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飛機天線飛行跟蹤定位優(yōu)化控制仿真

2018-08-07 08:03陳彬
科技資訊 2018年4期
關(guān)鍵詞:優(yōu)化控制仿真

陳彬

摘 要:可以通過對天線單元的控制來對飛機飛行的動態(tài)進行檢測,保證天線陣面能夠?qū)崿F(xiàn)對接,以便于數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸,提高通訊質(zhì)量。由于飛機天線單元本身結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,以及環(huán)境特殊,因此迫切需要建立一種有效且具有較為準(zhǔn)確系統(tǒng)參數(shù)的控制器來對飛行姿態(tài)進行控制??刂破髦邪袕婔敯粜?yīng)以及較強干擾能力的滑模結(jié)構(gòu),能夠有效抵消未用到模型的高頻成分。通過天線陣面的Adams模型以及Simulink模型進行聯(lián)合仿真,通過比較不同方位下以及不同俯仰角度下滑模變結(jié)構(gòu)控制和PI控制產(chǎn)生的不同結(jié)果。結(jié)果發(fā)現(xiàn),滑模變結(jié)構(gòu)能夠快速響應(yīng)天線伺服單元的要求,同時能夠有效提高魯棒性以及系統(tǒng)本身的抗干擾能力。其相比于PI具有更好的性能。

關(guān)鍵詞:移動衛(wèi)星 跟蹤定位 優(yōu)化控制 仿真

中圖分類號:V271 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1672-3791(2018)02(a)-0100-02

由于移動衛(wèi)星本身具有較大的覆蓋范圍以及通訊形式多樣化,其在民用和軍事方面具有較為廣泛的應(yīng)用。尤其是在20世紀(jì)90年代以來,“全球性移動通信”以及信息技術(shù)的快速發(fā)展,使得衛(wèi)星通訊技術(shù)在現(xiàn)代化信息的傳輸過程中發(fā)揮著越來越重要的作用。

1 飛機天線飛行跟蹤定位系統(tǒng)

1.1 簡介

機載衛(wèi)星能夠有效完成天線對目標(biāo)衛(wèi)星的定位,并建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸連接,提高通訊質(zhì)量。機載衛(wèi)星的關(guān)鍵技術(shù)是通過天線控制單元來有效隔離飛機飛行過程中各個方向上產(chǎn)生的擾動,保證天線能夠順利和衛(wèi)星完成對接,提高通訊質(zhì)量。

1.2 原理模型

一般來說,ACU有方位上、俯仰、直線上的三個方向上的運動,因此其需要由一個直流電機來進行控制。通過直流電機控制,三運動可以實現(xiàn)聯(lián)動。方位運動是指整個轉(zhuǎn)盤相比較于基座來實現(xiàn)平面轉(zhuǎn)動,俯仰運動是陣面繞著旋轉(zhuǎn)軸進行轉(zhuǎn)動,通過電機的驅(qū)動,并帶動帶動兩邊的面板做同步運動。直線運動指兩邊的面板做橫向的水平運動,同時在整個運動過程中各個面板相互獨立。由于機載天線在運動的過程中需要受到來自于3個自由方向的運動,控制對象包括:(1)包括旋轉(zhuǎn)或者直線運動上的摩擦力矩;(2)當(dāng)飛機姿態(tài)發(fā)生改變,在旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的偏心力矩;(3)由三自由度驅(qū)動機構(gòu)在運行過程中產(chǎn)生的額外力矩。在方位旋轉(zhuǎn)運動基礎(chǔ)上呈現(xiàn)摩擦和偏心力矩,又有這些運動本身產(chǎn)生的額外力矩導(dǎo)致其在隨天線運動過程中不會出現(xiàn)較大的變化。由于天線通過較高的傳動比來進行驅(qū)動,在方位機構(gòu)上的傳動比為364,俯仰機構(gòu)上的傳送比為567。因此及時負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量經(jīng)過減速裝置,并在電機上呈現(xiàn)時候,其產(chǎn)生的影響也是相當(dāng)小的。

