乔建江

(中国电子科技集团公司第54所,河北石家庄 050081)

天气雷达天线伺服控制系统研究

乔建江

(中国电子科技集团公司第54所,河北石家庄 050081)

介绍了某天气雷达天线伺服控制系统的设计,提出了解决伺服带宽的方法:伺服系统环路设计中采用凹口滤波器技术、串联滞后补偿网络、加速度负反馈技术和复合控制技术来抑制伺服系统结构谐振频率进而提高伺服系统带宽;采用Bang-Bang控制技术加快系统快速性,较好的解决了伺服控制系统设计中系统快速性和系统稳定性的问题;实际应用表明,该天线伺服控制系统设计方案是合理的成功的。

凹口滤波器;Bang-Bang控制;复合控制;加速度负反馈

0 引言

一般的高精度天线伺服控制系统要求有定位和等速跟踪功能,定位控制精度高,响应快,等速跟踪平稳。而在我们设计的伺服控制系统中,天线的转动要求伺服控制系统快速无超调进行大角度调转、定位精度高,而且伺服系统要具有多种快速扫描方式:水平扫描、垂直扫描以及快速定位等。这些都将对伺服系统的环路设计提出更高的要求。本文主要就是对该天线伺服控制系统环路中的几个关键部分方案进行探讨和分析。

1 伺服带宽分析

伺服带宽是天线伺服控制系统中很重要的一项指标,它反映了天线跟随目标的能力。对于大型天线伺服系统来说,伺服带宽及其稳定裕度主要受天线座结构谐振频率及其阻尼系数所制约。可见,提高天线座结构谐振频率和阻尼系数就能提高伺服系统的带宽及其稳定裕度。

天线座的结构谐振频率计算公式[1]为:

式中,fL为结构谐振频率;K为传动链刚度; J为天线系统转动惯量。

由式(1)可以看出,增加伺服系统的传动链刚度或者减少天线系统的转动惯量,都可以提高天线座结构谐振频率。但是,增加天线座的刚度K必然导致天线系统转动惯量的增加,同样,减少天线系统的转动惯量,必然导致刚度K的降低。由此分析可见,在工程设计中很难把天线座的刚度K和转动惯量J都设计成最佳值,从而使天线座结构谐振频率做得很高。根据参考文献[1]中的国际公认的经验公式:

其中,D为天线直径;fL为天线座结构谐振频率。

我们设计的天线的口径为8.54m,按照式(2)进行估算,天线的结构谐振频率应该在4.7Hz～7Hz之间。要想设计出大于7Hz的天线座结构谐振频率,是十分困难的。实际上根据文献[1]可知:

其中,ωβ伺服带宽;ωz组合谐振频率;ξz系统结构阻尼系数。

由式(3)可知在天线座的结构谐振频率不能进一步提高的情况下,在伺服系统电气上可以采取措施,来抑制天线座谐振频率的峰值,从而等效提高天线座的阻尼系数,进而提高伺服系统带宽及伺服系统的稳定裕度。展宽伺服系统带宽可提高伺服系统的暂态性能。由于本天线伺服控制系统是实时数引系统,这样跟踪环路中没有自跟踪接受机输出的噪声,因而可以在结构机械谐振频率允许的条件下尽量展宽伺服系统的带宽。

2 系统环路结构图

伺服控制系统的任务是采取各种控制策略,快速、准确、稳定、可靠地跟踪目标,使天线伺服系统的天线座架的机械轴随控制指令运动,并能使天线的电轴始终对准目标,完成各项任务,并确保天线伺服系统安全、可靠、长期稳定地工作。天线伺服系统结构如图1所示。由图1可见,天线伺服系统为一开、闭环复合控制系统。

