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摘要：为了解决天线随动系统所存在的振颤现象和全数字化实现等问题，介绍了一种基于加速度回路的全数字化天线随动系统控制器，该系统以DSP芯片TMS320F2812为核心控制芯片，采用速率陀螺平台稳定系统、数字PID控制算法和脉宽调制驱动方式，通过引入加速度回路抑制系统的高频振荡，极大地改善了系统的稳定性和动态品质，具有极高的应用价值。

关键词：加速度回路；天线随动系统；平台稳定系统；PID；脉宽调制

0 引言

随动系统亦称为伺服系统，其广泛应用于卫星通信、自动驾驶仪、天线位置控制、导弹和飞船的制导等各个领域。在导弹制导领域中，随动系统的应用极其重要，其涉及到目标准确跟踪、制导精度、作战性能等关键因素，随动系统控制器作为整个导弹制导系统的核心，其性能好坏直接影响着系统的整体性能。

文献提出导引头随动控制系统设计方案，通过理论分析和仿真验证表明，这种随动系统具有较好的搜索和跟踪性能。但是，在实际应用中，由于高频振荡的存在，对随动系统的高跟踪精度和整体性能影响较大。针对这种问题，本文从天线随动系统的控制方案出发，以实现随动系统的快速动态响应特性、高质量的稳态精度和较强的非线性干扰能力为目的，通过仿真详细分析了随动系统的各种功能特性。巧用速度微分即加速度负反馈的方法，引入加速度反馈回路，增加系统阻尼，在减小超调的同时，抑制尖峰干扰，极大地提高了天线随动系统的整体性能。

1 系统结构及工作原理

本系统设计采用内外双框架结构，内框架为俯仰框架，外框架为方位框架。内外框架均安装有直流力矩电机、测角电位计和速率陀螺，由它们共同实现天线的方位和俯仰运动。系统结构如图1所示。

控制系统由测角电位计、速率陀螺、A／D电路、DSP控制器、PWM功率驱动电路、直流力矩电机构成。A／D电路将电位计和速率陀螺输出的模拟信号转换为数字信号，被动雷达接收机作为测角装置给出误差角度信号，在DSP控制器中完成PID控制算法，并给出PWM

信号，再经PWM功率驱动电路驱动直流力矩电机，从而完成对天线的全数字化控制。

2 系统设计与仿真

2．1 系统控制原理框图

本系统所采用的是速率陀螺稳定平台式天线随动跟踪系统方案，从原理上说，可称为“平台式随动系统”，它既能隔离载体角运动对天线电轴的铰链，又能使天线电轴快速准确地跟踪视线，并且当被动雷达接收机停止工作时，天线电轴能保持在导航坐标系总的指向稳定不变。该方案的控制原理框图以及各个角度之间的关系如图2所示。

图2中，q为导航系的视线角；e为导航系的误差角；ψ，分别为载体的姿态角和角速度；

为载体轴与天线电轴之间的夹角及其角速度；uT，uυ分别为被动雷达接收机、角位置传感器经过放大器KT，Kf的输出电压，它们都要输给载体控制系统；ηg为角速率陀螺仪的漂移；

为被动雷达接收机(测向装置)的传递函数，τD为测角延迟时间；GPID(s)为PID调节器传递函数，Gc(s)为校正装置传递函数，其作用为增大系统带宽，提高系统解耦性能，同时超前网络校正环节可以改善系统的υ和uT的输出，减弱输出产生的纹波；Gd(s)为伺服电机减速器及负载的传递函数；Gg(s)为角速率陀螺仪的传递函数，各传递函数表达式如下：

Kυ，Kw分别为角位置传感器的PWM驱动传递系数；Kz，Kc1，Kc2，Kf，KT分别为电子放大器的放大系数。K1，K2为两个开关。当被动雷达接收机开机时，K1，K2同时接通，扫描信号通过K1驱动随动系统，对目标进行搜索；当被动雷达截获目标后，K1，K2同时断开，雷达天线在随动系统驱动下转入对目标跟踪状态，根据被动雷达接收机给出的实时误差角度信号实现对目标的稳定跟踪。

