一种雷达伺服系统等效模型的建立方法技术方案

本发明专利技术公开了一种雷达伺服系统等效模型的建立方法，属于系统仿真领域。该方法主要包括三个步骤：模拟低通滤波器设计、由模拟滤波器变换为数字滤波器、IIR数字滤波器滤波处理。输入数据是目标角度数据，通过IIR数字滤波器的滤波处理，输出伺服系统驱动天线转动到相应的角度值，以实现雷达伺服系统控制天线精密跟踪目标的功能。该方法主要针对雷达伺服系统的稳定性、过渡过程品质及动态响应能力等技术指标，将伺服系统看作是一个单位脉冲响应无限长的线性时不变系统，利用数字滤波技术将雷达伺服系统近似等效为一个具有无限长脉冲响应的IIR递归滤波器。由于模型建立过程比较简单，而且数值计算量不大，因此在雷达系统数字仿真中有很好的应用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于系统仿真领域，涉及一种对雷达角度跟踪伺服系统功能特性及性能指标进行等效模拟的仿真模型建立方法。现有技术雷达伺服系统是靠误差工作的反馈闭环控制系统，误差经过变换、放大校正和功率放大后，控制执行元件带动伺服机械传动装置，驱动天线朝减小误差的方向转动，直至天线对准目标。雷达伺服系统属于高精度的伺服系统，是精密跟踪雷达的重要组成部分，其性能的好坏将直接影响雷达的角度跟踪精度，因此通常设计成由电流回路、速度回路和位置回路组成的三环二阶无静差系统，要求具有快速响应特性、高跟踪精度和宽调速范围的性能指标。目前，在雷达伺服系统设计中，完成了伺服系统方案设计的设计者往往希望在伺服系统建造之前能够预测系统的性能，并对系统设计参数进行检验，以实现系统设计的优化，从而减少系统调试阶段的盲目性，加快系统的调试进度。为此设计者通常利用数字仿真技术，采用计算机数值计算的方法建立伺服系统控制对象的数学模型，通过选择不同形式和参数的校正环节，计算伺服系统的输出特性，以检验伺服系统设计参数是否合理及是否满足系统性能指标。在进行这种基于伺服系统设计优化目的的数字仿真时，首先要了解被控对象的特点和对伺服系统的具体要求，制定伺服系统的实现方案，包括主要元部件种类、联结和控制方式、电源指标要求以及校正补偿装置的考虑等，然后建立组成伺服系统的各控制回路的数学模型（即传递函数），最后利用伺服系统仿真软件，例如通常采用MATLAB软件（美国Mathworks公司推出的、用于科学工程数值计算和图形处理的交互式仿真工具软件，其提供的工具箱中有针对控制系统而设计的、具有动态建模、仿真及综合分析功能的软件包），对伺服系统进行仿真和性能分析，从而通过改变控制器的形式和参数，使伺服系统的性能达到最佳。但是这种用于伺服系统设计优化目的的仿真方法并不适合雷达系统数字仿真器研制需求，这是因为用于伺服系统设计优化的仿真需要针对伺服系统设计方案，对组成伺服系统的三级控制回路（电流回路、速度回路和位置回路）逐级建立各回路的传递函数（即数学模型），并以此构建整个伺服系统的传递函数，然后利用伺服系统的传递函数来仿真计算伺服系统的开环频率特性、闭环频率特性、闭环阶跃响应特性，从而实现对伺服系统性能的分析评估。而在雷达系统数字仿真器中，对雷达伺服系统的仿真主要在指定伺服系统关键性能指标下的系统控制功能的仿真，而且在雷达系统数字仿真器研制过程中往往并不具备实现对伺服系统进行性能仿真的条件，因为没有伺服系统的设计方案就无法建立伺服系统的传递函数，所以需要一种对雷达伺服系统功能特性及性能指标进行等效模拟的仿真模型。
技术实现思路
本专利技术的目的是：利用数字滤波技术将雷达伺服系统近似等效为一个具有无限长脉冲响应的IIR递归滤波器，实现对雷达伺服系统主要性能和功能的仿真。本专利技术可用于雷达系统数字仿真器。本专利技术的技术方案是：提供了一种对雷达角度跟踪伺服系统功能及性能特性进行等效模拟的仿真模型建立方法，该方法主要针对雷达伺服系统的稳定性、过渡过程品质及动态响应能力等技术指标，将伺服系统视作是一个单位脉冲响应无限长的线性时不变系统，利用数字滤波技术将雷达伺服系统近似等效为一个具有无限长脉冲响应的IIR递归滤波器。雷达伺服系统是靠误差工作的反馈闭环控制系统，其主要性能指标包括：稳定裕度、伺服带宽、过渡过程品质和跟踪精度。