RCS測量雷達(dá)伺服控制問題淺析

江戈

（中國飛行試驗(yàn)研究院，陜西 西安 710089）

0 引言

在制導(dǎo)武器的攻防對抗中，從發(fā)現(xiàn)、跟蹤、識別、攔截直到殺傷目標(biāo)的過程,都牽涉到對目標(biāo)信號特征的研究。其中RCS(雷達(dá)散射截面)既是表征目標(biāo)對雷達(dá)波散射能力的量，又是頻率、極化、視向角等的函數(shù)，同時(shí)還是表述目標(biāo)電磁散射特性的一個(gè)基本參數(shù)，因此，如何精確獲取它十分重要。

影響RCS動(dòng)態(tài)測量精度的因素除頻率穩(wěn)定度、功率穩(wěn)定度、動(dòng)態(tài)范圍等指標(biāo)外，還有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的誤差、航跡與航姿記錄系統(tǒng)誤差、時(shí)間同步誤差等因素。而測量雷達(dá)引導(dǎo)控制問題同樣會影響測量精度，若飛行中目標(biāo)不在波束中心，則目標(biāo)的照射功率就有起伏，這和功率穩(wěn)定度的影響相似。RCS動(dòng)態(tài)測量還需滿足如下條件：

1)平面波近似:一般要求在目標(biāo)徑向和橫向上，入射場的變化在允許值之內(nèi)。幅度變化一般可以忽略，要求相位變化<π/8，即橫向尺寸為D的目標(biāo)距離必須大于遠(yuǎn)場距離：R＞,對于尺寸15米的目標(biāo)，波長3 cm時(shí)，遠(yuǎn)場距離為：15 km。

3)信噪比要求：雷達(dá)回波是背景與目標(biāo)回波場的矢量和，當(dāng)目標(biāo)的響應(yīng)小于背景噪聲，或具有同樣幅度量級，測量就會有明顯的誤差。所以若要測量精度為1 dB，信噪比需大于20 dB。

總之，RCS的飛行試驗(yàn)要求整個(gè)動(dòng)態(tài)測量系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，包括配套的搜索跟蹤雷達(dá)和引導(dǎo)拖動(dòng)系統(tǒng)。

1 雷達(dá)引導(dǎo)問題

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和現(xiàn)象

由于改造后的S/X雙波段測量雷達(dá)沒有搜索跟蹤功能，所以必須有指示目標(biāo)位置的引導(dǎo)設(shè)備：由C波段高精度航跡觀測雷達(dá)實(shí)時(shí)將目標(biāo)位置信息送給引導(dǎo)處理計(jì)算機(jī)，經(jīng)坐標(biāo)變換和時(shí)延修正，解算出測量雷達(dá)應(yīng)指向的角度，通過串口送給測量雷達(dá)的拖動(dòng)及數(shù)采計(jì)算機(jī)。系統(tǒng)方框如圖1所示。

由于S/X波段雷達(dá)只能輸出與輸入模擬信號，不能接受外部數(shù)字化引導(dǎo)信息，所以將S/X波段同步機(jī)信號通過同步數(shù)字變換器轉(zhuǎn)換成角度與引導(dǎo)角度相減得到誤差角，D/A轉(zhuǎn)換后輸出誤差電壓，再由信號調(diào)理單元放大后去控制S/X波段雷達(dá)指向目標(biāo)。

在實(shí)際使用中，發(fā)現(xiàn)S/X波段雷達(dá)偏離目標(biāo)較大角度時(shí)，天線不能穩(wěn)定下來，而是繞目標(biāo)點(diǎn)來回?cái)[動(dòng)，且幅度越來越大無法停止。另外在跟蹤過程中若目標(biāo)以較大角速度運(yùn)動(dòng)，就會丟失目標(biāo)。也就是說引導(dǎo)系統(tǒng)的穩(wěn)定性差。下面簡要分析S/X波段雷達(dá)天線控制系統(tǒng)，以了解系統(tǒng)傳遞函數(shù)的形式。

圖1 RCS測量雷達(dá)引導(dǎo)系統(tǒng)圖

1.2 系統(tǒng)傳遞函數(shù)

S/X波段雷達(dá)伺服控制系統(tǒng)是采用自整角機(jī)的位置隨動(dòng)系統(tǒng)，天線驅(qū)動(dòng)電機(jī)是無刷直流伺服電機(jī)，簡化的原理框如圖2所示。

