CN112904091A - 一种基于pid的场强辐射自动测试系统控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于PID的场强辐射自动测试系统控制方法,包括控制信号源输出设定功率的射频信号,经功率放大器对信号放大后由天线向外辐射,所述场强探头将采集到的天线辐射场强数据传输给场强计,利用控制软件内置的PID控制模块计算当前场强值与目标场强值的差,并将结果反馈至信号源以调节设定的输出功率,使天线辐射的场强值达到目标场强值。本发明从整个系统的角度出发,充分考虑了各设备的非线性特性,采用PID实时解算调整目标场强值,并换算至信号源,通过调整信号源输入功率,间接控制功放的输出功率,实现对整个系统环路的闭环控制,提高了系统稳定性及工作速度,改善了因功放平坦度不达标而造成的过推问题。
Description
技术领域
本发明涉及场强辐射测试技术,具体地讲,是涉及一种基于PID的场强辐射自动测试系统控制方法。
背景技术
目前国内场强辐射自动测试系统,在对被测件进行场强测试试验时,为了达到目标场强,在推功放时主要通过直接控制功放输出功率来实现,但由于功放输出功率受温度、元器件热性能等因素影响较大,导致功放输出功率曲线并非规则的线性、对数或指数曲线。
如果直接对功放进行功率控制,难以精确控制功放输出功率,若要直接对功放输出功率进行控制,常用的做法是采用等间距往功放上加功率,即将目标功率P划分为N等份,每次只往功放上增加P/N的功率,经过N次后,可将功放输出功率推到目标功率P,但该办法受间距N影响较大,若N设置过大,则功放要推到目标功率耗时较长;若N设置太小,受功放平坦度等因素影响,在某些频点,由于功放平坦度并未完全达标,如果还是按照等间距方式推功放功率,有可能出现过推的情况,导致功放烧毁。
另一种直接控制功放输出功率的方法,是采用PID直接对功放输出功率进行控制,该方法可快速有效的将功放输出功率推到目标功率,但该方法仅考虑了功放本身的非线性特性,对整个测试系统而言,并未考虑系统中所有测试设备、测试环节的非线性。
发明内容
针对上述现有技术中的上述问题,本发明提供一种基于PID的场强辐射自动测试系统控制方法。
为了实现上述目的,本发明采用的技术方案如下:
一种基于PID的场强辐射自动测试系统控制方法,所述系统包括功率放大器、信号源、功率计、场强计、场强探头、天线、升降架、方舱、可移动平台车、配电设备,以及配置有用于实现所述控制方法的控制软件的显控设备,其中,所述可移动平台车用于安置方舱和升降架,所述升降架用于安置天线,所述天线用于将经过功率放大器放大的信号辐射到空间中,所述场强探头用于监测天线辐射信号的场强值并实时将检测信号传输至场强计,所述信号源用于按设定输出功率向功率放大器输出射频信号,所述功率计用于实时监测功率放大器的前向功率和后向功率,所述配电设备用于系统供电,所述显控设备通过系统总线与可移动平台车、升降架、场强计、信号源、功率计进行通讯;所述控制软件控制信号源输出设定功率的射频信号,经功率放大器对信号放大后由天线向外辐射,所述场强探头将采集到的天线辐射场强数据传输给场强计,利用控制软件内置的PID控制模块计算当前场强值与目标场强值的差,并将结果反馈至信号源以调节设定的输出功率,使天线辐射的场强值达到目标场强值。
具体地,所述基于PID的场强辐射自动测试系统控制方法,包括以下步骤:
S10、控制可移动平台车移动到测试点位,并控制升降架将天线上升到一定高度,使场强探头与天线中心在一条直线上,间距保持为1m;
S20、参数配置:配置包含信号源输入保护功率、功放保护功率、场强计读数方式、通信地址在内的设备参数,配置包含链路校准表、射频开关在内的测试链路参数,配置包含n个测试频段、驻留时间、电平衰减、步进模式、步进值之内的模板参数;
S30、根据配置的步进模式、步进值、链路校准表三个参数,对步进固定的默认校准表按照配置的步进值采用二分法进行插值,得到实际测试频点的频率-功率校准表;
S40、打开功率计、功率放大器、信号源、场强计,执行设备自检,若工作正常,则切换射频开关,将射频信号切换到配置的模板参数中的一个测试频段,否则停止测试任务;
