CN107991651B

CN107991651B - 一种雷达伺服系统的预定角度自适应步进控制方法

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Publication number: CN107991651B
Application number: CN201711044717.6A
Authority: CN
Inventors: 赵建华; 汤振华; 袁静; 周起华; 李爽爽
Original assignee: Shanghai Radio Equipment Research Institute
Current assignee: Shanghai Radio Equipment Research Institute
Priority date: 2017-10-31
Filing date: 2017-10-31
Publication date: 2020-01-03
Anticipated expiration: 2037-10-31
Also published as: CN107991651A

Abstract

本发明提供一种雷达伺服系统的预定角度自适应步进控制方法，实现基于预定角度与当前角度偏差值的角度自适应步进预定的技术，通过将上位机给出的角度预定值自适应地划分为若干段，步进地送给雷达伺服系统的位置回路，从而避免对系统产生较大冲击，解决位置预定过程中超调量指标与过渡过程时间指标的矛盾，有效减小了系统超调量，同时通过自适应步进角度计算，保证控制系统具有较高的快速性，克服了现有PID控制方法中系统快速性与超调量之间的矛盾。

Description

一种雷达伺服系统的预定角度自适应步进控制方法

技术领域

本发明涉及一种伺服系统的角度预定方法，具体涉及一种基于预定角度与反馈角度偏差值的角度自适应步进预定方法。

背景技术

雷达伺服系统的主要作用是隔离扰动，保证天线能够按照设计的扫描规律完成目标的搜索和跟踪。角度预定是伺服系统的基本功能之一，是为了实现天线波束的快速移动，将天线波束指向预定区域。

伺服系统的预定回路将天线当前指向位置与设定位置进行比较，通过电机驱动天线转动使两者间的差值减小直至满足精度要求。伺服系统的角度预装运动速度较快，特别是当伺服系统完成大范围搜索后进行目标回扫确认时，为保证伺服运动时，目标不会逃离天线预装位置的波束范围，通常会形成阶跃响应，会导致较大的角度超调出现。当伺服机构存在机械限位时，过大的超调量可能会导致天线碰撞机械限位，导致天线损坏。在伺服系统中由于天线转动空间有限，这点尤其明显，因此要求伺服系统的角度预装能有效减小或消除超调现象，具有较高的精度，同时保证角度预装响应的快速性。

针对伺服系统的角度预定超调，目前国内有专利申请CN105422681A(基于动态PID控制的液粘调速离合器控制方法)介绍了一种在运行状态下将从动轴转速作为直接控制对象，利用PID参数的动态变化来减小超调量的方法。该算法是通过动态调整PID参数来抑制超调，没有涉及通过自适应角度步进减小超调的技术。

专利申请CN106707740A(基于积分分离PID的数字电源环路补偿器的设计方法)介绍了一种通过积分分离的方式减小超调量和调整时间的方法。该方法使用积分分离技术，且应用于数字电路系统，应用场景不同。

专利申请CN206162032U(一种基于模糊自适应PID算法的三轴稳定器)介绍了一种基于模糊自适应PID的控制算法，计算量大，难以在低成本雷达伺服系统中实现。

2016年第21期的《中国机械中程》期刊中公开文献《基于自适应微分跟踪器的位置伺服系统》介绍了一种应用于用此同步电机的自适应微分跟踪控制器。该控制器用微分跟踪器对位置指令安排过渡过程，可以在运行过程中根据不同范围的阶跃信号自适应地选择最优过渡过程参数，实现了对阶跃指令大范围无超调的快速响应。该控制的应用对象是永磁同步电机，适用与交流伺服驱动系统，其使用环境与要求与本发明所设计的应用背景存在较大的差异性，所采用的最小二乘法拟合等方法在低成本伺服系统硬件系统上难以实现。

2012年第3期的《现代雷达》期刊中公开文献《基于模糊自整定PID控制方法的雷达伺服系统》介绍了将模糊自整定PID控制应用在雷达伺服系统中的一种应用。该方法通过二维模糊控制器实现对伺服系统中因齿隙、摩擦等非线性环节因素导致的PID控制中的非线性区的动态性能的改善。

