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机载雷达伺服系统的机电综合分析和改进

李朝旭  
【摘要】:机载火控雷达的天线扫描器是典型的随动伺服系统,其大部分性能指标取决于控制电路、机构参数。天线扫描器一般具有两个到三个转动自由度,雷达系统对每个自由度的伺服动态性能要求都很高:精确的位置精度、快速响应特性、稳定的低速随动、优良的抗扰动性能。而约束条件却很苛刻:狭小的空间(决定了伺服机构减速比的上限和电机尺寸的最大值),严格的重量限制(决定了所选电机重量和减速机构重量的上限),供电限制(决定所选电机力矩的上限),电源品质差(使得系统中存在不稳定因素)。在这种高指标和强约束条件下,尤其是在结构、伺服进行并行设计又缺乏信息交流的时候,结构设计与控制系统设计的矛盾显得非常突出。矛盾主要表现在:结构师认为结构设计是完善的,系统性能不理想是控制系统设计没有采取合适的控制算法;控制系统设计的观点则与此截然相反,认为结构设计没有进行优化设计。 基于如此工程实践背景,本论文提出了机电综合分析和改进设计的方法。此方法旨在建立机电综合分析模型,然后进行系统仿真,根据仿真结果,再对机构参数进行优化,使得系统在一系列约束条件下能够满足雷达对伺服系统指标的要求。本论文紧密结合本单位某型电机驱动扫描器伺服机构,按照提出的机电综合分析和改进设计方法对机构参数进行局部优化,对样机进行局部结构更改,同时结合进行控制系统改进。改进措施完成后,进行性能测试并与改进前的测试结果进行对比,以验证此方法的有效性。 本论文的章节安排如下: 第一章,简要介绍了本论文的研究目的、研究对象、研究内容,以及国内外的研究现状。 第二章,简述了机载雷达伺服系统在工程设计中的一些关键技术。描述了雷达伺服系统一般采用的控制策略,以及典型的伺服电路原理,机构动力学特性对伺服系统的主要影响。 第三章,根据机载雷达扫描器的控制原理图,以扫描器为对象,以搜索通道为例,引入传动比、转动惯量、电机力矩作为参变量,构建机电综合模型。按照该模型选取几个不同的机构参数,使用Matlab的Simulingk软件进行仿真分析,辅助说明机构参数如传动比、固有频率对系统品质的影响。 第四章,以本单位研制的一种电机驱动的天线扫描器为对象,介绍了原样机的设计指标、结构形式及参数,控制子系统和功率放大器。在进行全面的测试后,发现主要的问题是扫描角速度、调节时间达不到指标要求,结构固有频率偏低。 第五章,针对原样机的机构设计进行了分析,提出了机构和控制子系统的改进方案。对改进后的样机重新进行了性能测试。结果证明:对控制子系统和机构的改进提高了系统的性能。 第六章,总结了机电一体化的设计流程,以及本课题研究得到的结论。展望了该课题更深入的研究方向,如以系统性能为目标函数的机构优化,以及分层建模等。


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