孟國軍

(中國電子科技集團公司第三十八研究所,安徽 合肥 230031)

0 引言

大口徑米波段雷達用于米波段的地空動態(tài)RCS測量,為評估新型航空武器裝備雷達隱身性能提供數(shù)據(jù)支撐,兼顧空中目標運動軌跡測量。其具備對空中目標動態(tài)RCS測量功能、對空中目標搜索、捕獲和跟蹤測量的功能、超分辨測角功能、分離目標的捕獲、跟蹤測量功能。為了滿足作戰(zhàn)要求,米波段雷達必須具有大口徑、高機動性以及精密測量等特點[1],對雷達天線陣面折疊提出了更高的要求[2]。

本研究以某米波段大口徑、高機動雷達天線陣面高精度同步折疊控制策略為研究對象,對天線陣面折疊的同步控制進行了詳細設計,在此基礎上研制一種新型的大口徑長薄雷達天線同步控制方法。

1 工作原理

1.1 結(jié)構指標

天線指標要求如下。

天線工作口徑:寬×高=6.4 m×14 m;

天線運輸口徑:長×寬×高=14 m×3 m×2.5 m;

天線陣面面精度:≤10 mm(均方根);

天線陣面面變形:≤30 mm;

天線展開/收攏時間:≤1.5 min;

天線抗風能力:風速8級以下正常工作,風速12級以下不破壞(天線倒伏狀態(tài))。

1.2 結(jié)構方案

本研究設計的天線陣面主要由中陣面、左陣面和右陣面組成,如圖1所示。左/右陣面分別通過7個支耳與中陣面連接,通過4根液壓缸(簡稱缸)實現(xiàn)折疊。每個陣面由天線骨架和天線振子組成,其中天線振子安裝在天線骨架上,天線骨架是保證天線陣面剛強度的基礎。為保證天線工剛強度和運輸尺寸,經(jīng)分析論證,中陣面骨架尺寸(寬×高×厚)為2.2 m×14 m×0.8 m,左/右陣面骨架尺寸(寬×高×厚)為2.1 m×14 m×0.2 m。

圖1 天線展開狀態(tài)

天線架設時,左/右陣面的4根折疊液壓缸驅(qū)動天線左/右陣面折疊到指定角度,并通過液壓缸上的夾緊器夾住折疊液壓缸活塞桿,完成展開鎖定,天線收攏動作是架設展開動作的逆過程,具體如圖2所示。

圖2 天線折疊狀態(tài)

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 天線折疊

天線左/右陣面骨架厚度為0.2 m,高度達14 m,高厚比為70,長薄結(jié)構,其特點是剛性差。為此,在左/右陣面沿天線高度(14 m)方向等距離分別布置4根液壓缸(相鄰兩根液壓缸距離為4 m),每根液壓缸上安裝有平衡閥、液壓鎖、夾緊器和拉桿傳感器。其中,平衡閥和液壓鎖安裝在液壓缸缸體上,夾緊器安裝在液壓缸缸體前端,拉桿傳感器與液壓缸平行安裝。液壓缸缸體端支耳通過銷軸連接在中陣面骨架的液壓缸支耳上,液壓缸活塞桿端支耳通過銷軸連接在左/右陣面邊緣的液壓缸支耳上。在伺服控制系統(tǒng)的控制下,液壓泵站為左/右陣面4根液壓缸同時供油,實現(xiàn)左/右陣面的折疊。當4根液壓缸活塞桿全部伸出到位時左/右陣面折疊到與中陣面成0°(實現(xiàn)天線振子共面),天線變?yōu)楣ぷ鳡顟B(tài)。當4根液壓缸活塞桿全部收回到位時左/右陣面折疊到與中陣面成90°,天線變?yōu)檫\輸狀態(tài)。

