胡金辉 HU Jin-hui；陈晓阳 CHEN Xiao-yang；耿家涛 GENG Jia-tao；喻鹏 YU Peng
（中国卫星海上测控部，江阴 214431）
（China Department of Satellite Marine Track & Control，Jiangyin 214431，China）
摘要： 本文针对船载大型测控系统伺服跟踪带宽相对固定的特点。从系统中直流伺服永磁电机为执行元件进行分析，将模糊控制理论引入数字型功放精确控制系统的运动速度。在稳定的开环控制情况下实现紧密跟踪目标能力，达到系统带宽和跟踪精度的最佳状态。
Abstract: This article focuses on the property that the tracking bandwidth of ship borne control servo system for large ship is relatively fixed. It starts from analyzing the system of permanent magnet DC servo motor as an executive component, and introduces fuzzy control theory into the speed of digital power amplifier precise motion control system to achieve a close tracking under the stability of the open loop control, and the best state of system bandwidth and tracking accuracy.
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关键词 ： 跟踪；伺服；带宽
Key words: tiacking；servo；bandwidth
中图分类号：V556 文献标识码：A
文章编号：1006-4311（2015）02-0053-02
0 引言
对于测控系统而言，选择适当的带宽准确稳定地跟踪目标是一个关键问题。当天线处于稳定跟踪状态时，天线可以随着目标的移动能够准确地跟踪目标。跟踪的带宽选择是由距离远近决定的，当跟踪目标距离较远时，相对速度小，信噪比低，选择较窄的伺服通带是更合适的，它受到热噪声的影响最小，滞后于跟踪目标，跟踪效果较好。当目标较近时，信号强，相对速度大，信噪比高，这时就可以适当地增加带宽，能够有效的减少滞后误差，但同时又使随机误差增加不多，从而使系统总误差最小。因此系统的带宽准确、快速的变化对精确跟踪目标、提高测控精度意义重大。[3]
1 系统的工作原理
1.1 直流伺服电机执行元件 目前，在高精度伺服控制领域应用最为广泛的驱动电机为直流或交流伺服电动机[1]，为了提高控制的精度，通常采用多阶闭环系统，本系统中应用的直流伺服电机具有响应速度快，良好的低速平稳性，可频繁加减速稳定的特点。
系统的实物框图如图1所示。
系统中直流伺服电机峰值堵转力矩820N·m，力矩系数 1.33N·m/A，转动惯量0.38kg·m2，最高转速2000r.p.m，制动力矩100N·m，机电时间常数25.4.5ms，电气时间常数5ms，角速度大于30°/S；角加速度大于25°/s2；跟踪精度均方差优于0.01°。完全能够驱动测控天线伺服系统稳定运转。
1.2 测控系统工作原理 测控系统采用单脉冲跟踪体制，它是目前应用最广泛的体制。为了获得目标方向信息，需要在同一瞬间对数个天线波束收到的回波信号进行比较，目标进入天线波束反映在示波器界面上有方位X方向和俯仰Y方向的运动，当电轴对准目标时，误差信号为零，此时天线不转动；当目标偏离轴向时时，将会出现方位和俯仰误差角，伺服系统将移动直至完成对目标的跟踪。
上述就是天线指向和目标间的运动原理。当跟踪较远目标时，方位X方向和俯仰Y方向之间的角速度较小，为减小误差，提高跟踪精度，就需要降低系统带宽；当跟踪目标距离较近时，方位X方向和俯仰Y方向之间的角速度较大，这时就需要提高系统带宽，有利于减小跟踪滞后误差。[3]
根据以上测控原理，伺服系统定义一个采样计算周期为一个系统周期。[7]每个系统周期到来时，系统采样并保持信号，由DSP（数字信号处理器）将采样数据读取至片内存储器，运算后得到下阶段电机运动的角速度，并改写DSP上的两个定时器，产生伺服电机需要的矩形脉冲，输出时由门控信号选择传递给伺服电机的正转脉冲输入或反转脉冲输入信号线，控制伺服电机运动。[4]这样单个伺服电机的角速度为阶跃信号，即在一个系统周期T内角速度保持不变，第n个系统周期角速度ω（t）=ω（n）[U（t-nT+T）-U（t-nT）]，（n-1）T≤t＜nT。系统加速度为系统周期结束时刻的冲击信号，第N个系统周期角加速度α（t）=αδ（t-nT），（n-1）T＜t≤nT。由于系统周期的存在，可以认为此控制系统中的信号为离散量。在目标空域建立球坐标系，球心为测控系统所在位置。建立系统示意框图，如图2所示。