確定各部分傳遞函數(shù)：

1)小角度差內(nèi)，自整角機(jī)的輸出電壓近似與失調(diào)角成正比，所以自整角機(jī)的傳遞函數(shù)為比例環(huán)節(jié)，即：

2)相敏放大器將交流誤差電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓，若相敏放大系數(shù)為Kp，濾波時(shí)間常數(shù)為Tp，則傳遞函數(shù)為：

圖2 雷達(dá)伺服控制系統(tǒng)原理圖

其中Ce是電機(jī)電動(dòng)勢系數(shù)，Tm是電機(jī)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)，T1是電樞回路的時(shí)間常數(shù)，一般很小。

5)減速器的輸入量是執(zhí)行電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n（或者角速度），單位r/min，輸出量為機(jī)械轉(zhuǎn)角θm（°），θm與n的關(guān)系為積分關(guān)系：若取時(shí)間t的單位為s，則為：取拉氏變換得到傳遞函數(shù)：Wg，減速器為積分環(huán)節(jié)，式中Kg=6/i為減速器的放大系數(shù)。

至此，除校正網(wǎng)絡(luò)以外的各環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)已知，設(shè)校正網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)為Wapr(s)。則系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：

位置隨動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，與校正網(wǎng)絡(luò)的選取有關(guān)，它可以決定系統(tǒng)屬于哪種類型。為簡單起見，可以將系統(tǒng)的傳遞函數(shù)簡寫為如下形式：

若位置調(diào)節(jié)器選用比例調(diào)節(jié)器，即Wapr(s)＝Kobj，則系統(tǒng)函數(shù)為W(s)=。這時(shí)位置隨動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)屬于Ⅰ型系統(tǒng)。如果位置調(diào)節(jié)器采用帶有積分環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)器，如I，PI或PID調(diào)節(jié)器時(shí)，系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)可以表示成W(s)=，位置隨動(dòng)系統(tǒng)就是一個(gè)Ⅱ型系統(tǒng)了。Ⅰ型和Ⅱ型系統(tǒng)是位置隨動(dòng)系統(tǒng)常用的兩種典型結(jié)構(gòu)，Ⅰ型系統(tǒng)對于位置輸入是無差的，對于加速度輸入不能適應(yīng)，稱為一階無差系統(tǒng)。

S/X波段雷達(dá)自身控制系統(tǒng)的反饋電路有兩個(gè)，反追擺電路和轉(zhuǎn)矩限制電路。反追擺電路用簡單測速電橋?qū)⑺欧姍C(jī)的反電勢反饋回輸入端，可視為比例環(huán)節(jié)；轉(zhuǎn)矩限制電路也可視為比例環(huán)節(jié)，所以S/X波段雷達(dá)應(yīng)屬于Ⅰ型系統(tǒng)。只要知道系統(tǒng)各環(huán)節(jié)參數(shù)，得到系統(tǒng)傳遞函數(shù)，即可選擇合適的校正網(wǎng)絡(luò)提高穩(wěn)定性。

2 問題解決途徑

2.1 動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)校正

S/X波段雷達(dá)在手動(dòng)和其他雷達(dá)同步機(jī)直接拖動(dòng)時(shí)是穩(wěn)定的，在控制計(jì)算機(jī)產(chǎn)生誤差信號輸入時(shí)出現(xiàn)前面提到的現(xiàn)象。所以應(yīng)在S/X波段雷達(dá)內(nèi)部接入校正電路或者在控制計(jì)算機(jī)內(nèi)實(shí)現(xiàn)數(shù)字校正網(wǎng)絡(luò)。這個(gè)辦法的難點(diǎn)是確定傳遞函數(shù)。由于S/X波段雷達(dá)技術(shù)說明書只介紹了控制系統(tǒng)工作原理，具體參數(shù)值（如伺服電機(jī)型號/時(shí)間常數(shù)）沒有列出，所以要想求出系統(tǒng)傳遞函數(shù)，可以用典型信號激勵(lì)系統(tǒng)并測量輸出來求得。

我們知道，衡量位置隨動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能的唯一指標(biāo)是穩(wěn)態(tài)誤差。穩(wěn)態(tài)誤差包括檢測元件引起的檢測誤差、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)和系統(tǒng)給定輸入信號引起的原理誤差，以及由負(fù)載變化等外部擾動(dòng)信號引起的擾動(dòng)誤差。其中，檢測誤差是不可避免的。系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)值Es與輸入信號有關(guān)，同時(shí)也和系統(tǒng)本身的開環(huán)傳遞函數(shù)W(s)有關(guān)，即和W(s)中所含的積分器個(gè)數(shù)有關(guān)，或者說和系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式有關(guān)，可以進(jìn)行串/并聯(lián)、前饋等校正。擾動(dòng)如風(fēng)吹天線、放大器飄移、電網(wǎng)電壓波動(dòng)等對Ⅱ型系統(tǒng)影響較弱，所以應(yīng)將系統(tǒng)校正為Ⅱ型系統(tǒng)。

