CN104199465A - 一种高集成化高精度平板自跟踪天线伺服控制系统 - Google Patents

Abstract

一种高集成化高精度平板自跟踪天线伺服控制系统包括监控计算机、伺服控制器、PWM驱动器、直流电机、测速机、传动机构、旋转变压器、平板天线、支撑转动机构；监控计算机接收工作状态，下发控制指令；伺服控制器接收监控计算机下发的控制指令，读取天线角位置信息和接收机角误差信息，完成位置环路闭环、跟踪环路闭环并输出模拟控制量至PWM驱动器；PWM驱动器完成速度环、电流环闭环驱动直流电机经过传动机构带动平板天线运转；平板天线接收高频遥测信号；传动机构、平板天线、支撑转动机构共同组成天线座；伺服控制器、PWM驱动器、直流电机、测速机和旋转变压器安装在天线座上，系统具有体积小、重量轻、功耗低、集成度高等优点。

Description

一种高集成化高精度平板自跟踪天线伺服控制系统

技术领域

本发明涉及无线电遥测技术领域，特别是涉及一种高集成化高精度平板自跟踪天线伺服控制系统。

背景技术

天线伺服系统是遥测系统中重要的组成部分，其主要作用是当目标进入视线范围内时，使接收天线自动搜索并捕获目标，以一定的跟踪精度连续跟踪目标，使目标始终处于主波束的中心线附近，从而以最大接收增益可靠地连续接收遥测信号。特别是当出现故障，目标偏离预定飞行轨道时，天线伺服系统能在较大空域范围内搜索捕获目标并进行跟踪，获得重要的遥测数据以判断故障。随着遥测技术的不断发展提高，轻型化便携化逐渐成为无线电测控通信系统一个新的研究方向，对自跟踪天线伺服系统的控制精度要求也越来越高。

目前常用的无线电测控通信系统为抛物面自跟踪天线系统，抛物面自跟踪天线系统的天线反射面和体积较大，使得自跟踪天线系统的机动性差、重量大、不易隐蔽、使用时操作不够简易；抛物面自跟踪天线伺服控制系统通常由天控器、天线驱动单元、电机、速度检测装置、传动机构、位置检测装置、抛物面天线和支撑转动机构组成，其中传动机构、抛物面天线和支撑转动机构组成天线座，电机、速度检测装置、位置检测装置安装在天线座上，而天控器和天线驱动控制单元通常是4U机箱安装在专门的工作台上体积大且集成度低，运输携带不方便。

伺服系统是测控通信设备的重要组成部分，可分为方位支路和俯仰支路，其性能的好坏将直接影响系统的跟踪性能和跟踪精度，随着遥测技术的不断发展，对伺服系统的稳态精度和响应速度有了更高的要求，目前常用的自跟踪天线伺服系统均采用传统位置环、速度环和电流环三闭环PID控制，采用经典PID控制的天线伺服系统难以获得更高的跟踪精度和更好的动态性能。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高集成化高精度平板自跟踪天线伺服控制系统，该系统连线更简单，减小了系统的体积和重量，提高了系统集成度，携带使用方便，并能满足天线跟踪精度，适用于高集成要求的遥测系统中。

本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：

一种高集成化高精度平板自跟踪天线伺服控制系统，其特征在于包括：监控计算机、伺服控制器、PWM驱动器、俯仰直流电机、方位直流电机、俯仰测速机、方位测速机、俯仰传动机构、方位传动机构、平板天线、俯仰旋转变压器、方位旋转变压器和支撑转动机构，其中：

俯仰传动机构、方位传动机构、平板天线和支撑转动机组成天线座，伺服控制器、PWM驱动器、俯仰直流电机、方位直流电机、俯仰测速机、方位测速机、俯仰旋转变压器和方位旋转变压器安装在天线座上，其中天线座转动部分包括俯仰传动机构、俯仰直流电机、俯仰测速机、俯仰传动机构和平板天线；

监控计算机：发送伺服控制系统工作模式指令、天线角位置指令到伺服控制器，并接收伺服控制器发送的伺服控制系统工作状态数据、天线状态数据，将所述伺服控制系统工作状态数据、天线状态数据进行显示；

伺服控制器：包括网络模块、电源模块、处理器模块、方位角度解码模块、俯仰角度解码模块、AD转换模块、俯仰DA转换模块、方位DA转换模块，其中：

网络模块：接收监控计算机发送的伺服控制系统工作模式指令、天线角位置指令，存储所述伺服控制系统工作模式指令、天线角位置指令并转发给处理器模块；接收处理器模块发送的伺服控制系统工作状态数据、天线状态数据，并存储所述伺服控制系统工作状态数据、天线状态数据转发到监控计算机；

