Система управления приводом конического сканирования антенны радиолокационной станции Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Golubev Denis Sergeevich, candidate of technical sciences, senior lecturer, denus@,mail. ru, Russia, Ryazan, Ryazan Higher Airborne Command School named after General of the Army V.F. Margelova,

Shturmanov Sergey Sergeevich, adjunct, nabat62295@,mail. ru, Russia, Ryazan, Ryazan Higher Airborne Command School named after General of the Army V.F. Margelova

УДК 681.586.787; 681.5.033.23

СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПРИВОДОМ КОНИЧЕСКОГО СКАНИРОВАНИЯ АНТЕННЫ РАДИОЛОКАЦИОННОЙ СТАНЦИИ

А.Э. Соловьев, Д.О. Грибов, Н.В. Ивахно, С.И. Зыкин, А.В. Гладких

Рассматривается разработка системы управления приводом конического сканирования радиолокационной станции, выполнено моделирование и синтез системы с использованием петли Костаса.

Ключевые слова: генератор опорного напряжения, задающая частота, петля Костаса, интегратор, двигатель, привод конического сканирования.

При построении обзорно-поисковых, сканирующих систем комплексов военного назначения широко используются электроприводы с фазовой синхронизацией, в основе построения которых лежит принцип фазовой автоподстройки частоты вращения (ФАПЧВ) [1], которые позволяют обеспечить высокие точностные характеристики системы в широком диапазоне регулирования угловой скорости. Многообразие условий эксплуатации систем с контуром фазовой синхронизации и возможностей их технической реализации ведёт к широкому использованию таких систем: известны системы с импульсной синхронизацией, импульсно-цифровой синхронизацией [2, 3], цифровые системы [2].

Уровень развития современной микропроцессорной техники позволяет применять микроконтроллеры в устройствах обработки сигналов и синтеза частот. Преимуществами цифровой ФАПЧВ электропривода по сравнению с аналоговой системой, являются повышенная устойчивость и надежность, низкая стоимость в производстве, стабильность работы во всем температурном диапазоне, высокая помехозащищенность. Однако, непосредственная реализация алгоритмов управления в цифровой системе из-за присутствия в ней процессов квантования по времени и по уровню приводит к увеличению погрешности системы.

Основные параметры, выдвигаемые к системе управления электроприводом конического сканирования: время выхода на рабочую частоту вращения; диапазон рабочих частот; время стабилизации частоты при сбое синхронизма; точность подстраиваемой фазы [4, 5].

Условно система разделяется на два контура подстройки: частотный и фазовый. Первый работает до тех пор, пока частота с объекта управления не приблизится до 90 % значения опорной частоты, после чего в работу вступает второй контур.

Схема контура фазовой автоподстройки частоты вращения привода конического сканирования. Рассмотрим структурную схему системы управления следящим приводом, изображенную на рис. 1.

Петля Костаса-

БЗЧ ТР31

ТР32 ШИМ

^-

ГОН 0У

Рис. 1. Структурная схема системы управления следящим приводом

С блока задания частоты (БЗЧ) поступает меандровый сигнал, который фиксируется таймером микроконтроллера в режиме захвата сигнала ТРЗ1. Микроконтроллер также с помощью внешнего датчика ГОН (генератор опорного напряжения) с использованием ТРЗ2 захватывает частоту вращения вала объекта управления. Полученные сигналы поступают в блок сравнения, где преобразуются коэффициентом преобразования (КП) и анализируются. По данным анализа с формирователя ШИМ генерируется сигнал, который поступает на объект управления [6]. До тех пор, пока частота с ГОН не будет отличаться от задающей частоты на ~ 10 %, будет работать частотный контур подстройки. После достижения заданной частоты в работу вступает фазовый контур, представляющий из себя петлю Костаса (рис. 2).

Задающая частота /(1) поступает на вход петли, умножаясь на сигналы, выходящие из петли, один из которых сдвинут на 90 градусов относительно другого. После этого полученные сигналы проходят через фильтры нижних частот с передаточной функцией №гфНЧ (я).

Отфильтрованные сигналы перемножаются, формируя сигнал в(1), проходящий через петлевой фильтр Жпф (я). Полученный сигнал умножается на коэффициент усиления (КУ = 1000), проходит через интегратор, формируя выходной сигнал петли я(1), и складывается с напряжением, которое было достигнуто при работе частотного контура подстройки. В качестве исполнительного двигателя используется коллекторный двигатель СД-75 с характеристиками: скорость холостого хода ю = 7500 (об / мин); номинальное напряжение и = 27 (В); электромеханическая постоянная времени Тмехдв = 0,035 (с).

Представим в модели объект управления (двигатель, редуктор, нагрузка) апериодическим звеном с постоянной времени Тмех = Тмехдв = =0,035 (с).

