艦載搜索雷達穩定平臺控制系統設計

程小平

（船舶重工集團公司723所，揚州 225001）

0 引 言

艦載搜索雷達穩定平臺為雷達天線提供了一個不受船體搖擺干擾的安裝平面，使雷達方位角與大地坐標保持一致，是影響雷達戰技性能的重要組成部分之一。隨著現代電子技術的發展，雷達穩定平臺控制系統不斷向小型化、數字化方向發展。本文從工程應用角度出發，利用大規模可編程器件——現場可編程門陣列（FPGA）和面向運動控制數字信號處理（DSP）芯片為硬件基礎，采用改進型比例積分微分（PID）控制算法，實現了高可靠、高精度的全數字、小型化穩定平臺控制系統設計方案。

1 系統組成和硬件設計

艦載搜索雷達穩定平臺控制系統接收艦艇搖擺信號，并檢測平臺實時搖擺角度，由此得到誤差信號來執行控制算法，控制平臺快速跟蹤船體的縱橫搖擺，使平臺保持水平，其原理框圖如圖1所示［1］。系統采用交流伺服電機為驅動執行單元，以驅動器為電機功率驅動部分，以無刷雙通道旋轉變壓器為位置檢測單元，以旋轉變壓器數字轉換器（RDC）模塊實時解算縱橫搖位置信號，以FPGA和DSP芯片為核心完成控制系統數據管理、計算。

圖1 穩定平臺系統原理框圖

系統中DSP芯片采用的是TMS320C28X系列TMS320F2812芯片，該系列DSP芯片面向運動控制領域設計，集微控制器和高性能DSP的特點于一身，具有強大的控制和信號處理能力，能夠實現復雜的控制算法，特別適用于有大批量數據處理的測控系統［2］。FPGA 芯片選用 Cyclone II系 列 芯 片EP2C6。數／模轉換器（DAC）選用具有四通道D／A轉換功能的芯片DAC7725，同時轉換縱、橫搖指令信號。

2 改進型PID控制算法原理［3］

隨著PID控制算法的發展，數字PID控制發展為各種改進、復合算法，是一種最普遍采用的控制方法。在數字系統中，離散PID算法的表達式為：

式中：U（k）為第k次采樣時控制器輸出；E（k）為第k次采樣時的偏差值；E（k－1）為第（k－1）次采樣時的偏差值；K p為控制器的比例系數；T i為控制器的積分時間；T d為控制器的微分時間。

取K i＝K p T／T i，K d＝K p T d／T，則有：

在實際的控制系統中，普通的PID控制算法往往不能滿足系統需要。為了艦載搜索雷達穩定平臺的控制精度和跟蹤性能，運用智能控制的思想改造普通PID算法，系統中復合運用了積分分離、抗積分飽和、不完全微分的PID控制算法。

積分分離控制的思想是：當系統誤差較大時，采用比例微分（PD）控制，取消積分作用，以避免產生大的超調量，同時使系統有較快的響應速度；當誤差較小時，采用PID控制，引入積分作用，以保證系統的控制精度。

積分分離控制算法可表示為：

式中：參數β為積分項的開關系數，為根據實際情況設定的誤差閥值。

抗積分飽和算法是為了防止系統由于一個方向的偏差而使控制進入飽和區，其思想為：在計算U（k）時，先判斷上一時刻U（k－1）是否已經超出限制范圍。若U（k－1）＞Umax，則只累加負偏差；若U（k－1）＜Umin，則只累加正偏差。該算法可避免控制量長時間停留在飽和區。

不完全微分PID控制算法的運用可改善系統性能，相當于在PID算法中加入1個一階慣性環節（低通濾波器）Gf（s）＝1／（1＋T fs），其結構如圖2所示。

圖2 不完全微分結構

總控制輸出寫成微分方程離散化為：

結合使用上述幾種算法，能使穩定平臺控制達到最佳性能，同時根據艦載搜索雷達穩定平臺工作實際情況，把穩定平臺控制系統分為開機歸零、正常搖擺、關機歸零、錯誤狀態歸零幾個區間，分區間設定PID參數，以實現PID參數的最佳調整。