S50、打开信号源、功率放大器进行射频输出,功率计实时监测功率放大器的前向功率和后向功率,场强计实时监测场强探头的电平值;
S60、判断场强探头的电平值是否达标,若不达标则通过PID控制模块调整,依据当前值与目标值的差值计算出信号源的目标输出功率,控制信号源和功率放大器再次输出并监测,直到达到目标场强为止。
进一步地,所述基于PID的场强辐射自动测试系统控制方法,还包括:
S70、对于模板参数中配置的n个测试频段,完成一个测试频段的校准后,重复步骤S30~S60依次对其他测试频段进行校准。
具体地,所述步骤S50的具体控制过程如下:
S51、信号源根据预设的功率输出射频信号至功率放大器,功率放大器对射频信号进行放大,并通过天线辐射到自由空间中;
S52、场强探头实时检测天线发射的信号,并将检测结果传输至场强计,由场强计完成信号采集,并以电平值的方式向显控设备输出当前场强值。
具体地,所述步骤S60的具体控制过程如下:
S61、PID控制模块根据实时接收到的场强计所输出的当前电平值判断其是否达到目标电平值,若未达到目标电平值,则将场强计输出的当前电平值与目标电平值进行PID计算,计算公式为:
Δu(k)=kp[e(k)-e(k-1)]+kie(k)+kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)] (2)
式中,kp为比例系数,ki为积分系数,kd为微分系数,输入参数为目标场强值与当前场强值的差值e(k),输出参数为调整电平值Δu(k);
S62、将上述PID计算结果换算为信号源输入功率值,通过调整信号源输出信号功率,使输出的射频信号经功率放大器放大后的输出功率满足目标要求。
其中,所述步骤S62中换算过程如下:
将步骤S61中计算得到的场强调整电平值Δu(k),通过
换算为信号源调整功率值,其中probe为当前电平值;
再通过power=2*pid+powerValue (4)
将信号源调整功率值换算为信号源输入功率值,其中,pid为信号源调整功率值,powerValue为当前信号源输入功率值,power为调整后的信号源输入功率值。
更进一步地,所述控制方法还包括:在功率放大器输出功率达到目标功率并持续工作后,对功率放大器输出功率的衰减变化进行补偿,使其保持达到目标功率的输出。
具体地,所述对功率放大器的输出功率进行补偿的过程如下:
P1、达到目标功率后,系统持续工作,并实时监测场强计输出电平值是否达标;
P2、当检测到的场强计输出电平值小于目标电平值时,按照步骤S60通过PID控制模块调整,将当前电平值与目标电平值进行PID计算,并将计算结果换算为信号源输入功率值,以调整信号源输出功率,保证功率放大器的输出功率满足目标要求。
更进一步地,在所述步骤S50中,当功率计监测到的功率放大器的前向功率大于预设的功放前向保护功率,或功率放大器的后向功率大于预设的功放后向保护功率时,对功率放大器进行回退保护,避免功率放大器烧毁。
具体地,所述对功率放大器进行回退保护时,根据当前功率与保护功率的差值进行PID计算,换算并降低信号源输入功率值来降低功率放大器的输出功率,以保护功率放大器。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
(1)本发明从整个系统的角度出发,充分考虑了信号源、功率放大器、场强计、射频线缆、电子开关等设备的非线性特性,采用PID实时解算调整目标场强值,并换算至信号源,通过调整信号源输入功率,间接控制功放的输出功率,实现对整个系统环路的闭环控制,而非单纯的对功放直接进行控制,该控制方式的优势在于,将系统中的天线、功放、场强计等设备的非线性因素通过PID线性转换后,通过线性控制信号源的输入功率,有利于提高系统稳定性及工作速度,可以有效改善因功放平坦度不达标而造成的过推问题。
(2)本发明采用了双重PID控制方法,一方面可将场强电平快速推到目标电平,另一方面可补偿功放因受热长期工作放大系数降低的问题,确保了场强计检测到的工作电平持续工作在目标电平上限。