2.2 提高數(shù)傳質(zhì)量

采樣頻率的選擇對系統(tǒng)的性能有重大影響。采樣頻率低了，不僅會帶來較大的誤差，而且會使動(dòng)態(tài)品質(zhì)變壞，甚至可能引起不穩(wěn)定。假設(shè)系統(tǒng)輸入信號的最大頻率為f，采樣頻率fs≥2f。但實(shí)際上這還是不夠的，這只是給出了采樣頻率的一個(gè)下限。采樣頻率也不能太高，以至于計(jì)算機(jī)完不成計(jì)算，或者伺服機(jī)構(gòu)來不及響應(yīng)。一般要求為雷達(dá)伺服系統(tǒng)帶寬的5－10倍，甚至稍大于10倍為宜。或者說大于開環(huán)截止頻率的10倍以上。之所以要使它大于10倍帶寬，其基本出發(fā)點(diǎn)在于將本質(zhì)上是離散時(shí)間系統(tǒng)的微機(jī)控制系統(tǒng)，近似為連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)，即零階保持器在這種情況下相位滯后很小，以至可以忽略。

本系統(tǒng)的同步數(shù)字轉(zhuǎn)換器采樣頻率為20次/秒，S/X波段系統(tǒng)閉環(huán)帶寬為方位角5-12弧度/秒，俯仰角3-10弧度/秒，<2 Hz，可以滿足。但引導(dǎo)數(shù)據(jù)速率不均勻，誤碼較多，造成影響很大?？梢圆捎霉饫w傳輸，以提高數(shù)據(jù)線路的抗干擾能力。

2.3 控制算法改進(jìn)

一種理想的控制情形如下：雷達(dá)天線以最大加速度啟動(dòng)，達(dá)到最大速度向目標(biāo)位置移動(dòng)，接近時(shí)以最大速度減速并停止在目標(biāo)位置。要實(shí)現(xiàn)這樣的控制，可采用分段法（或BangBang控制）：將誤差分為大、中、小三個(gè)區(qū)，在大誤差區(qū)輸出最大控制信號，在中區(qū)設(shè)減速段，輸出相反的控制量減速。在小誤差區(qū)輸出正常控制量。

這種算法需摸清系統(tǒng)的響應(yīng)特性，必須通過不斷的試驗(yàn)改進(jìn)。

此外可采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等先進(jìn)算法，專家控制器、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器、模糊控制器是三種典型的智能控制方法。由于專家系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中有較多的問題和困難，目前智能控制主要集中在模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制應(yīng)用上，特別是兩者的結(jié)合－模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

從上文的分析可知，常規(guī)的控制方法主要針對集中參數(shù)的線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，要求對象必須可量化，且各種量化參數(shù)的關(guān)系能夠用微分方程或差分方程來描述，其顯著特點(diǎn)是控制系統(tǒng)過分依賴于數(shù)學(xué)解析的方法和控制系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型。然而，現(xiàn)代系統(tǒng)的復(fù)雜性、測量的不準(zhǔn)確性以及系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的不確定性，使得采用經(jīng)典控制理論解決復(fù)雜的實(shí)際問題時(shí)顯得無能為力。而智能控制就是將人工智能與控制理論結(jié)合起來，完成更高級的控制功能，主要是應(yīng)用專家系統(tǒng)、模糊控制及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論等來實(shí)現(xiàn)自學(xué)習(xí)或自組織控制。

3 結(jié)語

通過對RCS動(dòng)態(tài)測量系統(tǒng)的深入分析，得到測量雷達(dá)傳遞函數(shù)為I型系統(tǒng)。從傳遞函數(shù)矯正、伺服帶寬、引導(dǎo)數(shù)據(jù)傳輸、控制算法角度討論了問題的解決途徑，經(jīng)后續(xù)使用驗(yàn)證，上述解決方法都是可行有效的。

[1]李連生等.現(xiàn)代雷達(dá)伺服控制[M].北京：國防工業(yè)出版社,1987.

[2]劉世挺.雷達(dá)伺服控制技術(shù)的新發(fā)展[J].火控雷達(dá)技術(shù),2002,31:33-35.