电源模块：按照伺服控制器各个模块的要求将外部输入电压变压后输出，为伺服控制器中的各个模块供电；

处理器模块：接收网络模块转发的来自监控计算机的伺服控制系统工作模式指令，在位置环路控制方式下，接收网络模块转发的来自监控计算机的天线角位置指令，所述指令包括天线方位角指定值和天线俯仰角指定值，并读取方位角度解码模块输出的天线实时方位角数据和俯仰角度解码模块输出的天线实时俯仰角数据，计算得到方位角误差数据和俯仰角误差数据，其中方位角误差数据等于天线方位角指定值减去天线实时方位角数据，俯仰角误差数据等于天线俯仰角指定值减去天线实时俯仰角数据；根据方位角误差数据和俯仰角误差数据进行位置环路PID运算，得到俯仰转动速度控制量、方位转动速度控制量，将俯仰转动速度控制量发送到俯仰DA转换模块，并将方位转动速度控制量发送到方位DA转换模块，所述位置环路控制方式下计算得到的俯仰转动速度控制量、方位转动速度控制量确保天线转到到系统指定的角度位置；

在跟踪环路控制方式下，接收AD转换模块输出的方位角误差数据、俯仰角误差数据、AGC电压数据、接收机锁定数据，并接收方位角度解码模块输出的天线实时方位角数据和俯仰角度解码模块输出的天线实时俯仰角数据，采用位置环路PID运算、PD控制器算法、牛顿预测器算法、前馈复合控制器算法计算俯仰转动速度控制量和方位转动速度控制量，将俯仰转动速度控制量发送到俯仰DA转换模块，将方位转动速度控制量发送到方位DA转换模块；所述的俯仰转动速度控制量和方位转动速度控制量确保天线实时跟踪目标，使目标始终处于天线主波束的中心线附近，确保以最大接收增益可靠地连续接收遥测信号；

同时，根据监控计算机发送的伺服控制系统工作模式指令发送俯仰使能信号和方位使能信号到PWM驱动器，并将伺服控制系统工作状态数据、天线状态数据发送到网络模块；

俯仰角度解码模块：接收俯仰旋转变压器输出的正弦模拟信号1，从所述正弦模拟信号1中解调出天线实时俯仰角数据，输出给处理器模块；

方位角度解码模块：接收方位旋转变压器输出的正弦模拟信号2，从所述正弦模拟信号2中解调出天线实时方位角数据，输出给处理器模块；

AD转换模块：接收外部接收机输出的方位角误差电压模拟值、俯仰角误差电压模拟值、AGC电压值、接收机锁定信号，并进行模数转换，输出方位角误差数据、俯仰角误差数据、AGC电压数据和接收机锁定数据到处理器模块，用于跟踪环路控制方式下的俯仰速度控制量和方位速度控制量的计算；

俯仰DA转换模块：将处理器模块输出的俯仰转动速度控制量进行数模转换，输出俯仰转动速度控制模拟电压值到PWM驱动器；

方位DA转换模块：将处理器模块输出的方位转动速度控制量进行数模转换，输出方位转动速度控制模拟电压值到PWM驱动器；

PWM驱动器：接收俯仰DA转换模块输出的俯仰转动速度控制模拟电压值、方位DA转换模块输出的方位转动速度控制模拟电压值、处理器模块输出的俯仰使能信号和方位使能信号，以及俯仰测速机输出的俯仰直流电机实时转动速度测量值和方位测速机输出的方位直流电机实时转动速度测量值，根据所述接收数据完成速度环路闭环、电流环路闭环，输出俯仰驱动电流到俯仰直流电机，输出方位驱动电流到方位直流电机，驱动俯仰直流电机经俯仰传动机构带动平板天线转动，驱动方位直流电机经方位传动机构带动天线座转动部分转动；

俯仰直流电机：接收PWM驱动器发送的俯仰驱动电流，将电能转化为机械能进行转动，并经俯仰传动机构带动平板天线在俯仰角方向转动；

方位直流电机：接收PWM驱动器发送的方位驱动电流，将电能转化为机械能进行转动，并经方位传动机构带动天线座转动部分在方位角方向转动；

俯仰传动机构：将俯仰直流电机输出力矩放大N1倍，并将俯仰直流电机的旋转运动转换为直线运动，以驱动平板天线在俯仰方向上以俯仰电机输出转速的1/N1倍运转；

方位传动机构：将方位直流电机输出力矩放大N2倍，驱动天线座转动部分在方位方向上以方位电机输出转速的1/N2倍运转；

俯仰测速机：对俯仰直流电机的转动速度进行实时测量，并将所述速度测量值输出给PWM驱动器；

方位测速机：对方位直流电机的转动速度进行实时测量，并将所述速度测量值输出给PWM驱动器；

平板天线：在俯仰传动机构的带动下实现俯仰角方向转动，并随着天线座转动部分在方位转动机构的带动下实现方位角方向转动，在位置控制环路方式下，天线经过所述俯仰角方向转动和方位角方向转动，到达系统指定角度位置，在跟踪环路控制方式下，天线实时跟踪目标使目标始终处于天线主波束的中心线附近，确保以最大接收增益可靠地连续接收遥测信号；用于接收遥测信号，上述遥测信号经外部下变频器变频后输出中频遥测信号到外部接收机，外部接收机对所述中频遥测信号处理得到方位角误差电压模拟值、俯仰角误差电压模拟值；