(3)本发明改善了原有输入的链路校准表默认为固定步进的频率-功率补偿表,无法实现任意频点的功率补偿的问题,采用二分法快速查找待插值的频率点,并利用斜率计算完成插值,提高了插值速度。
(4)本发明从系统角度考虑整个测试链路损耗、功放功率输出非线性、功放末段功率输出压缩特性、仪器仪表延时响应的特性,以及系统保护措施。
附图说明
图1为本发明-实施例的系统结构框图。
图2为本发明-实施例的控制流程示意图。
图3为本发明-实施例中PID控制原理图。
图4为本发明-实施例中PID调整曲线示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明,本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。
实施例
如图1所示,该基于PID的场强辐射自动测试系统包括功率放大器、信号源、功率计、场强计、场强探头、天线、升降架、方舱、可移动平台车、配电设备,以及配置有控制软件的显控设备。所述显控设备还配置有网络交换设备,用于与远程指控中心进行网络通讯。
其中,所述可移动平台车用于安置方舱和升降架,所述升降架用于安置天线,所述天线用于将经过功率放大器放大的信号辐射到空间中,所述场强探头用于监测天线辐射信号的场强值并实时将检测信号传输至场强计,所述信号源采用脉冲调制器,用于按设定输出功率向功率放大器输出射频信号,所述功率计用于实时监测功率放大器的前向功率和后向功率,所述配电设备用于系统供电,所述显控设备通过系统总线与可移动平台车、升降架、场强计、信号源、功率计进行通讯;所述控制软件控制信号源输出设定功率的射频信号,经功率放大器对信号放大后由天线向外辐射,所述场强探头将采集到的天线辐射场强数据传输给场强计,利用控制软件内置的PID控制模块计算当前场强值与目标场强值的差,并将结果反馈至信号源以调节设定的输出功率,使天线辐射的场强值达到目标场强值。
如图2至图4所示,该基于PID的场强辐射自动测试系统控制方法,包括以下步骤:
S10、控制可移动平台车移动到测试点位,并控制升降架将天线上升到一定高度,使场强探头与天线中心在一条直线上,间距保持为1m;保证了对天线辐射功率进行准确监测。
S20、参数配置:配置包含信号源输入保护功率、功放保护功率、场强计读数方式、通信地址在内的设备参数,配置包含链路校准表、射频开关在内的测试链路参数,配置包含n个测试频段、驻留时间、电平衰减、步进模式、步进值之内的模板参数;
S30、根据配置的步进模式、步进值、链路校准表三个参数,对步进固定的默认校准表按照配置的步进值采用二分法进行插值,得到实际测试频点的频率-功率校准表;
S40、打开功率计、功率放大器、信号源、场强计,执行设备自检,若工作正常,则切换射频开关,将射频信号切换到配置的模板参数中的一个测试频段,否则停止测试任务;
S50、打开信号源、功率放大器进行射频输出,功率计实时监测功率放大器的前向功率和后向功率,场强计实时监测场强探头的电平值:
S51、信号源根据预设的功率输出射频信号至功率放大器,功率放大器对射频信号进行放大,并通过天线辐射到自由空间中;
S52、场强探头实时检测天线发射的信号,并将检测结果传输至场强计,由场强计完成信号采集,并以电平值的方式向显控设备输出当前场强值。
S60、判断场强探头的电平值是否达标,若不达标则通过PID控制模块调整,依据当前值与目标值的差值计算出信号源的目标输出功率,控制信号源和功率放大器再次输出并监测,直到达到目标场强为止:
S61、PID控制模块根据实时接收到的场强计所输出的当前电平值判断其是否达到目标电平值,若未达到目标电平值,则将场强计输出的当前电平值与目标电平值进行PID计算,计算公式为:
Δu(k)=kp[e(k)-e(k-1)]+kie(k)+kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)] (2)
式中,kp为比例系数,ki为积分系数,kd为微分系数,输入参数为目标场强值与当前场强值的差值e(k),输出参数为调整电平值Δu(k);
