稳定平台控制系统研究

摘要：文章对稳定平台控制系统进行了研究，首先论述了红外成像跟踪系统工作原理和两通道伺服机构实现形式及系统主要性能指标的测试方法，其次介绍了控制回路构成、工作机制和具体设计方式，最后对硬件研制过程中遇到的问题进行了总结。

关键词：稳定平台控制系统；随动系统；伺服机构；稳定平台；控制回路；校正 文献标识码：A

中图分类号：TP273 文章编号：1009-2374（2016）27-0026-04 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.27.012

红外导引头接收目标的红外辐射，经光电转换和信号处理后，给出目标相对于导弹的方位、角速度等信息，产生目标相对于导引头光轴的误差信号，用以驱动伺服机构，控制导弹飞向目标并击中目标。综合考虑结构尺寸限制、性价比及总体战术技术指标要求等诸多因素，设计采用两通道飞行姿态控制系统，分别稳定、控制搜索和跟踪时绕质心的方位和俯仰运动。各通道组成基本相同，都是由感应装置、校正装置和伺服机构组成。

第一，感应装置，用于测量导弹飞行姿态的变化并输出相应信号。该系统由角位移传感器、稳定平台和单自由度速率陀螺仪等组成。其中角位移传感器的功能是把机械位移量角度转换成电信号，且输出的电信号与输入的角度线性相关；稳定平台提供测量坐标基准，利用弹体相对平台框架的转动产生姿态角信号；单自由度速率陀螺仪是利用陀螺的进动性来测量敏感轴方向的姿态角速率，其输出电压信号与输入角速度成正比，经换算给出姿态角变化信号。

第二，校正装置，用于将各通道姿态角、姿态角速率及制导指令按一定控制规律进行运算、校正、调制、放大、输出控制信号。

第三，伺服机构，用于将电信号转换成机械动作。弹上主要有两种伺服机构，其作用分别是：根据控制信号驱动稳定平台，使视轴对准目标；根据姿态偏差信号驱动舵机，产生使弹体绕质心运动的控制力矩，稳定或控制飞行姿态。

感应装置、变换放大装置和执行机构等与弹体一起构成姿态控制闭环回路，控制系统原理如图1所示：

当制导指令（控制电压）为零时，如果在干扰力矩作用下弹体姿态角发生变动，则感应装置根据其变化，经回路负反馈产生控制力矩与干扰力矩相平衡。干扰力矩消除后，控制力矩自动消失，从而使姿态角保持稳定。当制导指令信号不为零时，信号经闭环回路产生控制力矩，驱动伺服机构相应动作，以实现飞行控制。

1 跟踪系统工作原理

红外成像跟踪系统主要由热像仪、图像处理器和稳定平台控制系统三部分组成。热像仪作为跟踪测量装置由光学系统（整流罩、主镜、次镜、滤光片）、调制盘、红外探测器、制冷器、图像非均匀校正机构及输出电路等组成。物体辐射的红外线透过整流罩，经主镜、次镜和滤光片后，聚焦到调制盘上进行调制，探测器安装在调制盘后端将调制后的红外辐射能转化成电信号，输出电路将电信号放大、预处理，并编码输出视频图像。图像处理器根据反映目标和周围景物分布特征的二维图像信息，按选定的算法（相关或匹配）对图元灰度差异进行处理和分析，确定目标的形状、形心或其他典型特征，再由场、行同步计算出目标相对偏离视场中心的像素数（Δx、Δy），最后根据探测器视场角和分辨率算出目标与视轴（光轴）的角偏离量（фx、фy）。跟踪时将此偏差角度与力矩电机控制电压线形关联，并将其功率跨导放大后驱动方位和（或）俯仰电机旋转，使视场中心对准目标，这样连续不断地进行测算和修正，以保证对目标的实时跟踪。同时通过相关齿轮的传动配合使方位角位移传感器的输出电压与方位角α线形相关、俯仰角位移传感器的输出电压与俯仰角β线形相关，由此根据角位移传感器输出电压的大小经相应换算即可得出方位角α和俯仰角β的值，分别将方位角、俯仰角和目标相对视轴角偏离量所对应的电压信号送至自动驾驶仪（主控板）进行加权处理，输出姿态角偏差信号使舵机执行机构相应动作，从而控制导弹按给定的弹道飞行直至命中目标。

