李海鵬，張永輝，江 雷

(中國(guó)人民解放軍92941部隊(duì)，遼寧葫蘆島 125000)

0 引言

在無(wú)線(xiàn)電遙測(cè)系統(tǒng)中，伺服系統(tǒng)的主要作用是當(dāng)目標(biāo)進(jìn)入天線(xiàn)掃描范圍內(nèi)以后，自動(dòng)捕獲目標(biāo)，并以一定的跟蹤精度連續(xù)跟蹤目標(biāo)，使目標(biāo)始終處于天線(xiàn)主波束的中心線(xiàn)附近，保證天線(xiàn)以最大接收增益接收遙測(cè)信號(hào)，遙測(cè)系統(tǒng)獲得可靠的遙測(cè)數(shù)據(jù)信息［1］。伺服系統(tǒng)是無(wú)線(xiàn)電測(cè)控通信設(shè)備的重要組成部分，可分為方位支路和俯仰支路，其性能的好壞將直接影響系統(tǒng)的跟蹤性能和跟蹤精度，隨著遙測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)伺服系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度和響應(yīng)速度有了更高的要求，目前常用的自跟蹤天線(xiàn)伺服系統(tǒng)均采用傳統(tǒng)位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)三閉環(huán)PID控制，本文在此基礎(chǔ)上，以天線(xiàn)實(shí)時(shí)角位置和角誤差信息作為輸入構(gòu)造PD控制器估計(jì)目標(biāo)角速度，利用牛頓預(yù)測(cè)器對(duì)估計(jì)目標(biāo)角速度進(jìn)行一步超前預(yù)測(cè)，將超前預(yù)測(cè)的估計(jì)角速度饋入速度環(huán)路，實(shí)現(xiàn)基于目標(biāo)角速度預(yù)測(cè)的等效前饋復(fù)合控制。

1 伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

伺服系統(tǒng)是無(wú)線(xiàn)電遙測(cè)通信設(shè)備的重要組成部分如圖1所示，可分為方位支路和俯仰支路，主要包括天線(xiàn)控制器、天線(xiàn)驅(qū)動(dòng)單元、俯仰直流電機(jī)測(cè)速機(jī)組件、方位直流電機(jī)測(cè)速機(jī)組件、俯仰傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、方位傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、俯仰旋轉(zhuǎn)變壓器、方位旋轉(zhuǎn)變壓器、天線(xiàn)座，方位和俯仰傳動(dòng)機(jī)構(gòu)分別采用諧波減速器和末級(jí)齒輪副結(jié)構(gòu)。

工作時(shí)，通過(guò)天線(xiàn)控制器的人機(jī)交互界面顯可以人工實(shí)時(shí)切換伺服系統(tǒng)方位軸/俯仰軸工作模式并設(shè)置伺服系統(tǒng)方位軸/俯仰軸角位置指令，自跟蹤天線(xiàn)伺服系統(tǒng)的天線(xiàn)控制器中完成兩種閉環(huán)控制方式:位置環(huán)路控制和跟蹤環(huán)路控制。

圖1 自跟蹤天線(xiàn)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在位置環(huán)路控制模式下，天線(xiàn)控制器讀取天線(xiàn)方位軸/俯仰軸實(shí)時(shí)角位置，并根據(jù)人機(jī)交互界面中設(shè)置的天線(xiàn)方位軸/俯仰軸工作模式和天線(xiàn)方位軸/俯仰軸角位置指令在天線(xiàn)控制器中完成方位軸/俯仰軸位置環(huán)路閉環(huán)控制，輸出方位軸/俯仰軸速度環(huán)路控制指令至天線(xiàn)驅(qū)動(dòng)單元，在天線(xiàn)驅(qū)動(dòng)單元中完成方位軸速度環(huán)路、方位軸電流環(huán)路閉環(huán)和俯仰軸速度環(huán)路、俯仰軸電流環(huán)路閉環(huán)，控制方位軸/俯仰軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)天線(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)至方位軸/俯仰軸指令角位置。