同時,其在俯仰方向上的轉(zhuǎn)動常量沒有發(fā)生變化,始終保持在0.032kg·m2。而方位上的轉(zhuǎn)動慣量保持在2.83~3.64kg·m2。

2 滑??刂破鞯脑O(shè)計

2.1 電機模型

根據(jù)電機的驅(qū)動模式的差異分成方波驅(qū)動(無刷直流電動機)、正弦驅(qū)動(永磁步電動機)兩種。其中永磁同步電動機的數(shù)學(xué)模型為:

電磁轉(zhuǎn)矩方程為:

T1=3/2×n×i×j

運動方程為:

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

式中:T1為電磁扭矩,n為電機極對數(shù),i為轉(zhuǎn)子永磁鐵磁鏈,j為q軸電流,T2為負(fù)載扭矩,Wm為機械轉(zhuǎn)速,Bw為電機粘滯摩擦系數(shù)。

2.2 滑模狀態(tài)方程和滑模面設(shè)計

滑模變結(jié)構(gòu)在控制上不連續(xù)可能會引起系統(tǒng)抖振,針對這種情況,我國國內(nèi)外很多專家學(xué)者為此提出了趨近律的概念,明確指出可以通過指數(shù)趨近來消除抖動。

s=-δ·sgn(s)-k·s

通過調(diào)整趨近律的參數(shù)k和δ,既可以保證滑動模態(tài)到達(dá)過程的動態(tài)品質(zhì),又可以減弱控制信號的高頻抖動,但此時系統(tǒng)最好趨近于原點附近的一個抖振區(qū),可能激勵系統(tǒng)中未用模型所表示的高頻成分,并增加控制器的負(fù)擔(dān)。故采用變指數(shù)趨近律設(shè)計控制器,如下

s=-δ+x l sgn(s)-k·s

得狀態(tài)方程如下:

[]=[:][]+[]u

式中:{},-Wf為電機給定機械轉(zhuǎn)速,-Wn為電機反饋機械轉(zhuǎn)速;u=i;M=3nf/2J,等價于轉(zhuǎn)矩常數(shù)。

3 結(jié)果

3.1 聯(lián)合仿真

為了進一步提高運動過程變化的準(zhǔn)確性,本文作者主要級設(shè)計負(fù)載以及控制算法相關(guān)的控制仿真結(jié)構(gòu)進行分析,也就是通過選用Adams運動模型以及Simulink來實現(xiàn)聯(lián)合仿真。該系統(tǒng)能夠利用參數(shù)化的機械系統(tǒng)建立集合模型,并用拉格朗日方程來計算構(gòu)建參數(shù),通過建立動力學(xué)方程來對機械系統(tǒng)進行分析,繪制出運動和加速度運動曲線。

仿真結(jié)果可以適應(yīng)于預(yù)測機械系統(tǒng)性能和運動范圍以及峰值載荷等進行計算,并將在天線伺服系統(tǒng)中應(yīng)用Adams來建立仿真模型,其負(fù)載的尺寸和質(zhì)量大小和原有的模型完全相同。將模型的輸入轉(zhuǎn)化為角度值,并通過SMC來將運算值帶入到電機控制器中,經(jīng)過減速器作用到被控對象中,并將處理的結(jié)果反饋給控制器,獲得較為完整的控制系統(tǒng)模型。

3.2 仿真及基于PI控制的性能比對分析

為了更好地驗證SMC控制以及比較PI控制之間的差別和優(yōu)越性,以及搭建出PI模型。需要在方位電機和俯仰電機中輸入到振幅為0.5度左右的正弦波,并對波形進行仿真,得到結(jié)果。

圖2、圖3分別為SMC控制和PI控制時俯仰電機的位置跟隨誤差,即角度輸入值與反饋值的差值。

4 結(jié)語

本文作者通過采取變指數(shù)趨近率作為滑??刂频幕A(chǔ)控制措施來對天線伺服單元進行控制,并建立相應(yīng)的Adams模型和Simulink模型來進行綜合仿真。通過以上方式能夠有效提高天線伺服單元的響應(yīng)時間,提高系統(tǒng)本身的抗干擾能力,這種方式相比于PI具有明顯的優(yōu)勢。

參考文獻(xiàn)

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