飞机天线飞行跟踪定位优化控制仿真

陈彬

摘 要：可以通过对天线单元的控制来对飞机飞行的动态进行检测，保证天线阵面能够实现对接，以便于数据的稳定传输，提高通讯质量。由于飞机天线单元本身结构比较复杂，以及环境特殊，因此迫切需要建立一种有效且具有较为准确系统参数的控制器来对飞行姿态进行控制。控制器中包含有强鲁棒效应以及较强干扰能力的滑模结构，能够有效抵消未用到模型的高频成分。通过天线阵面的Adams模型以及Simulink模型进行联合仿真，通过比较不同方位下以及不同俯仰角度下滑模变结构控制和PI控制产生的不同结果。结果发现，滑模变结构能够快速响应天线伺服单元的要求，同时能够有效提高鲁棒性以及系统本身的抗干扰能力。其相比于PI具有更好的性能。

关键词：移动卫星 跟踪定位 优化控制 仿真

中图分类号：V271 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）02（a）-0100-02

由于移动卫星本身具有较大的覆盖范围以及通讯形式多样化，其在民用和军事方面具有较为广泛的应用。尤其是在20世纪90年代以来，“全球性移动通信”以及信息技术的快速发展，使得卫星通讯技术在现代化信息的传输过程中发挥着越来越重要的作用。

1 飞机天线飞行跟踪定位系统

1.1 简介

机载卫星能够有效完成天线对目标卫星的定位，并建立相应的数据传输连接，提高通讯质量。机载卫星的关键技术是通过天线控制单元来有效隔离飞机飞行过程中各个方向上产生的扰动，保证天线能够顺利和卫星完成对接，提高通讯质量。

1.2 原理模型

一般来说，ACU有方位上、俯仰、直线上的三个方向上的运动，因此其需要由一个直流电机来进行控制。通过直流电机控制，三运动可以实现联动。方位运动是指整个转盘相比较于基座来实现平面转动，俯仰运动是阵面绕着旋转轴进行转动，通过电机的驱动，并带动带动两边的面板做同步运动。直线运动指两边的面板做横向的水平运动，同时在整个运动过程中各个面板相互独立。由于机载天线在运动的过程中需要受到来自于3个自由方向的运动，控制对象包括：（1）包括旋转或者直线运动上的摩擦力矩；（2）当飞机姿态发生改变，在旋转过程中产生的偏心力矩；（3）由三自由度驱动机构在运行过程中产生的额外力矩。在方位旋转运动基础上呈现摩擦和偏心力矩，又有这些运动本身产生的额外力矩导致其在随天线运动过程中不会出现较大的变化。由于天线通过较高的传动比来进行驱动，在方位机构上的传动比为364，俯仰机构上的传送比为567。因此及时负载转动惯量经过减速装置，并在电机上呈现时候，其产生的影响也是相当小的。

同时，其在俯仰方向上的转动常量没有发生变化，始终保持在0.032kg·m2。而方位上的转动惯量保持在2.83～3.64kg·m2。

2 滑模控制器的设计

2.1 电机模型

根据电机的驱动模式的差异分成方波驱动（无刷直流电动机）、正弦驱动（永磁步电动机）两种。其中永磁同步电动机的数学模型为：

电磁转矩方程为：

T1=3/2×n×i×j

运动方程为：

T2=Ti+J.dw/dt+Bw.Wm

式中：T1为电磁扭矩，n为电机极对数，i为转子永磁铁磁链，j为q轴电流，T2为负载扭矩，Wm为机械转速，Bw为电机粘滞摩擦系数。

2.2 滑模状态方程和滑模面设计

滑模变结构在控制上不连续可能会引起系统抖振，针对这种情况，我国国内外很多专家学者为此提出了趋近律的概念，明确指出可以通过指数趋近来消除抖动。

s=-δ·sgn（s）-k·s

通过调整趋近律的参数k和δ，既可以保证滑动模态到达过程的动态品质，又可以減弱控制信号的高频抖动，但此时系统最好趋近于原点附近的一个抖振区，可能激励系统中未用模型所表示的高频成分，并增加控制器的负担。故采用变指数趋近律设计控制器，如下

s=-δ+x l sgn（s）-k·s

得状态方程如下：

[]=[：][]+[]u

式中：{}，-Wf为电机给定机械转速，-Wn为电机反馈机械转速；u=i；M=3nf/2J，等价于转矩常数。

3 结果

3.1 联合仿真

为了进一步提高运动过程变化的准确性，本文作者主要级设计负载以及控制算法相关的控制仿真结构进行分析，也就是通过选用Adams运动模型以及Simulink来实现联合仿真。该系统能够利用参数化的机械系统建立集合模型，并用拉格朗日方程来计算构建参数，通过建立动力学方程来对机械系统进行分析，绘制出运动和加速度运动曲线。

仿真结果可以适应于预测机械系统性能和运动范围以及峰值载荷等进行计算，并将在天线伺服系统中应用Adams来建立仿真模型，其负载的尺寸和质量大小和原有的模型完全相同。将模型的输入转化为角度值，并通过SMC来将运算值带入到电机控制器中，经过减速器作用到被控对象中，并将处理的结果反馈给控制器，获得较为完整的控制系统模型。

3.2 仿真及基于PI控制的性能比对分析

为了更好地验证SMC控制以及比较PI控制之间的差别和优越性，以及搭建出PI模型。需要在方位电机和俯仰电机中输入到振幅为0.5度左右的正弦波，并对波形进行仿真，得到结果。

图2、图3分别为SMC控制和PI控制时俯仰电机的位置跟随误差，即角度输入值与反馈值的差值。

4 结语

本文作者通过采取变指数趋近率作为滑模控制的基础控制措施来对天线伺服单元进行控制，并建立相应的Adams模型和Simulink模型来进行综合仿真。通过以上方式能够有效提高天线伺服单元的响应时间，提高系统本身的抗干扰能力，这种方式相比于PI具有明显的优势。

参考文献

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