天氣雷達天線伺服控制系統(tǒng)研究

喬建江

(中國電子科技集團公司第54所,河北石家莊 050081)

天氣雷達天線伺服控制系統(tǒng)研究

喬建江

(中國電子科技集團公司第54所,河北石家莊 050081)

介紹了某天氣雷達天線伺服控制系統(tǒng)的設計,提出了解決伺服帶寬的方法:伺服系統(tǒng)環(huán)路設計中采用凹口濾波器技術、串聯(lián)滯后補償網(wǎng)絡、加速度負反饋技術和復合控制技術來抑制伺服系統(tǒng)結構諧振頻率進而提高伺服系統(tǒng)帶寬;采用Bang-Bang控制技術加快系統(tǒng)快速性,較好的解決了伺服控制系統(tǒng)設計中系統(tǒng)快速性和系統(tǒng)穩(wěn)定性的問題;實際應用表明,該天線伺服控制系統(tǒng)設計方案是合理的成功的。

凹口濾波器;Bang-Bang控制;復合控制;加速度負反饋

0 引言

一般的高精度天線伺服控制系統(tǒng)要求有定位和等速跟蹤功能,定位控制精度高,響應快,等速跟蹤平穩(wěn)。而在我們設計的伺服控制系統(tǒng)中,天線的轉動要求伺服控制系統(tǒng)快速無超調(diào)進行大角度調(diào)轉、定位精度高,而且伺服系統(tǒng)要具有多種快速掃描方式:水平掃描、垂直掃描以及快速定位等。這些都將對伺服系統(tǒng)的環(huán)路設計提出更高的要求。本文主要就是對該天線伺服控制系統(tǒng)環(huán)路中的幾個關鍵部分方案進行探討和分析。

1 伺服帶寬分析

伺服帶寬是天線伺服控制系統(tǒng)中很重要的一項指標,它反映了天線跟隨目標的能力。對于大型天線伺服系統(tǒng)來說,伺服帶寬及其穩(wěn)定裕度主要受天線座結構諧振頻率及其阻尼系數(shù)所制約?？梢?提高天線座結構諧振頻率和阻尼系數(shù)就能提高伺服系統(tǒng)的帶寬及其穩(wěn)定裕度。

天線座的結構諧振頻率計算公式[1]為:

式中,fL為結構諧振頻率;K為傳動鏈剛度; J為天線系統(tǒng)轉動慣量。

由式(1)可以看出,增加伺服系統(tǒng)的傳動鏈剛度或者減少天線系統(tǒng)的轉動慣量,都可以提高天線座結構諧振頻率。但是,增加天線座的剛度K必然導致天線系統(tǒng)轉動慣量的增加,同樣,減少天線系統(tǒng)的轉動慣量,必然導致剛度K的降低。由此分析可見,在工程設計中很難把天線座的剛度K和轉動慣量J都設計成最佳值,從而使天線座結構諧振頻率做得很高。根據(jù)參考文獻[1]中的國際公認的經(jīng)驗公式:

其中,D為天線直徑;fL為天線座結構諧振頻率。

我們設計的天線的口徑為8.54m,按照式(2)進行估算,天線的結構諧振頻率應該在4.7Hz～7Hz之間。要想設計出大于7Hz的天線座結構諧振頻率,是十分困難的。實際上根據(jù)文獻[1]可知:

其中,ωβ伺服帶寬;ωz組合諧振頻率;ξz系統(tǒng)結構阻尼系數(shù)。

由式(3)可知在天線座的結構諧振頻率不能進一步提高的情況下,在伺服系統(tǒng)電氣上可以采取措施,來抑制天線座諧振頻率的峰值,從而等效提高天線座的阻尼系數(shù),進而提高伺服系統(tǒng)帶寬及伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度。展寬伺服系統(tǒng)帶寬可提高伺服系統(tǒng)的暫態(tài)性能。由于本天線伺服控制系統(tǒng)是實時數(shù)引系統(tǒng),這樣跟蹤環(huán)路中沒有自跟蹤接受機輸出的噪聲,因而可以在結構機械諧振頻率允許的條件下盡量展寬伺服系統(tǒng)的帶寬。