俯仰旋转变压器：测量平板天线在俯仰传动结构带动下的转动角度，将上述角度调制到正弦模拟信号1上，并将正弦模拟信号1发送到伺服控制器的俯仰角度解码模块；

方位旋转变压器：测量天线座转动部分的转动角度，将上述角度调制到正弦模拟信号2上，并将所述模拟信号2发送到伺服控制器的方位角度解码模块；

支撑转动机构作为机械件实现天线座机械安装。

在上述的一种高集成化高精度平板自跟踪天线伺服控制系统，处理器模块根据监控计算机发送伺服控制系统工作模式指令，选择位置环路控制方式或跟踪环路控制方式，如果系统工作模式为手动位置工作模式、手动速度工作模式、定点工作模式、天线定位模式、程控工作模式、数据引导工作模式，则选择位置环路控制方式，如果系统工作模式为自动跟踪工作模式、综合跟踪工作模式，则选择跟踪环路控制方式。

在上述的一种高集成化高精度平板自跟踪天线伺服控制系统中，平板天线在俯仰传动机构带动下，俯仰方向转动角度范围为0°～90°，平板天线跟随天线座转动部分在方位传动机构的带动下，方位方向转动角度范围为0°～360°，即天线可以在方位角方向连续多圈转动。

在上述的一种高集成化高精度平板自跟踪天线伺服控制系统，在跟踪环路控制模式下，采用位置环路PID运算、PD控制器算法、牛顿预测器算法、前馈复合控制器算法计算俯仰转动速度控制量和方位转动速度控制量，其具体计算步骤如下：

(1)读取AD转换模块输出的方位角误差数据、俯仰角误差数据，进行位置环路PID运算，得到俯仰转动速度控制量初值、方位转动速度控制量初值；

(2)读取方位角度解码模块输出的天线实时方位角数据和俯仰角度解码模块输出的天线实时俯仰角数据，用上述天线实时方位角数据加上AD转换模块输出方位角误差数据得到目标方位角值，用天线实时俯仰角数据加上AD转换模块输出俯仰角误差数据得到目标俯仰角值；

(3)利用步骤(2)得到的目标方位角值和目标俯仰角值进行PD控制器算法计算，得到的目标方位角速度估计值和目标俯仰角速度估计值；

(4)当前时刻利用步骤(3)得到的目标方位角速度估计值和目标俯仰角速度估计值，以及前两个时刻利用步骤(3)得到的目标方位角速度估计值和目标俯仰角速度估计值，进行牛顿预测器算法计算，完成目标方位角速度和俯仰角速度的一步超前预测，得到下一时刻目标方位角速度预测值和俯仰角速度预测值；

(5)利用步骤(4)得到的目标俯仰角速度预测值进行俯仰前馈复合控制器算法计算，所述计算的输出值加上步骤(1)得到的俯仰转动速度控制量初值，得到俯仰转动速度控制量；利用步骤(4)得到的目标方位角速度预测值进行方位前馈复合控制器算法计算，所述计算的输出值加上步骤(1)得到的方位转动速度控制量初值，得到方位转动速度控制量；

在上述的一种高集成化高精度平板自跟踪天线伺服控制系统中，跟踪环路控制模式计算如果出现如下所列情况之一则停止计算，所述情况包括：

a、接收机信号失锁；

b、接收机AGC电压值低于门限；

c、伺服控制系统工作模式切换。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明各组成模块间功能清晰明确，并将伺服控制器和PWM驱动器安装在天线座内部，系统连线更简单，减小了系统的体积和重量，提高了系统集成度高，携带使用方便，并能满足天线跟踪精度，适用于高集成要求的遥测系统中。

(2)本发明通过网络模块实现伺服控制器和监控计算机的信息交互，大大增加了信息传输距离，可以实现天线的远程控制。

(3)本发明在伺服控制器中利用PD控制器算法与牛顿预测器算法估计目标角速度实现前馈复合控制以消除天线跟踪速度相对目标远动速度的滞后误差，提高伺服系统跟踪精度。

(4)本发明可以在处理器模块中采用DSP和FPGA结合实现算法计算，提高数据处理能力，满足复杂控制算法的实时性要求。

(5)本发明在伺服控制器的处理器模块中实现PD控制器算法、牛顿预测器算法、前馈复合控制算法，该算法可应用于其他类型自跟踪天线伺服控制系统，适用性强且可移植性高。

附图说明

图1为本发明自跟踪天线伺服控制系统组成框图；

图2为本发明自跟踪天线伺服控制系统中的单支路位置环路闭环控制框图；

图3为本发明自跟踪天线伺服控制系统中的单支路跟踪环路闭环控制框图；

图4为本发明自跟踪天线伺服控制系统中PD控制器算法框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：

如图1所示为高集成化高精度平板自跟踪天线伺服控制系统组成框图，一种高集成化高精度平板自跟踪天线伺服控制系统包括：监控计算机、伺服控制器、PWM驱动器、俯仰直流电机、方位直流电机、俯仰测速机、方位测速机、俯仰传动机构、方位传动机构、平板天线、俯仰旋转变压器、方位旋转变压器和支撑转动机构，其中，俯仰传动机构、方位传动机构、平板天线和支撑转动机组成天线座，伺服控制器、PWM驱动器、俯仰直流电机、方位直流电机、俯仰测速机、方位测速机、俯仰旋转变压器和方位旋转变压器安装在天线座上，其中天线座转动部分包括俯仰传动机构、俯仰直流电机、俯仰测速机、俯仰传动机构和平板天线；