2 两通道伺服机构

2.1 方位运动

驱动杆通过锥形销和方位电机轴固定，另与拉杆、稳定平台框架组成四连杆机构（两臂等长），结构形式如图2所示。电机轴和框架旋转中心平行并垂直于弹轴，且弹轴、电机轴和框架旋转中心共平面。视轴与弹轴重合时，将稳定平台方位角和俯仰角的值初始化为0°。方位力矩电机转动，稳定平台即随之相应旋转。方位角位移传感器通过方位角齿轮和方位扇形齿轮与方位电机建立传动关系，电机每转1°，角位移传感器转n°（n为齿轮传动比），亦等同稳定平台转1°，角位移传感器转n°，从而使方位角位移传感器输出的电压与方位角α线形相关。

2.2 俯仰运动

热像仪通过俯仰轴和俯仰扇形齿轮与稳定平台框架连接，由俯仰电机直接驱动，结构形式如图3所示。两个单自由度速率陀螺仪用固定支架安装在热像仪上，分别敏感其方位和俯仰方向的角速度，以有效隔离扰动影响，实现视轴的空间稳定。陀螺实际安装的时候，一定要保证各陀螺敏感轴与各自框架轴线的水平，并且相互之间保持垂直，以免造成陀螺敏感轴方向上的误差和各轴系之间的耦合效应。俯仰角位移传感器通过俯仰角齿轮和俯仰扇形齿轮与俯仰电机建立传动关系，电机每转1°，角位移传感器转n°（n为齿轮传动比），亦等同热像仪转动1°，角位移传感器转n°，从而使俯仰角位移传感器输出的电压与俯仰角β线形相关。

3 硬件设计

3.1 稳定平台控制回路概述

当单自由度速率陀螺仪敏感轴方向有角速度输入时，由于陀螺转子动量矩的存在，会立即感应产生绕输出轴的陀螺力矩，该力矩使转子绕输出轴转动并出现与输入角速度相关的转角，该转角通过信号器转换为交流调幅信号。因陀螺信号器输出的信号很弱，由前置放大电路进行交流放大，再通过带通滤波进行选频，滤除各次谐波。带通滤波输出的仍是交流信号，因此还需经相敏解调处理，以得到与其幅值成正比的直流信号。该信号用滤波、陷波、积分、微分、反馈等电路或算法进行校正，改善其频率特性，使陀螺获得良好的动态性能。校正输出的控制电压驱动能力很差，必须经功率跨导放大，才能输入足够的电流至力矩电机，驱动电机转动，以产生相应的力矩与陀螺力矩相平衡，从而形成闭环角速度控制回路。

3.2 陀螺板

陀螺板主要由前置放大、带通滤波和相敏解调三个环节组成，作用是给陀螺电机供电；提供驱动信号器的激磁电压；将陀螺输出的交流调幅信号转换为直流控制电压。

供电电路主要由振荡器、记数器、逻辑比较器、功放和变压器组成。晶振生成的交流信号经记数器记数分频成三路同相方波信号，频率分别为400Hz、800Hz和1600Hz，800Hz与1600Hz方波经异或门比较后输出与原1600Hz同频的方波（相位相差90°）。400Hz和两路1600Hz方波依次通过放大器和变压器将功率放大稳压后驱动陀螺仪正常工作。

相敏解调电路主要由模拟开关、减法器和低通滤波器组成，作用是对陀螺输出的调幅信号进行解调，以得到与其幅值成正比的直流电压，且直流电压信号的极性与调幅信号的相位相关。

模拟开关是相敏解调的关键，其开关信号是与陀螺激磁电压同相位、同频率的方波。开关信号通过控制模拟开关的导通与截止将陀螺输出信号调成正半周期和负半周期两部分，并分别送至减法器的两个输入端，减法器由运算放大器和电阻网络构成，电路形式为差分放大。模拟开关和减法器电路结合构成全波相敏解调器。减法器输出的直流电压信号再经低通滤波器进一步滤除交流成分，其大小与陀螺输出信号的幅值成正比。

3.3 模拟稳定控制板

模拟稳定控制板由多级运算放大器和电容、电阻网络构成，电路形式可分为隔值、陷波、放大、积分、微分、调零和反馈等，作用是改善陀螺仪的动态品质、提高系统带宽和相对稳定性。