从图2中可以看出，天线随动系统由内至外分别由角加速度反馈回路、角速度反馈回路、角

位置反馈回路三个闭环反馈控制回路组成。其中，角加速度回路由PWM驱动、力矩电机、角速率陀螺、微分环节、角加速度反馈放大环节构成，采用对角速率陀螺输出信号微分得到角加速度信号。角速度回路由PID控制器、PWM驱动、力矩电机、角速率陀螺、角速度反馈放大环节构成。角位置回路由测向装置、前置放大器、校正环节和角速度反馈回路连接构成。

2．2 天线随动系统性能分析

本设计通过对各回路元件的理论模型和非线性进行仿真分析，调整相关参数，使其能够达到系统的性能要求，并将仿真得到的相关参数作为软硬件实现的依据。

2．2．1 输出特性

根据线性系统叠加性原理，将图2系统分解为单输入单输出系统进行分析，当q，ψ，ηg 同时输入到系统时，可得系统的稳态输出特性为：

等号右边第一项为随动系统输出到载体控制系统的导引信号，是与视线角速度成正比例的信号；第二项是载体角运动的铰链输出，对载体的控制性能产生了影响；第三项是角速度陀螺仪的漂移造成的干扰输出，将它输入载体控制系统，会造成导引误差，因此要选择漂移小的角速度陀螺仪。

图3给出了当输入q=1(t)，ψ=0时，输出υ(t)和uT(t)的曲线。从图中可见，曲线连续平滑，稳态性能较好，并且能够较好地实现的比例导引规律。

2．2．2 解耦特性

系统的解耦特性主要研究载体角运动及角速度陀螺仪的漂移对天线电轴在导航坐标系统中的位置影响。因此，要分析以ψ，ηg为输入时，对υ的影响。

当以ψ为输入，υ稳态输出特性为：

由式(6)可知，载体角运动对天线电轴在导航系统中的稳态位置无铰链，系统各元件参数变化都不会影响天线电轴在导航系统中位置。说明该系统具有全解耦功能。

2．2．3 抗关机特性

抗关机特性主要研究当目标雷达关机后，载体角运动、角速度陀螺仪的漂移对天线电轴在导航系的位置的影响。

由式(7)可知，当目标雷达关机后，载体角运动不影响天线电轴在导航系统中的位置，能保持目标雷达关机前的指向不变。

由式(8)可知，在目标雷达关机后，天线电轴在导航系统中的漂移与角速度陀螺仪的漂移大小相等，方向相反。所以角速度陀螺仪的漂移影响天线抗关机性能，需根据载体在目标雷达关机后需飞行的最长时间来选择角速度陀螺仪的漂移特性。

2．2．4 搜索特性

搜索特性分析是指当随动系统在搜索状态下，以R。(t)和(t)为输入，υ(t)为输出时的

特性。其稳态输出特性为：

由此可知，雷达天线能按照给定的信号，在方位和俯仰面上进行要求方式的扫描，扫描的范围由Rs(t)的幅值控制。但由于扫描时，υ与成比例，故在扫描时载体角速度不能太大，否则

天线电轴会丢失目标。

2．2．5 跟踪特性

图4给出了当输入q=20t，ψ=0时，输出υ(t)的仿真曲线。它表明，当输入20°／s的角速度信号时，跟踪回路能较好地复现系统的输入信号，即电轴可以稳定跟踪视线角，实现高精度跟踪。同时可以看出，υ的输出在过零点时，特性良好，无死区现象。

2．2．6 引入加速度回路特性

在天线随动系统中增加的角加速度负反馈回路，不但可以用于抑制系统的高频振荡，解决随动系统的颤振问题，而且能克服惯性平台的“航向效应”，提高了电机参数的鲁棒性，使平台式随动系统的性能更加可靠。图5给出了输入标准差为σi=0．33时，取Kc2=1．2，加速度回路起反馈作用，输出标准差σo=0．21。它表明天线随动系统的υ角度输出得到平滑。取Kc2=0，加速度回路不起反馈作用时，输出标准差σo= 0．23。可见，加入加速度反馈回路可以进一步降低υ的输出振荡。