3 系統軟件實現

3.1 FPGA軟件實現

系統的軟件設計包括FPGA軟件和DSP軟件設計，根據FPGA芯片功能，其軟件設計框圖如圖3所示。

圖3 FPGA軟件框圖

FPGA芯片接收艦艇搖擺信號、依據RDC模塊數據解算縱橫搖實時位置信號、輸出PID運算結果、與DSP交換數據等程序主要由RDC解算模塊、DSP數據交換模塊、DAC接口輸出模塊3個部分組成。

系統啟動時，FPGA程序同時接收外部縱橫搖指令數據和解算穩定平臺位置數據，通過DSP數據交換模塊實時與DSP芯片交換數據，把DSP計算后的PID數據經DA接口輸出模塊送給外部DA器件，經DA器件處理后送給相關輸出口。

同時，FPGA程序還包括其他邏輯判斷、組合程序，以完成穩定平臺控制系統的I／O口管理、平臺其他檢測、加電等邏輯控制。

3.2 DSP軟件實現

DSP軟件由主程序及用戶中斷程序組成，主程序按固定周期調用用戶中斷程序，整個程序包括初始化模塊、平臺狀態檢測模塊、后臺循環模塊、定時器中斷模塊。DSP控制軟件流程圖如圖4所示。

圖4 DSP控制軟件流程圖

系統啟動后，程序首先進入初始化模塊，完成系統寄存器、定時器、控制系統參數的初始化設定，然后檢測平臺狀態（正常、限位、故障等），打開定時器中斷使能，進入后臺循環模塊，在循環程序中判斷平臺工作區間（開機歸零、工作搖擺、關機歸零、錯誤狀態歸零），并相應設置PID參數、變量值。循環的同時主程序按固定周期進入定時器中斷程序，在中斷程序中調用PID計算子程序，完成PID控制算法計算。

DSP軟件的核心部分為改進型PID控制算法的實現，即定時器中斷模塊中調用的PID計算子程序部分，根據改進型PID控制算法原理編制，其流程框圖如圖5所示。其中誤差閥值和不完全微分系數根據穩定平臺系統實際在調試中調整設置。

4 系統性能測試

系統性能測試時，由外部模擬器仿真艦體縱、橫搖擺指令信號，裝訂縱搖指令為±6.5°幅度、4 s時間周期正弦波，橫搖為±15°、6 s時間周期正弦波。穩定平臺系統軟硬件設計時，設定誤差增益1°對應6 V，即K＝6 V／°，在若干搖擺周期內測量其誤差電壓均方根值E，代入（E／K）×（π／180）×1 000換算成毫弧度表示的搖擺誤差。誤差測試結果如表1所示。其中Er、E p分別為縱、橫搖搖擺誤差，v為雷達天線掃描速度。

圖5 控制算法實現程序流程圖

表1 穩定平臺縱橫搖擺誤差表

由表1可看出，雷達天線轉速越低，天線轉動對穩定平臺性能影響越小。當天線以最高轉速60 r／min轉動時，穩定平臺系統誤差也只有0.931 mrad，遠遠小于系統指標3 mrad。

5 結束語

本文所述的艦載搜索雷達穩定平臺控制系統，基于FPGA和DSP芯片全數字化處理，硬件組成簡單，可靠性高，采用了改進型的PID控制算法，系統響應速度快，跟蹤精度高。該穩定平臺控制系統已成功應用于某裝備中，經過了一系列的試驗考驗，性能穩定，工作可靠。

［1］曹正才.一種新型高精度艦載雷達伺服控制系統的設計［J］.雷達與對抗，2001（3）：54－62.

［2］三恒星科技.TMS320F2812 DSP原理與應用實例［M］.北京：電子工業出版社，2009.

［3］劉金琨.先進PID控制 MATLAB仿真［M］.北京：電子工業出版社，2005.