn)定回路只有在解耦之后方能視為各自獨立的穩(wěn)定回路。

2車載穩(wěn)定平臺方位軸分析校正

在機載、彈載的車載穩(wěn)定平臺中,外部的干擾是不可避免的。這些干擾或是不可測的或是隨機的,這些干擾使跟瞄、定位系統(tǒng)的視軸穩(wěn)定精度和瞄精度降低，導(dǎo)致系統(tǒng)的性能變差。對于結(jié)構(gòu)比較簡單的系統(tǒng)我們可以用超前滯后或PID校正控制規(guī)律設(shè)計一個補償器來抵消干擾升系統(tǒng)的影響。一級穩(wěn)定的車載穩(wěn)定平臺的速率環(huán)一般采用超前滯后校正的方法消除外部的干擾。

方位穩(wěn)定系統(tǒng)對干擾的作用可看成是力平衡系統(tǒng)。對控制作用可看成是角速度跟蹤系統(tǒng),通常采用經(jīng)典控制理論來設(shè)計校正函數(shù)。一般在進行設(shè)計時，通常的步驟是先考慮采月超前校正，使系統(tǒng)滿足穩(wěn)定性要求和動態(tài)精度要求，再考慮引入滯后效正，以滿足系統(tǒng)靜態(tài)力矩剛度軍求，并且要不影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性能。

測試車載穩(wěn)定平臺的開環(huán)幅頻特性，測試時所用的輸入信號為：

由系統(tǒng)的開環(huán)幅頻特性可見系統(tǒng)在300rad/sec附近有一個較大的諧振峰，在對系統(tǒng)做校正的實驗中又發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)在30rad/sec，60rad/sec及148rad/sec附近還有幾個小的諧振峰；這些諧振峰的存在對穩(wěn)定平臺伺服系統(tǒng)性能起著重要的制約作用。

由系統(tǒng)的開環(huán)幅頻特性可知系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：

當(dāng)考慮系統(tǒng)采用低通濾波器濾波、陷波器濾除系統(tǒng)的諧振，則系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1車載穩(wěn)定平臺的控制系統(tǒng)框圖

車載所能夠敏感的最小速度為Vmin=0.007°/s,因此它限制了系統(tǒng)所能夠敏感的最小速度為:

Vmin=0.007°/s

實驗測得電機的啟動電壓為:

U=3V

車載的輸出斜率為:

kg=100mV/(1°/s)

系統(tǒng)速率環(huán)的反饋系數(shù)為:

β=0.9

功率級調(diào)寬波的增益為:

KPWM=5.4

因此可以計算出系統(tǒng)所需要的最小校正放大倍數(shù)為:

根據(jù)隔離度為1%時要求系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)為100，則系統(tǒng)的期望開環(huán)放大倍數(shù)為4Odb。校正后的系統(tǒng)幅頻特性如圖2所示。

圖2校正后的系統(tǒng)幅頻特性

3邏輯控制電路

在車載穩(wěn)定平臺設(shè)計中,穩(wěn)像時我們將車載工作在開環(huán)狀態(tài),但是車載在開機狀態(tài)時,要求其自身閉環(huán),因此我們設(shè)計了如下電路。

方位由于是n*360°旋轉(zhuǎn),穩(wěn)像時車載開壞。當(dāng)穩(wěn)像電源打開時,穩(wěn)像電源同時控制繼電器來使車載方位軸開環(huán),并且將方位加矩信號加到車載方位力矩器高端。

俯仰軸由于工作在-10°--45°范圍內(nèi),有上、下限位控制。穩(wěn)像工作時,車載的俯仰軸與方位工作方式一樣。因此,當(dāng)反射鏡運動到上限位時,上限位開關(guān)閉合,同時控制繼電器將俯仰加矩信號的正電壓切斷,只允許俯仰加矩信號的負電壓通過。這同時為了保證在限位時的系統(tǒng)的可靠性,在上限位時,繼電器的另一繞組控制車載俯仰軸的開閉環(huán),它使俯仰的力矩器高端和俯仰力反饋在正方向閉合。同樣,在下限位時的工作方式與上限位一樣。

4傳感器的選擇

在車載穩(wěn)定平臺中，撓性速率車載的應(yīng)用是比較少的。穩(wěn)定軸上的常值干擾力矩會引起穩(wěn)定裝置的角速率漂移是速率車載穩(wěn)定裝置的重要特點。因此在選擇速率車載的時候，要求其漂移應(yīng)該近可能的小，零位噪聲盡量低，重復(fù)性要好。速率陀螺的分辨率表征了車載儀敏感平臺的微小變化(角位移)的的能力，它將影響到平臺的穩(wěn)定精度，選擇車載儀時必須保證其分辨率滿足要求。從光學(xué)結(jié)構(gòu)上考慮也要求車載的重量輕、體積小，并且選擇兩自由度的撓性車載，以便安裝和修正。

本伺服系統(tǒng)使用的速率車載具有體積輕、重量輕，環(huán)境適應(yīng)性強和綜合性能指標(biāo)較高等優(yōu)點。其主要的指標(biāo)如下:

靈敏度：小于等于0.007°/s；

力矩器低端輸出標(biāo)度因數(shù)：65mv士7mv；

測速范圍：0°/s—士80°/s；

綜合誤差小于：0.5%（F•S）；

交叉輸出小于：0.5%；

開環(huán)帶寬：80Hz；

表頭重量：259g。

實驗系統(tǒng)中所用的撓性車載輸出噪聲較大，解調(diào)輸出端噪聲有效值小于等于20mv，陷波輸出直流零位電壓小于等于200mv。而且在實驗中發(fā)現(xiàn)車載輸出噪聲過大是影響控制系統(tǒng)性能的一個重要因素。在以后的實驗中改進中有必要采取一定的措施來抑制車載噪聲，采取的方法可以考慮采用微弱信號檢測技術(shù)的提取信號，或采用Kalmna濾波的方法建立的數(shù)學(xué)模型，或采用近似非線形濾波技術(shù)辨識漂移模型，還有研究用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)報的方法補償車載漂移。另外，車載的靈敏閥值對系統(tǒng)誤差的影響無法克服，只能采用性能更好的車載減少這項誤差。撓性車載的受沖擊能力不行，在x、Y軸兩個方向的耐沖擊有8g，6ms。

5結(jié)論

實驗所用車載穩(wěn)定平臺的機械諧振頻率過低在一定的程度上限制了系統(tǒng)的帶寬和伺服性能的提高，引進高階校正方法對系統(tǒng)穩(wěn)定精度的提高具有重要的意義，采用高階校正算法校正后的系統(tǒng)在高頻段和低頻段的性能都有了很好的改善。在系統(tǒng)的帶寬雖然沒有明顯的提高，但是系統(tǒng)的響應(yīng)能力有很大提高。

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