基于自抗扰控制器的雷达天线伺服跟踪方法与系统技术方案

本发明专利技术涉及天线伺服跟踪系统技术领域，为提供一种雷达天线跟踪伺服系统，用以实现对扰动的动态估计和补偿，提高系统的抗扰特性。此外，同时实现上位机的图形化人机交互界面，以便实时地观察系统所处的位置和发送模拟信号并命令下位机进行跟踪，基于自抗扰控制器的雷达天线伺服跟踪系统，包括：雷达天线；测速电机和旋转变压器的检测装置；伺服电机为执行机构；控制器接收检测装置输出的数据和给定的期望角度值实现扰动观测、模型简化、模型控制以及执行机构的驱动，模型是指伺服电机的驱动电压和雷达天线的位置、角度、角速度关系的数学抽象。本发明专利技术主要应用于天线伺服跟踪系统的设计制造。

【技术实现步骤摘要】
基于自抗扰控制器的雷达天线伺服跟踪方法与系统
本专利技术涉及天线伺服跟踪系统
，特别是一种基于自抗扰控制器(ADRC)的雷达天线伺服跟踪方法与系统。
技术介绍
雷达天线伺服跟踪系统是一种驱动雷达天线转动的专用伺服系统。其基本的机械结构主要包括带动天线水平旋转的水平方位环路以及控制天线俯仰角度的俯仰环路。水平环路可以全方位自由旋转，而俯仰环路仅能在限定的范围内进行旋转。对于大部分的雷达天线伺服跟踪系统而言，其工作环境恶劣，尤其是机载和舰载伺服系统中，运行过程中的横滚、纵摇以及外部的强风、巨浪、温度的突然变化均会给系统的稳定性带来巨大冲击，此外俯仰环路的变化也会带来机械转矩的变化，进而影响水平环路的正常运转。以上所述因素均可能极大程度地影响系统的稳定性，甚至丢失目标。当前大多数伺服系统中所使用的算法主要是PID控制，这一算法简单，实施以及参数调节都很方便。但是使用PID控制的主要缺点在于由于PID的参数是固定的常数，这些参数无法根据外界扰动的变化和系统模型的变化自动地调节，因此当系统的扰动超过一定限度或者系统模型发生变化时，其控制的性能指标就会受到严重影响，甚至引起系统不稳定。当然，为解决这一问题也提出了很多先进的控制算法，主要策略就是动态地调节控制器参数，例如自适应控制，滑模控制等。然而这些算法大部分都依赖于精确的数学模型，而且控制算法复杂，在实际工程中很难实现。同时这些算法对于快变扰动的处理能力也十分有限。因此寻找一种能够动态地抑制或补偿外来扰动，且抗扰能力强，设计方法简单的控制算法应用于雷达天线伺服跟踪系统中是十分必要的。此外，对于常用的微控制器而言，其内部的程序都是顺序执行的，因此当其需要同时处理其他较为复杂的信息时，会带来很长的延时，引起控制命令的滞后，这会增加系统不稳定的可能性，对于特殊的目标无法锁定。此外，常用的微控制器不能够实现俯仰环路和水平环路的同步控制。而直接采用定制IC实现又会使得系统设计变得过于复杂。综上所述，采用一种可以并行处理的微处理芯片对于提升系统的稳定性和响应速度也有重要意义。
技术实现思路
为克服现有技术的不足，提供一种雷达天线跟踪伺服系统，用以实现对扰动的动态估计和补偿，提高系统的抗扰特性。此外，同时实现上位机的图形化人机交互界面，以便实时地观察系统所处的位置和发送模拟信号并命令下位机进行跟踪。为此，本专利技术采取的技术方案是，基于自抗扰控制器的雷达天线伺服跟踪系统，包括：雷达天线；测速电机和旋转变压器的检测装置，用于检测雷达天线的位置和角度状态信息；伺服电机为执行机构，用于对雷达天线的位置状态进行误差补偿；控制器接收检测装置输出的数据和给定的期望角度值实现扰动观测、模型简化、模型控制以及执行机构的驱动，模型是指伺服电机的驱动电压和雷达天线的位置、角度、角速度关系的数学抽象；控制器进一步包括扰动观测器和误差反馈环节，将模型不确定性和外部扰动的总和当作总扰动，将其作为被扩张的状态，通过扰动观测器观测得到，并通过扰动补偿对模型进行简化；误差反馈环节对扰动补偿后的简化的模型进行控制。扰动观测器为可参数化设计的扩张状态观测器ESO，观测系统状态和总扰动，把角速度ω以及控制器输出u作为ESO的输入，将模型不确定性和外部扰动的总和当作总扰动，总扰动的观测值作为ESO的输出，通过选取ESO的带宽ωo来确定参数k1、k2、k3，其中k1＝3ωo、k2＝3ωo2、k3＝ωo3，ESO的带宽ωo的选择需要低于系统噪声的最低频率。