监控计算机通过网络发送伺服控制系统工作模式指令、天线角位置指令到伺服控制器，并接收伺服控制器发送的伺服控制系统工作状态数据、天线状态数据，将所述数据进行显示，如伺服系统工作时间、天线实时方位角、天线实时俯仰角、天线方位指令角、天线俯仰角指令角、俯仰角误差数据、方位角误差数据、天线工作模式、接收机方位角误差模拟电压、接收机俯仰角误差模拟电压、AGC电压、接收机锁定信号等。人机交互软件可以进行各种控制操作，比如：切换天线工作模式、状态信息存盘和打印。人机交互软件中软按键管理工作模式按键，按键包含：天线展开按键、自跟踪按键、综合跟踪按键、等待按键、手动位置按键、手动速度按键，单轴按键、双轴按键、收藏按键、定点按键、天线定位按键、程控按键、北斗引导按键、GPS引导按键、同站引导按键。其中，天线展开按键管理平板自跟踪天线伺服控制系统开机之后展开天线的过程，作用是确保伺服系统在方位和俯仰的行程范围之内无干涉，天线展开过程执行完毕之后才能在人机交互软件界面中进行各种控制操作；单轴按键、双轴按键与自跟踪按键、综合跟踪按键、等待按键、手动位置按键、手动速度按键配合使用，伺服系统在单轴模式下工作时，方位支路和俯仰支路可以分别独立完成自跟踪模式、综合跟踪模式、等待模式、手动位置模式、手动速度模式操作，伺服系统在双轴模式下工作时，方位支路和俯仰支路同时完成自跟踪模式、综合跟踪模式、等待模式、手动位置模式、手动速度模式操作；收藏按键、定点按键、天线定位按键、程控按键、北斗引导按键、GPS引导按键、同站引导按键同时完成方位支路和俯仰支路模式控制操作。

伺服控制器：包括网络模块、电源模块、处理器模块、方位角度解码模块、俯仰角度解码模块、AD转换模块、俯仰DA转换模块、方位DA转换模块。

其中，网络模块选用RABBIT半导体公司生产的RCM4200板卡，RCM4200板卡带有10/100M以太网接口和四个串行数据接口，通过10/100M以太网接口实现与监控计算机的通信，通过串行数据接口实现与处理器模块的通信，接收监控计算机发送的伺服控制系统工作模式指令、天线角位置指令，存储所述伺服控制系统工作模式指令、天线角位置指令并转发给处理器模块；接收处理器模块发送的伺服控制系统工作状态数据、天线状态数据，并存储所述伺服控制系统工作状态数据、天线状态数据转发到监控计算机。

电源模块按照伺服控制器其他模块的要求将外部输入电压变压后输出，为伺服控制器中的其他模块供电，包括+1.2V、+1.8V、+3.3V、+5V、±12V。

处理器模块接收网络模块转发的来自监控计算机的伺服控制系统工作模式指令，根据上述指令选择位置环路控制方式或跟踪环路控制方式，如果系统工作模式为手动位置工作模式、手动速度工作模式、定点工作模式、天线定位模式、程控工作模式、数据引导工作模式，则选择位置环路控制方式，如果系统工作模式为自动跟踪工作模式、综合跟踪工作模式，则选择跟踪环路控制方式。

在位置环路控制方式下，处理器模块接收网络模块转发的来自监控计算机的天线角位置指令，所述指令包括天线方位角指定值和天线俯仰角指定值，并读取方位角度解码模块输出的天线实时方位角数据和俯仰角度解码模块输出的天线实时俯仰角数据，计算得到方位角误差数据和俯仰角误差数据，其中方位角误差数据等于天线方位角指定值减去天线实时方位角数据，俯仰角误差数据等于天线俯仰角指定值减去天线实时俯仰角数据；根据方位角误差数据和俯仰角误差数据进行位置环路PID运算，得到俯仰转动速度控制量、方位转动速度控制量，将俯仰转动速度控制量发送到俯仰DA转换模块，并将方位转动速度控制量发送到方位DA转换模块。

在跟踪环路控制方式下，处理器模块接收AD转换模块输出的方位角误差数据、俯仰角误差数据、AGC电压数据、接收机锁定数据，并接收方位角度解码模块输出的天线实时方位角数据和俯仰角度解码模块输出的天线实时俯仰角数据，采用位置环路PID运算、PD控制器算法、牛顿预测器算法、前馈复合控制器算法计算俯仰转动速度控制量和方位转动速度控制量，将所述俯仰转动速度控制量发送到俯仰DA转换模块，将方位转动速度控制量发送到方位DA转换模块。

同时，处理器模块根据监控计算机发送的伺服控制系统工作模式指令发送俯仰使能信号和方位使能信号到PWM驱动器，并将伺服控制系统工作状态数据、天线状态数据发送到网络模块。