2 系統(tǒng)環(huán)路結構圖

伺服控制系統(tǒng)的任務是采取各種控制策略,快速、準確、穩(wěn)定、可靠地跟蹤目標,使天線伺服系統(tǒng)的天線座架的機械軸隨控制指令運動,并能使天線的電軸始終對準目標,完成各項任務,并確保天線伺服系統(tǒng)安全、可靠、長期穩(wěn)定地工作。天線伺服系統(tǒng)結構如圖1所示。由圖1可見,天線伺服系統(tǒng)為一開、閉環(huán)復合控制系統(tǒng)。

圖1 天線伺服系統(tǒng)環(huán)路結構圖

3 系統(tǒng)設計

3.1 凹口濾波器技術提高系統(tǒng)帶寬

在伺服傳動機構中,往往由于傳動剛度不夠,以及負載慣量大導致天線座結構諧振頻率偏低并且阻尼系數(shù)小,這樣就影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性及精度。為保證伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性,系統(tǒng)需要足夠的穩(wěn)定裕度,一般要求幅值裕度大于6dB,但在大型天線伺服位置回路中,結構諧振環(huán)節(jié)的諧振阻尼很小,在諧振頻率處的諧振峰很高,以致限制了伺服系統(tǒng)位置環(huán)路的帶寬,為此改善系統(tǒng)性能,需要在位置環(huán)路正向通道中加入一個凹口濾波電路來抵消諧振環(huán)節(jié)的峰值以平滑系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性,提高位置回路的頻帶寬度。在我們設計的伺服環(huán)路系統(tǒng)中采用的提高阻尼系數(shù)的方法就是在伺服系統(tǒng)位置環(huán)路中串聯(lián)凹口濾波器電路,使凹口頻率對準系統(tǒng)結構諧振的頻率,這樣,結構諧振的峰值就會大大降低,由公式(3)可以知道,等效地提高了結構諧振的阻尼系數(shù),進而等效的提高了伺服系統(tǒng)的帶寬。在伺服系統(tǒng)的位置環(huán)中引入凹口濾波器電路,其傳遞函數(shù)如下:

在伺服驅動系統(tǒng)中,諧振參數(shù)如諧振幅度、諧振頻率和諧振帶寬很容易通過頻率響應波伯德圖上得到,所以設計參數(shù)是凹口衰減度d、凹口頻率ω0(弧度/秒)、凹口帶寬b(弧度/秒),衰減度d=ξ1/ξ2,我們設計的凹口濾波器的衰減度為10,即ξ1=0.2,ξ2=2。

文獻[2]中已經(jīng)詳細介紹了該凹口濾波器的特性,這里不在介紹。文獻[2]中指出伺服系統(tǒng)中引入凹口濾波器,不影響原伺服系統(tǒng)除凹口點以外的開環(huán)對數(shù)幅頻特性。凹口濾波器只在天線結構諧振頻率點處出現(xiàn)一個凹口,這樣就有效的抑制了天線座結構諧振的峰值,等效地提高了天線座結構諧振頻率的阻尼系數(shù)值,使伺服的穩(wěn)定裕度特別是幅頻的穩(wěn)定裕度增加很多,取得了令人滿意的效果。

在實際系統(tǒng)應用中,針對出現(xiàn)天線座結構諧振,影響整個系統(tǒng)的工作現(xiàn)象,經(jīng)過分析測試后,找到了諧振頻率點為5.68Hz,我們在伺服系統(tǒng)速度環(huán)的主回路中引入了兩個凹口濾波器分別在諧振頻率的兩邊,一個為f1=5.2Hz,另一個為f2=6.2Hz,這樣設計凹口濾波器的目的是使凹口濾波器既具有一定的深度又具有一定的寬度,并且中心頻率正好在5.7Hz,較好的解決了天線座的結構諧振,提高了系統(tǒng)伺服帶寬,增加了天線系統(tǒng)工作穩(wěn)定性。