S62、将上述PID计算结果换算为信号源输入功率值,通过调整信号源输出信号功率,使输出的射频信号经功率放大器放大后的输出功率满足目标要求,
其中,将步骤S61中计算得到的场强调整电平值Δu(k),通过
换算为信号源调整功率值,其中probe为当前电平值;
再通过power=2*pid+powerValue (4)
将信号源调整功率值换算为信号源输入功率值,其中,pid为信号源调整功率值,powerValue为当前信号源输入功率值,power为调整后的信号源输入功率值。
S70、对于模板参数中配置的n个测试频段,完成一个测试频段的校准后,重复步骤S30~S60依次对其他测试频段进行校准。
更进一步地,当功放达到目标功率后,保持该目标功率工作,因元器件受热长时间工作,功放放大系数会降低。因此,所述控制方法还包括:在功率放大器输出功率达到目标功率并持续工作后,对功率放大器输出功率的衰减变化进行补偿,使其保持达到目标功率的输出。具体过程如下:
P1、达到目标功率后,系统持续工作,并实时监测场强计输出电平值是否达标;
P2、工作一段时间后,功率放大器的放大系数会有小幅度衰减,如果检测到的场强计输出电平值小于目标电平值时,按照步骤S60的过程通过PID控制模块调整,将当前电平值与目标电平值进行PID计算,并将计算结果换算为信号源输入功率值,以调整信号源输出功率,保证功率放大器的输出功率满足目标要求。具体来说是在当前场强电平与目标电平进行PID计算,并将该换算结果添加到信号源中,增加信号源输出功率,进而加大功放输出功率,最终将场强计检测到的电平推到目标电平。
更进一步地,若功放前向功率大于功放前向保护功率时,再往上推功放,超出功放饱和功率,导致功放烧毁;若功放后向功率大于后向保护功率时,功放因功率反射导致自激,进而造成驻波比升高,烧毁功放。因此,在所述步骤S50中,当功率计监测到的功率放大器的前向功率大于预设的功放前向保护功率,或功率放大器的后向功率大于预设的功放后向保护功率时,对功率放大器进行回退保护,避免功率放大器烧毁。具体地,所述对功率放大器进行回退保护时,根据当前功率与保护功率的差值进行PID计算,换算并降低信号源输入功率值来降低功率放大器的输出功率,以保护功率放大器。
通过上述过程,本发明将系统中的天线、功放、场强计等设备的非线性因素通过PID线性转换后,通过线性控制信号源的输入功率,提高了系统稳定性及工作速度,有效改善了因功放平坦度不达标而造成的过推问题。
上述实施例仅为本发明的优选实施例,并非对本发明保护范围的限制,但凡采用本发明的设计原理,以及在此基础上进行非创造性劳动而做出的变化,均应属于本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于PID的场强辐射自动测试系统控制方法,其特征在于,所述系统包括功率放大器、信号源、功率计、场强计、场强探头、天线、升降架、方舱、可移动平台车、配电设备,以及配置有用于实现所述控制方法的控制软件的显控设备,其中,所述可移动平台车用于安置方舱和升降架,所述升降架用于安置天线,所述天线用于将经过功率放大器放大的信号辐射到空间中,所述场强探头用于监测天线辐射信号的场强值并实时将检测信号传输至场强计,所述信号源用于按设定输出功率向功率放大器输出射频信号,所述功率计用于实时监测功率放大器的前向功率和后向功率,所述配电设备用于系统供电,所述显控设备通过系统总线与可移动平台车、升降架、场强计、信号源、功率计进行通讯;所述控制软件控制信号源输出设定功率的射频信号,经功率放大器对信号放大后由天线向外辐射,所述场强探头将采集到的天线辐射场强数据传输给场强计,利用控制软件内置的PID控制模块计算当前场强值与目标场强值的差,并将结果反馈至信号源以调节设定的输出功率,使天线辐射的场强值达到目标场强值。
2.根据权利要求1所述的基于PID的场强辐射自动测试系统控制方法,其特征在于,包括以下步骤:
S10、控制可移动平台车移动到测试点位,并控制升降架将天线上升到一定高度,使场强探头与天线中心在一条直线上,间距保持为1m;