处理器模块由一块DSP芯片和一块FPGA芯片构成，通过FPGA接收网络模块转发的来自监控计算机的伺服控制系统工作模式指令、天线角位置指令，所述指令包括天线方位角指定值和天线俯仰角指定值，并采集方位角度解码模块输出的天线实时方位角数据和俯仰角度解码模块输出的天线实时俯仰角数据，存放在FPGA芯片内的RX-RAM中，DSP读取RX-RAM数据实现伺服系统PID运算、PD控制器算法、牛顿预测器算法、馈复合控制器算法，完成天线工作模式管理。

俯仰角度解码模块接收俯仰旋转变压器输出的正弦模拟信号1，从所述正弦模拟信号1中解调出天线实时俯仰角数据，输出给处理器模块。

方位角度解码模块接收方位旋转变压器输出的正弦模拟信号2，从所述正弦模拟信号2中解调出天线实时方位角数据，输出给处理器模块。

AD转换模块接收外部接收机输出的方位角误差电压模拟值、俯仰角误差电压模拟值、AGC电压值、接收机锁定信号，并进行模数转换，输出方位角误差数据、俯仰角误差数据、AGC电压数据和接收机锁定数据到处理器模块。

俯仰DA转换模块将处理器模块输出的俯仰转动速度控制量进行数模转换，输出俯仰转动速度控制模拟电压值到PWM驱动器。

方位DA转换模块将处理器模块输出的方位转动速度控制量进行数模转换，输出方位转动速度控制模拟电压值到PWM驱动器。

PWM驱动器接收俯仰DA转换模块输出的俯仰转动速度控制模拟电压值、方位DA转换模块输出的方位转动速度控制模拟电压值、处理器模块输出的俯仰使能信号和方位使能信号，以及俯仰测速机输出的俯仰直流电机实时转动速度测量值和方位测速机输出的方位直流电机实时转动速度测量值，根据所述接收数据完成速度环路闭环、电流环路闭环，输出俯仰驱动电流到俯仰直流电机，输出方位驱动电流到方位直流电机，驱动俯仰直流电机经俯仰传动机构带动平板天线转动，驱动方位直流电机经方位传动机构带动天线座转动部分转动。

俯仰直流电机接收PWM驱动器发送的俯仰驱动电流，将电能转化为机械能进行转动，并经俯仰传动机构带动平板天线在俯仰角方向转动。

方位直流电机接收PWM驱动器发送的方位驱动电流，将电能转化为机械能进行转动，并经方位传动机构带动天线座转动部分在方位角方向转动。

俯仰传动机构将俯仰直流电机输出力矩放大N1倍，并将俯仰直流电机的旋转运动转换为直线运动，以驱动平板天线在俯仰方向上以俯仰电机输出转速的1/N1倍运转；俯仰传动机构采用末级齿轮带，使俯仰支承转动装置扁平的结构布局得以实现，俯仰电机通过行星减速器驱动末级齿轮带作直线运动，推拉天线座俯仰轴，带动平板天线绕俯仰轴转动。

方位传动机构将方位直流电机输出力矩放大N2倍，并将方位直流电机的旋转运动转换为直线运动，以驱动平板天线在方位方向上以方位电机输出转速的1/N2倍运转；方位传动机构采用末级齿轮副加直角行星减速器，以减小天线座轴向尺寸和传动链末级回差。

俯仰测速机对俯仰直流电机的转动速度进行实时测量，并将所述速度测量值输出给PWM驱动器；

方位测速机对方位直流电机的转动速度进行实时测量，并将所述速度测量值输出给PWM驱动器；

平板天线在俯仰传动机构的带动下实现俯仰方向转动，俯仰转动的角度取值范围为0°～90°，并随着天线座转动部分在方位传动机构的带动下实现方位角方向转动，方位转动的角度范围为0°～360°，即可实现方位角方向多圈连续转动。平板天线用于接收遥测信号，所述遥测信号经外部下变频器下变频后输出中频遥测信号到外部接收机，外部接收机对所述中频遥测信号处理得到方位角误差电压模拟值、俯仰角误差电压模拟值；

俯仰旋转变压器测量平板天线在俯仰传动结构带动下的转动角度，将上述角度调制到正弦模拟信号1上，并将正弦模拟信号1发送到伺服控制器的俯仰角度解码模块，俯仰旋转变压器采用轴伸式旋转变压器，轴伸式旋转变压器径向尺寸小，满足俯仰支承转动装置结构布局的要求。

方位旋转变压器测量天线座转动部分的转动角度，将上述角度调制到正弦模拟信号2上，并将所述模拟信号2发送到伺服控制器的方位角解码模块。方位旋转变压器采用套轴式旋转变压器，旋转变压器直接套装在方位轴上，回转运动的传递路径直接，可以保证方位轴检测的角位置数据真实可靠。

支撑转动机构作为机械件实现天线座机械安装。

本发明自跟踪天线伺服控制系统中的单支路位置环路闭环控制框图如图2所示，单支路跟踪环路闭环控制框图如图3所示，俯仰支路位置环路闭环控制、方位支路位置环路闭环控制采用图2所示的控制环路，俯仰支路跟踪环路闭环控制、方位支路跟踪环路闭环控制采用图3所示的控制环路。