为保证控制回路稳定可靠工作，必须设法破坏其自激振荡条件。在电路中人为增加校正环节以改变电路的相频特性或幅频特性，破坏自激条件，这就是相位校正或相位补偿技术。常用的方法有微分校正和积分校正。

串联微分校正的作用是提高系统的稳定性和加快系统的反应速度。指导思想是提供一个超前相位以抵消滞后相移，从而使|AF|=1时，总相移小于180°。当微分电路加在开环系统里时，则提供一个超前相移以抵消开环特性的附加相移；当加在反馈支路时，则在反馈系数中提供一个超前相移以抵消滞后相移。

串联积分校正的作用是在尽量不影响系统稳定性的前提下，提高系统的开环放大系数，以减小稳态误差。指导思想是压低高频放大倍数，将控制回路发生自激时所对应频率点附近的放大倍数压得很低，从而破坏

|AF|=1的条件。

3.4 数字稳定控制板

随着光电探测和制导技术的发展，对陀螺稳定平台的控制精度、动态品质的要求越来越高。数字稳定控制板选用TI公司的TMS320F2812数字信号处理器。电路主要包含各种电源转换芯片、功能芯片及外围电路，如A/D、D/A、DSP、RAM、FLASH、CPLD、CLOCK、RESET、JTAG、A/D前幅值调节运放、D/A后滤波运放等。CPLD对各芯片的控制管脚进行逻辑关系设置，DSP通过控制时序完成信号采样、处理和输出。信号处理程序采用卡尔曼滤波算法和自适用陷波算法。

分别将两路陀螺反馈信号及对应的控制信号进行幅值调节后送至AD7865的4个输入端VIN1～VIN4，经过A/D转换，信号被采样输入至F2812。嵌入程序用算法对控制回路信号在数字域进行滤波、调节和校正，DSP再将处理过的数字信号输出至AD7840，经D/A转换为模拟信号，最后由PWM功放电路驱动相应力矩电机转动，陀螺仪实时测量稳定平台角速度的变化即感应输出信号至A/D，从而实现反馈闭环控制。

3.5 电机驱动板

电机驱动板由功率跨导放大器L292和相应电阻、电容网络构成，作用是将校正过的控制电压放大，并输出成比例的电流到力矩电机，使电机相应转动以产生再平衡力矩。L292电路如图4所示：

回路中加入电流负反馈的作用是为了提高跟踪系统抗干扰能力和限制启动及堵转电流超过电机电流的最大允许值。由于目标运动的随机性及速度较慢，要求电机能够低速平稳的旋转、停止和频繁换向。为使系统低速平稳运行，设计利用PWM功率驱动电路在零位具有克服静摩擦的高频微振特性来改善系统性能。

稳定控制板输出的控制信号由6脚进入L292内部，经电平转换和放大后，与内部振荡信号进行比较产生一对幅值相等、极性相反的矩形波，这对矩形波决定电机的正向或反向转动。矩形波的占空比由所输入控制信号的大小决定，改变矩形波的占空比，也就改变了驱动电机旋转的直流电压的大小，从而控制了电机的转向和转速。在电路中外接两个阻值为0.2Ω的电阻R9和R10作为电机正反转时的电流采样器，引出的电流通过L292内部电流检测放大器进行放大，再经过外接元器件R12、C7对其进行低通滤波，把其输出作为反馈信号，与位置环及速度环反馈过来的信号一起，引到外接R11、C6和L292内部PI（比例积分）调节器中。调节后的信号继续和L292内部的振荡信号进行比较以修正矩形波的占空比，电机转动又改变了电流环、速度环以及位置环的输出，经持续不断的调整从而使矩形波占空比趋于1∶1，这样电机驱动稳定平台实时地跟踪目标运动，完成跟踪测量功能。

4 控制回路主要性能指标测试方法

4.1 带宽

带宽是制导系统的重要参数，其数值的选择影响稳定性和稳定裕度、对有用制导信息的控制精度及噪声干扰信息的抑制能力。

带宽测试设备主要是频率响应分析仪和计算机，计算机与分析仪通过串口连接，分别用线缆将发生器输出连接到稳定控制板的控制信号输入端；分析器输入连接到陀螺板的输出端。

在计算机软件界面选择设置分析仪的各项参数：发生器的频率、幅度和偏压；分析器的积分类型、积分时间和延迟时间；扫频装置的扫频方式和范围；显示器的工作通道、测量以及画图输出数据的坐标系。

