在一般的速率反饋方案中，校正環(huán)節(jié)選用PID校正僅能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)角速度無(wú)靜差，不能實(shí)現(xiàn)角度無(wú)靜差。如果要讓系統(tǒng)角度輸出無(wú)靜差，則需要在校正環(huán)節(jié)中含有雙重積分環(huán)節(jié)，因此設(shè)計(jì)了在速率陀螺反饋的基礎(chǔ)上采用PII2校正環(huán)節(jié)的控制方法。由于直流力矩電機(jī)電樞電感值通常非常小，忽略其時(shí)間常數(shù)的影響，模型簡(jiǎn)化后的穩(wěn)定回路控制框圖如圖1所示。

　　(3) 主導(dǎo)極點(diǎn)：必須滿足特征多項(xiàng)式中一對(duì)具有復(fù)實(shí)部的共軛" title="共軛">共軛復(fù)根為系統(tǒng)的主導(dǎo)極點(diǎn)，應(yīng)滿足α>5。
　　采用極點(diǎn)配置的方法來(lái)確定(比例-積分-二重積分)校正環(huán)節(jié)的三個(gè)系數(shù)，可得：
　　k_p=7.2，k_i=245，k_i2=6 500，根據(jù)上述參數(shù)，施加一個(gè)1 000gcm的干擾力矩，在MATLAB中仿真的結(jié)果顯示系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間及角度靜差均滿足要求，但系統(tǒng)超調(diào)過(guò)大。增大系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)增益，將系統(tǒng)校正環(huán)節(jié)中k_p、k_i、k_i2 三個(gè)參數(shù)均放大三倍，觀察閉環(huán)零極點(diǎn)圖，發(fā)現(xiàn)系數(shù)放大后，共軛復(fù)根的復(fù)實(shí)部并未發(fā)生較大變化，而其虛部變小，這可削弱系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性中的正弦振蕩從而減小超調(diào)。同時(shí)系數(shù)放大三倍后復(fù)實(shí)軸上的極點(diǎn)更加遠(yuǎn)離共軛復(fù)根，從而使得共軛復(fù)根的主導(dǎo)極點(diǎn)的地位更為加強(qiáng)，系統(tǒng)的特性更接近設(shè)計(jì)期望的特性。同樣1 000gcm擾動(dòng)力矩下，系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間及角度靜差均滿足要求。方位軸3 000gcm擾動(dòng)力矩下角度輸出如圖2所示(在60秒時(shí)刻施加干擾力矩，縱坐標(biāo)單位角秒，橫坐標(biāo)單位秒)。

　　在系統(tǒng)反饋控制中,內(nèi)環(huán)是一個(gè)力矩電機(jī)的電流環(huán),用于輸出穩(wěn)定無(wú)差的轉(zhuǎn)矩。次內(nèi)環(huán)為框架慣性速率環(huán),最外環(huán)為位置跟蹤環(huán)。慣性速率環(huán)的反饋元件為速率陀螺，測(cè)量框架相對(duì)于慣性空間的角速率。位置跟蹤環(huán)由旋變來(lái)完成角度的測(cè)量。陀螺穩(wěn)定系統(tǒng)是一個(gè)力矩平衡系統(tǒng),由陀螺感測(cè)擾動(dòng)力矩引起的角運(yùn)動(dòng),通過(guò)反饋回路產(chǎn)生一個(gè)控制力矩來(lái)抵消擾動(dòng)力矩,從而達(dá)到穩(wěn)定的目的。在本陀螺穩(wěn)定平臺(tái)控制系統(tǒng)中, 電機(jī)的控制模式采用轉(zhuǎn)矩控制模式，使轉(zhuǎn)矩(電流)環(huán)的輸出電流值與閉環(huán)的輸入電壓給定值成比例關(guān)系,這樣可以顯著提高慣性速率環(huán)的控制效果,從而提高穩(wěn)定精度。
3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