在跟蹤環(huán)路模式下，天線(xiàn)控制器讀取接收機(jī)輸出的能夠反映目標(biāo)相對(duì)于天線(xiàn)波束中心位置的信息:鎖定信號(hào)、AGC電壓、方位角誤差和俯仰角誤差，根據(jù)鎖定信號(hào)和AGC信號(hào)判斷方位/俯仰角誤差是否有效，利用有效的方位/俯仰角誤差信息完成方位軸跟蹤環(huán)路、速度環(huán)路、電流環(huán)路閉環(huán)和俯仰軸跟蹤環(huán)路、速度環(huán)路、電流環(huán)路閉環(huán)，驅(qū)動(dòng)天線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)。

天線(xiàn)控制器的人機(jī)交互界面能夠顯示天線(xiàn)伺服系統(tǒng)方位/俯仰實(shí)時(shí)角位置、天線(xiàn)驅(qū)動(dòng)單元狀態(tài)、天線(xiàn)控制器狀態(tài)等信息。

2 天線(xiàn)伺服系統(tǒng)控制

經(jīng)典控制理論中，閉環(huán)反饋控制通過(guò)對(duì)偏差的處理構(gòu)成閉環(huán)，改善系統(tǒng)的性能，從而得到廣泛應(yīng)用?？刂七^(guò)程中在不影響原系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下為了消除滯后誤差，提高跟蹤精度，通常加入前饋控制［2］，前饋控制是一種比較特殊的控制方式，直接作用于系統(tǒng)輸入端，在控制系統(tǒng)中，同時(shí)使用前饋控制和反饋控制的方法稱(chēng)為復(fù)合控制。在復(fù)合控制系統(tǒng)中，因其前饋控制量對(duì)閉環(huán)控制系統(tǒng)的輸入具有預(yù)見(jiàn)性，在閉環(huán)控制系統(tǒng)輸入量和輸出量形成偏差之前產(chǎn)生糾正偏離的控制作用，可以在不影響閉環(huán)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下，提高原閉環(huán)控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度和動(dòng)態(tài)誤差精度即提高閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)原輸入指令控制的跟蹤精度。當(dāng)前饋控制器使系統(tǒng)誤差為零時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)輸入量的無(wú)誤差跟蹤，前饋控制滿(mǎn)足上述條件時(shí)為誤差全補(bǔ)償，而實(shí)際控制系統(tǒng)中，由于不能完全準(zhǔn)確的確定閉環(huán)系統(tǒng)環(huán)路各部分傳遞函數(shù)，通過(guò)前饋控制器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償是很難實(shí)現(xiàn)的，一般只能做部分補(bǔ)償。

在自跟蹤天線(xiàn)伺服系統(tǒng)中，方位和俯仰支路分別采用位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)三環(huán)路閉環(huán)控制方式，可在速度閉環(huán)控制環(huán)路的輸入端加入基于目標(biāo)角速度的前饋控制器，實(shí)現(xiàn)自跟蹤天線(xiàn)伺服系統(tǒng)前饋復(fù)合控制。

由于無(wú)線(xiàn)電遙測(cè)系統(tǒng)只能提供目標(biāo)與天線(xiàn)波束中心之間的偏差，即方位、俯仰角誤差，而無(wú)法給出目標(biāo)的空間直角坐標(biāo)信息，也就無(wú)法得到目標(biāo)在直角坐標(biāo)系內(nèi)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)速度，故直角坐標(biāo)系中的復(fù)合控制無(wú)法實(shí)現(xiàn)。一種有效的解決方法是通過(guò)將天線(xiàn)伺服系統(tǒng)的角位置與接收機(jī)角誤差相加得到目標(biāo)的在方位和俯仰坐標(biāo)系下的空間角位置，求得目標(biāo)的角速度在速度閉環(huán)環(huán)路中作前饋控制，實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)伺服系統(tǒng)等效復(fù)合控制［3］。

3 基于PD控制器和牛頓預(yù)測(cè)器的等效前饋復(fù)合控制

由于通過(guò)伺服系統(tǒng)的角位置與接收機(jī)角誤差合成的目標(biāo)空間角位置信息附有來(lái)自角位置傳感器和接收機(jī)的隨機(jī)干擾，直接用微分求目標(biāo)合成角位置信號(hào)導(dǎo)數(shù)獲得的角速度信息中干擾將更加嚴(yán)重，一種有效的方法是采用濾波估計(jì)技術(shù)對(duì)合成后的角位置信息進(jìn)行濾波并估計(jì)出目標(biāo)的角速度。

