CN104122531A - 自适应处理雷达天线位置振荡的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种自适应处理雷达天线位置振荡的方法，旨在提供一种自动检测雷达天线位置特性，发现雷达天线位置振荡即刻消除位置振荡的方法，本发明通过下述技术方案予以实现：在跟踪雷达伺服控制系统中，伺服控制器以电机电流作为电流环的负反馈，以电机速度作为速度环的负反馈，将位置环设计为比例、积分控制，将电流环、速度环设计为比例、积分、微分控制的伺服系统环路；伺服控制器内置运算处理器接收并执行雷达终端系统发送的控制命令和雷达信处系统发送的误差信息，运算处理器周期性地检测雷达天线的跟踪位置误差，当检测到雷达天线位置振荡后，在每个运算周期逐次地减少伺服控制位置环路的比例系数和积分系数，减少输出电压消除振荡。

Description

自适应处理雷达天线位置振荡的方法

技术领域

本发明涉及一种自适应处理雷达天线位置振荡的方法。

背景技术

跟踪雷达伺服系统作为驱动雷达天线运转的执行机构，实现输出变量精确地跟随或复现输入变量的控制系统，是一种比较特殊的随动系统。雷达伺服系统是雷达的重要组成部分，它对于搜索目标、跟踪目标以及精确测量目标的位置和其它参数起着重要作用，主要作用是根据指令和误差进行综合计算，控制电机拖动雷达天线做跟随目标的运动，并实时精确测量雷达机械轴的位置。伺服系统性能的好坏将直接影响雷达的跟踪精度。雷达伺服系统是一个包含方位轴、俯仰轴和横滚轴的三轴系统，它是典型的机电一体化系统。长期以来，对于像雷达伺服系统这样的机电耦合系统，无论在理论上还是在工程设计中，都被人为地割裂为两部分：机械部分和控制部分，从而严重制约了雷达伺服系统的总体性能。伺服系统环路设计采用电流环、速度环、位置环三环控制方案。伺服控制器完成位置环闭环功能，伺服驱动器完成电流环和速度环的闭环功能，电流环和速度环为位置环的内环。雷达伺服系统由电流、速度、位置三个回路组成，电流回路是速度回路的一个环节，速度回路是位置回路设计的基础；电流回路的主要作用是减小电枢回路的时间常数，在忽略电动机反电动势的影响下，对结构谐振环节有一定的抑制作用；速度回路可以减小时间常数，提高回路的动态特性，增加系统的相角裕量，改善系统的过渡过程品质，提高系统的低速平稳性，扩大系统的调速范围；位置回路的作用是根据雷达的工作方式命令，实现精确定位和位置随动。通常电流环、速度环设计为比例、积分、微分控制，位置环设计为比例、积分控制。跟踪雷达的工作方式主要有跟踪方式、引导方式、搜索方式、手控方式。

在现有技术中，图5示出了未采用本发明时的雷达状态切换方位位置振荡示意图。当雷达从引导方式切换到跟踪方式时，雷达天线当前位置与实际目标之间的位置差是随机的。为了将雷达天线快速地调转到目标位置，则可能存在大角度调转雷达天线，雷达天线与目标之间的位置误差迅速减小，当雷达天线接近目标位置进入雷达的波束范围时，雷达工作方式切换到跟踪方式，初始切换过程中，容易发生位置振荡。位置振荡是指雷达跟踪目标时，雷达天线运动的位置曲线不平滑，既存在向角度增大的方向运动，又存在向角度减小的方向运动，而且向不同方向运动所引起的跟踪误差的幅值超过了0.02度的误差范围。

在图6所示未采用本发明时的跟踪过程中位置振荡示意图，可以看出，雷达在跟踪过程中，由于外部扰动和非线性因素的影响，偶然也会发生位置振荡，在未采用本发明时，振荡的时间比较长，即位置误差收敛得比较慢，必然影响系统的跟踪误差精度。