给稳定平台控制系统加电，等系统稳定后启动分析仪进行扫频，计算机自动对测量数据进行变换处理并绘图。根据扫频点数据、幅频特性曲线和相频特性曲线图即可得出系统的带宽和稳定裕量。

4.2 隔离度

隔离度是指稳定平台对弹体运动的去耦能力。用数学模型描述为：隔离度=平台相对惯性空间转动的角

度/弹体转动的角度×100%，隔离度数值越小，平台对弹体运动的隔离能力越强。

隔离度与弹体扰动频率直接相关，一般对稳定系统的技术指标要求都是指某一频率下的扰动隔离度。同一频率不同幅度的弹体扰动，系统的隔离度并不同，幅度越大，隔离度越差。

测试时首先将导引头固定在摇摆台上，使弹轴与摇摆台回转中心重合，待系统加电稳定后，操控手柄搜寻并锁定远处设置的目标，使稳定平台控制回路处于闭环状态。然后给方位或俯仰摇摆轴输入正弦波控制信号，使其按固定的幅度和频率来回摆动，根据目标在显示器显示的摆动范围，算出稳定平台的转动角度和角速度（根据所占像素数、分辨率、视场角），再对比摇摆台输入即可得出稳定系统的隔离度。

4.3 零漂

给系统加电，待其趋于稳定后，操控手柄使稳定平台转到相应测试角度位置后松开，用秒表记录系统开环状态下预定时间内平台在零输入时漂移的角度或平台在零输入时漂移预定角度所用的时间，通过简单计算即可得出系统零漂数据。

4.4 过渡过程时间

在稳定控制板的控制信号输入端输入开关阶跃信号，测试点选择陀螺板的输出端，采用精密示波器检测系统过渡过程时间、最大超调量和振荡次数。零状态响应与零输入响应分别指系统的充电及放电过程状态，由于两者几乎可逆的相似性，一般只测量稳定平台控制回路的零状态响应。

5 结语

最初将模拟稳定控制板设计成四层板，在输入信号扫频至8Hz左右时，回路的幅频特性曲线有个突变，表现为稳定平台摆幅突然增大并伴有尖鸣声响，但过此频率后平台摇摆能恢复正常。

更改各级电路参数及反馈阻抗，对问题进行分析排查及对比测试，未找到影响幅频特性突变的原因。排除各种可能情况，最后将其归为电路板固有频率振荡。制板时大面积铺地恶化了低频信号特性，大功率器件与多级运算放大器之间经过地层耦合并相互影响，地噪声高达几百毫伏。

将模拟稳定控制板重新布成两层后再行测试，在其他条件不变情况下扫频至7.5～9Hz时，原幅频特性曲线上的突变消失，由此确定原四层板对多级低频大功率模拟电路不利。另外采用二层模拟稳定控制板的系统带宽要比原四层板大些，方位角及俯仰角0°附近的零漂也比四层板要好。

将稳定控制板数字化后，回路的幅频特性和相频特性比使用模拟稳定控制板时要好，即采用数字校正使系统动态品质和稳定性能更好，另外在信号处理、算法实现上数字控制具有模拟控制无法替代的优势，且调试简便、控制可靠。

参考文献

[1] 梅遂生.光电子技术[M].北京：国防工业出版社， 2008.

[2] 杨蒲，李奇.三轴陀螺稳定平台控制系统设计与实现 [J].中国惯性技术学报，2007，15（2）.

[3] 刘丽亚，刘心宝，樊玉铭，张国雄.L292在激光跟踪 测量系统中应用[J].电子测量技术，2005，（3）.

[4] 杨军.导弹控制原理[M].北京：国防工业出版社， 2010.

[5] 崔莹莹，夏群力，祁载康.导引头稳定平台隔离度模 型研究[J].弹箭与制导学报，2006，26（1）.

[6] 赵超.导引头稳定系统隔离度研究[J].电光与控制， 2008，15（7）.

作者简介：彭辉（1978-），男，北京圣非凡电子系统技术开发有限公司工程师，研究方向：伺服控制、结构及工艺设计。

（责任编辑：黄银芳）