3.2 加速度負反饋提高系統(tǒng)帶寬

使用凹口濾波器雖然補償系統(tǒng)結構諧振頻率有一定的效果,但是他有較高的品質(zhì)因數(shù)并且相移比較陡,伺服系統(tǒng)的參數(shù)發(fā)生變化時,凹口濾波器就難以適從。所以僅僅靠使用凹口濾波器提高伺服系統(tǒng)帶寬是不夠的,應盡可能提高帶寬。加速度負反饋的方法,可以改善了系統(tǒng)的靜態(tài)精度和動態(tài)品質(zhì)。由圖(1)的系統(tǒng)結構圖可以看出,設計的伺服系統(tǒng)環(huán)路在速度環(huán)內(nèi)多了一個加速度環(huán)。這是由于考慮到伺服系統(tǒng)的傳動鏈剛度可能不足,會使伺服系統(tǒng)的帶寬以及伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性能受到很大的影響,所以在設計伺服系統(tǒng)的環(huán)路時采用了速度微分反饋即把加速度負反饋引入伺服環(huán)路中,來抑制天線轉動過程中超調(diào),等效提高伺服系統(tǒng)阻尼系數(shù),進而等效提高伺服系統(tǒng)帶寬。加速度負反饋是在測速反饋環(huán)之內(nèi)。

從物理概念上看,當被調(diào)量還沒有變化只是有了變化的趨勢時,其微分量就已經(jīng)起著負反饋的作用了。在減小超調(diào)的同時,也有效抑制振蕩產(chǎn)生;從自動控制原理講,加入了一個微分環(huán)節(jié),系統(tǒng)傳遞函數(shù)就增加一個零點,降低了系統(tǒng)的階數(shù),可使系統(tǒng)成為不振蕩型。

應該注意:由于測速機紋波輸出電壓紋波的影響,可導致伺服系統(tǒng)不能正常工作。采用加速度負反饋時,應該盡量選用紋波電壓小的測速機。

3.3 Bang-Bang控制技術

在設計的大型天線伺服系統(tǒng)中,天線大角度失調(diào)時需要快速調(diào)轉并且無超調(diào)?？焖傩允谴笮吞炀€伺服系統(tǒng)的重要指標,但是由于天線大角度調(diào)轉的時間占天線系統(tǒng)反應時間的一大部分,所以如果僅僅采用傳統(tǒng)的控制策略,系統(tǒng)將不能正常的工作?，F(xiàn)代伺服系統(tǒng)多采用多環(huán)路體制,這種環(huán)套結構使系統(tǒng)位置環(huán)帶寬降低了。為適應更高的要求將Bang-Bang控制原理在數(shù)字控制中實現(xiàn),并用于大角度快速調(diào)轉是很有意義的?？刂妻D換準則可根據(jù)系統(tǒng)誤差和速度大小來決定。當系統(tǒng)誤差大于誤差門限時,采用Bang-Bang控制非線性技術,而當系統(tǒng)誤差小于誤差門限時,系統(tǒng)采用線性控制技術。工程實際中,僅采用誤差準則來判斷,出現(xiàn)系統(tǒng)過早進入線性控制區(qū)后,發(fā)生在線性區(qū)和非線性區(qū)控制的多次轉換,所以僅靠誤差準則是不能發(fā)揮Bang-Bang控制技術的優(yōu)點的。所以我們在線性非線性的轉換中也采用速度轉換準則,就是在一定的速度下進入線性控制區(qū)后,不再發(fā)生線性和非線性控制的雙模式相互多次切換。圖2給出了控制命令曲線。

圖2 Bang-Bang控制的時間和命令波形

3.4 復合控制提高系統(tǒng)無靜差度

從上述可知,在伺服系統(tǒng)中不能進一步提高結構諧振頻率,可以采用凹口濾波器技術抑制結構諧振頻率提高伺服帶寬,采用加速度負反饋技術提高阻尼系數(shù)來等效提高伺服帶寬等方法,但是這些方法還是不能夠滿足系統(tǒng)的要求,選擇前饋控制是不錯的選擇。前饋控制是在反饋控制的基礎上,將控制信號的微分作為輸入信號加到伺服系統(tǒng)中,既通過偏差信號。又通過前饋控制信號對被控對象進行控制,故稱復合控制。為使系統(tǒng)滿足一定的動態(tài)和靜態(tài)要求,我們在伺服系統(tǒng)中加入了前饋控制,其傳遞函數(shù)為 G1(S)為滿足不變性原理設計一前饋網(wǎng)絡,其傳遞函數(shù)為G2(S),此時伺服系統(tǒng)的方框圖如圖3所示。

