CN105244622A - 一种大阵面雷达天线俯仰轴驱动装置及自适应控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种大阵面雷达天线俯仰轴驱动装置及自适应控制方法，将伺服电机安装在雷达天线座上，伺服电机的输出通过丝杠与雷达天线铰接，且铰接点不在雷达天线的俯仰轴上；所述编码器测量丝杠的转动速度，光纤陀螺测量雷达天线的俯仰角速度，旋转变压器测量雷达天线的俯仰角度，均传输给自适应模糊PID控制器，计算得到丝杠长度控制量；将丝杠长度控制量通过D/A变换器输入伺服驱动组合，驱动伺服电机运动；通过控制丝杠的长度，进行俯仰轴角度的控制。本发明能够实现对大阵面雷达天线俯仰轴的稳定控制。

Description

一种大阵面雷达天线俯仰轴驱动装置及自适应控制方法

技术领域

本发明涉及雷达伺服控制领域，适用于雷达天线伺服系统稳定控制，是一种新型的有效的雷达天线稳定控制方法。

背景技术

自雷达在上世纪三十年代诞生以来，雷达系统技术的发展己历经八十多年的时间，现代雷达技术理论方法、体制机制及技术应用等各方面均得到了快速的发展。其中，雷达伺服系统是雷达的重要组成部分，直接担负着雷达天线的驱动，使得雷达能够及时精确地对准目标，对于目标探测、目标跟踪、目标精确定位等都起着至关重要的作用。雷达伺服系统的控制性能直接影响着整个雷达系统的探测和跟踪性能。特别是雷达伺服系统精度，会直接影响雷达的测角精度。因此，雷达伺服系统必须具备良好的稳定性、快速性和抗干扰能力。

随着雷达技术的发展，对雷达伺服控制系统也提出了更高的要求，对雷达控制精度的要求越来越高。同时，为满足雷达控制精度的要求，雷达天线的尺寸也随之变得越来越大。而天线尺寸的增加也必然带来了一系列新的技术问题。为解决这些问题，必须对雷达控制系统进行深入分析和研究。特别是对于雷达俯仰轴而言，与方位轴相比，由于雷达俯仰轴直接与雷达天线相连接，以控制天线进行俯仰运动；因此，在俯仰轴旋转控制时，天线风力矩、惯性力矩和摩擦力矩等干扰力矩均会对俯仰轴的控制性能造成较大影响；特别在大尺寸阵面雷达天线的控制运动中，干扰力矩对控制稳定性和控制性能的影响尤为严重。

然而，目前雷达在控制上一般采用力矩电机直接套轴驱动方式，此驱动方式虽然结构简单、易于装配；但是由天线折算到其负载转轴上的干扰力矩过大、且其承载能力较小，因而控制稳定性较差，控制性能较低。

同时，在目前雷达控制系统设计中，常用的是PID控制方法。PID控制局限于线性系统，而且过分依赖于控制对象的模型参数，鲁棒性差；同时，其PID参数值虽然有一定局域性的优化值，但非全局的最优值，无法从根本上解决动态品质和稳态精度的矛盾，因而严重影响雷达伺服系统的控制性能。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种应用伺服电动缸驱动的雷达俯仰轴驱动装置；并基于对雷达俯仰轴的旋转运动和电动缸丝杠的直线运动关系，设计了一种自适应模糊PID控制方法，能够实现对大阵面雷达天线俯仰轴的稳定控制。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种大阵面雷达天线俯仰轴驱动装置，包括伺服电机、编码器、光纤陀螺、旋转变压器、自适应模糊PID控制器和伺服驱动组合。

所述伺服电机安装在雷达天线座上，伺服电机的输出通过丝杠与雷达天线铰接，且铰接点不在雷达天线的俯仰轴上；所述编码器测量丝杠的转动速度，光纤陀螺测量雷达天线的俯仰角速度，旋转变压器测量雷达天线的俯仰角度，均传输给自适应模糊PID控制器，计算得到丝杠长度控制量；将丝杠长度控制量通过D/A变换器输入伺服驱动组合，驱动伺服电机运动；通过控制丝杠的长度，进行俯仰轴角度的控制。

本发明还提供上述大阵面雷达天线俯仰轴驱动装置的自适应控制方法，包括以下步骤：

(1)测量雷达天线的俯仰角度、俯仰角速度以及丝杠长度和速度；

(2)进行雷达俯仰角度和丝杠长度之间的换算，计算雷达俯仰轴转动误差；

(3)根据雷达俯仰轴转动误差e，分别选取比例控制系数k_p、积分控制系数k_i和微分控制系数k_d的模糊自适应整定规则，采用加权平均法对k_p、k_i、k_d去模糊化，得到丝杠长度控制量 $u=k_p+k_i\∫e+k_d\stackrel{\·}{e};$

