雷達(dá)伺服系統(tǒng)的高跟蹤精度改進(jìn)型自抗擾控制器

姜仁華 劉闖 寧銀行 謝洋

Abstract：In order to solve the problem that tracking accuracy of radar servo system is affected by the disturbance quantity of airborne platform and the acceleration of object， the improved auto-disturbance-rejection control （I-ADRC） method， with high tracking precision， is proposed. Considering more disturbance factors of airborne radar platform， such as the mechanical vibration， airflow， environment temperature， and attitude change of airborne， the model compensation method was introduced in the I-ADRC to reduce the load for extended state observer （ESO）， which overcomes the observation accuracy decrease for the ESO caused by the large disturbance in traditional ADRC. Moreover， in the I-ADRC， the feed-forward compensation of acceleration was also adopted to eliminate the model error of servo system resulted from the acceleration of maneuvering target. Compared with traditional PI control， the airborne radar servo system with the proposed I-ADRC show its more high accuracy and more strong anti-interference， and the system can quickly track the target in the state of acceleration.

Keywords：airborne radar servo system; platform disturbance; acceleration; auto-disturbance-rejection control; model compensation; feed-forward compensation

0 引 言

位置伺服系統(tǒng)是機載雷達(dá)的重要組成部分，其控制性能的好壞直接影響雷達(dá)的目標(biāo)探測實時性和穩(wěn)定性等性能。在雷達(dá)進(jìn)行目標(biāo)跟蹤時，伺服機構(gòu)易受到載機姿態(tài)、振動、氣流等外部干擾及目標(biāo)位置隨動的影響，因此雷達(dá)位置伺服系統(tǒng)應(yīng)具有高靜態(tài)穩(wěn)定性、動態(tài)響應(yīng)能力，以及較強的抗擾動能力[1-2]。傳統(tǒng)雷達(dá)位置伺服系統(tǒng)的控制仍以PID控制為主，PID控制雖然結(jié)構(gòu)簡單，但針對機動目標(biāo)位置跟蹤時，存在跟蹤滯后，同時易受外部擾動的影響。隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭目標(biāo)機動能力的提升，傳統(tǒng)PID控制難以滿足高性能跟蹤要求[3]。近年來，隨著微處理器和現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，非線性PID控制[4-6]、滑模變結(jié)構(gòu)控制[7]和時間最優(yōu)控制[8-9]等多種先進(jìn)控制策略應(yīng)用于位置伺服系統(tǒng)中，但由于控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜或系統(tǒng)功率受限等問題，限制了在雷達(dá)伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用。

韓京清研究員在分析了PID控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了一種自抗擾控制（active disturbance rejection control， ADRC）新型非線性控制方法，該控制方法具有良好的動/靜態(tài)特性，利用擴張狀態(tài)觀測器對內(nèi)外部負(fù)載擾動進(jìn)行提前觀測和補償，具有良好的魯棒性[10-13]。自抗擾控制技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于位置伺服系統(tǒng)各種控制領(lǐng)域[14-17]，并達(dá)到了很好的抗擾動性能。但是，在機載雷達(dá)伺服系統(tǒng)中進(jìn)行目標(biāo)航跡跟蹤時，伺服系統(tǒng)受載機平臺擾動及目標(biāo)加速度等因素影響，擴張狀態(tài)觀測器觀測的擾動量變化幅度大，觀測器負(fù)擔(dān)重，難以保證擾動量獲得很高的估計精度，且跟蹤雷達(dá)的主瓣波束一般較窄，導(dǎo)致動態(tài)滯后過大而使目標(biāo)超出雷達(dá)的主瓣波束寬度，造成目標(biāo)丟失[18]。文獻(xiàn)[19-20]采用模型補償自抗擾控制器，將擾動中的已知部分分離出來以降低擴張狀態(tài)觀測器觀測的擾動量幅度，提高觀測精度。文獻(xiàn)[21]在采用模型補償應(yīng)用與二階自抗擾控制器的基礎(chǔ)上，引入輸入微分前饋補償自抗擾控制器的建模誤差，通過仿真和實驗驗證減少了時變速度輸入的跟蹤誤差。

針對機載雷達(dá)伺服系統(tǒng)工作環(huán)境特點，在借鑒文獻(xiàn)[19-21]設(shè)計思路的基礎(chǔ)上，將模型補償自抗擾控制方法應(yīng)用于跟蹤雷達(dá)位置伺服系統(tǒng)中，提出了一種基于改進(jìn)型模型補償?shù)淖钥箶_控制方法，將系統(tǒng)已知擾動通過計算分離出來，降低觀測器的估計幅度，提高估計精度，同時針對目標(biāo)位置角加速度問題，通過輸入前饋補償?shù)姆绞较Ｕ`差，提高對機動目標(biāo)的跟蹤精度。最后在某型雷達(dá)伺服產(chǎn)品中進(jìn)行了實驗驗證，提高了載機的作戰(zhàn)效能，具有較大的軍事和經(jīng)濟意義。

1 機載雷達(dá)伺服系統(tǒng)模型

以雷達(dá)伺服系統(tǒng)方位軸向控制為研究對象，方位軸向系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型如圖1所示。

5 結(jié) 論

將自抗擾控制技術(shù)應(yīng)用于機載雷達(dá)位置伺服系統(tǒng)中，由于載機平臺對伺服系統(tǒng)擾動較大，通過模型補償?shù)姆绞浇档蛿U張狀態(tài)觀測器擾動觀測量，提高擾動估計精度，通過前饋補償?shù)姆绞揭霗C動目標(biāo)的加速度信號，減少自抗擾控制建模誤差，從而提高系統(tǒng)的對機動目標(biāo)的跟蹤精度。實驗表明，采用改進(jìn)型自抗擾控制器的雷達(dá)伺服系統(tǒng)，相對于傳統(tǒng)ADRC控制和模型補償ADRC控制，在勻速掃描和目標(biāo)跟隨過程中，伺服系統(tǒng)的跟隨精度有明顯的提高，有效地抑制了載機平臺擾動和目標(biāo)機動加速度對雷達(dá)伺服系統(tǒng)的影響，提高了系統(tǒng)的抗干擾性和跟隨精度。

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（編輯：邱赫男）