黃海濤，彭國朋，黃建國

(南京電子技術研究所， 江蘇 南京 210039)

雷達天線液壓起豎系統(tǒng)優(yōu)化設計*

黃海濤，彭國朋，黃建國

(南京電子技術研究所， 江蘇 南京 210039)

為實現大口徑輕薄型天線液壓起豎系統(tǒng)的可靠動作，文中結合軸角編碼器的測角功能和壓力傳感器的測壓功能，根據反饋數據對多級缸倒豎液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進行了實時優(yōu)化和修正，有效提高了雙缸驅動過程中的同步精度，消除了超越負載工況下的倒豎抖動，實現了起豎機構全過程的平穩(wěn)運動。該研究可為其它相似類型的產品研發(fā)提供有價值的參考。

軸角編碼器；壓力傳感器；大口徑輕薄型陣面；同步精度；抖動

引 言

在雷達天線的起豎過程中，天線自身的偏載和摩擦轉矩不同導致左右油缸的負載存在一定的差異，所以油缸在運動過程中的伸出長度也不同。若選擇基于液壓分流技術的強制同步方案，則可能會因分流器件的精度不夠而造成嚴重的影響，甚至使陣面扭曲。所以以往天線倒豎油缸的同步主要靠陣面自身的剛度來保證[1]。

隨著相控陣技術的廣泛應用，陣面口徑大型化和陣面厚度輕薄化成為現代雷達的發(fā)展趨勢，但這也弱化了陣面的剛度。因此，在天線倒豎的過程中，系統(tǒng)對雙缸運動過程中的同步精度要求越來越高。同時，如何克服大口徑輕薄陣面在倒豎過程中的抖動問題，成為現代雷達結構優(yōu)化設計中需要重點關注的問題。本文結合軸角編碼器的測角功能和壓力傳感器的測壓功能，對天線倒豎過程的動態(tài)特性參數進行了實時采集，從而對由雙油缸驅動的雷達天線起豎系統(tǒng)進行了優(yōu)化。

1 同步精度優(yōu)化

1.1 系統(tǒng)模型

雷達天線起豎裝置一般采用2個對稱布置的液壓油缸驅動。在工作過程中，在驅動油缸作用下，天線陣面從接近水平的角度起豎至指標所需要的傾角。天線根部與轉臺通過支耳鉸接，起豎油缸下支耳與轉臺鉸接，上支耳與天線陣面支承點鉸接。其三維模型如圖1所示，簡化模型如圖2所示。A為陣面旋轉支點，B為油缸下鉸接點，C為油缸上鉸接點，BC為起豎油缸初始長度。隨著油缸的伸出，C的位置將繞天線轉軸A不斷變化，記為C′[2]。

圖1 起豎系統(tǒng)三維模型

圖2 起豎系統(tǒng)簡化模型

1.2 工作原理

在雷達天線的起豎過程中，若油缸運動不同步，直接表現為活塞桿伸出的長度不一致。當2個油缸伸出的長度不一致時，左、右陣面支耳對應的∠CAB就表現出一定的差異。用這2個角度值中的1個作為控制油缸運動的控制參數，可以將2個油缸運動的同步精度限制在一定范圍內，從而保持陣面倒豎過程中的平面度[3]。

本文選擇軸角編碼器進行角度測量，測角精度根據需求進行選擇，一般選3′左右即可。因舉升油缸常為兩端帶關節(jié)軸承的結構形式，在陣面起豎過程中可能存在一定的擺動，在油缸所在銷軸處安裝軸角編碼器存在一定的困難，所以將2個軸角編碼器安裝在如圖3所示的天線支耳銷軸處[4]。

