基于油液補償的雷達天線舉升同步控制技術研究

彭國朋，胡長明，婁華威

(南京電子技術研究所，江蘇南京 210039)

0 前言

由于液壓系統可在運行過程中實現大范圍無級調速，且在同等輸出功率下，其體積小、質量小、運動慣性小、動態性能優良，可有效提高雷達的機動性能，被廣泛應用于雷達天線架撤系統。

地基雷達天線液壓舉升動作一般采用左右雙液壓缸同步驅動實現，但鑒于自身偏載和摩擦轉矩不同等影響，導致左右油缸的負載存在一定差異,進而出現左右油缸動作不同步問題。此時若考慮選擇基于液壓分流技術的強制同步方案，由于分流器件自身的精度因素影響，可能會使陣面出現扭曲現象。因此，傳統天線陣面的左右雙液壓缸舉升同步性能主要依靠陣面自身的剛度來保證。

隨著天線陣面向大型化、輕薄化方向發展，陣面剛度逐漸變弱，系統對雙液壓缸舉升過程中的同步性能要求越來越高，提高雙缸同步控制精度是地基雷達液壓系統新的研究方向。

本文作者提出一種基于油液補償的新型同步控制方案。該方案速度變化量小，運動平穩，補油僅對同步誤差做出補償，即使控制系統和傳感器出現故障，左右液壓缸也不會快速出現嚴重不同步現象；結合機電液系統聯合仿真并搭建試驗平臺開展同步性能試驗驗證，對雷達天線舉升同步控制技術進行深入研究。

1 天線舉升同步控制系統組成

天線舉升同步控制系統主要由機械、液壓、控制三部分組成，如圖1所示。負載敏感泵輸出高壓油，經過比例換向閥控制左右兩只舉升油缸實現天線舉升及倒伏功能，左右液壓缸的工作位移由位移傳感器檢測，經過控制器比較后，輸出控制指令給動作較慢的油缸對應的補償閥，經過補償閥適時補油，實現左右兩液壓缸的運動同步。

圖1 天線舉升同步控制系統組成

1.1 天線同步舉升液壓系統原理

如圖2所示，采用一種分流/集流+比例補油的液壓方案，即在液壓系統中增加分流/集流閥，在舉升過程中，當兩油缸的負載不平衡時，負載大的一側壓力升高，產生的壓力差將推動閥芯向低壓側動作，強制兩側油缸輸入流量相等，保證動作同步。但當兩側負載相差較大時，分流/集流閥不能完全保證兩路的流量相同，會產生3%～5%的誤差。

圖2 分流/集流+比例補油液壓原理

為彌補兩側負載相差較大時分流/集流閥產生的流量誤差，在系統中需增加比例換向閥進行補油，強制控制兩支路流量相等。通過左右油缸的位移反饋進行比較，以控制左右支路換向閥的閥芯開口，輸出補償油液。在舉升過程中，當差值為正值時，說明左側油缸伸出速度大于右側，此時需控制比例換向閥1向右側支路補油，若為負值則需對左側支路補油。在倒伏過程中，當差值為正值時，說明左側油缸縮回速度小于右側，此時需控制比例換向閥2向左側支路補油；若為負值則需對右側支路補油。位移差值的門限值可根據實際需求進行設置，設置2個油缸誤差為2 mm。

1.2 天線同步舉升控制系統原理

左右液壓缸的位移通過傳感器檢測并進行比較，若左液壓缸的位移大于右液壓缸，則由控制器發出指令控制右補油閥工作，對右液壓缸進行補油，使得兩液壓缸運動同步；反之，則由控制器發出指令控制左補油閥工作，對左液壓缸進行補油，使得兩液壓缸運動同步。其控制原理如圖3所示。

圖3 天線同步舉升控制原理

2 天線同步舉升控制機電液系統聯合仿真

天線舉升同步控制機電液系統聯合仿真平臺如圖4所示。機械系統、液壓系統和控制系統分別并行建模，最終導入MATLAB/Simulink中進行聯合仿真計算。通過相關狀態參數的傳遞建立接口關系。

圖4 機電液系統聯合仿真平臺

2.1 機電液系統聯合建模

利用Motion/plantout模塊提供的與MATLAB/Simulink軟件的接口，可以實現動力學模型與其他模型的聯合仿真。利用AMESim提供的與MATLAB/Simulink軟件的接口，可以實現液壓模型與其他模型的聯合仿真。

在MATLAB/Simulink中建立閥控給定信號、后處理顯示模塊等。在Simulink集成仿真環境中按對應的接口變量關系連接液壓模型和機械動力學模型，組成聯合仿真模型，如圖5所示。

圖5 機電液系統聯合仿真模型

2.2 天線舉升同步控制仿真

在MATLAB/Simulink中運行機電液系統聯合仿真模型，時間設置為25 s。因天線舉升與倒伏為相反過程，現以舉升過程為例對系統進行同步控制仿真，在Simulink/Scope中觀察并輸出左右油缸運動位移等仿真結果曲線。同時，應用Motion動力學模型可生成三維仿真動畫，左右液壓缸的位移、速度等仿真結果如圖6所示。

