消防動中通天線控制系統改造升級中的問題研究

◆幸雪初 任 巍

（1.湖南省消防救援總隊 湖南 410205；2.長沙市消防救援支隊 湖南 410008）

1 引言

衛星通信具有不受地域、環境及時間限制的特點，成為消防綜合救援主要應急通信手段之一，近年來得到了迅速的應用和發展，其中動中通系統作為消防應急衛星通信的模式，越來越受到高度重視。在動中通系統中，動中通天線是重要的關鍵設備，伺服跟蹤控制系統的可靠性及跟蹤精度始終是動中通天線面臨的最主要的技術瓶頸。為了在確保跟蹤可靠性、精度的前提下有效降低成本，目前國內相關單位均在加緊開發新型的伺服跟蹤控制系統，但這一過程是漫長而且是逐步漸進的。對于消防動中通系統應用單位來說，建設越早，其使用的動中通天線技術水平越低。但由于系統建設時間不長，又不可能將系統報廢重建。為此，如何利用先進成熟的技術對原動中通天線進行技術改造，提高性能而又不需要大的投入具有重大的現實意義。

我單位動中通系統是2010年建成投入使用的，是消防系統最早建成的動中通衛星系統，曾經是消防動中通系統應用的示范項目。多年來系統穩定，在滅火搶險救援中發揮了應有的作用。該系統使用的0.9米動中通天線系統，如圖1所示。

但由于建設較早，技術相對不成熟，為此我單位提出了在不對系統硬件大改的前提下，通過控制軟件的升級來提高控制性能的思路，在原廠家的大力配合下，獲得了成功。

本文以我單位動中通天線為對象，探討了基于雙速度環的穩定跟蹤系統的原理。通過引入前饋控制技術對原系統的控制系統進行了軟件升級，顯著提高動中通天線跟蹤精度，使我單位的動中通天線性能得到了很大提高，為我國突破制約天線實現大規模產業化發展的主要技術瓶頸提供了新的技術手段。同時也為消防動中通天線的技術改造升級提供了一條思路。

圖1 動中通衛星天線

2 我單位動中通天線系統改造前的控制系統分析以及改造思路

如圖 2所示，我單位使用的動中通天線為方位/俯仰兩軸結構的穩定跟蹤平臺，在控制系統設計時將其化解為兩個單軸的穩定跟蹤系統，每個軸的控制結構如圖2，控制模型如圖 3，采用的是單速度環控制系統。

圖2 原動中通天線單軸速度環控制結構

圖3 原動中通天線單軸速度環控制模型

在控制器設計時，在通帶內滿足：

則有：

另外，原系統完全屬于反饋控制系統，在控制領域，前饋和反饋是兩種并列的控制方式。具有各自的優勢。反饋控制必須等到被控參數出現偏差后，控制器才動作，以補償擾動對被控參數的影響。而動中通天線在實際工作過程中恰恰是要在受到各自姿態干擾的情況下，保持系統的輸出（天線指向）不變，應用前饋控制會大大提該系統抗干擾的性能。

為此，本文提出采用以下兩種技術思路對原天線控制系統進行技術改造升級。這兩種方案均不需要對原系統的硬件進行變動，只需要升級軟件系統，也具有實現的可操作性。

（1）采用雙速度環方案取代原系統的單速度環方案；

（2）引入前饋控制技術提高系統的控制性能；

3 雙速度環穩定控制系統的分析

在控制系統設計時將其化解為兩個單軸的雙速度環穩定跟蹤系統，如圖4所示，數學模型框圖如圖5。

圖4 動中通天線單軸雙速度環控制結構

圖5 雙速度環的模型框圖

在控制器設計時，在通帶內滿足：

4 引入前饋控制的雙速度環穩定控制系統

4.1 引入前饋控制的雙速度環穩定控制結構

在控制領域，前饋和反饋是兩種并列的控制方式。前面討論的都是反饋控制系統的應用，反饋控制必須等到被控參數出現偏差后，控制器才動作，以補償擾動對被控參數的影響。

引入前饋控制的雙速度環控制結構如圖6所示。

圖6 引入前饋控制的雙速度環控制系統

前饋控制雖然對擾動有很好的抑制作用，但必須基于兩個前提。一是必須精確得到被控對象的數學模型，二是對擾動的精確測量或估計。下面以俯仰軸為例探討前饋控制器的設計與實施。

4.2 俯仰軸電機速度閉環的傳遞函數的辨識

為了得到被控對象的數學模型，采用單位階躍激勵法辨識被控對象的數學模型。辨識的實驗框圖入圖7所示。

圖7 模型辨識框圖

測試條件：

（2）響應單位：驅動器設定的速度單位（rpm）。

（3）采樣周期：2.048ms。

圖8 辨識曲線圖

4.3 俯仰正饋控制器設計與驗證

前饋控制系統的框圖如圖9。

圖9 前饋控制系統框圖

4.4 載體姿態干擾的測量估計

在動中通天線控制系統中，載體的姿態干擾沒有辦法直接測量，只能通過中間測試量估計得到。如圖10所示。

圖10 載體姿態干擾估計

5 改造前后效果對比

采用雙速度環和前饋控制兩種技術對我單位原動中通天線進行改造的技術思路，理論上是可行的。由于原系統硬件結構采用的基于CAN總線的多CPU分布式控制系統，控制系統都是數字控制系統，多 CPU結構中也有足夠的冗余計算能力處理復雜的算法，升級時只需要對原系統的任務進行重新規劃，不需要更改任何硬件，具有實施的可行性。

編寫軟件后，對我單位的動中通天線控制軟件進行了升級并進行了調試，改造前后動中通天線的跟蹤性能在搖擺臺上測試的結果對比如圖11。

動中通天線改造前：跟蹤誤差的RMS值為0.48dB，極差值：3.2dB。

動中通天線改造后：跟蹤誤差的RMS值為0.28dB，極差值：0.9dB。

圖11 改造前后對比圖

6 結語

實踐證明，本文研究雙速度環和前饋控制兩種技術在動中通天線控制系統中的應用，對于提高動中通天線伺服跟蹤控制系統的性能提供了新的解決方案。探討出一種新的穩定跟蹤技術，在不提高成本的前提下，有效地提高控制系統，從而很好解決制約天線實現大規模產業化發展的主要瓶頸。本論文的實踐也為消防系統動中通天線的技術升級提供了一條切實可行的思路。