跟踪雷达伺服系统常常需要较高的跟踪精度。将前馈补偿和模糊PID控制相结合构成混合智能控制策略。在成型雷达装备中,控制电路伺服系统多采用基本PID控制,大多数的回路是PI控制。虽结构简单可操作性强,但可调参数少,超调量大调节时间长。PID是一个比例(P)、积分(I)、微分(D)的闭环控制算法，要实现PID算法，必须在硬件上具有闭环控制，就是得有反馈。比如控制一个电机的转速，就得有一个测量转速的传感器，并将结果反馈到控制线路上。PID控制算法并不是必须同时具备这三种算法，也可以是PI，PD,甚至只有P算法控制。比例(P)、积分(I)、微分(D)控制算法各有作用：比例反应系统当前的基本偏差e(t)，系数大，可以加快调节，减小误差，但过大的比例使系统稳定性下降，甚至造成系统不稳定；积分反应系统的累计偏差度，因为有误差，积分调节就继续进行，直至无误差；微分反映系统偏差信号的变化率e(t)-e(t-1)，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除，因此可以改善系统的动态性能。但是微分对噪声干扰有放大作用，加强微分对系统抗干扰不利。积分和微分都不能单独起作用，必须与比例控制配合。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳，其原因是由于存在有较大惯性环节或有滞后环节，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。在控制器中仅引入“比例P”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，“微分项”能预测误差变化的趋势。

目前对伺服系统控制算法的优化一直是控制理论的研究热点。跟踪雷达伺服系统三个回路比较常用的控制算法为比例－积分－微分算法PID算法，跟踪雷达伺服控制中的数字伺服控制系统的PID算法表达式为：

$u\left(k\right)=K_{p}e\left(k\right)+\mathrm{TK}\underset{j=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}e\left(j\right)+\frac{K_d}{T}[e\left(k\right)-e(k-1)]......\left(1\right)$

式中，u(k)：采样时刻控制器的输出信号；e(k):k次采样时刻输入误差值，等于测量值与给定值之差；K_p：控制器的比例系数；K_i：控制器的积分系数；K_d：控制器的微分系数；T：采样周期。

现有技术精密跟踪雷达伺服系统通常设计成无静差系统，但实际的雷达伺服系统存在各种非线性因素，比如，伺服电路中存在不灵敏区(死区)、斜率不对称、饱和非线性、摩擦非线性、齿轮传动机构的齿隙、反馈元件量化误差、结构谐振、风向风力变化、传输延时抖动等，必然导致雷达伺服系统为有差跟踪，在各种非线性因素的影响下，还容易导致雷达天线位置振荡，为此，需要采取一定的措施减小振荡，提高跟踪精度。本发明针对跟踪过程中的位置振荡提出了一种实用的方法，以快速的消除位置振荡。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术数字伺服控制系统高速、灵活的运算特点，提供一种跟踪雷达伺服控制系统自动检测跟踪目标时雷达天线的位置特性，可快速地减小跟踪误差，能有效提高雷达跟踪精度，能够快速检测雷达天线位置振荡是否存在，一旦发现雷达天线位置振荡即快速消除位置振荡的方法。

本发明的上述目的通过以下措施来达到。一种自适应处理雷达天线位置振荡的方法，其特征在于包括如下步骤：在跟踪雷达伺服控制系统中，将伺服控制器、驱动器、伺服电机、减速器、齿轮传动机构连接雷达天线，按照电流环、速度环、位置环三环控制方案，建立一个伺服控制器以电机电流作为电流环的负反馈，以电机速度作为速度环的负反馈，并将电流环、速度环、位置环设计为比例、积分控制的伺服系统环路；伺服控制器内置运算处理器接收并执行雷达终端系统发送的控制命令和雷达信处系统发送的误差信息，运算处理器内置位置振荡检测软件程序对每个环路的误差作比例-积分－微分校正处理，把产生的输出电压给驱动器，驱动器将伺服控制器输出的电压进行功率放大，驱动伺服电机齿轮传动机构带动雷达天线运动；伺服控制器通过运算处理器周期性地对雷达天线的跟踪位置误差进行检测，判断是否存在位置振荡，当检测到雷达天线位置振荡后，在每个运算周期逐次地减少伺服控制位置环路的比例系数和积分系数，迅速减少输出电压，立即消除振荡，振荡消除后位置环恢复为设定的比例系数和积分系数，继续进行控制处理。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果。