图1 天线伺服系统环路结构图

3 系统设计

3.1 凹口滤波器技术提高系统带宽

在伺服传动机构中,往往由于传动刚度不够,以及负载惯量大导致天线座结构谐振频率偏低并且阻尼系数小,这样就影响了系统的稳定性、快速性及精度。为保证伺服系统的稳定性,系统需要足够的稳定裕度,一般要求幅值裕度大于6dB,但在大型天线伺服位置回路中,结构谐振环节的谐振阻尼很小,在谐振频率处的谐振峰很高,以致限制了伺服系统位置环路的带宽,为此改善系统性能,需要在位置环路正向通道中加入一个凹口滤波电路来抵消谐振环节的峰值以平滑系统的开环频率特性,提高位置回路的频带宽度。在我们设计的伺服环路系统中采用的提高阻尼系数的方法就是在伺服系统位置环路中串联凹口滤波器电路,使凹口频率对准系统结构谐振的频率,这样,结构谐振的峰值就会大大降低,由公式(3)可以知道,等效地提高了结构谐振的阻尼系数,进而等效的提高了伺服系统的带宽。在伺服系统的位置环中引入凹口滤波器电路,其传递函数如下:

在伺服驱动系统中,谐振参数如谐振幅度、谐振频率和谐振带宽很容易通过频率响应波伯德图上得到,所以设计参数是凹口衰减度d、凹口频率ω0(弧度/秒)、凹口带宽b(弧度/秒),衰减度d=ξ1/ξ2,我们设计的凹口滤波器的衰减度为10,即ξ1=0.2,ξ2=2。

文献[2]中已经详细介绍了该凹口滤波器的特性,这里不在介绍。文献[2]中指出伺服系统中引入凹口滤波器,不影响原伺服系统除凹口点以外的开环对数幅频特性。凹口滤波器只在天线结构谐振频率点处出现一个凹口,这样就有效的抑制了天线座结构谐振的峰值,等效地提高了天线座结构谐振频率的阻尼系数值,使伺服的稳定裕度特别是幅频的稳定裕度增加很多,取得了令人满意的效果。

在实际系统应用中,针对出现天线座结构谐振,影响整个系统的工作现象,经过分析测试后,找到了谐振频率点为5.68Hz,我们在伺服系统速度环的主回路中引入了两个凹口滤波器分别在谐振频率的两边,一个为f1=5.2Hz,另一个为f2=6.2Hz,这样设计凹口滤波器的目的是使凹口滤波器既具有一定的深度又具有一定的宽度,并且中心频率正好在5.7Hz,较好的解决了天线座的结构谐振,提高了系统伺服带宽,增加了天线系统工作稳定性。

3.2 加速度负反馈提高系统带宽

使用凹口滤波器虽然补偿系统结构谐振频率有一定的效果,但是他有较高的品质因数并且相移比较陡,伺服系统的参数发生变化时,凹口滤波器就难以适从。所以仅仅靠使用凹口滤波器提高伺服系统带宽是不够的,应尽可能提高带宽。加速度负反馈的方法,可以改善了系统的静态精度和动态品质。由图(1)的系统结构图可以看出,设计的伺服系统环路在速度环内多了一个加速度环。这是由于考虑到伺服系统的传动链刚度可能不足,会使伺服系统的带宽以及伺服系统的稳定性能受到很大的影响,所以在设计伺服系统的环路时采用了速度微分反馈即把加速度负反馈引入伺服环路中,来抑制天线转动过程中超调,等效提高伺服系统阻尼系数,进而等效提高伺服系统带宽。加速度负反馈是在测速反馈环之内。

从物理概念上看,当被调量还没有变化只是有了变化的趋势时,其微分量就已经起着负反馈的作用了。在减小超调的同时,也有效抑制振荡产生;从自动控制原理讲,加入了一个微分环节,系统传递函数就增加一个零点,降低了系统的阶数,可使系统成为不振荡型。