在图2、图3中，θ_ref为监控计算机发送的指令角位置值，G_p(s)为位置环路PID传递函数、G_v(s)为速度环路PID传递函数、G_i(s)为电流环路PID传递函数，K_PWM为PWM驱动器放大倍数，L_a直流电机电枢回路总电感，R_a为直流电机电枢回路总电阻，K_m为直流电机力矩系数，J_m为直流电机转动惯量，ω_m为测速机检测的电机转动速度，N为传动机构减速比，J_l为负载转动惯量，θ_l为旋转变压器检测的负载端实时角位置，Δθ_rec为接收机输出的角误差值，为牛顿预测器估计到的角速度，G_f(s)为前馈复合控制器传递函数，G_PD(s)为PD控制器传递函数，G_Np(s)为牛顿预测器传递函数。

如图2所示，在位置环路控制方式中，伺服控制器接收监控计算机发送的θ_ref，并读入旋转变压器检测的θ_l，求出角误差Δθ＝θ_ref-θ_l，完成位置环路PID运算G_p(s)后，得到转动速度控制量，将上述结果经D/A模块转换为模拟量送至PWM驱动器，完成G_v(s)、G_i(s)运算控制电机按照监控计算机发送的θ_ref运行。

在跟踪环路控制方式中，如图3的控制环路工作流程如下所述：

(1)直接读取接收机通过遥测数据得到的角误差值Δθ_rec最为角误差Δθ，即Δθ＝Δθ_rec，利用上述角误差Δθ进行位置环路PID运算G_p(s)，得到角度转动速度控制量初始值。

(2)用外部接收机角误差Δθ_rec加上角度解码模块输出的天线实时转动角度θ_l得到目标角位置。

(3)将目标角位置输入到PD控制器得到目标角速度估计值，PD控制器传递函数G_PD(s)如下式所示：

$G_{\mathrm{PD}}\left(s\right)=\frac{{\mathrm{\θ}}_e\left(s\right)}{\mathrm{\θ}\left(s\right)}=\frac{{\mathrm{\ω}}_b^2}{s^2+2\mathrm{\ξ}{\mathrm{\ω}}_{b}s+{\mathrm{\ω}}_b^2}$

G_PD(s)处理流程结构如图4所示，其中，θ为PD控制器输入角位置，根据步骤(1)θ＝θ_l+Δθ_rec，θ_e为PD控制器估计角位置，ω_e为PD控制器估计角速度，a_e为PD控制器估计角加速度，ω_b为PD控制器带宽，ξ为PD控制器阻尼系数，K₁、K₂为PD控制器参数，K₂＝2ξω_b。上述的角速度估计器设计时要考虑的两个主要问题是阻尼系数ξ和带宽ω_b，ξ通常取0.707，即临界阻尼状态，因为此时响应最为快速，且超调量为零。ω_b的取值通常根据伺服系统的具体情况而定，由于角位移信号是阶跃形式，过高的带宽会使更多的高频分量混到估计之中，为了减小估计误差ω_b不能选的过大，本发明中取ω_b＝50。

(4)当前时刻(T时刻)利用步骤(3)得到的目标角速度估计值以及前两个时刻(T-1时刻、T-2时刻)利用步骤(2)、(3)得到的目标角速度估计值，输入到牛顿预测器，完成目标方位角速度和俯仰角速度的一步超前预测，得到下一时刻目标方位角速度预测值和俯仰角速度预测值。

本发明利用牛顿预测器进一步增强PD控制器的预测能力，减小相位滞后。牛顿预测是一种基于多项式原理的预测方法，假定被估计的角速度信号相对于时间按照M阶多项式规律变化：

ω(k)＝λ₁+λ₂k+λ₂k²+…+λ_Mk^M-1+λ_M+1k^M

式中，ω(k)为角速度，M为多项式阶数，λ₁～λ_M+1为多项式系数，k表示离散时间点；牛顿预测方法对角速度值进行n步超前预测：

$H_M^n\left(z\right)=\underset{k=0}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{(1-z^{-n})}^k$

牛顿预测器在应用过程中有两个可供选择的参数：多项式阶数M和预测步长n。M越大，加速度信号的逼近效果越好，但是要用到更多过去时刻的角速度信息，会在一定程度上降低多项式的逼近程度；n越大，预测步长越长，预测误差越大，因此M和n的不宜选的过大。本发明采用二阶一步牛顿预测器M＝2，n＝1，得到离散化的牛顿预测器：

$H_2^1\left(z\right)=\underset{k=0}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}{(1-z^{-1})}^k=3-{3z}^{-1}+z^{-2}$

二阶一步牛顿预测器只需要包括当前时刻状态估计值在内的3个状态，其所包含的时间窗很小，可以在比较大的频率范围内满足二阶多项式的假设要求，且只需要一次乘法两次加法运算。

(5)将步骤(4)得到的目标角速度预测值叠加到步骤(1)得到的角度转动速度控制量，即目标角速度预测值输入前馈复合控制器G_f(s)，再加上步骤(1)得到的角度转动速度控制量初始值，作为更新后的角度转动速度控制量。