本发明将伺服系统环路设计为比例积分微分控制，利用PID比例积分微分控制规律，在比例的基础上引入积分，可以消除余差，再加入微分作用提高系统的稳定性。伺服控制器通过运算处理器高速运算处理功能，对雷达的跟踪性能进行评判，当检测到异常的位置振荡后，即立即更改控制策略，以快速地消除位置振荡，且没有额外地增加硬件设施，而是充分利用了伺服控制器运算处理器的处理能力，在一定的时间内对跟踪误差的极性和大小进行统计，评价跟踪性能，并及时调整控制策略，可快速地减小跟踪误差，提高跟踪性能。

本发明伺服控制器通过运算处理器周期性地对雷达天线的跟踪位置误差进行检测，自动检测跟踪目标时雷达天线的位置特性，判断是否存在位置振荡，一旦发现雷达天线位置振荡即快速消除位置振荡。这种当检测到雷达天线位置振荡后，在每个运算周期逐次地减少伺服控制位置环路的比例系数和积分系数，迅速减少输出电压，立即消除振荡，可以使跟踪雷达伺服控制系统的控制参数既保证系统的快速性，又保证系统的稳定性，而且采用本发明可适当增大位置环路的比例系数和积分系数，保证了快速性。当需要稳定性时，因及时调整了控制参数，又保证了系统的稳定性。

附图说明

下面，结合附图和实施方式对本发明进一步说明。

图1是雷达伺服控制系统框图。

图2是采用本发明跟踪过程中快速消除位置振荡示意图。

图3是位置振荡检测软件流程图。

图4是采用本发明时的雷达状态切换快速消除位置振荡示意图。

图5是未采样本发明时的雷达状态切换位置振荡示意图。

图6是未采样本发明时的跟踪过程中位置振荡示意图。

具体实施方式

参阅图1。根据本发明，建立一个由伺服控制器、驱动器、伺服电机、减速器、齿轮传动机构、雷达天线、电机电流反馈、电机速度反馈、天线位置反馈组成的三闭环控制的跟踪雷达伺服控制系统。雷达伺服控制系统由伺服控制器、驱动器、伺服电机、减速器、齿轮传动机构、雷达天线组成。伺服控制器、驱动器、伺服电机属于雷达伺服系统的控制部分，减速器、齿轮传动机构、雷达天线属于雷达伺服系统的机械部分，控制器用于完成信息采集和计算处理，产生输出电压给驱动器，驱动器用于将控制器输出的电压进行功率放大后驱动电机运转，电机的转动轴与减速器同轴，减速比为n，减速器与齿轮传动机构通过齿轮啮合，齿轮传动机构的末级转动部分与雷达天线的转动轴同轴，这样电机的运转就会带动雷达天线跟随运转，电机的转速为雷达天线转速的n倍。电机电流反馈、电机速度反馈、天线位置反馈形成伺服的三闭环控制的跟踪雷达伺服控制系统。雷达伺服控制系统为跟踪雷达天线的执行机构，用于控制雷达天线按照指定的位置运动，实现对目标的稳定跟踪。伺服控制器包含高速的运算处理器。运算处理器接收并执行雷达终端系统发送的控制命令和雷达信处系统发送的误差信息，驱动伺服电机以消除雷达跟踪误差为目的的运动，伺服电机驱动同轴相连的减速器和齿轮传动机构，带着雷达天线运动。伺服控制器采用的控制策略为电流环、速度环、位置环组成的三闭环PID(比例、积分、微分)控制。伺服控制器以电机的电流作为电流环的负反馈，以电机的速度作为速度环的负反馈，以雷达天线的位置作为位置环的负反馈，对每个环路的误差作PID校正处理，产生输出电压给驱动器；驱动器将控制器输出的电压进行功率放大，驱动电机运转。运算处理器控制精密跟踪雷达稳定跟踪时，跟踪误差应在指标规定的范围内以零误差为基准起伏变化，如果跟踪误差的极性始终为固定的正极性或者负极性，则说明跟踪存在超前或滞后；如果跟踪误差在零误差附近很小的起伏波动，则说明跟踪性能良好。如果跟踪误差在零误差附近很大的起伏波动，则说明跟踪性能不好，存在位置振荡。伺服控制器周期性地对天线的跟踪位置误差进行检测，判断是否存在位置振荡，检测到位置振荡后，即在每个运算周期逐次地减少伺服控制位置环路的比例系数和积分系数，输出电压迅速减少，振荡可立即消除；振荡消除后位置环恢复为设定的比例系数和积分系数，继续进行控制处理。运算处理器对输入一个或多个物理量进行检测，并根据确定的控制规律(算法)进行计算，通过输出通道直接去控制执行机构，使各被控量达到预定的要求。伺服控制器PID调节器各校正环节的作用：1、比例环节：即时成比例地反应控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用以减小偏差。2、积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数T_i，T_i越大，积分作用越弱，反之则越强。3、微分环节：能反应偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号的值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。微分先行，微分先行是把对偏差的微分改为对被控量的微分，这样，在给定值变化时，不会产生输出的大幅度变化，而且由于被控量一般不会突变，即使给定值已发生改变，被控量也是缓慢变化的，从而不致引起微分项的突变。