3.1 PD控制器

利用PD控制器估計(jì)目標(biāo)角速度，PD控制器在低速應(yīng)用場(chǎng)合估計(jì)目標(biāo)角速度有優(yōu)異的效果［4-5］，離散化的PD控制器如下:

其中:θ為PD控制器輸入角位置，θe為PD控制器估計(jì)角位置，ωe為PD控制器估計(jì)角速度，ae為PD控制器估計(jì)角加速度，K1、K2為PD控制器參數(shù)，K1=，K2=2ξωb，ωb為PD控制器帶寬，ξ為PD控制器阻尼系數(shù)。上述的角速度估計(jì)器設(shè)計(jì)時(shí)要考慮的兩個(gè)主要問(wèn)題是阻尼系數(shù)ξ和帶寬ωb，ξ通常取0.707，即臨界阻尼狀態(tài)，因?yàn)榇藭r(shí)響應(yīng)最為快速，且超調(diào)量為零。ωb的取值通常根據(jù)伺服系統(tǒng)的具體情況而定，為了減小估計(jì)誤差ωb不能選的過(guò)大，本文中取ωb=50。

3.2 牛頓預(yù)測(cè)器

由于采用前饋復(fù)合控制算法，角速度估計(jì)過(guò)程中的滯后對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性和跟蹤精度的影響比普通跟蹤方式更為嚴(yán)重，針對(duì)估計(jì)角速度進(jìn)行超前預(yù)測(cè)可解決這一問(wèn)題。牛頓預(yù)測(cè)是一種基于多項(xiàng)式原理的預(yù)測(cè)方法，假定被估計(jì)的角速度信號(hào)相對(duì)于時(shí)間按照多項(xiàng)式規(guī)律變化，以此為基礎(chǔ)用牛頓預(yù)測(cè)方法對(duì)角速度值進(jìn)行n步超前預(yù)測(cè)，本文利用牛頓預(yù)測(cè)器針對(duì)PD控制器估計(jì)的目標(biāo)角速度信息進(jìn)行超前預(yù)測(cè)，進(jìn)一步增強(qiáng)PD控制器的預(yù)測(cè)估計(jì)能力，減小相位滯后［6-7］。二階一步牛頓預(yù)測(cè)器只需要當(dāng)前時(shí)刻角速度狀態(tài)估計(jì)值、前一周期時(shí)刻角速度狀態(tài)預(yù)測(cè)值以及之前兩周期時(shí)刻角速度狀態(tài)預(yù)測(cè)值在內(nèi)的3個(gè)狀態(tài)，即可獲得當(dāng)前時(shí)刻角速度狀態(tài)預(yù)測(cè)值，其所包含的時(shí)間窗很小，可以在比較大的頻率范圍內(nèi)滿(mǎn)足二階多項(xiàng)式的假設(shè)要求［8］，且只需要一次乘法兩次加法運(yùn)算，算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單易行，離散化的牛頓預(yù)測(cè)器如下:

3.3 基于角速度預(yù)測(cè)的等效前饋復(fù)合控制

在傳感器量測(cè)過(guò)程中，由于受環(huán)境雜波、傳感器工作狀態(tài)等因素影響，量測(cè)數(shù)據(jù)中經(jīng)常存在一些野值點(diǎn)。天線(xiàn)伺服控制系統(tǒng)前饋復(fù)合控制算法中，如果不對(duì)這些合成目標(biāo)角位置野值點(diǎn)進(jìn)行處理，而直接利用合成目標(biāo)角位置的野值點(diǎn)通過(guò)PD控制器估計(jì)目標(biāo)角速度信息，那么估計(jì)精度在野值出現(xiàn)時(shí)將產(chǎn)生突變，影響PD控制器的穩(wěn)定性，本文采用3σ準(zhǔn)則［9］判斷該量測(cè)值是否為野值點(diǎn)，對(duì)判斷為野值的量測(cè)值進(jìn)行剔除。