发明内容

本发明的目的在于提供一种雷达伺服系统的预定角度自适应步进控制方法，基于PID控制的原理，提出了一种基于预定角度与当前角度偏差值的伺服系统自适应角度预定技术，旨在用一种计算量较小且满足性能指标要求的方法解决雷达系统的角度预定时超调的问题。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供一种雷达伺服系统的预定角度自适应步进控制方法，包含以下步骤：

S1、更新上位机预定角度值和伺服机构反馈角度值，执行步骤S2；

S2、计算自适应步进值；

S3、判断预定角度值是否发生变化，若发生变化，执行步骤S4，若未发生变化，执行步骤S5；

S4、位置回路给定值用反馈角度值赋值，执行步骤S5；

S5、判断预定角度值减去反馈角度值是否大于步进值，若大于执行步骤S6，否则执行步骤S9；

S6、位置回路给定值增加一个步进值，执行步骤S7；

S7、判断位置回路给定值是否大于预定角度值，若大于执行步骤S8，否则执行步骤S12；

S8、位置回路给定值用预定角度值赋值，执行步骤S12；

S9、判断反馈角度值减去预定角度值是否大于步进值，若大于执行步骤S10，否则执行步骤S8；

S10、位置回路给定值减去一个步进值，执行步骤S11；

S11、判断位置回路给定值是否小于预定角度值，若小于执行步骤S8，否则执行步骤S12；

S12、通过PID算法计算得到控制输出值，送给功率放大器驱动电机旋转，返回步骤S1。

本发明基于预定角度与当前角度偏差值的角度自适应步进预定方法，通过将上位机给出的角度预定值自适应地划分为若干段，步进地送给雷达伺服系统的位置回路，从而避免对系统产生较大冲击，解决位置预定过程中超调量指标与过渡过程时间指标的矛盾，减小超调量的同时保证控制系统具有较高的快速性。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

现有的雷达伺服系统角度预装方法直接将预定角度加到控制系统中，当预定角度较大时会对伺服机构产生较大冲击，致使出现大的超调量，在有限位的伺服机构中容易损坏伺服机构。

本发明将预定角度步进地送给控制系统，避免了对控制系统施加大冲击，有效减小了系统超调量。

本发明中步进角度值可以根据上一时刻的控制效果自适应调整，在减小超调量的同时保证系统的快速性。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为本发明实施例的雷达伺服系统结构示意图；

图3为本发明实施例的角度预定过程仿真结果图。

具体实施方式

本发明提供一种雷达伺服系统的预定角度自适应步进控制方法，包含以下步骤：

S2、计算自适应步进值；

S4、位置回路给定值用反馈角度值赋值，执行步骤S5；

S6、位置回路给定值增加一个步进值，执行步骤S7；

S8、位置回路给定值用预定角度值赋值，执行步骤S12；

S10、位置回路给定值减去一个步进值，执行步骤S11；

上述的雷达伺服系统的自适应角度预定方法中，所述步骤S2计算自适应步进值的方法为：

S(k)＝S(k-1)+α·(G(k-1)-F(k-1)) (1)

其中，S(k)表示k时刻的步进角度值；G(k)表示k时刻的给定角度值，初值设为0；F(k)表示k时刻的反馈角度值，初值设为0；α表示大于零的系数。

步进角度初始值S(0)设置为期望的预定过程速度，可按下式计算：

S(0)＝V·T (2)

其中，V表示期望的预定过程速度，T表示控制周期。

式(1)反映了k时刻的步进角度值跟随k-1时刻给定角度值与反馈角度值差值自适应变化的过程。当k-1时刻给定角度值减去反馈角度值为正值时，说明步进角度值过小，控制输出不足以驱动电机克服摩擦力矩等因素转动到给定角度值，导致系统快速性降低，此时需要在k时刻增大步进角度值，增加的幅度取决于系数α的大小，而α的取值可以在实际工程应用中试凑得到，不同的伺服机构对象其α值是不同的。反之当k-1时刻给定角度值减去反馈角度值为负值时，说明步进角度值过大，系统出现超调，此时需要在k时刻减小步进角度值进行修正。通过以上过程步进角度值自适应地跟随上一时刻系统控制性能的变化而变化，在保证控制系统快速性的同时减小系统的超调量。