图2 中θ（n）为目标在方位（俯仰）面上投影的角度，θ′（n）为天线轴向在方位（俯仰）面上投影的角度，D（n）为在方位（俯仰）面上目标偏离天线轴向的角度，V（n）为天线对输出的低频电压差，ω（n）为输出预测角速度。其中，偏角D（n）=θ（n）-θ′（n）；电压差V（z）=G（z）D（z），G（z）由天线的方向图和接收机部分的传递函数决定。信号V（n）经过非线性系统N，输出预测角速度序列ω（n），反馈量θ′（n）=θ′（n-1）+ω（n）T，
2 模糊控制速度系统及规则
非线性环节N在速度控制中起着核心作用，描述函数ω（n）=kV（n）V（n），这里V（n）指信号电压差序列，ω（n）指预测角速度序列。[7]V（n）的变化量ΔV（n）输入给模糊控制器，模糊控制器再给出非线性系统的参数E的变化量ΔE。描述函数中E=E′+ΔE，E′为系统值。模糊控制器的输入量V（n）模糊子集为{NB，NS，0，PS，PB}，ΔV（n）经比例调节至量化等级分别为[-2，-1.5，-1，0，1，1.5，2]中变化的连续量，此连续量经过模糊成为7个语言值：{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}，子集中的元素分别代表负大、负小、零、正小、正大。选取典型三角隶属度函数为输出量隶属度函数。经过模糊判定后输出模糊量ΔE，见表1。[2]
ΔE采用隶属度函数法[2]去模糊并经过量化等级的反变换得到清晰量ΔE，于是E=E′+ΔE。实际上根据对目标的跟踪的情况，自适应对误差电压-角速度响应曲线的参数E进行最佳修正，提高伺服系统对目标跟踪的精度。
3 伺服速度控制系统硬件设计与实现
根据以上基本原理，结合现有设备和未来基地测量船伺服设备的发展方向，可将伺服速度控制硬件部分改造成为全数字化的驱动系统。例如：控制单元成为微处理器单片机。单片机通过存储器控制计算单元进行通信，通过串行接口与上位机进行通信。[5]系统硬件的基本框图如图3所示。
单片机主要负责运用RS232串口与上位机进行串口通信；获取外部控制单元接口的信息；控制采样运算单元的状态；读取控制采样单元的信息。
系统的计算和外部控制单元以微处理器DSP为中心,主要完成读取控制采样电路中的采样数据；计算跟踪速度并通过定时器控制伺服电机；计算并控制接收机AGC信号的输出值；读取目标偏离天线轴的实时信息；通过串口通讯接口与单片机进行通信。
伺服电机的运动脉冲信号由DSP的定时器产生，通过与门分别连接到每个伺服电机的正转脉冲输入和反转脉冲输入信号线。[7]
系统的多路模拟信号输入至采样保持电路，在系统采样时刻保持信号，然后通过切换多路开关逐个信号进行采样并将量化值传递给DSP。[7]
4 伺服控制系统软件实现
上位机的程序是可视化编程，通过串口发布控制命令，并将读取指定字节的数据储存到计算机内存中，对于接收到的无效数据则直接直接丢弃数据包。[6]
单片机主控程序采用C语言和汇编语言混合编写。单片机片外程序存储器数据操作命令与片内程序存储器数据存储操作命令不同，片外不用设置专门的语句指定调用，会自动将地址存放至中断服务程序。片内程序则不同，需要设置特殊命令，采用查询的方式处理串口通信来储存数据。
单片机启动时只运行片内的程序，整个过程由控制总线控制，只负责将主程序下载至单片机片外程序存储器。片外的程序采用中断方式处理定时器和串口问题。
DSP的主要任务是实时接收数据，DSP的性能直接关系着系统的性能，它的工作原理是这样的：首先读取FIFO内的数据，直至获取所有的数据，然后将读取到的数据和获取的命令相结合，按照命令，进入相应的模块。
所有的模块实际上是对一系列函数的调用，函数间通过固定空间传递变化量。整个程序采用模块化设计的汇编语言程序编写。
5 结束语
为了在目标运动距离变化过程中，及时精确的完成跟踪目标任务，此时需要快速、准确的调整系统带宽，以提高跟踪的精度。本文描述了闭环数字化的伺服电机控制系统，在速度算法中，结合测控系统的跟踪性能，运用模糊控制原理进行了伺服自适应带宽的应用。该系统改善了控制系统的动态性能，稳定性好，抗干扰能力强，在中小型测控装置的伺服系统中具有应用价值，希望能够为未来新测量船伺服设备装配提供一些思路和帮助。
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参考文献：
[1]李连升.现代测控系统伺服系统[M].北京：国防工业出版社，2003.
[2]汤兵勇，路林吉，等.模糊控制理论与应用技术[Ｍ]．北京：清华大学出版社，2002．
[3]鲁尽义，等编著.测角分系统[M].西安：中电科技集团第三十九研究所，2006．
[4]王世一.数字信号处理[M].北京：北京理工大学出版社，2001．
[5]蒋静坪.计算机实时控制系统[M].浙江大学出版社，1991．
[6]某大型船载测控系统总体设计方案，成都：中国电子科技集团公司第十研究所，2006.
[7]徐国庆，孙波.跟踪雷达自适应带宽的数控伺服系统[J].遥控技术与应用，2005．