雷达伺服系统通常设计成Ⅰ型系统或Ⅱ型系统。Ⅰ型系统的结构特点是系统的正向通道包含1个积分环节，它的典型开环传递函数的形式为：KvW(s)=Kv(1+T2s)s(1+T1s)(1+T3s)---(1)]]>式（1）中，Kv为速度常数，即系统开环增益,T1、T3分别为两个惯性环节的时间常数，T2为一阶微分环节的时间常数。IIR滤波器具有无限长脉冲响应特征，其脉冲响应可以用有理系统函数或差分方程来建模，称为递归滤波器，即滤波器结构上存在着输出到输入的反馈，这与雷达伺服系统的反馈闭环控制特性在本质上是相同的，所以可以将雷达伺服系统近似等效为一个具有无限长脉冲响应的IIR递归滤波器。IIR滤波器的系统函数为下式所示：H(z)=Y(z)X(z)=b0+b1z-1+···+bNz-Ma0+a1z-1+···+aNz-N---(2)]]>式（2）中，bn,an是IIR滤波器系数，a0=1。若N≥M，aN≠0，这时IIR滤波器的阶数为N。因此，雷达伺服系统等效模型的建立方法可归纳为将雷达伺服系统的稳定性、过渡过程品质及动态响应能力等技术指标作为输入条件，利用数字信号处理技术实现IIR滤波器的设计方法。本专利技术提出的雷达伺服系统等效模型的建立方法主要包括三个步骤：模拟低通滤波器设计、由模拟滤波器变换为数字滤波器、IIR数字滤波器滤波处理。输入数据是目标角度数据，通过IIR数字滤波器的滤波处理，输出伺服系统驱动天线转动到相应的角度值，以实现雷达伺服系统控制天线精密跟踪目标的功能。该方法具体包括以下实施步骤：步骤一：将雷达伺服系统的伺服带宽作为原型模拟滤波器的通带截止频率，设计3阶非归一化巴特沃兹滤波器。模拟滤波器有多种设计方法，例如巴特沃兹型滤波器、切比雪夫型滤波器、椭圆函数型滤波器等，之所以选择巴特沃兹滤波器作为原型模拟滤波器，是因为这种滤波器具有最大平坦的幅度响应，在通带内呈现相当好的线性相位响应；而滤波器的阶数越大，其过渡带越陡峭，滤波器性能也越好，但是由此带来的计算量及计算的复杂程度也越大，因此选择3阶的巴特沃兹滤波器作为原型模拟滤波器。步骤二：采用双线性变换法，将模拟滤波器系数变换为数字滤波器系数。利用模拟滤波器设计数字滤波器就是把s平面映射到z平面，使模拟系统函数Ha(s)变换成所需的数字滤波器的系统函数H(z)，也就是使数字滤波器能模仿模拟滤波器的特性。利用模拟滤波器理论设计IIR滤波器常用两种映射变换方法：脉冲响应不变法、双线性变换法。脉冲响应不变法是使数字滤波器在时域上模仿模拟滤波器，但缺点是产生频率响应的混叠失真，这是由于从s平面到z平面是多值的映射关系所造成的。实际工程中采用的最为普遍的方法是双线性变换法，它保留的是从模拟到数字域的系统函数表示，不存在频谱混叠的问题。步骤三：利用下式所示的IIR递归滤波器的差分方程计算IIR滤波器的输出。y(n)=Σi=0Mbix(n-i)-Σ本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种雷达伺服系统等效模型的建立方法，其特征在于，主要包括如下步骤：步骤一：将雷达伺服系统的伺服带宽作为原型模拟滤波器的通带截止频率，设计3阶非归一化巴特沃兹滤波器；步骤二：采用双线性变换法，将模拟滤波器系数变换为数字滤波器系数；步骤三：利用下式所示的IIR递归滤波器的差分方程计算IIR滤波器的输出：y(n)=Σi=0Mbix(n-i)-Σk=1Naky(n-k)]]>其中，bi,ak是IIR滤波器系数，N为IIR滤波器的阶数，x(n),y(n)分别为IIR滤波器的输入和输出数字序列。

【技术特征摘要】
1.一种雷达伺服系统等效模型的建立方法，其特征在于，主要包括如下步骤：
步骤一：将雷达伺服系统的伺服带宽作为原型模拟滤波器的通带截止频率，设计
3阶非归一化巴特沃兹滤波器；
步骤二：采用双线性变换法，将模拟滤波器系数变换为数字滤波器系数；
步骤三：利用下式所示的...

【专利技术属性】
技术研发人员：安红，杨莉，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第二十九研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51