圖3 軸角編碼器安裝

1.3 液壓系統(tǒng)優(yōu)化

如圖4所示，在以往的液壓起豎系統(tǒng)中，雙缸一般直接通過三通分油，運動過程中的同步主要靠陣面自身的剛度來保證。但在現代雷達中，陣面自身剛度弱，已不足以通過結構來保證雙缸同步要求，因而需要通過液壓系統(tǒng)優(yōu)化予以改進。目前一般采取2種方式對雙缸的運動過程進行控制：分流/集流閥加比例補油控制和支路比例調速控制。

圖4 起豎系統(tǒng)液壓原理

1.3.1 分流/集流加比例補油控制

如圖5所示，設計時在系統(tǒng)中增加分流/集流閥，在起豎過程中，當兩油缸的負載不平衡時，負載大的一側壓力升高，產生的壓力差將推動閥芯向低壓側動作，強制兩側油缸輸入流量相等，以保證動作同步。但當兩側負載相差較大時，分流/集流閥不能完全保證兩路的流量相同，會產生大約3%～5%的誤差。為彌補兩側負載相差較大時分流/集流閥產生的流量誤差，在系統(tǒng)中需增加比例換向閥進行補油，強制控制兩支路的流量，使之相等。對比例電磁鐵的控制信號采用圖2所示的∠CAB的差值。

圖5 比例補油液壓原理

在起豎過程中，當差值為正值時，說明左側油缸伸出速度大于右側，此時需控制比例換向閥1向右側支路補油，若為負值則需對左側支路補油。在倒伏過程中，當差值為正值時，說明左側油缸縮回速度小于右側，此時需控制比例換向閥2向左側支路補油，若為負值則需對右側支路補油。角度差值的門限值可根據實際需求進行設置，一般選擇在10′左右，若低于此門限值，系統(tǒng)將予以忽略。

1.3.2 支路比例調速控制

如圖6所示，在系統(tǒng)每個起豎油缸的支路上分別增加1只電控比例調速閥。該調速閥采用橋式整流的形式，可對進/回油分別調速。

圖6 支路比例調速控制原理

控制信號依然采用圖2所示的∠CAB的差值。在起豎過程中，系統(tǒng)為進油節(jié)流。當差值為正值時，說明左側油缸伸出速度大于右側，此時需對左側油缸的調速閥進行節(jié)流，若為負值則需對右側油缸的調速閥進行節(jié)流。在倒伏過程中，系統(tǒng)變?yōu)榛赜凸?jié)流，當差值為正值時，說明左側油缸縮回速度小于右側，此時應對右側油缸的調速閥進行節(jié)流，若為負值則需對左側油缸的調速閥進行節(jié)流[5]。角度差值的門限值選擇與1.3.1節(jié)相同。

2 倒豎抖動控制

在大口徑輕薄型陣面的倒豎過程中，抖動是另一種常見的問題且影響的因素多，主要發(fā)生在陣面做倒伏動作時，特別是在啟動、多級缸切換和風載荷有較大交變時。

陣面倒伏時，油缸受超越負載，為了避免在運動過程中失衡、失速并保證系統(tǒng)安全，需在下腔油路中設置平衡閥。但大口徑輕薄型陣面在啟動初期、多級缸切換和風載荷有較大交變時，因自身剛度不足，陣面會發(fā)生一定的顫動，反應到油缸上則是負載發(fā)生周期性的變化，壓力也會隨之波動。裝入系統(tǒng)中的平衡閥有相對固定的設定壓力和開啟比，在系統(tǒng)壓力波動的同時，平衡閥將被頻繁地打開或關閉，會逐漸加劇陣面的顫動，嚴重時甚至載車都會抖動。

2.1 控制系統(tǒng)優(yōu)化

針對這一問題，需對以往單一的控制手段予以優(yōu)化，引入軸角編碼器和壓力傳感器，對系統(tǒng)的運動過程進行反饋，智能調整比例換向閥的開口，以控制油缸的運動速度。以某大型設備為例，初時在倒伏起始階段和多級缸切換階段，陣面發(fā)生抖動，且越來越嚴重。為此，在伺服控制程序中加入了斜坡啟動，并且通過軸角編碼器的測角功能在多級缸切換時提前對油缸減速，使其平穩(wěn)切換，有效消除了抖動現象。