(6)将上述结果经D/A模块转换为模拟量送至PWM驱动器，完成G_v(s)、G_i(s)运算控制电机进行转动，并经方位传动机构带动天线，实现实时跟踪目标，使目标始终处于天线主波束的中心线附近，确保以最大接收增益可靠地连续接收遥测信号。

在跟踪环路控制模式的计算过程中，如果出现如下所列情况之一则停止计算，所述情况包括：

a、接收机信号失锁；

b、接收机AGC电压值低于门限；

c、伺服控制系统工作模式切换。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (5)

1.一种高集成化高精度平板自跟踪天线伺服控制系统，其特征在于包括：监控计算机、伺服控制器、PWM驱动器、俯仰直流电机、方位直流电机、俯仰测速机、方位测速机、俯仰传动机构、方位传动机构、平板天线、俯仰旋转变压器、方位旋转变压器和支撑转动机构，其中：

俯仰传动机构、方位传动机构、平板天线和支撑转动机构组成天线座，伺服控制器、PWM驱动器、俯仰直流电机、方位直流电机、俯仰测速机、方位测速机、俯仰旋转变压器和方位旋转变压器安装在天线座上，其中天线座转动部分包括俯仰传动机构、俯仰直流电机、俯仰测速机、俯仰传动机构和平板天线；

监控计算机：发送伺服控制系统工作模式指令、天线角位置指令到伺服控制器，并接收伺服控制器发送的伺服控制系统工作状态数据、天线状态数据，将所述伺服控制系统工作状态数据、天线状态数据进行显示；

伺服控制器：包括网络模块、电源模块、处理器模块、方位角度解码模块、俯仰角度解码模块、AD转换模块、俯仰DA转换模块、方位DA转换模块，其中：

网络模块：接收监控计算机发送的伺服控制系统工作模式指令、天线角位置指令，存储所述伺服控制系统工作模式指令、天线角位置指令并转发给处理器模块；接收处理器模块发送的伺服控制系统工作状态数据、天线状态数据，并存储所述伺服控制系统工作状态数据、天线状态数据转发到监控计算机；

电源模块：为伺服控制器中的各个模块供电；

处理器模块：接收网络模块转发的来自监控计算机的伺服控制系统工作模式指令，在位置环路控制方式下，接收网络模块转发的来自监控计算机的天线角位置指令，所述指令包括天线方位角指定值和天线俯仰角指定值，并读取方位角度解码模块输出的天线实时方位角数据和俯仰角度解码模块输出的天线实时俯仰角数据，计算得到方位角误差数据和俯仰角误差数据，其中方位角误差数据等于天线方位角指定值减去天线实时方位角数据，俯仰角误差数据等于天线俯仰角指定值减去天线实时俯仰角数据；根据方位角误差数据和俯仰角误差数据进行位置环路PID运算，得到俯仰转动速度控制量、方位转动速度控制量，将俯仰转动速度控制量发送到俯仰DA转换模块，并将方位转动速度控制量发送到方位DA转换模块；

在跟踪环路控制方式下，接收AD转换模块输出的方位角误差数据、俯仰角误差数据、AGC电压数据、接收机锁定数据，并接收方位角度解码模块输出的天线实时方位角数据和俯仰角度解码模块输出的天线实时俯仰角数据，采用位置环路PID运算、PD控制器算法、牛顿预测器算法、前馈复合控制器算法计算俯仰转动速度控制量和方位转动速度控制量，将所述俯仰转动速度控制量发送到俯仰DA转换模块，将方位转动速度控制量发送到方位DA转换模块；

同时，根据监控计算机发送的伺服控制系统工作模式指令发送俯仰使能信号和方位使能信号到PWM驱动器，并将伺服控制系统工作状态数据、天线状态数据发送到网络模块；

俯仰角度解码模块：接收俯仰旋转变压器输出的正弦模拟信号1，从所述正弦模拟信号1中解调出天线实时俯仰角数据，输出给处理器模块；

方位角度解码模块：接收方位旋转变压器输出的正弦模拟信号2，从所述正弦模拟信号2中解调出天线实时方位角数据，输出给处理器模块；

AD转换模块：接收外部接收机输出的方位角误差电压模拟值、俯仰角误差电压模拟值、AGC电压值、接收机锁定信号，并进行模数转换，输出方位角误差数据、俯仰角误差数据、AGC电压数据和接收机锁定数据到处理器模块；

俯仰DA转换模块：将处理器模块输出的俯仰转动速度控制量进行数模转换，输出俯仰转动速度控制模拟电压值到PWM驱动器；

方位DA转换模块：将处理器模块输出的方位转动速度控制量进行数模转换，输出方位转动速度控制模拟电压值到PWM驱动器；

PWM驱动器：接收俯仰DA转换模块输出的俯仰转动速度控制模拟电压值、方位DA转换模块输出的方位转动速度控制模拟电压值、处理器模块输出的俯仰使能信号和方位使能信号，以及俯仰测速机输出的俯仰直流电机实时转动速度测量值和方位测速机输出的方位直流电机实时转动速度测量值，根据所述接收数据完成速度环路闭环、电流环路闭环，输出俯仰驱动电流到俯仰直流电机，输出方位驱动电流到方位直流电机，驱动俯仰直流电机经俯仰传动机构带动平板天线转动，驱动方位直流电机经方位传动机构带动天线座转动部分转动；