2.2 折疊鎖定

左右陣面向上折疊到位鎖定是通過機械定位銷和液壓缸夾緊器來實現(xiàn)的。為保證整個天線陣面在各種工況下的面精度,左/右陣面通過4根液壓缸從運輸狀態(tài)向前折疊90°與天線中陣面共面時,左/右陣面與中陣面有機械定位結(jié)構限制其繼續(xù)向上運動,同時每根折疊液壓缸上都有一個夾緊器夾住液壓缸活塞桿限制左右陣面向下運動,實現(xiàn)對左右陣面的完全鎖定,使左、中、右3個陣面形成一個共面剛體,保證天線工作狀態(tài)時的剛性和面精度。

2.3 同步控制策略

天線左/右陣面折疊分別采用4根液壓缸驅(qū)動,采用多根液壓缸同時驅(qū)動必須解決多缸同步控制問題[3],以避免多缸不同步或單缸失效時對天線陣面造成的危害。

經(jīng)仿真分析,當天線左/右陣面4根折疊液壓缸行程差超過20 mm時,將導致左右陣面產(chǎn)生明顯的扭曲變形。當天線左/右陣面4根折疊液壓缸行程差超過100 mm時,將造成左右陣面不可逆的塑性變形。為此,研究中采用了液壓缸+液壓比例閥+拉桿傳感器構成的閉環(huán)控制系統(tǒng)來實現(xiàn)8缸同步,且同步行程誤差控制在±20 mm。利用比例放大器實時采集并放大拉桿傳感器的長度信息(拉桿傳感器實時反映折疊液壓缸的行程),通過同步控制策略來實時調(diào)整各液壓缸活塞桿伸出速度,從而實現(xiàn)折疊液壓缸閉環(huán)同步控制。8缸同步控制策略具體如下。

根據(jù)左/右陣面折疊的時間指標推算出電流型比例閥的開口大小(即輸出模擬量大小),這里將與時間指標對應的輸出模擬量值匹配液壓缸活塞桿伸/縮速度稱之為液壓缸基準速度。為保證折疊液壓缸活塞桿伸出或縮回的速度相同,由于液壓缸無桿腔所需流量較有桿腔大,所以液壓缸活塞桿伸出的輸出模擬量值較縮回的輸出模擬量值大一些。

左陣面1—4缸同步控制策略:先對4根缸對應的比例閥給定同樣的電流模擬量,即給定4根缸同樣的基準速度。在運動過程中,實時根據(jù)采樣拉桿傳感器的長度數(shù)據(jù)對缸的比例閥電流進行動態(tài)調(diào)整,實現(xiàn)對缸活塞桿伸出/縮回速度進行動態(tài)調(diào)控,使4缸的行程誤差在規(guī)定范圍內(nèi),實現(xiàn)對4缸實時同步控制。具體控制模式為比較缸2和缸3的伸/縮速度,速度慢的缸向速度快的缸逼近,這兩缸的比例閥的增益設為G1(數(shù)值居于G2與G3之間)。缸1的速度以缸2的速度為基準并向缸2的速度逼近,缸4的速度以缸3的速度為基準向缸3的速度逼近,這兩缸的比例閥的增益設為G2(數(shù)值較大),可得缸1的比例閥電流=基準速度電流+缸1-2速度差值×G2,同理缸4的比例閥電流=基準速度電流+缸3-4速度差值×G2。

按照左陣面1—4缸同步控制策略對右陣面1—4缸進行同步控制。為保障左/右陣面折疊同步,可對左陣面缸2和缸3的速度平均值與右陣面缸2和缸3的速度平均值進行對比,平均速度慢的兩缸向平均速度快的兩缸逼近,此時比例閥的增益設為G3(數(shù)值較小)。

2.4 天線面精度控制

天線面精度是通過高剛性中陣面、左/右陣面展開到位機械定位和左/右陣面折疊液壓缸展開到位行程不變(通過夾緊器鎖定實現(xiàn))來實現(xiàn)。天線中陣面采用框架結(jié)構,具有高剛性。左/右陣面各采用4根液壓缸實現(xiàn)折疊,液壓缸的缸體和活塞桿均為剛性結(jié)構,活塞桿采用夾緊器機械鎖定結(jié)構,具有高剛性。當左/右陣面折疊到工作狀態(tài)時,左/右陣面與天線中陣面有4根定位面實現(xiàn)機械定位。同時左/右陣面的4根折疊液壓缸帶有夾緊器實現(xiàn)對液壓缸活塞桿的可靠鎖定(使得液壓缸缸筒和活塞桿變成一根剛性桿),使左右陣面與中陣面形成一個類整體的結(jié)構,保證了整個天線陣面有足夠剛性和面精度。

