框架式導引頭控制技術

夏曉雷

(海軍裝備部，重慶 400000)

框架式導引頭的穩定跟蹤系統在軍事和民事的各個領域都已經得到了極其廣泛的應用。在軍事方面，武器裝備的不斷發展對裝備的快速反映和機動能力，以及機動間穩瞄、跟蹤和打擊能力提出了更高的要求，因此對高精度穩定跟蹤平臺的需求變得更急迫;在民事方面，衛星電視接收轉播、車船用移動衛星通訊、公安、消防、搶險救災及環境監測等多種行業的發展，也需要有穩定跟蹤能力的平臺來很好地隔離載體的運動對姿態平臺的影響，并保證在各種環境下對目標信號的截獲、識別和跟蹤［1］。

1 穩定平臺的研究

1.1 導引頭設計方案

導引頭的設計過程就是將主要的傳感器與慣性平臺綜合成一體的過程。不同的導引頭有不同的設計方案，具體設計方案組成見表1。

表1 導引頭各種設計方案選擇

1.1.1 導引頭穩定方式的選擇［2］

導引頭穩定方式有多種，相比較而言，雖然速率陀螺式的穩定精度略低一些，但對于導引頭而言，速率陀螺式的穩定精度能夠滿足要求，因此導引頭穩定方式采用速率陀螺式。

1.1.2 導引頭穩定平臺的選擇［3］

在穩定性的基礎上，精確制導系統首先要保證的是快速，因此對于導引頭穩定平臺而言，可以采用框架平臺式結構。雖然框架平臺式穩定平臺的力矩恒定，導致陀螺只能做恒速運動，但可以通過數字化控制系統來對陀螺速度進行控制，使其能夠隨著需求而不斷改變速度。

1.1.3 傳感器的選擇

由于本研究以電視制導為背景，所以這里選擇電視作為傳感器。

綜上所訴，本論文研究三軸速率陀螺式框架穩定平臺。

1.2 穩定平臺的物理組成及工作原理

1.2.1 伺服穩定平臺

導引頭伺服穩定平臺主要完成2個功能:一是隔離彈體受到的由氣流擾動等產生的搖晃、滾動等影響;二是接受主令輸出的誤差信號，調整瞄準線，實現對目標位置的精確跟蹤。

1.2.2 穩定平臺物理組成

三軸速率式陀螺穩定平臺也就是三軸導引頭框架穩定平臺，主要由3個伺服回路構成，每個伺服回路主要由如下元件組成［4］:① 穩定對象——平臺臺體;② 中間裝置——PWM功率放大器;③ 驅動元件——直流力矩電動機;④ 敏感元件——速率陀螺。

1.2.3 穩定平臺工作原理

穩定工作平臺將CCD攝像機與陀螺儀一同安裝在由力矩器驅動的框架上。系統工作時，利用3個速率陀螺來測量視軸在方位、俯仰和翻滾方向上的角速度，其產生的電壓信號經過控制器處理后再經功放電路驅動力矩電機，產生相反方向力矩來平衡外部干擾力矩，使視軸在慣性空間保持相同的角度方向而和載體的振動無關或者使其晃動量保持在允許的范圍內，從而產生速率陀螺的穩定控制回路，為攝像機提供一個穩定的平臺［5］。

2 數字化控制系統研究

2.1 系統控制回路

數字控制系統的實現過程如圖1所示［6］。

圖1 穩定平臺數字控制回路實現結構

圖1中，將輸入信號和反饋信號的差值先通過A/D轉換成DSP可以接收的數字信號，輸入DSP中，經DSP信號處理器的處理，濾掉一些不需要的頻率信號，再將電壓轉換成所需要的電壓，這里省略掉了先前的A/D轉換器是因為在DSP內部就有A/D轉換電路，輸出的信號再經過D/A轉化器轉換為模擬信號，輸出調寬脈沖，然后通過PWM功率放大電路驅動直流力矩電機，控制平臺穩定，通過速率陀螺構成閉環反饋電路，共同來使實際產生的角速度滿足跟蹤控制指令要求。同時，該數字控制系統對干擾信號也能進行有效的抑制。因此，可以依靠此數字控制系統來使陀螺平臺在相對理想的空間里保持不變。