圖3 復合控制方框圖

由圖3可知其傳遞函數(shù)為:

則說明被控伺服系統(tǒng)的輸出信號完全復現(xiàn)了輸入信號,系統(tǒng)誤差等于零,系統(tǒng)實現(xiàn)了完全不變性,這是理想的情況。但我們可以做到前饋增益等于速度環(huán)增益的倒數(shù),使系統(tǒng)實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)不變性,使伺服系統(tǒng)從一階無靜差系統(tǒng)提高到了二階無靜差系統(tǒng),提高系統(tǒng)的精度,大大降低了系統(tǒng)的動態(tài)滯后誤差。

3.5 串聯(lián)滯后補償網(wǎng)絡技術

由文獻[1]我們知道,天線座的結構諧振使系統(tǒng)不穩(wěn)定通常是由于系統(tǒng)的幅度裕度不夠引起的,而不是相位裕度。因此在伺服系統(tǒng)的環(huán)路中串聯(lián)一個滯后的慣性環(huán)節(jié)。

只要該環(huán)節(jié)的時常數(shù)選擇適當,就可以提高伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性。該慣性環(huán)節(jié)的引入雖然它產(chǎn)生了附加相移,但衰減了諧振處的峰值增益,提高了伺服系統(tǒng)的幅度貯備。串聯(lián)慣性環(huán)節(jié)對原伺服系統(tǒng)動態(tài)特性幾乎無影響,而且對頻率為f=1/T0的結構諧振信號卻起到了衰減作用,而且諧振頻率越高慣性環(huán)節(jié)對其衰減作用就越大。

圖4 串聯(lián)慣性環(huán)節(jié)的天氣雷達伺服系統(tǒng)結構圖

4 結束語

本文介紹的各種抑制天線座諧振頻率的方法,在我國新一代多普勒天氣雷達天線伺服系統(tǒng)的設計中都得到采用,并且已經(jīng)在幾十套天線伺服系統(tǒng)中進行了工程驗證,方案切實可行,大大抑制了天線座結構諧振頻率峰值,展寬了伺服系統(tǒng)的頻帶寬度,取得了令人滿意的效果,大大提高了天線伺服控制系統(tǒng)工作的可靠性。

[1] 吳風高等.天線座結構設計[M].西安:國防工業(yè)出版社.

[2] 萬澤.凹口濾波器技術在天氣雷達伺服系統(tǒng)中的應用[J].無線電工程.2004,34(11):40-42.

[3] 秦繼榮.現(xiàn)代直流伺服系統(tǒng)設計[M].北京:機械工業(yè)出版社,1996.

The research on weather radar an tenna servo con trol system

QIAO Jian-jiang

(The54th Research Institude of CETC,Shijiazhuang Hebei050081,China)

The design fo r one kind of w eather radar antenna servo control system w as p resented.A nd some solutions for the servo bandw idth are p rovided here:Notch filer technique,Serial lag compensato ry netwo rk,Acceleration Negative Feedback and Compound Contro l w ere adop ted in loop circuit design to restrain the machinery resonance of servo control system and then imp rove the servo system bandw idth.The Bang-Bang controlwas app lied here to imp rove the dynamic performance.This kind of design solved the p roblem s for system speediness and stability.In p ractical app lications,this design w as also p roved to be reasonable and successful.

Notch filer;Bang-Bang Control compound control;Acceleration negative feedback

TN820.3

:A

1001-9383(2010)04-0038-05

2010-08-30

喬建江(1974-),男,碩士,工程師,主要從事天線伺服控制系統(tǒng)的設計與研究.