　　控制器核心選用TI公司TMS320LF2407A數(shù)字信號(hào)處理器，采用模塊化主計(jì)算機(jī)板、顯示控制板、A/D" title="A/D">A/D 板、R/S 板及圖像跟蹤板。系統(tǒng)資源有一定冗余度，提高了系統(tǒng)的可靠性?？傮w擴(kuò)展框圖如圖3所示。

3.1 陀螺信號(hào)輸入接口
　　陀螺選用俄羅斯Fizoptika公司的光纖陀螺VG941-3AM，用于測(cè)量負(fù)載框架相對(duì)于慣性空間的角速率，輸出模擬電壓信號(hào)(0～3V)，陀螺信號(hào)通過(guò)信號(hào)處理電路轉(zhuǎn)成與A/D 芯片匹配的輸入電平。本系統(tǒng)選用2 片ADI公司的16位A/D芯片ADS7805U，可同時(shí)采樣，轉(zhuǎn)換時(shí)間為4μs，滿足系統(tǒng)要求。A/D轉(zhuǎn)換后的16位信號(hào)送到兩片鎖存器(SN74HC574)中，由DSP控制74LS138選通鎖存來(lái)讀取陀螺信號(hào)。
3.2 直流力矩電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)接口
　　電機(jī)功放電路選用IR公司的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片IR2104。IR2104是一種高電壓、高速度的功率MOSFET和IGBT驅(qū)動(dòng)器，工作電壓10～20V。系統(tǒng)使用兩片IR2104控制四片N溝道的IGBT(IRF540N)組成一個(gè)全橋驅(qū)動(dòng)電路控制一臺(tái)直流力矩電機(jī)。IR2104通過(guò)HO輸出分別控制全橋驅(qū)動(dòng)電路的上半橋Q1、Q3的導(dǎo)通與關(guān)斷，而IR2104的LO輸出分別控制全橋驅(qū)動(dòng)電路的下半橋Q2、Q4的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速與正反轉(zhuǎn)的目的。電機(jī)驅(qū)動(dòng)接口如圖4所示(僅畫(huà)出一路)。
3.3 旋轉(zhuǎn)變壓器信號(hào)接口
　　在本系統(tǒng)中，選用DDC公司的專用RDC模塊19220，接收來(lái)自旋變粗、精通道的激磁信號(hào)，其中精通道的bit4-bit11轉(zhuǎn)換后直接送到低位鎖存中，bit1-bit3送到中位鎖存的低三位，精通道的bit1-bit5再和粗通道在MD27C256中精粗精組合后送到中、高位鎖存，形成旋變的18位數(shù)據(jù)，分辨率為4.94″。單路旋變接口實(shí)現(xiàn)如圖5所示。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及功能
　　軟件設(shè)計(jì)包括初始化、自檢、控制算法、故障處理、以及各功能模塊的編寫(xiě)，考慮到穩(wěn)定模塊的實(shí)時(shí)性比較高,整個(gè)系統(tǒng)程序采用匯編語(yǔ)言設(shè)計(jì)編寫(xiě)，伺服采樣周期為1ms。
　　系統(tǒng)控制命令既可以由控制盒發(fā)出，也可以由上位機(jī)發(fā)出。上位機(jī)還可以設(shè)定如測(cè)漂參數(shù)、位置指令參數(shù)等以完成各種系統(tǒng)監(jiān)測(cè)所需的參數(shù)設(shè)置，同時(shí)上位機(jī)還接收、顯示存儲(chǔ)來(lái)自平臺(tái)的包括陀螺、旋變、電機(jī)等各種實(shí)時(shí)信息，用于數(shù)據(jù)處理和分析判斷。軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，方便軟件的調(diào)試，可擴(kuò)展性、可移植性強(qiáng)。系統(tǒng)軟件框圖如圖6所示。
　　跟其他平臺(tái)相比，本系統(tǒng)的一大特色是功能比較豐富，系統(tǒng)軟件具有穩(wěn)定測(cè)漂、旋變鎖定 、位置指令、目標(biāo)搜索、光電跟蹤等五種狀態(tài)，還可完成諸如負(fù)載能力試驗(yàn)、模擬搖擺試驗(yàn)、帶寬預(yù)測(cè)試等系統(tǒng)試驗(yàn)。
　　(1) 旋變鎖定