2.2 系統穩定要求

1)幅值裕量Lh要求越大越好，其越大，表明系統相對穩定性越高，通常希望Lh(dB)＞6 dB。

2)相位裕量γ越大，表明系統相對穩定程度越高。一般取 γ=30°～60°。

3)控制系統開環增益指未接入負反饋電路時的增益，即指運放在線性工作調節下的差模電壓放大倍數。增大系統的開環增益可以消除和減小系統的穩態誤差，提高系統穩態精度，但其又不能過于大，否則會影響系統的穩定性，這里要求系統開環增益K≥500。

4)系統的過渡時間ts和超調量σ是描述系統過渡過程的2個重要性能指標。ts越小，說明系統從一個穩態過渡到另一個穩態所需要的時間越短;σ越小，則說明系統的過渡過程進行得越平穩。這里要求超調量 σ≤10%;調節時間t≤0.1 s。

2.3 建立系統數學模型

穩定回路控制系統各環節傳遞函數如圖2所示［7］。

圖2 系統數學模型框圖

圖2中:Uf為輸入信號;Et為陀螺儀輸出;G(s)為校正傳遞函數;KP為功率放大倍數;Gd(s)為電機傳遞函數;Cm為電機力矩系數;L為電機電樞電感;R為電機電樞電阻;J為折算到電機轉軸上的轉動慣量;GT(s)為陀螺傳遞函數;K為陀螺傳遞系數;wn為陀螺固有頻率。經過器材的選用與數據查詢，得出各部分傳遞函數具體值如下:

2.4 判斷系統穩定性及系統校正

2.4.1 校正前系統穩定性判斷

將已知參數和固定環節的數學模型帶入傳遞函數框圖，得到原系統(未加入校正環節)的傳遞函數為

繪制伯德圖，如圖3所示。

圖3 校正前系統伯德圖

利用 Matlab 求系統的 ωc，ωg，γ，Gm，運行結果得:Gm=1.942 4，Pm= －68.435 2，Wcp=155.31，Wcg=499.879 5，幅值裕量 Lh=20log(1.942 4)=5.8 dB，相位裕量 γ= －68°，剪切頻率ωc=155 rad/s，－π穿越頻率ωg=500 rad/s。這里，幅值裕量和相角裕量均不滿足要求。

下面計算超調量和過渡時間。程序執行結果為:Sigma= －195.335 6，tp=0.040 4，ts=0.042 0，即求得超調量σ=15%，ts=0.042 0 s。超調量不滿足所設定要求。

繪制根軌跡圖如圖4所示。

圖4 校正前系統根軌跡圖

由根軌跡圖4知，閉環極點不全在S的左半平面，原系統在要求的增益下不穩定，故需要加入校正環節。

2.4.2 求解校正函數

本文采用串聯校正的根軌跡校正法，借助根軌跡曲線進行校正。雖然系統的期望主導極點往往不在系統的根軌跡上，但由根軌跡理論可知，添加上開環零點或極點可以使根軌跡曲線形狀改變。若期望主導極點在原根軌跡的左側，則只要加上1對零、極點，使零點位置位于極點右側，就能夠使系統根軌跡通過期望主導極點，并使主導極點在該位置時的穩態增益滿足要求。此即相當于相位超前校正。

2.4.3 校正后系統穩定性判斷

加入校正環節后，經計算系統的開環傳遞函數為

在Matlab上編程計算結果如下。

1)因為超調量要求σ≤10%，所以Sigma=0.1;可以求得 Zeta=0.587 2，即 ζ≥0.587 2。取 ζ=0.6，得 ˉωn=5 rad/s。根據根軌跡法求出在 S平面上的極點位置，可得:S12=－3.000 0 ±4.000 0i。