在图2中，伺服控制器检测到位置振荡，则立即减小位置环的比例系数和积分系数，使控制器输出电压减小，将跟踪误差快速地收缩到很小的误差以内，然后进入稳定的跟踪。运算处理器检测到位置振荡后，逐次地减少伺服控制位置环路的比例系数和积分系数。在运算处理器的每个运算处理周期0.4ms时间里，本周期的比例系数等于上一周期的比例系数/2,本周期的积分系数等于上一周期的积分系数/2。当比例系数和积分系数逐次递减到约定的最小值时，则不再递减，保留最小的比例系数和积分系数，直到位置振荡消除后恢复为系统设定的比例系数和积分系数；位置环路的微分系数设定为0。

振荡消除后位置环恢复为设定的比例系数和积分系数进行控制处理是指在电流环、速度环、位置环组成的三闭环控制的跟踪雷达伺服控制系统中，电流环的PID参数可通过空载(即只带着电机运动)调试，获得最佳的电流环PID参数、速度环的PID参数可在已经调试好的电流环基础上带负载(即雷达天线)进行调试，获得最佳的速度环PID参数。位置环的PID参数可在已经调试好的速度环基础上通过带负载进行调试，获得最佳的位置环PID参数，这些参数定义为伺服控制系统设定的参数。雷达在不同的工作方式之间切换时，存在大角度调转，在雷达天线接近终点位置时，容易引起位置振荡，则伺服控制器周期性地减少位置环路的比例系数和积分系数，使输出的驱动电压减小，可消除振荡，然后，控制参数又恢复为伺服控制系统设定的参数继续跟踪。

参阅图3。运算处理器系统软件以运算处理器芯片为核心，由控制主程序和定时中断服务子程序组成。主程序完成系统的初始化，参数设定,过压、过流保护等功能。定时中断服务子程序完成电流采样,转速计算,矢量变换和PWM(脉冲宽度调制)输出等功能。

运算处理器设定有三个计数器count1、count2和count3，其中计数器count3用于记录时间循环检测时间，count1用于记录跟踪误差为正且大于+0.02度的次数，count2用于记录跟踪误差为负且小于-0.02度的次数。运算处理器内置位置振荡检测软件程序的运算处理周期为0.4ms。位置振荡检测软件程序在用count3记录的500ms时间内，如果count1和count2均大于3，则确定存在位置振荡，位置振荡标志flag置1，否则，位置振荡标志flag置0，每隔500ms，计数器count1、count2、count3清零，重复下一次的检测和判断。