　　系統(tǒng)根據(jù)旋變信息對(duì)平臺(tái)施矩，將其控制到旋變的電零位，旋變鎖定狀態(tài)持續(xù)5秒鐘后結(jié)束并自動(dòng)轉(zhuǎn)入陀螺穩(wěn)定狀態(tài)。
　　(2) 穩(wěn)定測(cè)漂
　　操作員鍵入采樣周期和采樣時(shí)間后，系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定測(cè)漂狀態(tài)，測(cè)漂完成后自動(dòng)補(bǔ)償陀螺漂移。
　　(3) 位置指令
　　系統(tǒng)接收到目標(biāo)的緯度、經(jīng)度、高度三個(gè)參數(shù)，然后從載體系統(tǒng)中讀入自身的橫滾角、俯仰角、方位角三個(gè)參數(shù)，根據(jù)這六個(gè)參數(shù)計(jì)算得出自身所要轉(zhuǎn)動(dòng)的俯仰、方位角度，然后控制平臺(tái)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到相應(yīng)位置。

　　(4) 目標(biāo)搜索
　　此時(shí)由操縱桿控制俯仰、方位兩個(gè)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，DSP接收到目標(biāo)搜索的指令碼后，分別取出地面控制臺(tái)給出的俯仰、方位兩個(gè)電機(jī)的速度值，然后按照操縱桿給出的俯仰、方位兩個(gè)電機(jī)的速度值控制平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)行目標(biāo)搜索。
　　(5) 光電跟蹤
　　系統(tǒng)接收到光電跟蹤的指令碼，選擇相應(yīng)的跟蹤方式，然后根據(jù)電視跟蹤器傳來(lái)的俯仰、方位的脫靶量控制兩個(gè)電機(jī)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)，跟蹤目標(biāo)點(diǎn)。
5 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)及結(jié)論
5.1靜態(tài)穩(wěn)定精度檢測(cè)
　　開(kāi)機(jī)使平臺(tái)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，分別給方位、俯仰軸添加負(fù)載。3 000gcm擾動(dòng)力矩下，系統(tǒng)旋變角度輸出如圖7所示(在60秒時(shí)刻施加干擾力矩)，滿足設(shè)計(jì)要求。
5.2 動(dòng)態(tài)穩(wěn)定精度檢測(cè)
　　開(kāi)機(jī)使平臺(tái)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，在俯仰穩(wěn)定框安裝雙面反射鏡，調(diào)整好雙面反射鏡、平行光管和光電觀測(cè)儀，使方位穩(wěn)定軸進(jìn)入穩(wěn)定功能狀態(tài)，使方位搖擺軸按照正弦波作搖擺運(yùn)動(dòng)，觀察光電觀測(cè)儀的讀數(shù)，如果小于要求值，即滿足要求。實(shí)測(cè)穩(wěn)定臺(tái)方位軸搖擺幅度為0.2′，俯仰軸搖擺幅度為0.3′，遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)指標(biāo)，滿足技術(shù)指標(biāo)要求。
本文詳細(xì)論述了瞄準(zhǔn)線穩(wěn)定高精度系統(tǒng)及其軟硬件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)采用經(jīng)典的位置速率雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)，選用DSP 作為數(shù)字控制系統(tǒng)的核心，組成高精度瞄準(zhǔn)線穩(wěn)定系統(tǒng)。對(duì)各項(xiàng)動(dòng)、靜態(tài)性能指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試， 達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)指標(biāo)。
參考文獻(xiàn)