(4)利用计算出的丝杠长度控制量驱动伺服电机运动，通过控制电机丝杠的长度，进行俯仰轴角度的控制；

(5)返回步骤(1)，直至整个控制过程完成。

本发明的有益效果是：应用伺服电动缸可以将雷达天线俯仰轴的旋转运动经由丝杠转变为推杆的直线往返运动，可以实现位置、速度和推力的精密控制；同时，应用自适应模糊PID控制技术，将模糊控制技术与PID控制技术相结合，避免了PID控制技术局限于线性系统，而且过分依赖于控制对象的模型参数，鲁棒性差等缺点。因此，本发明具有以下优点：

(1)将雷达天线俯仰轴的转动控制转变为电动缸丝杠的长度控制，可以有效地降低天线风力矩、惯性力矩和摩擦力矩等干扰力矩对天线俯仰轴控制精度的影响；

(2)雷达驱动装置的输出力矩大、传动效率高、刚性高、抗冲击能力强；

(3)伺服电动缸驱动的系统响应速度快、定位精度高、工作速度调节范围宽、低速运行稳定，无“低速爬行”现象；

(4)雷达驱动装置的结构简单、运行稳定、使用寿命长、可靠性和安全性高；

(5)控制系统设计简便、可靠性高、控制精度高、稳态特性良好；

(6)控制系统适应性强、抗干扰能力强、鲁棒性好、动态特性良好；

(7)能够实现雷达天线俯仰轴的稳定控制，提高系统的实时性和精确性，改善系统的控制性能。

附图说明

图1是雷达天线俯仰轴伺服系统结构框图；

图2是雷达俯仰轴运动示意图；

图3是雷达天线俯仰轴伺服系统原理框图；

图4是雷达俯仰轴的自适应模糊PID控制系统结构图；

图5是雷达天线俯仰轴伺服系统硬件结构图；

图6是雷达天线俯仰轴控制软件结构图；

图7是模糊隶属度函数；

图中，1为大阵面雷达天线，2为天线座，3为俯仰轴，4为伺服电动缸，5为电动缸丝杠，O₁为天线座与丝杠链接点，O₂为俯仰轴转动中心，O₃为天线与丝杠链接点。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明设计了一种应用伺服电动缸驱动的雷达俯仰轴驱动装置，与力矩电机直接套轴驱动相比，应用伺服电动缸驱动装置，可以实现位置、速度和推力的精密控制。雷达伺服系统的输出力矩大、定位精度高、刚性高、抗冲击能力强。

本发明应用自适应模糊PID控制方法，将模糊控制方法与PID控制方法相结合，具有PID控制结构简单、可靠性高、稳定无静差以及控制精度高等优点；以及模糊控制设计灵活、适应性和鲁棒性强等优点。

因此，本发明能够有效地消除各种干扰力矩对雷达天线的影响，实现对大阵面雷达天线俯仰轴实时精确的稳定控制，提高了雷达伺服系统的控制性能。

雷达俯仰轴的伺服电动缸驱动结构如图1所示。雷达天线与俯仰轴直接连接，俯仰轴采用伺服电动缸驱动的传动方式，伺服电动缸的丝杠一端与雷达天线座链接(链接点为O₁)，另一端与雷达天线下方链接(链接点为O₃)。因此，通过伺服电动缸的丝杠伸缩，带动天线绕俯仰轴进行转动(俯仰轴转动中心为O₂)，从而将俯仰轴的旋转运动转换成丝杠的直线运动，通过对丝杠伸缩的直线运动控制，以达到对天线绕俯仰轴旋转运动控制的目标。

雷达天线俯仰轴伺服系统主要由伺服处理器、各环路传感器、A/D变换器、D/A变换器、伺服驱动组合、伺服电源组合、伺服电动缸电机等组成。伺服系统采用三环控制结构，即速度内环、速度外环、位置环。三个环路的传感器分别选用编码器、光纤陀螺、旋转变压器。速度内环由驱动器和电动缸电机组成，速度内环完成电动缸电机转速的控制，速度外环完成俯仰轴角速度的控制，位置环控制伺服电动缸的丝杠长度，从而完成俯仰轴角度的控制。其控制环路框图如图3所示。

伺服分系统的自适应控制方法如下所示：首先读取由各环路传感器传入A/D变换器中的俯仰轴角度和角速度，以及伺服电动缸丝杠长度和速度；根据读取的数据，计算雷达俯仰轴转动角度误差，并通过俯仰轴转动角度和电动缸丝杠长度关系，转换为丝杠长度误差；调用自适应模糊PID控制器，计算比例、积分、微分控制系数k_p、k_i、k_d，得到电动缸丝杠长度控制量u；最后将电动缸丝杠长度控制量，通过D/A变换器，输入伺服驱动组合，驱动伺服电动缸电机运动，通过控制电动缸丝杠的长度，进行俯仰轴角度的控制。