所述步骤S3中，判断预定角度值P(k)和上一时刻P(k-1)是否相同，若不同执行步骤S4，初始化给定角度值，若相同执行步骤S5。

所述步骤S5中，判断预定角度值减去反馈角度值是否大于步进值，若满足

P(k)-F(k)＞S(k) (3)

说明给定角度值应该正向累加，即执行步骤S6，否则执行步骤S9。

所述步骤S6的算法为：

G(k)＝G(k-1)+S(k) (4)

所述步骤S7中，判断给定角度值是否大于预定角度值，若满足

G(k)＞P(k) (5)

说明给定角度值已经累加到预定角度，应该停止累加，即执行步骤S8。

所述步骤S9中，判断反馈角度值减去预定角度值是否大于步进值，若满足

F(k)-P(k)＞S(k) (6)

说明给定角度值应该负向累加，即执行步骤S10。

所述步骤S10的算法为：

G(k)＝G(k-1)-S(k) (7)

所述步骤S11中，判断给定角度值是否小于预定角度值，若满足

G(k)＜P(k) (8)

所述步骤S12中PID算法的基本方程为：

u(k)＝k_p·Err(k)+k_i·∑Err(k)+k_d·(Err(k)-Err(k-1)) (9)

其中，

Err(k)＝G(k)-F(k) (10)

Err(0)＝0

u(k)表示控制量输出，k_p表示比例系数，k_i表示积分系数，k_d表示微分系数。

因为在步骤S2中已经将预定角度值自适应划分为若干步进角度值，此时控制系统偏差值Err(k)较小，可以使用较大的比例系数k_p，在提高控制系统快速性的同时保证较小的超调量。

以下结合附图1、2和3，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。

实施例条件：假定控制对象电机输入电压U到输出转速Y的传递函数如式

电机轴到负载的齿轮减速比为50，则控制系统示意图如图2。

设置预定角度从0时刻的0度跃变为1时刻的10度，k＝1时刻预定过程开始。

如图1所示，利用本发明提出的方法，对上述实施例条件执行以下步骤：

S1、更新预定角度值和反馈角度值：

k＝1时刻预定角度值更新为P(1)＝10，反馈角度值F(1)＝0。而上一时刻k＝0时P(0)＝0。

S2、计算自适应步进角度值：

S(1)＝S(0)+α·(G(0)-F(0))

其中预定速度设置为200°/s，控制周期设置为0.001s，则步进角度初值S(0)＝0.2；系数α设为0.001；G(0)＝0；F(0)＝0。

S3、判断预定角度值是否发生变化，

因为P(1)≠P(0)，预定角度值发生变化，执行步骤S4。

S4、位置回路给定值用反馈角度值赋值：

G(1)＝F(1)

S5、判断下式是否成立：

P(1)-F(1)＞S(1)

若成立执行步骤S6，否则执行步骤S9；

S6、位置回路给定值增加一个步进值，执行步骤S7；

G(1)＝G(1)+S(1)

S7、判断下式是否成立：

G(1)＞P(1)

若成立执行步骤S8，否则执行步骤S12；

S8、位置回路给定值用预定角度值赋值，执行步骤S12；

G(1)＝P(1)

S9、判断下式是否成立：

F(1)-P(1)＞S(1)

若成立，执行步骤S10，否则执行步骤S8。

S10、位置回路给定值减去一个步进值，执行步骤S11；

G(1)＝G(1)-S(1)

S11、判断下式是否成立：

G(1)＜P(1)