如圖2所示，在伺服系統(tǒng)天線(xiàn)控制器中進(jìn)行跟蹤環(huán)路閉環(huán)控制算法時(shí)，采樣周期T=0.05 s，天線(xiàn)控制器的處理器模塊在每一個(gè)伺服采樣周期利用接收機(jī)角誤差信號(hào)、天線(xiàn)實(shí)時(shí)角位置信號(hào)作為PD控制器輸入量測(cè)信息，估計(jì)目標(biāo)角位置θe(k+1)和角速度ωe(k+1)，根據(jù)3σ準(zhǔn)則判斷野值并剔除，利用ωe(k+1)作為牛頓預(yù)測(cè)器的輸入量對(duì)目標(biāo)角速度進(jìn)行一步超前預(yù)測(cè)得到預(yù)測(cè)角速度珚ωe(k+1)完成前饋復(fù)合控制算法。

圖2 角速度預(yù)測(cè)流程圖

以方位支路為例分析前饋復(fù)合控制算法控制框圖，圖3所示為自跟蹤天線(xiàn)伺服系統(tǒng)方位支路的位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)三閉環(huán)控制及前饋復(fù)合控制算法框圖。圖中，θref為角位置控制指令，Gp(s)、Gv(s)、Gi(s)分別為位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)PID傳遞函數(shù)，KPWM為PWM驅(qū)動(dòng)器放大倍數(shù)，La、Ra為電機(jī)電樞回路總電感和總電阻，Km為電機(jī)力矩系數(shù)，Jm為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，N為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)減速比，Kg為諧波減速器扭轉(zhuǎn)剛度，Jl為負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，θl為負(fù)載端角位置，Δθrec為接收機(jī)輸出的角誤差信息，為估計(jì)角速度，Gf(s)為前饋復(fù)合控制器傳遞函數(shù)，GPD(s)為PD控制器傳遞函數(shù)，GNp(s)為牛頓預(yù)測(cè)器傳遞函數(shù)。

4 系統(tǒng)測(cè)試

圖3 自跟蹤天線(xiàn)伺服系統(tǒng)方位支路閉環(huán)控制框圖

無(wú)線(xiàn)電伺服系統(tǒng)中，指標(biāo)測(cè)試內(nèi)容包括動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)和靜態(tài)性能指標(biāo)，其動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的考核內(nèi)容主要包括:調(diào)節(jié)時(shí)間、超調(diào)量及跟蹤精度，靜態(tài)性能指標(biāo)的考核內(nèi)容主要為穩(wěn)態(tài)誤差，調(diào)節(jié)時(shí)間、超調(diào)量及穩(wěn)態(tài)誤差可通過(guò)階躍性能測(cè)試獲得，同時(shí)為確保對(duì)無(wú)線(xiàn)電遙測(cè)伺服系統(tǒng)系指標(biāo)考核的覆蓋性，階躍性能測(cè)試分為大角階躍測(cè)試和小角度階躍測(cè)試，通過(guò)大角度階躍測(cè)試反映無(wú)線(xiàn)電遙測(cè)系統(tǒng)最大角速度、最大角加速度、調(diào)節(jié)時(shí)間及穩(wěn)態(tài)誤差性能指標(biāo)，通過(guò)小角度階躍測(cè)試反映無(wú)線(xiàn)電遙測(cè)伺服系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間和穩(wěn)態(tài)誤差性能指標(biāo)。跟蹤精度指標(biāo)可通過(guò)正弦測(cè)試獲得，通過(guò)正弦測(cè)試放映無(wú)線(xiàn)電伺服系統(tǒng)保精度最大角速度、保精度最大角加速度及跟蹤精度性能指標(biāo)。

4.1 角度階躍測(cè)試

階躍測(cè)試主要是測(cè)定系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。通常認(rèn)為，在階躍信號(hào)輸入下對(duì)系統(tǒng)的要求最高。當(dāng)系統(tǒng)輸入階躍信號(hào)時(shí)，如果系統(tǒng)能夠良好的運(yùn)行，即系統(tǒng)的各項(xiàng)動(dòng)態(tài)指標(biāo)滿(mǎn)足要求。為了全面測(cè)試天線(xiàn)伺服系統(tǒng)的特性，本測(cè)試工作中給定了大角度階躍測(cè)試、小角度階躍測(cè)試，另外由于天線(xiàn)方位軸和俯仰軸相互獨(dú)立，系統(tǒng)調(diào)試中分別對(duì)方位和俯仰做測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖4～5所示。