在系統(tǒng)設計中，還可以引入壓力傳感器進行監(jiān)控。陣面在運動過程中發(fā)生抖動時，系統(tǒng)壓力必然存在周期性的變化。此時可通過壓力傳感器將波動的壓力信號反饋給伺服控制系統(tǒng)，當波動范圍超過設定的門限值時，控制系統(tǒng)根據輸入的反饋信息，實時調整比例閥開口，對油缸進行減速，待壓力周期波動消除后，再恢復原運行速度。

2.2 液壓系統(tǒng)優(yōu)化

此外，還可對液壓系統(tǒng)本身進行原理上的改進。例如在油缸倒伏的回油路上增加阻尼，也可以有效控制抖動現象的發(fā)生。如圖7所示，在陣面倒伏過程中，多級油缸受超越負載，造成油缸上腔短暫失壓，下腔的

圖7 回路阻尼液壓原理

單向平衡閥頻繁開斷，從而引起系統(tǒng)抖動?？赏ㄟ^在回油路上增加節(jié)流閥，避免油缸上腔失壓，使平衡閥在整個倒伏過程中始終處于被開啟狀態(tài)，實現系統(tǒng)全程平穩(wěn)倒伏。

3 結束語

大口徑輕薄型陣面已經成為機動雷達領域的主流，雙缸同步控制精度不足和倒伏過程中的抖動問題成為制約液壓系統(tǒng)應用的不利因素。近年來，經過探索和研究，特別是結合工程機械領域的一些寶貴經驗，有了一些解決上述問題的有效辦法。如上述利用軸角編碼器和壓力傳感器進行實時反饋，智能控制天線倒豎的全過程，既節(jié)省了研制成本，又有效地解決了雙缸同步精度不足和陣面倒伏抖動等實際問題，可供其它類似產品研發(fā)借鑒。

[1] 雷天覺. 新編液壓工程手冊[M]. 北京: 北京理工大學出版社, 1998.

[2] 張寶生. 大型起豎設備雙缸同步問題研究[J]. 機床與液壓, 2008, 36(9): 220-221.

[3] 黃海濤. 基于聯合仿真的液壓起豎系統(tǒng)研究[J]. 電子機械工程, 2010, 26(6): 52-55.

[4] 程洪杰. 位移傳感器在某大型設備起豎同步問題上的應用[J]. 液壓與氣動, 2004(7): 65-66.

[5] 劉鑫. 大型液壓快速起豎系統(tǒng)的設計[J]. 液壓與氣動, 2011(6): 108-110.

黃海濤(1976-)，男，高級工程師，主要從事雷達液壓傳動結構的設計與產品開發(fā)工作。

彭國朋(1981-)，男，高級工程師，主要從事雷達液壓傳動結構的設計和機電液系統(tǒng)數字仿真工作。

黃建國(1970-)，男，研究員級高級工程師，主要從事雷達伺服系統(tǒng)的技術研究與產品開發(fā)工作。

Optimization Design of Hydraulic Lifting System of Radar Antenna

HUANG Hai-tao，PENG Guo-peng，HUANG Jian-guo

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

In order to realize reliable movement of the hydraulic lifting system of the light-weight antenna with a large aperture, in this paper real-time optimization and revision for the lift hydraulic system driven by multi-stage cylinder and the control system are carried out according to the feedback data, combining with angel measuring function of the angle encoder and pressure measuring function of the pressure sensor. As a result, synchronization precision in the process of driving by double-cylinder is improved, the lifting dithering under over-running load conditions is eliminated and stable movement in the whole process of lifting mechanism is realized. This provides valuable reference for development of other similar products.

angle encoder; pressure sensor; the light-weight antenna with a large aperture; synchronization precision; dithering

2015-11-05

TP271+.31

A

1008-5300(2016)01-0028-04