应该注意:由于测速机纹波输出电压纹波的影响,可导致伺服系统不能正常工作。采用加速度负反馈时,应该尽量选用纹波电压小的测速机。

3.3 Bang-Bang控制技术

在设计的大型天线伺服系统中,天线大角度失调时需要快速调转并且无超调。快速性是大型天线伺服系统的重要指标,但是由于天线大角度调转的时间占天线系统反应时间的一大部分,所以如果仅仅采用传统的控制策略,系统将不能正常的工作。现代伺服系统多采用多环路体制,这种环套结构使系统位置环带宽降低了。为适应更高的要求将Bang-Bang控制原理在数字控制中实现,并用于大角度快速调转是很有意义的。控制转换准则可根据系统误差和速度大小来决定。当系统误差大于误差门限时,采用Bang-Bang控制非线性技术,而当系统误差小于误差门限时,系统采用线性控制技术。工程实际中,仅采用误差准则来判断,出现系统过早进入线性控制区后,发生在线性区和非线性区控制的多次转换,所以仅靠误差准则是不能发挥Bang-Bang控制技术的优点的。所以我们在线性非线性的转换中也采用速度转换准则,就是在一定的速度下进入线性控制区后,不再发生线性和非线性控制的双模式相互多次切换。图2给出了控制命令曲线。

图2 Bang-Bang控制的时间和命令波形

3.4 复合控制提高系统无静差度

从上述可知,在伺服系统中不能进一步提高结构谐振频率,可以采用凹口滤波器技术抑制结构谐振频率提高伺服带宽,采用加速度负反馈技术提高阻尼系数来等效提高伺服带宽等方法,但是这些方法还是不能够满足系统的要求,选择前馈控制是不错的选择。前馈控制是在反馈控制的基础上,将控制信号的微分作为输入信号加到伺服系统中,既通过偏差信号。又通过前馈控制信号对被控对象进行控制,故称复合控制。为使系统满足一定的动态和静态要求,我们在伺服系统中加入了前馈控制,其传递函数为 G1(S)为满足不变性原理设计一前馈网络,其传递函数为G2(S),此时伺服系统的方框图如图3所示。

图3 复合控制方框图

由图3可知其传递函数为:

则说明被控伺服系统的输出信号完全复现了输入信号,系统误差等于零,系统实现了完全不变性,这是理想的情况。但我们可以做到前馈增益等于速度环增益的倒数,使系统实现稳态不变性,使伺服系统从一阶无静差系统提高到了二阶无静差系统,提高系统的精度,大大降低了系统的动态滞后误差。

3.5 串联滞后补偿网络技术

由文献[1]我们知道,天线座的结构谐振使系统不稳定通常是由于系统的幅度裕度不够引起的,而不是相位裕度。因此在伺服系统的环路中串联一个滞后的惯性环节。

只要该环节的时常数选择适当,就可以提高伺服系统的稳定性。该惯性环节的引入虽然它产生了附加相移,但衰减了谐振处的峰值增益,提高了伺服系统的幅度贮备。串联惯性环节对原伺服系统动态特性几乎无影响,而且对频率为f=1/T0的结构谐振信号却起到了衰减作用,而且谐振频率越高惯性环节对其衰减作用就越大。

图4 串联惯性环节的天气雷达伺服系统结构图

4 结束语

本文介绍的各种抑制天线座谐振频率的方法,在我国新一代多普勒天气雷达天线伺服系统的设计中都得到采用,并且已经在几十套天线伺服系统中进行了工程验证,方案切实可行,大大抑制了天线座结构谐振频率峰值,展宽了伺服系统的频带宽度,取得了令人满意的效果,大大提高了天线伺服控制系统工作的可靠性。

[1] 吴风高等.天线座结构设计[M].西安:国防工业出版社.

[2] 万泽.凹口滤波器技术在天气雷达伺服系统中的应用[J].无线电工程.2004,34(11):40-42.

[3] 秦继荣.现代直流伺服系统设计[M].北京:机械工业出版社,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

乔建江(1974-),男,硕士,工程师,主要从事天线伺服控制系统的设计与研究.