建立扩张状态观测器ESO观测模型状态和总扰动，把角速度ω以及控制器输出u作为ESO的输入，模型状态以及模型总扰动作为ESO的输出；ESO是三阶结构，是ADRC算法中观测器的实现，其具体形式如下：z1是角位置的观测值、z2是角速度的观测值、z3则是系统的总扰动f的观测值，z3会根据环境动态的改变而变化；k1-k6均为比例增益；与y经过加法器得到它经过增益k3后再积分可以得到z3，z3、b0u、k2(y-z1)三个量经加法器后再积分可以得到z2，其中b0是与伺服系统相关的一个常量参数的估计，y即为伺服系统的角速度ω，；z2、k1(y-z1)两个量经加法器后再积分可以得到z1；预设角度值依次经加法器4同相端、k4、加法器5同相端、加法器6同相端、加法器7同相端、增益b0、驱动伺服系统，伺服系统的角速度ω作为输出y输出到加法器1，伺服系统的输出角速度还通过k5反馈到加法器5反相输入端，z2通过k6反馈到加法器6反相输入端，z3反馈到加法器7反相输入端。通过ESO进行扰动观测和补偿，将模型简化为一个积分串联型模型，在此基础上加入误差反馈环节进行调节，参数k4、k5、k6根据控制器带宽ωc确定,选择其中k4＝ωc3、k5＝3ωc2、k6＝3ωc。伺服电机、测速电机和旋转变压器组成水平环路，其中伺服电机用于控制天线在水平方向自由旋转，测速电机主要用于伺服电机的速度检测，旋转变压器则是绝对位置检测元件，伺服电机、测速电机和旋转变压器通过齿轮连接在一起并成为一个整体；俯仰环路的组成与水平环路类似，但是俯仰环路不能够在0°～360°之间自由旋转，而是通过增加两个限位开关把伺服电机的旋转限位在水平位置±30°的范围内，两个额外的限位开关用于检测俯仰角是否达到相应的位置限制，对于机械系统中的信号线和电源线：水平环路是固定的，直接接通；而对于俯仰环路则采用滑环连接。控制器设置在可编程门阵列FPGA中，此外，FPGA中还另外设置有信号发送模块，信号采集模块、电机驱动模块以及串口通信模块，信号发送模块的用于采用直接数字合成(DDS)方式产生旋转变压器运行所需的激磁信号，激磁信号的幅值存储在FPGA的ROM中，FPGA通过周期性的改变ROM的地址来读取幅值信息，然后发送给DAC；数据采集模块主要用于在指定时刻采集旋转变压器的输出，采样时间通过判断激磁信号是否达到峰值而定，通过该过程完成旋转变压器输出信号的模拟量到数字量的转换；对于转换后的数字信号FPGA上采用反正切运算得到相应的角位置信息，电机驱动模块由H桥路芯片构成，通过调节输入H桥路芯片脉冲信号PWM占空比的方式来改变H桥路芯片的输出电压，从而控制伺服电机的转速；串口通信模块主要用于实现上位机和下位机之间命令和数据的收发功能。基于自抗扰控制器的雷达天线伺服跟踪方法，首先组建一个可以带动天线在水平方向和俯仰方向两个自由度转动的机械系统，在该机械系统中，对应环路的角速度、位置通过相应的传感器进行检测；其次是设计基于FPGA的控制电路，控制电路的基本功能是通过传感器对机械系统的位置和速度信号进行检测，实现机械系统的驱动；然后是建立包括机械系统和控制电路的数学模型；建立自抗扰控制器：将数学模型不确定部分和外部扰动的总和当作总扰动，将其作为被扩张的状态，通过观测器将总扰动与系统状态一并观测得到，用“总扰动”对数学模型进行补偿后得以简化；再对补偿后得以简化的的数学模型设计控制器，从而实现对所有不确定扰动的估计补偿；之后再根据所建立的模型设计自抗扰控制器，并依据相应的方法调节其参数从而取得良好的控制效果。建立数学模型、自抗扰控制器进一步具体为：数学模型的建立：从伺服系统输入到角速度输出的传递函数为：其中，ω,分别为角速度、角速度的微分以及二阶微分，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于自抗扰控制器的雷达天线伺服跟踪系统，其特征是，包括：雷达天线；测速电机和旋转变压器的检测装置，用于检测雷达天线的位置和角度状态信息；伺服电机为执行机构，用于对雷达天线的位置状态进行误差补偿；控制器接收检测装置输出的数据和给定的期望角度值实现扰动观测、模型简化、模型控制以及执行机构的驱动，模型是指伺服电机的驱动电压和雷达天线的位置、角度、角速度关系的数学抽象；控制器进一步包括扰动观测器和误差反馈环节，将模型不确定性和外部扰动的总和当作总扰动，将其作为被扩张的状态，通过扰动观测器观测得到，并通过扰动补偿对模型进行简化；误差反馈环节对扰动补偿后的简化的模型进行控制。

