天线伺服自动化测试系统的设计与应用

徐志亮

[摘 要]针对大型天线系统应用过程中统控制器设计简单，不能适应低频风扰动等一些复杂环境的现状，本文在基于内模原理LQR输出反馈控制器基础上设计出天线伺服自动化测试系统，并对天线伺服自动化测试系统的结构、有限元模型、驱动系统进行介绍。最后将系统应用到天线检测中，用测试的实例证明了系统具有实用性。

[关键词]天线伺服系统 自动化测试 内模原理 有限元模型

中图分类号：TM 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）10-0019-01

天文观测领域中大口径射电望远镜得到了广泛应用。大型天线系统应用过程中，传统控制器的设计简单，不能适应低频风扰动等一些复杂环境，不能让高精度伺服指标得以实现[1-2]。为解决这一问题，本文在基于内模原理LQR输出反馈控制器基础上设计出天线伺服自动化测试系统，并通过实例应用证明了系统可行性。

1.天线伺服系统结构

此次研究我们以上海某一大型射电望远镜为研究对象，此望远镜口径为65米，包括方位转动及仰卧转动两个系统。速度环还有位置环分别由陀螺仪、轴角编码器等进行数据采集，并将数据反馈到速度输入及位置输入上。射电望远镜驱动系统由电机、齿轮箱、放大器等组成，伺服系统主要由方位伺服、俯仰伺服两个控制系统。

2.天线伺服系统有限元模型

2.1 模态结构模型

通过有限元建模的方法我们能够得到天线伺服系统的模态结构模型。具体方法是：将天线复杂结构体划分成一个个节点单元（基本构建组成），并在牛顿力学原理下以各个节点单元节点速度、加速度及位移等当作研究对象，构建出天线伺服系统的模态结构方程.[3]

2.2 传递函数

通过公式（2-2）能够得到系统的传递函数：

（2-3）

鉴于、都是对角阵，因此我们在上式基础上能够得出第个模态之下的传递函数：

（2-4）

3.天线驱动系统

天线伺服自动化测试系统的驱动系统是由主机显示控制单元，光耦隔离电路，MCU，电流采样电路，直流电动机，功率驱动电路，速度采样电路等结构部分所组成[5]。其中主机显示控制单元属于人机交互界面，能够在此界面对MCU发送各种控制指令（如起动、减速、提速、紧急制动、制动等等）。MCU在接受控制指令之后就会按照指令要求对反馈的电流信号及速度信号进行反馈，在反馈过程中电流速度采样电路负责采集电流信号，速度采样器负责采集速度信号，之后会在既定控制器下将PWM脉冲输出。PWM脉冲会通过光耦隔离电路对功率驱动电路内的CMOS管进行控制，控制CMOS管关闭及导通，并在此基础上达到控制电机输入电压、控制电机转动的目的。

在此驱动系统中我们要对电机输入电压平均值进行调节只要对PWM所占的空比进行调节就能够实现，通过这样的调节就能够让电机速度达到给定值。

4.系统测试

为测试天线伺服自动化系统的实用性，我们将天线系统方位的速度输入u 还有方位角的位移输出y 进行对接处理，得到系列系统参数，随后按照图3及图4 进行模拟连接，分别得到系统的测试示意图及系统的辨识示意图。

此次设计的天线伺服系统是由 MCU控制卡、传动部分、执行机构等结构部分所组成得。MCU测试卡在功能上同MCU 控制卡是一致的，此卡应用的目的是要让系统可以采集同实际系统相同的信号[6]。系统在对信号进行辨识的时候，会在软件平台的辨识区域中对辨识信号参数进行设置，同时根据所设置的参数生成相应辨识信号，并经过CAN总线将这些信号分别发送到MCU测试卡及MCU 控制卡上，并让他们产生相同控制信号 u。

MCU控制卡会将控制信号向天线伺服系统输入，从而达到控制天线伺服系统的作用；同时MCU控制卡还能利用轴角编码器对天线的输出信号y进行采集，采集之后通过CAN 总线将这些信号传输到控制器的设计软件系统。而MCU测试卡会根据接收速度给定一个信号u，同时MCU测试卡还会自周角编码器得到一个输出信号y，系统将所获得的输入、输出信号进行同步处理，就能够对信号进行辨识了。

对于测试中的辨识信号，在测试中我们采用的是典型方波信号，在此系统下，表现优异的一些伪随机信号会更容易得到。测试中为确保辨识可靠性，我们将此系统应用到3种不同天线系统中进行辨识测试。但限于篇幅我们仅选取一套系统辨识实例进行介绍。

我们将设计系统应用到口径为0.6米的天线系统中，系统检测过程中的测试指标为：实验信号的宽度T是6s，幅值M是3，实验的持续时间是10s，阶跃的时间t0是1s。表1给出了测试中的实验数据。

从上表可以看出，天线伺服自动化测试系统辨识的结果比较稳定，在多次辨识中所得到的参数波动不大，同我们预先期望相符合。

5.结束语

综上所述，基于内模原理的LQR输出反馈控制器可让天线伺服自动化测试系统控制器性能得到有效改善，通过实验证实系统具备极强的实用性，能够在不是特别苛刻的控制效果下，得到预期目的，天线伺服自动化测试系统使用状况良好，工作人员工作负担大大减轻。

参考文献

[1] 薄志峰.基于LabWindows/CVI的电动舵机自动化测试系统设计[J]. 国外电子测量技术，2015（5）：66-69.

[2] 张金全，陈正宁.天线方向图自动测试系统设计与实现[J].自动化技术与应用，2014，33（1）：40-44.

[3] 邓江安，金晟，李锐.基于定位信息的天线伺服系统的设计与实现[J].舰船电子工程，2014（7）：194-197.