雷達(dá)天線控制系統(tǒng)頻域辨識與仿真方法研究

王錚 付佳

【摘要】 本文主要針對當(dāng)前雷達(dá)天線系統(tǒng)仿真動態(tài)效果差、滯后誤差大等問題，從頻域辨識和仿真分析兩個方面著手，采用最小二乘法和增廣矩陣法對控制系統(tǒng)仿真進(jìn)行優(yōu)化與完善，以此來為日后此方面的研究工作提供一定的參考依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】 雷達(dá)天線控制系統(tǒng) 頻域辨識 仿真方法

近年來，電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及自動化技術(shù)的廣泛應(yīng)用使得雷達(dá)天線控制系統(tǒng)得到了進(jìn)一步完善，大幅度提升了追蹤精度。盡管如此，在目前系統(tǒng)仿真中卻仍然存在一些有待解決的問題直接影響了控制系統(tǒng)的應(yīng)用效果，因此，采取有效的方法將這些問題解決勢在必行，需要引起相關(guān)部門的高度重視。

一、雷達(dá)天線控制系統(tǒng)頻域辨識

1.1雷達(dá)天線控制系統(tǒng)模型構(gòu)建

為了使本次研究更具參考價值，在研究對象的選擇上，筆者選用了小型天線精密跟蹤雷達(dá)，此類雷達(dá)在對天線控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的時候，通常采用三閉環(huán)負(fù)反饋控制模式，分別為電流環(huán)反饋、速度環(huán)反饋和位置換反饋。在該模式下，系統(tǒng)控制無論是方位支路還是俯仰支路，其控制模式都是一樣的，所以，文章在進(jìn)行頻域辨識的時候，主要以方位支路為主，通過完成數(shù)字仿真，達(dá)到快速仿真的目的。

1.2系統(tǒng)頻域辨識方法

想要從根本上實(shí)現(xiàn)天線控制系統(tǒng)快速仿真，首要任務(wù)就是獲得系統(tǒng)模型。由于本文所研究的小型天線精密跟蹤雷達(dá)在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上比較復(fù)雜，且元件繁多，所以，在頻域辨識中若選擇的方法不科學(xué)，很容易產(chǎn)生負(fù)載效果和積累誤差。為了避免上述問題發(fā)生，本次研究采用的是系統(tǒng)辨識建模方法。具體實(shí)施過程中，首先要獲取真實(shí)、可靠的系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)獲取之后，就可以利用系統(tǒng)的頻率特性來辨識系統(tǒng)，常用的方法主要有三種，即估計(jì)逼近法、子空間法和最小二乘法。其中，最常用的方法就是最小二乘法，該方法不僅程序簡單、運(yùn)算量小，而且辨識結(jié)果精準(zhǔn)，具有參考性。

利用最小二乘法進(jìn)行頻域辨識的時候，我們將試驗(yàn)信號的幅度設(shè)定為5V，低頻頻率w變化范圍設(shè)定為：0-150rad/s，并在此基礎(chǔ)上以對數(shù)幅度和輸入測試信號頻率為幅頻特性的縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)。為了提高辨識的準(zhǔn)確性，筆者在坐標(biāo)曲線上采集了15個測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分析結(jié)果表明，辨識模型的結(jié)果與實(shí)際測試數(shù)據(jù)對比效果十分?jǐn)M合，說明該辨識模型具有較高的精準(zhǔn)度。由此可見，采用最小二乘法進(jìn)行雷達(dá)天線控制系統(tǒng)頻域辨識，可以有效解決系統(tǒng)滯后誤差大這一問題，為后續(xù)仿真工作的開展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

二、雷達(dá)天線控制系統(tǒng)仿真方法

控制系統(tǒng)完成頻域辨識之后，接下來就是開展系統(tǒng)仿真。在雷達(dá)天線控制系統(tǒng)仿真階段，為了能夠順利實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)快速仿真，提高仿真的實(shí)效性與真實(shí)性，本次研究盡可能從現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的角度出發(fā)，采用增廣矩陣仿真方法進(jìn)行研究。所謂增廣矩陣，主要指的是在原有系數(shù)矩陣的基礎(chǔ)上，在右邊加入新的一列，這一列是線性方程組的等號右邊的值。利用增廣矩陣進(jìn)行系統(tǒng)仿真，首先我們要確定系統(tǒng)控制信號產(chǎn)生的響應(yīng)，結(jié)合小型天線精密跟蹤雷達(dá)的特點(diǎn)，我們將輸入信號的階躍響應(yīng)作為控制信號響應(yīng)。具體算法原理如下：

上述公式表述的是一個單輸入—單輸出的連續(xù)系統(tǒng)的函數(shù)，通過相應(yīng)轉(zhuǎn)換，我們可以得到A、B、C三個矩陣，分別為系統(tǒng)矩陣、輸入矩陣和輸出矩陣。對于三類矩陣的運(yùn)算，本次研究主要采用蒙特卡洛仿真方法，其過程大致分為7個步驟：（1）將系統(tǒng)傳遞函數(shù)模型轉(zhuǎn)化為狀態(tài)空間方程，轉(zhuǎn)換后可得出以下三個等式：x（t）=Ax（t）+Bu（t）、y（t）=Cx（t）、x（0）=x0；（2）對A、B、C三類矩陣進(jìn)行科學(xué)設(shè)定，即A為增廣狀態(tài)矩陣、B為增廣輸入矩陣、C為增廣輸出矩陣；（3）在上述基礎(chǔ)上形成增廣矩陣；（4）設(shè)定仿真步長T為0.0015s、最大仿真步數(shù)N為200，以及計(jì)eAT；（5）計(jì)算xn+12yn+1；（6）仿真到步數(shù)N（7）輸出仿真步數(shù)yn+1。為了提高仿真結(jié)果的可靠性，本次研究共進(jìn)行了400次相同條件下增廣矩陣法仿真。矩陣運(yùn)算完成之后，根據(jù)運(yùn)算結(jié)果我們可以得出，當(dāng)雷達(dá)天線控制系統(tǒng)在0.18s左右的時候，整體系統(tǒng)的運(yùn)行便可以處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，各項(xiàng)性能指標(biāo)也可以滿足要求。由此可見，這種仿真方法可以順利完成系統(tǒng)快速仿真，且具有較好效果。與此同時，也驗(yàn)證了數(shù)字仿真方法的正確性與有效性，提高了仿真結(jié)果的可信度。結(jié)語：從本文的分析我們能夠看出，作為雷達(dá)的重要組成部分，天線控制系統(tǒng)性能的高低直接影響著雷達(dá)的追蹤精度。所以，提高天線控制系統(tǒng)性能，優(yōu)化系統(tǒng)仿真技術(shù)至關(guān)重要，文章中采用的最小二乘法和增廣矩陣法不僅能夠簡單有效的實(shí)現(xiàn)頻域辨識，而且對高效仿真目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)也具有現(xiàn)實(shí)意義。同時，上述兩種方法的應(yīng)用對日后復(fù)雜雷達(dá)仿真系統(tǒng)的研究也具有一定的參考價值。

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