若成立执行步骤S8，否则执行步骤S12；

S12、通过PID算法计算得到控制输出值，计算过程如下：

Err(1)＝G(1)-F(1)

u(1)＝k_p·Err(1)+k_i·∑Err(1)+k_d·(Err(1)-Err(0))

其中PID算法系数设置为k_p＝7.5,k_i＝0,k_d＝0，u(1)送给功率放大器驱动电机旋转返回步骤S1，开始k＝k+1，即k＝2时刻的控制周期计算，以此类推控制雷达伺服系统转动到预定角度。

通过仿真计算得到加入自适应步进算法和未加入自适应步进算法的控制系统响应结果，如图2所示。超调量和过渡过程时间对比如表1所示。

表1性能对比表

从表1中可知加入本发明所述的自适应步进算法后在过渡过程时间保持相近的情况下大幅减小了系统的超调量，系统超调量从49.75％降低至6.88％，克服了控制系统中超调量指标和过渡过程指标的矛盾，使两个指标都取得了理想的效果。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims

1.一种雷达伺服系统的预定角度自适应步进控制方法，其特征在于，包含以下步骤：

S2、计算自适应步进值；

S4、位置回路给定值用反馈角度值赋值，执行步骤S5；

S6、位置回路给定值增加一个步进值，执行步骤S7；

S8、位置回路给定值用预定角度值赋值，执行步骤S12；

S10、位置回路给定值减去一个步进值，执行步骤S11；

S12、通过PID算法计算得到控制输出值，送给功率放大器驱动电机旋转，返回步骤S1；

其中，所述步骤S2中计算自适应步进值的算式为：

S(k)＝S(k-1)+α·(G(k-1)-F(k-1))

其中，S(k)表示k时刻的步进角度值；G(k-1)表示k-1时刻的给定角度值，初值设为0；F(k-1)表示k-1时刻的反馈角度值，初值设为0；α表示大于零的系数；步进角度初始值S(0)设置为期望的预定过程速度，按下式计算：

S(0)＝V·T

其中，V表示期望的预定过程速度，T表示控制周期。

2.如权利要求1所述的雷达伺服系统的预定角度自适应步进控制方法，其特征在于，所述步骤S3中，判断预定角度值P(k)和上一时刻P(k-1)是否相同，若不同执行步骤S4，初始化给定角度值，若相同执行步骤S5。

3.如权利要求2所述的雷达伺服系统的预定角度自适应步进控制方法，其特征在于，所述步骤S5中，判断预定角度值减去反馈角度值是否大于步进值，若满足

P(k)-F(k)＞S(k)

4.如权利要求3所述的雷达伺服系统的预定角度自适应步进控制方法，其特征在于，所述步骤S6中，位置回路给定值增加一个步进值的算法为：

G(k)＝G(k-1)+S(k)。

5.如权利要求4所述的雷达伺服系统的预定角度自适应步进控制方法，其特征在于，所述步骤S7中，判断给定角度值是否大于预定角度值，若满足

G(k)＞P(k)

6.如权利要求3所述的雷达伺服系统的预定角度自适应步进控制方法，其特征在于，所述步骤S9中，判断反馈角度值减去预定角度值是否大于步进值，若满足

F(k)-P(k)＞S(k)

说明给定角度值应该负向累加，即执行步骤S10。

7.如权利要求6所述的雷达伺服系统的预定角度自适应步进控制方法，其特征在于，所述步骤S10中，位置回路给定值减去一个步进值的算法为：

G(k)＝G(k-1)-S(k)。

8.如权利要求7所述的雷达伺服系统的预定角度自适应步进控制方法，其特征在于，所述步骤S11中，判断给定角度值是否小于预定角度值，若满足

G(k)＜P(k)

9.如权利要求5或8所述的雷达伺服系统的预定角度自适应步进控制方法，其特征在于，所述步骤S12中PID算法的基本方程为：

u(k)＝k_p·Err(k)+k_i·ΣErr(k)+k_d·(Err(k)-Err(k-1))

其中，

Err(k)＝G(k)-F(k)

Err(0)＝0