2)求校正傳遞函數。程序運行以后可得Kc=0.029 3，

用類似校正前的程序繪制校正后的根軌跡圖，得校正后根軌跡如圖5所示。

圖5 校正后系統根軌跡圖

得到系統的閉環極點均在S平面的左半平面(即其極點均為負數)，故加入校正系統后，系統由不穩定變得穩定。

同理繪制校正后伯德圖，如圖6所示。

利用 Matlab 計算得:Gm=66.238 1，Pm=56.537 9，Wcp=152.90，Wcg=18.091 8，幅值裕量 Lh=20log(66.238 1)=36 dB，相位裕量γ=57°，剪切頻率ωc=18 rad/s，－π穿越頻率 ωg=153 rad/s。

由圖6可知，系統的幅值裕量和相位裕量均滿足設計要求，經上述求超調量和過渡時間的方法編程計算得:σ=8.120%，ts=0.042 0 s，滿足超調量 σ≤10%，過渡時間 ts≤0.1 s的題設要求。

圖6 校正后系統根軌跡圖

3 系統硬件設計

3.1 芯片選擇

3.1.1 DSP 選擇

輸入信號均為模擬量，通過A/D轉換器轉換成數字信號，送入復雜可編程邏輯器件，借助集成開發軟件平臺，用硬件語言描述等方法，生成相應的目標文件，通過下載電纜，將代碼傳送到目標芯片中，實現數字系統的設計，數據經DSP處理后，存入RAM，同時將保存的數據再傳送回復雜可編程邏輯器件，再經過D/A轉換成模擬信號輸出。

為了提高控制精度，使性能可靠，在盡可能降低誤差的基礎上減少成本，這里DSP采用TI公司的TMS320F2812數字信號處理器。他是一款較新的32位定點高速DSP芯片，其主頻達150 GHz(時鐘周期6.67 ns)，能方便地實現電機控制，即使在復雜的控制中，采用周期也可以取得很小。

本系統主要應用TMS320F2812來完成以下功能:控制其I/O空間和內部集成的A/D采集反饋回來的數據;完成各種算法運算并輸出控制量控制穩定平臺運轉;輸出PWM波形，控制力矩電機做相應的動作。

3.1.2 DSP 設計需求

首先根據系統要求進行有效的需求分析，然后設計DSP芯片的最小電路系統和外圍擴展電路，另外還要考慮系統的自動保護功能和升級擴展功能。

DSP最小系統［8］包括:①電源轉換電路，選擇電源轉換芯片要考慮其轉換速度、轉換誤差、功耗等方面的因素。②時鐘電路，時鐘電路包括晶振電路和鎖相環電路。時鐘可以采用外部時鐘或者內部時鐘。③ 復位電路，在系統調試和上電使用。④JTAG接口，他是一種邊界測試接口，主要功能是向DSP芯片寫入程序和在線仿真測試。

DSP外圍擴展電路包括:① 外部D/A，A/D轉換電路;②外部存儲擴展電路;③上位機通信電路，與其他外圍設備之間的通信接口設計;④外部可編程芯片CPLD。

3.1.3 電源轉換電路設計

電源是DSP應用系統設計的一個重要部分。在系統中DSP主要承擔大量事實數據的計算任務。在CPU內部，頻繁的部件開關轉換會使系統功耗增大，所以降低DSP內部CPU供電的核心電壓是降低系統功耗的有效辦法。TI公司的DSP一般要求有獨立的內核電源和 I/O電源，本系統TMS320F2812DSP的內核電壓是1.8 V，I/O電壓是3.3 V。這2種電源分別給數字、模擬兩部分電路供電。為避免干擾，這2種電源之間要加入濾波電路。