Рис. 2. Обобщенная схема моделирования петли Костаса

Математическая модель системы управления приводом. Для

реализации математической модели управления приводом определены пе-

2

редаточные функции фильтра нижних частот Жфич (я ) =

0.005* +1

и петле-

вого фильтра Жпф (Я) = °.0095 +1, имеющие логарифмические амплитудно-

0.2* +1

фазовые частотные характеристики (ЛАФЧХ), изображенные на рис. 3 и рис. 4 соответственно.

Рис. 3. ЛАФЧХ фильтра нижних частот

Так как представленные фильтры будут реализованы в виде алгоритма, выполняемого микропроцессором, то передаточные функции переведены для представления в дискретную форму

ЖфИЧ ( ?)

0.0952 + 0.0952г

Т

-1

^пф (?) =

0.0462 - 0.0437 г

-1

с помощью били-

1 - 0.905г 1 - 0.9975г

нейного преобразования и составлены разностные уравнения:

у(к)ФИЧ = 0.0952х(к) + 0.0952х(к -1) + 0.905у(к -1);

у(к)ПФ = 0.0462х(к) - 0.0437х(к -1) + 0.9975у(к -1).

Частота (рад/сек!

Рис. 4. ЛАФЧХпетлевого фильтра

Промоделируем систему, представленную на рис. 1, в пакете МайаЪ 81шиНпк при значениях задающих частот 80, 84 и 90 Гц (рис. 5) и с необходимыми параметрами: время выхода на рабочую частоту вращения облучателей не более чем 4 с; диапазон рабочих частот - 80 - 90 Гц; время стабилизации частоты при сбое синхронизма - не более 0,9 с; точность подстраиваемой фазы - не более 34 мкс (1 градус).

Рис. 5. Модель ЫайаЪ Simulink системы управления приводом

конического сканирования

Ниже представлены графики сигналов, иллюстрирующие работу основных узлов модели (рис. 6 - 8). Анализируя представленные графики, можно сделать следующий вывод. С повышением задающей частоты увеличивается время переходного процесса в целом. Но, несмотря на это, все показатели времени переходного процесса удовлетворяют требованиям, представленным в начале (время переходного процесса равно 0,38 с, 0,42 с, 0,5 с при 80, 84, 90 Гц соответственно). Переходный процесс системы имеет степень затухания, равную 2, время регулирования, равное ~ 0,3 с.

234

Время (с)

Рис. 6. Переходный процесс частотного контура при задающей частоте 80 Гц

Время (с)

Рис. 7. Переходный процесс фазового контура при задающей частоте 80 Гц

Время (с)

Рис. 8. Выходные сигналы с ФНЧ при задающей частоте 80 Гц

Все эти данные взяты относительно постоянной составляющей графика переходного процесса. В действительности, присутствует автоколебательная составляющая, выраженная в виде удвоенной частоты вращения приводного вала, амплитуда которой составляет ~ 10 % от установившегося значения.

Для компенсации автоколебательной составляющей системы управления приводом конического сканирования антенны РЛС введены изменения в фазовый контур, математическая модель системы представлена на рис. 10.

Добавляется фильтр низкой частоты, выделяющий полезный сигнал (Фзад - Ф) на фоне помех и составляющий основу контура ФАПЧ.

Рис. 9. Фильтр кольца

Рис. 10. Функциональная схема системы управления

Для сохранения информации, поступающей на вход ФНЧ и последующего сравнения с приходящим сигналом, обеспечения возможности отслеживания анормальных изменений фазы, которые вызывают скачки сигнала ошибки на выходе, в качестве фильтра нижних частот используется пропорционально-интегрирующий, передаточная функция которого имеет вид:

1 + Ця

Ж (я)

(1)

1 + 12 я

Постоянные времени 1 и 1 определяются таким образом, чтобы

выполнялось соотношение г0 =— значительно меньше 1, причем 12

11

находится с учетом ширины двусторонней полосы системы (Жь):

12 АКГ0 +1

Жь =

212 236

(2)

где К - коэффициент передачи контура ФАПЧ, А = 0,5 А^он - амплитуда сигнала на выходе детектора.

Z-передаточная функция фильтра нижних частот, построенная с учетом уравнений (1) и (2), имеет вид:

/ . 0,0454552 - 0,045102

^ФНЧ (2) =-, (3)

ФНЧ 2 - 0,999648

Учитывая приведенные расчеты, переходный процесс принимает следующий вид (рис.11).

Время (с)

Рис. 11. Переходный процесс системы при номинальной управляющей частоте 80 Гц

При анализе графиков переходного процесса выясняется, что амплитуда автоколебательной составляющей уменьшилась до 2 % от установившегося значения (рис. 12).