图4为雷达俯仰轴的自适应模糊PID控制系统结构图。

1.雷达天线俯仰轴伺服系统硬件设计

雷达天线俯仰轴伺服系统硬件结构如图5所示，主要由伺服处理器、RDC变换器、A/D变换器、D/A变换器、伺服驱动组合、伺服电源组合、俯仰电动缸、各环路传感器(编码器、光纤陀螺、旋转变压器)等组成。伺服处理器和RDC变换器、A/D变换器、D/A变换器位于雷达系统数字组合中。伺服驱动组合包含PWM功放模块、直流电源、旋变激磁电源。伺服电源组合提供俯仰驱动器电源，天线座上装有伺服电动缸、光纤陀螺、旋转变压器等。

各硬件功能如下：伺服处理器完成俯仰轴控制量的计算；旋转变压器、光纤陀螺、编码器分别采集俯仰轴角度和角速度信号、以及伺服电动缸速度信号；RDC变换器和A/D变换器完成传感器采集信号的模数转换；D/A变换器完成伺服处理器控制信号的数模转换；伺服驱动组合接收D/A变换器的伺服处理器控制信号，经功率放大，驱动俯仰电动缸丝杠运动，完成俯仰轴角度控制。

2.雷达天线俯仰轴控制软件设计

雷达天线俯仰轴控制软件主要包括伺服状态初始化程序，系统控制主程序，中断服务程序，如图6所示。伺服系统控制软件完成的主要功能包括：系统初始化，俯仰轴角位置信号的采集和处理，俯仰轴角速度信号的采集和处理，伺服电动缸丝杠长度和速度信号采集和处理，自适应模糊PID控制方法的实现，与雷达中心机数据交换，故障检测及保护功能等。

伺服系统控制软件流程如下所示：

(1)伺服状态初始化，包括总线初始化，各寄存器初始化，以及伺服系统电源组合上电控制；

(2)读取由各环路传感器传入A/D变换器中的俯仰轴角度和角速度，以及伺服电动缸丝杠长度和速度；

(3)伺服处理器根据步骤(2)中读取的数据，判断雷达工作状态，并进行雷达俯仰轴转动角度和电动缸丝杠长度之间的换算，计算雷达俯仰轴转动误差；

(4)根据雷达俯仰轴转动误差，分别选取为比例、积分、微分控制系数k_p、k_i、k_d的模糊自适应整定规则，并对控制量k_p、k_i、k_d去模糊化，得到电动缸丝杠长度控制量u；

(5)将步骤(4)中计算出的电动缸丝杠控制量，通过D/A变换器，输入伺服驱动组合，驱动伺服电动缸电机运动，通过控制电动缸丝杠的长度，进行俯仰轴角度的控制；

(6)若控制过程未完成，转入步骤(2)；若控制过程完成，则结束整个控制流程。

3.雷达俯仰轴旋转运动和伺服电动缸丝杠直线运动的非线性运动学关系

根据图1可以得到如图2所示的雷达俯仰轴运动示意图，其中图2中各参数如表1所示。

表1雷达俯仰轴运动示意图各参数意义

设当雷达天线垂直于地面时，天线绕俯仰轴转动角度α＝0，L与H之间夹角θ＝θ₀。由图2可知，当伺服电动缸丝杠推动天线绕俯仰轴转动时，θ＝α+θ₀，θ与α呈线性关系，且天线俯仰轴转动角速度和角加速度分别可表示为：因此，通过对伺服电动缸丝杠的长度S进行控制，即可控制夹角θ的变化，进而直接控制雷达天线绕俯仰轴转动角度α。通过分析可以得到丝杠长度S与夹角θ的关系如下式所示： $S=\sqrt{L^2+H^2-2LHcos\mathrm{\θ}}$

根据上式可以看出，S与θ为非线性运动关系。同时，可以得到由丝杠长度表示的俯仰轴转动角度α、角速度和角加速度如下式所示。

$\mathrm{\α}=\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_0=\arccos \frac{L^2+H^2-S^2}{2LH}-{\mathrm{\θ}}_0$

$\stackrel{\·}{\mathrm{\α}}=\frac{S}{LH\cos \mathrm{\θ}}\stackrel{\·}{S}=\frac{\sqrt{L^2+H^2-2LH\cos \mathrm{\θ}}}{LHcos\mathrm{\θ}}\stackrel{\·}{S}$