電源芯片采用TI公司DSP專用電源芯片TPS767D318。該芯片提供3.3 V和1.8 V共2種電壓輸出，每個輸出的最大負載電流可以達到1A，芯片底部安裝有散熱片，工作溫度范圍較大，且片內調節器具有過溫自動關斷功能。

3.1.4 A/D轉換模塊電路設計

A/D轉換電路用來采集俯仰軸、方位軸及翻滾軸上的3路控制信號以及3個陀螺角速率反饋量，他在系統中占用很重要的地位，直接關系到系統的控制精度和反應速度。為了使電路系統簡單、性能可靠、成本降低，這里采用TMS320F2812芯片內置的ADC模塊。其中，采樣輸入信號調理電路如圖7所示。

圖7 采樣輸入信號控制校正電路

圖 7 中，R=5 kΩ，R1=5 kΩ，R2=15 kΩ，R3=15 kΩ，R4=2.5 kΩ，R5=20 kΩ，R6=10 kΩ，R7=10 kΩ，R8=2 kΩ，RP=10 kΩ，RF=10 kΩ。

本課題采用的速率陀螺和電位計的電壓輸出范圍均為0～5 V，而模數轉化器可以接受信號的電壓為0～3 V，所以在A/D轉換前需要設計電壓轉換及濾波電路。這里基于F007運算放大器設計了信號調理電路，目的是把0～5 V的模擬信號轉換成TMS320F2812的ADC模塊能夠接受的0～3 V模擬信號。首先，輸出信號經過由R、R4和2個電容以及1個集成運放組成的二階低通有源濾波電路(一方面可提高其帶負載的能力，另一方面和一階低通有源濾波電路相比，可以更有效地消除干擾信號，濾波效果更好)，然后經過F007集成運算放大器實現電壓的轉換和隔離。此外，二階低通有源濾波電路中含有集成運放，在濾波的同時實現了電壓的轉換，大大減少了電路的負載。此外，由于運算放大器中存在零點漂移，于是在信號調理電路中加入了由R2R5R6R7組成的調零電路。

F007集成運算放大器屬于第2代集成運放，作為全補償通用運放，不需要外接補償，其電路特點是:采用了有源電極負載，電壓放大倍數高，輸入電阻高，共模抑制比較大，可高達80～86dB，校正簡便，輸入有過壓保護，輸出有過流保護，無堵塞和自激震蕩現象。

由于失調電壓和失調電流的存在，當輸入信號為零時，集成運放輸出電壓不為零。為此，需要對集成運放進行調零。可在集成運放的輸入端加一個補償電壓，以抵消運放本身的失調電壓，達到調零目的。

3.2 可靠性設計和保護電路設計

導引頭伺服穩定平臺控制系統應該是一個可靠的系統，能夠穩定工作，而且自身有必要的保護電路。控制系統的可靠性設計和保護電路設計雖然不是其主體部分，但是對控制系統能否穩定工作起到關鍵作用，這里不做具體的介紹。

［1］ 馮翠菊.現代武器智慧的眼睛——精確制導技術［J］.現代物理知識，2007，20(1):41 －44.

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［3］ 胡浩.基于DSP雙軸穩定控制平臺設計［D］.南京:南京理工大學，2008.

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［5］ 王旭.框架式導引頭數字控制器設計［D］.南京:南京理工大學，2008.

［6］ 姚秀娟，張永科.速率陀螺穩定電視導引頭平臺數字化控制器設計［J］.光電與控制，2006，13(3):76 －77.

［7］ 石紅生，盧廣山.一種新型狀態觀測器在陀螺穩定平臺中的應用［J］.電光與控制，1999(73):24－28.

［8］ 鄧志平，張永科，彭曉樂.圖像導引頭伺服穩定平臺控制器的數字化分析［J］.紅外與激光工程，2007，36(9):308－310.

(責任編輯周江川)