Рис. 12. Автоколебательная составляющая переходного процесса

системы управления

Для дальнейшей обработки сигналов введен режекторный фильтр TransferFcn1 (рис.13):

Рис. 13. Фильтр кольца срежекторным фильтром

237

Z-передаточная функция режекторного фильтра, предназначенного для подавления сигналов с частотами 160 - 180 Гц, имеет вид:

. , 0,3335z2 - 0,66612z + 0,33353

WРФ (z) -----. (4)

z2 -1,8943z + 0,895343 После проведения указанных преобразований получен более стабильный переходный процесс (рис.14):

Рис. 14. Автоколебательная составляющая с использованием

режекторного фильтра

Преобразуя начальную систему управления, работающую по алгоритму Костаса, получилось избавиться от автоколебательной составляющей, которая могла существенно ухудшить работу системы. Но, вместе с этим, ~ на 0,5 с увеличилось время выхода частоты вращения вала привода на номинальную. Несмотря на это, время переходного процесса все еще удовлетворяет требованиям.

Выводы.

Для сравнения аналоговой и цифровой системы управления приводом конического сканирования проведено моделирование, результаты которого представлены в таблице.

Характеристики аналоговой и цифровой систем

Наименование параметра Аналоговая система Цифровая система

Статическая ошибка, мкс 5 0

Динамическая ошибка, мкс 5 5

Время выхода на режим, с <3,5 ~1

Время переподстройки частоты, с 1 0,3

При использовании данной системы управления обеспечивается требование по величине ошибки фазовой синхронизации не более ± 1° (34 мкс). Существенно (с 3,5 до 1 с) сокращается время выхода сканера на частоту задающего устройства.

Таким образом, разработана математическая модель системы управления приводом конического сканирования, установлены параметры передаточной функции фильтра, характеризующего петлю Костаса - постоянные времени фильтров, обеспечивающие минимальную дисперсию фазовой ошибки и низкую чувствительность к неоптимальному выбору фильтра.

Предложенная система управления электроприводом, основанная на цифровой частотно-фазовой синхронизации скорости вращения, отличается своей надежностью, повышенной помехозащищенностью, позволяет обеспечить высокую точность выхода на заданную частоту вращения вала, увеличить скорость работы системы по сравнению с устройствами, основанными на аналоговых элементах.

Данные системы используются при построении радиолокационных сканирующих комплексов и систем военного назначения.

Список литературы

1. Домрачеев В.Г. Схемотехника цифровых преобразователей перемещений. М.: Энергоатомиздат, 1987.

2. Блейз Е.С., Зимин А.В., Иванов Е.С. и др. Теория и проектирование следящих приводов, 1999. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1999.

3. Оппенгейм А., Шафер Р. Цифровая обработка сигналов. М.: Техносфера, 2006.

4. Ивахно Н.В., Войтицкий С.А., Ивахно В.С. Цифровая система обработки сигналов вращающегося трансформатора на основе Б8Р-микроконтроллера в составе электропривода // Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2012. Вып. 8. С. 184 -189.

5. Ивахно Н.В. Обобщенная структура комплексов интеллектуального тренажерного воздействия на дыхательную систему. // Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2014. Вып. 11. С. 110 - 114.

6. Ивахно Н.В., Парамонова А. А., Ивахно В.С. Синтез цифрового контура управления высокоточной системы стабилизации и наведения. Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2012. Вып. 8. С. 90 - 96.

Соловьев Александр Эдуардович, докт. техн. наук, заведующий кафедрой, ¡у/х. ы1ги@,гатЪ1ег. ги, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Грибов Дмитрий Олегович, магистрант, 1и1^и@,гатЪ1ег. ги, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Ивахно Наталия Валериевна, доктор технических наук, доцент, наШНа ¡у аЛм.ги, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

239

Зыкин Сергей Игоревич, аспирант, sergius. klasisagmail. com, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Гладких Антон Викторович, ассистент, ivts. tulgu a ramhler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

RECOGNITION ALGORITHM INHALATION/EXHALATION START IN THE STRUCTURE OF THE COMPLEX CORRECTIVE ACTION ON THE RESPIRA TORY SYSTEM OF HUMAN

D.O. Grihov, N.V. Ivakhno, S.I. Zikin, A.V. Gladkikh

The article is devoted to the development of a control system for the drive of a conical scan of a radar station; the simulation and synthesis of the system using the Costas loop was performed.

Key words: reference voltage generator, master frequency, Kostas loop, integrator, motor, conical scanning drive.

Soloviev Alexander Eduardovich, doctor of technical science, Head of Department, ivts. tulguaramhler. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Grihov Dmitry Olegovich, postgraduate, ivts. tulgua ramhler. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Ivakhno Natalia Valerievna, doctor of technical science, docent, natalia ivatjist.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Zikin Sergey Igorevich, postgraduate, sergius. klasisagmail. com, Russia, Tula, Tula State University,

Gladkikh Anton Victorovich, assistant, ivts. tulgu@ramhler.ru, Russia, Tula, Tula State University