$\stackrel{\·\·}{\mathrm{\α}}=\frac{\sqrt{L^2+H^2-2LHcos(\mathrm{\α}+{\mathrm{\θ}}_0)}}{LHcos(\mathrm{\α}+{\mathrm{\θ}}_0)}\stackrel{\·\·}{S}+\frac{LH\cos (\mathrm{\α}+{\mathrm{\θ}}_0)}{L^2+H^2-2LH(\mathrm{\α}+{\mathrm{\θ}}_0)}{\stackrel{\·}{\mathrm{\α}}}^2-\frac{cos(\mathrm{\α}+{\mathrm{\θ}}_0)}{sin(\mathrm{\α}+{\mathrm{\θ}}_0)}\stackrel{\·}{\mathrm{\α}}$

因此，设状态向量控制输入则可以得到雷达俯仰轴控制系统的非线性状态方程为：

$\stackrel{\·}{X}=\left[\begin{array}{c}\frac{LH\cos (x_2+{\mathrm{\θ}}_0)}{L^2+H^2-2LH(x_2+{\mathrm{\θ}}_0)}{x_1}^2-\frac{\cos (x_2+{\mathrm{\θ}}_0)}{\sin (x_2+{\mathrm{\θ}}_0)}{x}_1\\ x_1\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\frac{\sqrt{L^2+H^2-2LH\cos (x_2+{\mathrm{\θ}}_0)}}{LH\cos (x_2+{\mathrm{\θ}}_0)}\\ 0\end{array}\right]u$

可以看出，当α为不同值时,伺服雷达天线俯仰轴转动角速度随电动缸丝杠伸出速度变化呈非线性关系，即随着α的增大，天线绕俯仰轴转动角速度，随电动缸丝杠伸出速度的增大而加速增大。因此，在设计雷达天线俯仰轴控制方法时，若要通过对丝杠长度的控制，以控制俯仰轴转动角度，必须考虑一种针对非线性系统的自适应控制方法。

4.雷达俯仰轴自适应模糊PID控制方法

雷达俯仰轴自适应模糊PID控制方法的设计步骤如下：

(1)定义e、ec和k_p、k_i、k_d的模糊子集均为：{负大,负中,负小,零,正小,正中,正大}＝{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，控制系统隶属度函数如图7所示。其中，e为误差，ec为误差变化，k_p为比例控制系数、k_i为积分控制系数、k_d为微分控制系数。

同时，根据控制系统设计的要求，选取e的基本论域为[-0.2，0.2]，ec的基本论域为[-0.5，0.5]。k_p的基本论域为[-50，50]，k_i的基本论域为[-3，3]，k_d的基本论域为[-15，15]。

(2)建立自适应模糊控制规则

根据分析，可以设计出如表2所示符合要求的k_p、k_i、k_d模糊自适应整定规则表。

表2k_p/k_i/k_d自适应模糊整定规则表

(3)去模糊化

$x_0=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{x}_i\mathrm{\μ}\left(i\right)/\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\mathrm{\μ}\left(i\right)$

采用上式的加权平均法，对控制量k_p、k_i、k_d去模糊化，其中x_i(i＝1，2，…n)为论域中元素，μ(i)为待判决输出模糊集合的隶属度函数。

最终得到控制量u如下式所示：

$u=k_p+k_i\∫e+k_d\stackrel{\·}{e}.$

Claims (2)

1.一种大阵面雷达天线俯仰轴驱动装置，包括伺服电机、编码器、光纤陀螺、旋转变压器、自适应模糊PID控制器和伺服驱动组合，其特征在于：所述伺服电机安装在雷达天线座上，伺服电机的输出通过丝杠与雷达天线铰接，且铰接点不在雷达天线的俯仰轴上；所述编码器测量丝杠的转动速度，光纤陀螺测量雷达天线的俯仰角速度，旋转变压器测量雷达天线的俯仰角度，均传输给自适应模糊PID控制器，计算得到丝杠长度控制量；将丝杠长度控制量通过D/A变换器输入伺服驱动组合，驱动伺服电机运动；通过控制丝杠的长度，进行俯仰轴角度的控制。

2.一种利用权利要求1所述大阵面雷达天线俯仰轴驱动装置的自适应控制方法，其特征在于包括下述步骤：

(1)测量雷达天线的俯仰角度、俯仰角速度以及丝杠长度和速度；

(2)进行雷达俯仰角度和丝杠长度之间的换算，计算雷达俯仰轴转动误差；

(3)根据雷达俯仰轴转动误差e，分别选取比例控制系数k_p、积分控制系数k_i和微分控制系数k_d的模糊自适应整定规则，采用加权平均法对k_p、k_i、k_d去模糊化，得到丝杠长度控制量 $u=k_p+k_i\∫e+k_d\stackrel{\·}{e};$

(4)利用计算出的丝杠长度控制量驱动伺服电机运动，通过控制电机丝杠的长度，进行俯仰轴角度的控制；

(5)返回步骤(1)，直至整个控制过程完成。