圖6 機電液系統仿真曲線

可以看出：在0～5 s內，油缸運行速度波動較大，后期趨于穩定；兩油缸偏載約11%；采取控制措施前，兩油缸的最大位移差約為5 mm，采用補油控制后，左右油缸運動速度響應時間約為0.2 s，二者位移達到預期的同步效果，位移差最大為0.6 mm，同步誤差小于0.12%。

3 天線舉升同步控制試驗

為對上述同步控制系統仿真研究的相關結論進行驗證，根據系統原理搭建實物平臺進行試驗，為后續類似系統的研制提供參考。

3.1 試驗系統搭建

該試驗主要依托某雷達天線陣面舉升裝置，在此基礎上搭建試驗系統，主要包括在天線陣面上配置偏載、在油路系統中加裝補油閥組、在控制系統中安裝位移傳感器,并進行反饋控制。完成以上配置及連接，最終搭建的試驗系統如圖7所示。

圖7 舉升同步控制試驗系統

3.2 試驗結果

試驗結果如圖8—圖15所示，試驗數據匯總如表1所示。

圖8所示某雷達第一輪樣機原始狀態，即沒有施加模擬偏載和補油同步控制措施時的試驗結果。可以看出：原始狀態天線剛度較好，兩油缸均載，同步誤差最大約為2 mm。

圖9所示施加模擬偏載(設置背壓10 MPa，兩油缸偏載35%)、無補油同步控制措施時的試驗結果。可以看出：兩油缸同步誤差大于8 mm，且呈逐漸增大趨勢。

圖8 試驗曲線(無偏載) 圖9 試驗曲線(偏載35%+無補油控制)

圖10所示為施加模擬偏載(背壓10 MPa，兩油缸偏載35%)、增加補油同步控制措施時的試驗結果。可以看出：兩油缸同步誤差最大約為7 mm。

圖11所示施加模擬偏載(背壓2 MPa，兩油缸偏載11%)、無補油同步控制措施時的試驗結果。可以看出：兩油缸同步誤差最大約為2.5 mm，且呈逐漸增大趨勢。

圖10 試驗曲線(偏載35%+補油控制) 圖11 試驗曲線(小偏載11%+無補油控制)

圖12所示施加模擬偏載(背壓2 MPa，兩油缸偏載11%)、增加補油同步控制措施時的試驗結果。可以看出：兩油缸同步誤差最大為0.7 mm，且呈逐漸減小趨勢。

圖13所示為施加模擬偏載(背壓4 MPa，兩油缸偏載22%)、無補油同步控制措施時的試驗結果。可以看出：兩油缸同步誤差最大約為6 mm，且呈逐漸增大趨勢。

圖12 試驗曲線(小偏載11%+補油控制) 圖13 同步試驗曲線(偏載22%+無補油控制)

圖14所示施加模擬偏載(背壓4 MPa，兩油缸偏載22%)、增加補油同步控制(PID控制器參數較小，取值為0.24)時的試驗結果。可以看出:兩油缸同步誤差最大約為2.3 mm，且呈逐漸減小趨勢。

圖14 試驗曲線(偏載22%+補油控制,PID控制參數K較小) 圖15 試驗曲線(偏載22%+補油控制,PID控制參數K較大)

圖15所示施加模擬偏載(背壓4 MPa，兩油缸偏載22%)、增加補油同步控制措施(PID控制器參數較大，取值為1.36)時的試驗結果。可以看出：兩油缸同步誤差最大為1.8 mm，且呈逐漸減小趨勢。試驗數據匯總如表1所示。

表1 試驗數據匯總

通過以上曲線及數據可以看出：

(1)兩油缸無偏載且無補油控制時，同步誤差為2 mm，表明天線剛度較好，此時不需增加同步控制；

(2)兩油缸偏載35%、無補油控制時，同步誤差為8 mm，加入補油控制后同步誤差最大為7 mm，表明兩油缸偏載不能過大，否則同步效果較差；

(3)兩油缸偏載11%，無補油控制時，同步誤差為2.5 mm，加入補油控制后同步誤差最大為0.7 mm，表明兩油缸偏載較小時控制精度較高，同步誤差可控制在1 mm內；

(4)兩油缸偏載22%，無補油控制時，同步誤差為6 mm，加入補油控制后同步誤差最大為2 mm(PID控制參數較大)，表明兩油缸偏載較大時可以通過補油控制使同步誤差小于2 mm。

當陣面偏載不大于11%時，可采用補油控制使同步誤差控制在1 mm以內，此時兩油缸主流量誤差小，不易引起陣面振顫，天線運動較平穩。

4 結束語

(1)通過對雷達天線舉升雙油缸液壓驅動采用分流/集流+比例補油同步控制模式，使雙油缸的主流量保證大致同步，并根據位置反饋的同步誤差情況進行小流量補油，同步控制精度較高，并且補油頻率低，可以保證陣面運動平穩；

(2)通過對液壓及控制部分AMESim單獨建模、Motion中機構建模，結合軟件接口在MATLAB/Simulink集成仿真環境中完成同步舉升機電液系統聯合建模與仿真，仿真結果表明同步控制誤差小于2 mm,同步控制精度優于2 mm；

(3)根據同步舉升控制系統原理，搭建試驗平臺進行試驗驗證，試驗結果與仿真分析結果基本一致。