2.5 液壓系統(tǒng)設計

天線折疊液壓系統(tǒng)原理如圖3所示[4]。為保證系統(tǒng)功能的實現(xiàn),采用伺服電機驅(qū)動液壓泵作為液壓系統(tǒng)的動力源。

圖3 液壓系統(tǒng)控制原理

伺服電機可以根據(jù)天線展開或收攏時進行有效調(diào)速,保證天線在整個動作過程中既無沖擊又無顫抖。在液壓系統(tǒng)中采用了換向閥、液壓比例閥、單向閥、溢流閥、平衡閥、液壓鎖、防爆閥、壓力表等器件。換向閥用于控制液壓缸輸出軸的伸出與收回,從而控制天線陣面的仰起與俯下、伸出與收回。液壓比例閥用于調(diào)整液壓缸運動速度。單向閥用于防止系統(tǒng)長期不工作時液壓缸和管路中液壓油的回流。溢流閥用于控制整個系統(tǒng)的壓力。平衡閥用于保證平衡重力和風載,驅(qū)動液壓缸同步運行,保證液壓缸運動平穩(wěn)可靠。防爆閥用于防止當系統(tǒng)管路突然失效時天線上陣面發(fā)生跌落失效,壓力表用于檢測管路油壓。

3 天線剛強度仿真

以天線陣面三維模型作為仿真分析對象,負載為自重和風載荷,約束位置是天線與俯仰座連接處和天線與俯仰液壓缸連接處。采用有限元法分析天線在8級風速時的剛度和12級風速時的強度變化[5]。分析結(jié)果表明,天線陣面最大變形量為6.9 mm,最大應力為163 Mpa,剛強度滿足指標要求。

4 試驗測試

4.1 液壓缸同步精度測量

邊塊陣面兩個相鄰液壓缸展開和收攏過程中同步控制誤差實測曲線如圖4所示。由實測曲線圖4(a)可知,展開過程中兩相鄰液壓缸誤差值均控制在±6 mm以內(nèi),滿足設計指標要求;由實測曲線圖4(b)可知,收攏過程中兩相鄰液壓缸誤差值均控制在±10 mm以內(nèi),滿足設計指標要求。對比圖4(a)和圖4(b)可以發(fā)現(xiàn),收攏過程中同步誤差較展開過程中較大,主要原因是收攏過程時間短,速度較快,系統(tǒng)延時及響應致使收攏時誤差較大,但均滿足設計指標要求。

圖4 液壓缸同步精度實測曲線

4.2 天線面精度測量

為驗證剛強度分析的真實性及偏差,本文對天線陣面工作狀態(tài)時的面精度進行了實測,如圖5所示。水平方向等間距選擇11個點,垂直方向等間距選擇18個點,共計測試198點。如圖6所示給出了陣面坐標點變形量曲線,由圖可知,陣面最大變形量為3.4 mm(<15 mm),天線陣面實測的面精度均方根值為1.2 mm(<5 mm),均滿足指標要求。

圖5 陣面坐標點布置情況

圖6 陣面坐標點變形量

5 結(jié)語

本文設計了一種大高厚比長薄天線多缸同步控制策略,滿足長薄天線快速展開/收攏的同時,實現(xiàn)了長薄天線多缸高剛性高精度的同步,為大口徑長薄米波雷達天線折疊同步控制和精度測量提供了理論依據(jù),并在實踐中得以應用,具有較高的推廣價值和借鑒意義。

(1)通過多次實測,天線展開平均時間為65 s,天線收攏平均時間為54 s,滿足指標要求。

(2)對液壓缸展開和收攏行程誤差進行實測,行程誤差均在± 10 mm左右,滿足指標要求。

(3)通過拍照法實測,天線陣面最大變形量為3.4 mm,均方根1.2 mm,滿足精度要求。