俯仰直流电机：接收PWM驱动器发送的俯仰驱动电流，将电能转化为机械能进行转动，并经俯仰传动机构带动平板天线在俯仰角方向转动；

方位直流电机：接收PWM驱动器发送的方位驱动电流，将电能转化为机械能进行转动，并经方位传动机构带动天线座转动部分在方位角方向转动；

俯仰传动机构：将俯仰直流电机输出力矩放大N1倍，并将俯仰直流电机的旋转运动转换为直线运动，以驱动平板天线在俯仰方向上以俯仰电机输出转速的1/N1倍运转；

方位传动机构：将方位直流电机输出力矩放大N2倍，驱动天线座转动部分在方位方向上以方位电机输出转速的1/N2倍运转；

俯仰测速机：对俯仰直流电机的转动速度进行实时测量，并将所述速度测量值输出给PWM驱动器；

方位测速机：对方位直流电机的转动速度进行实时测量，并将所述速度测量值输出给PWM驱动器；

平板天线：在俯仰传动机构的带动下实现俯仰方向转动，并随着天线座转动部分在方位转动机构的带动下实现方位角方向转动，用于接收遥测信号，上述遥测信号经外部下变频器变频后输出中频遥测信号到外部接收机，外部接收机对所述中频遥测信号处理得到方位角误差电压模拟值、俯仰角误差电压模拟值；

俯仰旋转变压器：测量平板天线在俯仰传动结构带动下的转动角度，将上述角度调制到正弦模拟信号1上，并将正弦模拟信号1发送到伺服控制器的俯仰角度解码模块；

方位旋转变压器：测量天线座转动部分的转动角度，将上述角度调制到正弦模拟信号2上，并将所述模拟信号2发送到伺服控制器的方位角度解码模块；

支撑转动机构作为机械件实现天线座机械安装。

2.根据权利要求1所述的一种高集成化高精度平板自跟踪天线伺服控制系统，处理器模块根据监控计算机发送伺服控制系统工作模式指令，选择位置环路控制方式或跟踪环路控制方式，如果系统工作模式为手动位置工作模式、手动速度工作模式、定点工作模式、天线定位模式、程控工作模式、数据引导工作模式，则选择位置环路控制方式，如果系统工作模式为自动跟踪工作模式、综合跟踪工作模式，则选择跟踪环路控制方式。

3.根据权利要求1所述的一种高集成化高精度平板自跟踪天线伺服控制系统，其特征在于平板天线在俯仰传动机构带动下，俯仰方向转动角度范围为0°～90°，平板天线跟随天线座转动部分在方位传动机构的带动下，方位方向转动角度范围为0°～360°。

4.根据权利要求1所述的一种高集成化高精度平板自跟踪天线伺服控制系统，其特征在于：在跟踪环路控制模式下，采用位置环路PID运算、PD控制器算法、牛顿预测器算法、前馈复合控制器算法计算俯仰转动速度控制量和方位转动速度控制量，具体计算步骤如下：

(1)读取AD转换模块输出的方位角误差数据、俯仰角误差数据，进行位置环路PID运算，得到俯仰转动速度控制量初值、方位转动速度控制量初值；

(2)读取方位角度解码模块输出的天线实时方位角数据和俯仰角度解码模块输出的天线实时俯仰角数据，用上述天线实时方位角数据加上AD转换模块输出方位角误差数据得到目标方位角值，用天线实时俯仰角数据加上AD转换模块输出俯仰角误差数据得到目标俯仰角值；

(3)利用步骤(2)得到的目标方位角值和目标俯仰角值进行PD控制器算法计算，得到的目标方位角速度估计值和目标俯仰角速度估计值；

(4)利用当前时刻利用步骤(3)得到的目标方位角速度估计值和目标俯仰角速度估计值，以及前两个时刻利用步骤(3)得到的目标方位角速度估计值和目标俯仰角速度估计值，进行牛顿预测器算法计算，完成目标方位角速度和俯仰角速度的一步超前预测，得到下一时刻目标方位角速度预测值和俯仰角速度预测值；

(5)利用步骤(4)得到的目标俯仰角速度预测值进行俯仰前馈复合控制器算法计算，所述计算的输出值加上步骤(1)得到的俯仰转动速度控制量初值，得到俯仰转动速度控制量；利用步骤(4)得到的目标方位角速度预测值进行方位前馈复合控制器算法计算，所述计算的输出值加上步骤(1)得到的方位转动速度控制量初值，得到方位转动速度控制量。

5.根据权利要求4所述的一种高集成化高精度平板自跟踪天线伺服控制系统，其特征在于：如果出现如下所列情况之一则停止计算，所述情况包括：

a、接收机信号失锁；

b、接收机AGC电压值低于门限；

c、伺服控制系统工作模式切换。