【技术特征摘要】
1.一种基于自抗扰控制器的雷达天线伺服跟踪系统，其特征是，包括：雷达天线；测速电机和旋转变压器的检测装置，分别用于检测伺服电机的速度和雷达天线的绝对位置；伺服电机为执行机构，用于对雷达天线的位置状态进行误差补偿；控制器接收检测装置输出的数据和给定的期望角度值实现扰动观测、模型简化、模型控制以及执行机构的驱动，模型是指伺服电机的驱动电压和雷达天线的位置、角速度关系的数学抽象；控制器进一步包括扰动观测器和误差反馈环节，将模型不确定性和外部扰动的总和当作总扰动，将其作为被扩张的状态，通过扰动观测器观测得到，并通过扰动补偿对模型进行简化；误差反馈环节对扰动补偿后的简化的模型进行控制；其中，建立扩张状态观测器ESO观测模型状态和总扰动，把角速度ω以及控制器输出u作为ESO的输入，模型状态以及总扰动的观测值作为ESO的输出；ESO是三阶结构，是ADRC算法中观测器的实现，其具体形式如下：z1是角位置的观测值、z2是角速度的观测值、z3则是系统的总扰动f的观测值，z3会根据环境动态的改变而变化；k1-k6均为比例增益；扩张状态观测器的输出C＝[100]，与y经过加法器1得到它经过增益k3后再积分可以得到z3，z3、b0u、k2(y-z1)三个量经加法器2后再积分可以得到z2，其中b0是与伺服系统相关的一个常量参数的估计，y即为伺服系统的角速度ω；z2、k1(y-z1)两个量经加法器3后再积分可以得到z1；预设角度值依次经加法器4同相端、k4、加法器5同相端、加法器6同相端、加法器7同相端、增益b0驱动伺服系统，伺服系统的角速度ω作为输出y输出到加法器1，伺服系统的输出角速度还通过k5反馈到加法器5反相输入端，z2通过k6反馈到加法器6反相输入端，z3反馈到加法器7反相输入端。2.如权利要求1所述的基于自抗扰控制器的雷达天线伺服跟踪系统，其特征是，扰动观测器为可参数化设计的扩张状态观测器ESO，观测系统状态和总扰动，把角速度ω以及控制器输出u作为ESO的输入，将模型不确定性和外部扰动的总和当作总扰动，模型状态以及总扰动的观测值作为ESO的输出，通过选取ESO的带宽ωo来确定参数k1、k2、k3，其中k1＝3ωo、k2＝3ωo2、k3＝ωo3，ESO的带宽ωo的选择需要低于系统噪声的最低频率。3.如权利要求2所述的基于自抗扰控制器的雷达天线伺服跟踪系统，其特征是，通过ESO进行扰动观测和补偿，将模型简化为一个积分串联型模型，在此基础上加入误差反馈环节进行调节，参数k4、k5、k6根据控制器带宽ωc确定,选择3＜n＜4，其中k4＝ωc3、k5＝3ωc2、k6＝3ωc。4.如权利要求1所述的基于自抗扰控制器的雷达天线伺服跟踪系统，其特征是，伺服电机、测速电机和旋转变压器组成水平环路，其中伺服电机用于控制天线在水平方向自由旋转，测速电机用于伺服电机的速度检测，旋转变压器则是绝对位置检测元件，伺服电机、测速电机和旋转变压器通过齿轮连接在一起并成为一个整体；俯仰环路的组成与水平环路类似，但是俯仰环路不能够在0°～360°之间自由旋转，而是通过增加两个限位开关把伺服电机的旋转限位在水平位置±30°的范围内，两个额外的限位开关用于检测俯仰角是否达到相应的位置限制，对于机械系统中的信号线和电源线：水平环路是固定的，直接接通；而对于俯仰环路则采用滑环连接。5.如权利要求1所述的基于自抗扰控制器的雷达天线伺服跟踪系统...

【专利技术属性】
技术研发人员：王一晶，朱志岐，李耀，左志强，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12