圖4 方位大角度階躍測(cè)試

圖5 俯仰大角度階躍測(cè)試

無(wú)線(xiàn)電遙測(cè)伺服系統(tǒng)自跟蹤模式下為跟蹤環(huán)路閉環(huán)控制，本文通過(guò)對(duì)靜態(tài)信標(biāo)機(jī)跟蹤模擬自跟蹤模式階躍測(cè)試，對(duì)比傳統(tǒng)PID控制與等效前饋復(fù)合控制效果。具體方法是:①確定天線(xiàn)對(duì)靜態(tài)信標(biāo)機(jī)跟蹤零點(diǎn)角度，②通過(guò)天線(xiàn)定位模式將天線(xiàn)實(shí)時(shí)角相對(duì)于跟蹤零點(diǎn)角度拉偏5°，③在自跟蹤模式天線(xiàn)自動(dòng)跟蹤至跟蹤零點(diǎn)角度，④通過(guò)存盤(pán)數(shù)據(jù)分析調(diào)節(jié)時(shí)間、超調(diào)量?，F(xiàn)以方位軸10次測(cè)量結(jié)果為例對(duì)比傳統(tǒng)PID控制方法和加入等效前饋復(fù)合控制方法后調(diào)節(jié)時(shí)間、超調(diào)量性能指標(biāo)，如表1～表2所示。

表1 傳統(tǒng)PID控制無(wú)線(xiàn)電伺服系統(tǒng)方位跟蹤性能

表2 加入等效前饋復(fù)合控制方法后無(wú)線(xiàn)電伺服系統(tǒng)方位跟蹤性能

根據(jù)測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果，采用傳統(tǒng)PID控制無(wú)線(xiàn)電伺服系統(tǒng)方位跟蹤平均調(diào)節(jié)時(shí)間為1.21 s，加入等效前饋復(fù)合控制方法后無(wú)線(xiàn)電伺服系統(tǒng)方位跟蹤平均調(diào)節(jié)時(shí)間為1.092 s，調(diào)節(jié)時(shí)間減少9.75%。

4.2 正弦測(cè)試

通過(guò)正弦測(cè)試，完成對(duì)保精度角速度、角加速度和跟蹤精度指標(biāo)的測(cè)試。在測(cè)試結(jié)果中，不能直接看到保精度速度、加速度的測(cè)試結(jié)果。通過(guò)保精度角速度、角加速度計(jì)算得到。以方位為例，方位正弦測(cè)試函數(shù):

將正弦函數(shù)求一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)，得到速度和加速度函數(shù)如下:

圖6 方位正弦測(cè)試

表3 傳統(tǒng)PID控制無(wú)線(xiàn)電伺服系統(tǒng)方位正弦性能

圖7 俯仰正弦測(cè)試

表4 加入等效前饋復(fù)合控制方法后無(wú)線(xiàn)電伺服系統(tǒng)方位正弦性能

根據(jù)測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果，采用傳統(tǒng)PID控制無(wú)線(xiàn)電伺服系統(tǒng)方位正弦跟蹤精度為0.273°，加入等效前饋復(fù)合控制方法后無(wú)線(xiàn)電伺服系統(tǒng)方位正弦跟蹤精度為0.249°，跟蹤精度提高8.8%。

測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明利用PD控制器和牛頓預(yù)測(cè)器實(shí)現(xiàn)的等效前饋復(fù)合控制能夠快速、穩(wěn)定的實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的跟蹤。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種等效前饋復(fù)合控制方法應(yīng)用于無(wú)線(xiàn)電遙測(cè)伺服系統(tǒng)中，利用天線(xiàn)實(shí)時(shí)角位置和接收機(jī)有效角度差，通過(guò)PD控制器估計(jì)目標(biāo)角速度并進(jìn)行野值剔除，利用牛頓預(yù)測(cè)器對(duì)估計(jì)目標(biāo)角速度進(jìn)行一步超前預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了等效前饋復(fù)合控制算法，有效提高了無(wú)線(xiàn)電遙測(cè)伺服系統(tǒng)穩(wěn)定跟蹤性能。該控制算法及設(shè)計(jì)思路同樣適用于雷達(dá)、光學(xué)等伺服控制領(lǐng)域，具有很好的工程實(shí)用價(jià)值。