S20、参数配置:配置包含信号源输入保护功率、功放保护功率、场强计读数方式、通信地址在内的设备参数,配置包含链路校准表、射频开关在内的测试链路参数,配置包含n个测试频段、驻留时间、电平衰减、步进模式、步进值之内的模板参数;
S30、根据配置的步进模式、步进值、链路校准表三个参数,对步进固定的默认校准表按照配置的步进值采用二分法进行插值,得到实际测试频点的频率-功率校准表;
S40、打开功率计、功率放大器、信号源、场强计,执行设备自检,若工作正常,则切换射频开关,将射频信号切换到配置的模板参数中的一个测试频段,否则停止测试任务;
S50、打开信号源、功率放大器进行射频输出,功率计实时监测功率放大器的前向功率和后向功率,场强计实时监测场强探头的电平值;
S60、判断场强探头的电平值是否达标,若不达标则通过PID控制模块调整,依据当前值与目标值的差值计算出信号源的目标输出功率,控制信号源和功率放大器再次输出并监测,直到达到目标场强为止。
3.根据权利要求2所述的基于PID的场强辐射自动测试系统控制方法,其特征在于,还包括:
S70、对于模板参数中配置的n个测试频段,完成一个测试频段的校准后,重复步骤S30~S60依次对其他测试频段进行校准。
4.根据权利要求2所述的基于PID的场强辐射自动测试系统控制方法,其特征在于,所述步骤S50的具体控制过程如下:
S51、信号源根据预设的功率输出射频信号至功率放大器,功率放大器对射频信号进行放大,并通过天线辐射到自由空间中;
S52、场强探头实时检测天线发射的信号,并将检测结果传输至场强计,由场强计完成信号采集,并以电平值的方式向显控设备输出当前场强值。
5.根据权利要求4所述的基于PID的场强辐射自动测试系统控制方法,其特征在于,所述步骤S60的具体控制过程如下:
S61、PID控制模块根据实时接收到的场强计所输出的当前电平值判断其是否达到目标电平值,若未达到目标电平值,则将场强计输出的当前电平值与目标电平值进行PID计算,计算公式为:
Δu(k)=kp[e(k)-e(k-1)]+kie(k)+kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)] (2)
式中,kp为比例系数,ki为积分系数,kd为微分系数,输入参数为目标场强值与当前场强值的差值e(k),输出参数为调整电平值Δu(k);
S62、将上述PID计算结果换算为信号源输入功率值,通过调整信号源输出信号功率,使输出的射频信号经功率放大器放大后的输出功率满足目标要求。
7.根据权利要求2~6任一项所述的基于PID的场强辐射自动测试系统控制方法,其特征在于,所述控制方法还包括:在功率放大器输出功率达到目标功率并持续工作后,对功率放大器输出功率的衰减变化进行补偿,使其保持达到目标功率的输出。
8.根据权利要求7所述的基于PID的场强辐射自动测试系统控制方法,其特征在于,所述对功率放大器的输出功率进行补偿的过程如下:
P1、达到目标功率后,系统持续工作,并实时监测场强计输出电平值是否达标;
P2、当检测到的场强计输出电平值小于目标电平值时,按照步骤S60通过PID控制模块调整,将当前电平值与目标电平值进行PID计算,并将计算结果换算为信号源输入功率值,以调整信号源输出功率,保证功率放大器的输出功率满足目标要求。
9.根据权利要求2~6任一项所述的基于PID的场强辐射自动测试系统控制方法,其特征在于,在所述步骤S50中,当功率计监测到的功率放大器的前向功率大于预设的功放前向保护功率,或功率放大器的后向功率大于预设的功放后向保护功率时,对功率放大器进行回退保护,避免功率放大器烧毁。
10.根据权利要求9所述的基于PID的场强辐射自动测试系统控制方法,其特征在于,所述对功率放大器进行回退保护时,根据当前功率与保护功率的差值进行PID计算,换算并降低信号源输入功率值来降低功率放大器的输出功率,以保护功率放大器。
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