图5所示为未采样本发明时的雷达状态切换位置振荡示意图，在如图4所示采用本发明时的雷达状态切换快速消除位置振荡示意图中，状态切换到跟踪方式后，伺服控制器检测到位置振荡，则立即减小位置环的比例系数和积分系数，使输出减小，跟踪误差快速地收缩到很小的误差以内，然后进入稳定的跟踪。

Claims (10)

1.一种自适应处理雷达天线位置振荡的方法，其特征在于包括如下步骤：在跟踪雷达伺服控制系统中，将伺服控制器、驱动器、伺服电机、减速器、齿轮传动机构连接雷达天线，按照电流环、速度环、位置环三环控制方案，建立一个伺服控制器以电机电流作为电流环的负反馈，以电机速度作为速度环的负反馈，并将位置环设计为比例、积分控制，将电流环、速度环设计为比例、积分和微分控制的伺服系统环路；伺服控制器内置运算处理器接收并执行雷达终端系统发送的控制命令和雷达信处系统发送的误差信息，运算处理器内置位置振荡检测软件程序对每个环路的误差作比例-积分－微分PID校正处理，产生输出电压给驱动器，驱动器将伺服控制器输出的电压进行功率放大，驱动伺服电机齿轮传动机构带动雷达天线运动；伺服控制器通过运算处理器周期性地对雷达天线的跟踪位置误差进行检测，判断是否存在位置振荡，当检测到雷达天线位置振荡后，在每个运算周期逐次地减少伺服控制位置环路的比例系数和积分系数，迅速减少输出电压，立即消除振荡，振荡消除后位置环恢复为设定的比例系数和积分系数，继续进行控制处理。

2.根据权利要求1所述的自适应处理雷达天线位置振荡的方法，其特征是：运算处理器控制跟踪雷达稳定跟踪目标时，跟踪误差应在指标规定的范围内以零误差为基准起伏变化，如果跟踪误差的极性始终为固定的正极性或者负极性，则跟踪存在超前或滞后；如果跟踪误差在零误差附近很小的起伏波动，则踪性能良好。

3.根据权利要求1所述的自适应处理雷达天线位置振荡的方法，其特征是：伺服控制器检测到位置振荡，则立即减小位置环的比例系数和积分系数，使伺服控制器输出电压减小，将跟踪误差快速地收缩到很小的误差以内，然后进入稳定的跟踪。

4.根据权利要求1所述的自适应处理雷达天线位置振荡的方法，其特征是：在伺服控制器的每个运算处理周期0.4ms时间里，本周期的比例系数等于上一周期的比例系数/2,本周期的积分系数等于上一周期的积分系数/2。

5.根据权利要求1所述的自适应处理雷达天线位置振荡的方法，其特征是：当比例系数和积分系数逐次递减到约定的最小值时，则不再递减，保留最小的比例系数和积分系数，直到位置振荡消除后恢复为系统设定的比例系数和积分系数；位置环路的微分系数设定为0。

6.根据权利要求1所述的自适应处理雷达天线位置振荡的方法，其特征是：位置环的比例积分PI参数在已经调试好的速度环基础上通过带负载进行调试，获得最佳的位置环PI参数，这些参数定义为伺服控制系统设定的参数。

7.根据权利要求1所述的自适应处理雷达天线位置振荡的方法，其特征是：运算处理器设定有三个计数器count1、count2和count3，其中，计数器count3用于记录时间循环检测时间，count1用于记录跟踪误差为正且大于+0.02度的次数，count2用于记录跟踪误差为负且小于-0.02度的次数。

8.根据权利要求7所述的自适应处理雷达天线位置振荡的方法，其特征是：每隔500ms，计数器count1、count2、count3清零，重复下一次的检测和判断。

9.根据权利要求1所述的自适应处理雷达天线位置振荡的方法，其特征是：运算处理器内置位置振荡检测软件程序的运算处理周期为0.4ms。

10.根据权利要求1所述的自适应处理雷达天线位置振荡的方法，其特征是：位置振荡检测软件程序在用count3记录的500ms时间内，如果count1和count2均大于3，则确定存在位置振荡，位置振荡标志置1，否则，位置振荡标志置0。