[发明专利]基于自抗扰控制器的雷达天线伺服跟踪方法与系统

说明书

技术领域

本发明涉及天线伺服跟踪系统技术领域，特别是一种基于自抗扰控制器(ADRC)的雷达天线伺服跟踪方法与系统。

背景技术

雷达天线伺服跟踪系统是一种驱动雷达天线转动的专用伺服系统。其基本的机械结构主要包括带动天线水平旋转的水平方位环路以及控制天线俯仰角度的俯仰环路。水平环路可以全方位自由旋转，而俯仰环路仅能在限定的范围内进行旋转。对于大部分的雷达天线伺服跟踪系统而言，其工作环境恶劣，尤其是机载和舰载伺服系统中，运行过程中的横滚、纵摇以及外部的强风、巨浪、温度的突然变化均会给系统的稳定性带来巨大冲击，此外俯仰环路的变化也会带来机械转矩的变化，进而影响水平环路的正常运转。以上所述因素均可能极大程度地影响系统的稳定性，甚至丢失目标。

当前大多数伺服系统中所使用的算法主要是PID控制，这一算法简单，实施以及参数调节都很方便。但是使用PID控制的主要缺点在于由于PID的参数是固定的常数，这些参数无法根据外界扰动的变化和系统模型的变化自动地调节，因此当系统的扰动超过一定限度或者系统模型发生变化时，其控制的性能指标就会受到严重影响，甚至引起系统不稳定。当然，为解决这一问题也提出了很多先进的控制算法，主要策略就是动态地调节控制器参数，例如自适应控制，滑模控制等。然而这些算法大部分都依赖于精确的数学模型，而且控制算法复杂，在实际工程中很难实现。同时这些算法对于快变扰动的处理能力也十分有限。因此寻找一种能够动态地抑制或补偿外来扰动，且抗扰能力强，设计方法简单的控制算法应用于雷达天线伺服跟踪系统中是十分必要的。

此外，对于常用的微控制器而言，其内部的程序都是顺序执行的，因此当其需要同时处理其他较为复杂的信息时，会带来很长的延时，引起控制命令的滞后，这会增加系统不稳定的可能性，对于特殊的目标无法锁定。此外，常用的微控制器不能够实现俯仰环路和水平环路的同步控制。而直接采用定制IC实现又会使得系统设计变得过于复杂。综上所述，采用一种可以并行处理的微处理芯片对于提升系统的稳定性和响应速度也有重要意义。

发明内容

为克服现有技术的不足，提供一种雷达天线跟踪伺服系统，用以实现对扰动的动态估计和补偿，提高系统的抗扰特性。此外，同时实现上位机的图形化人机交互界面，以便实时地观察系统所处的位置和发送模拟信号并命令下位机进行跟踪。为此，本发明采取的技术方案是，基于自抗扰控制器的雷达天线伺服跟踪系统，包括：

雷达天线；

测速电机和旋转变压器的检测装置，用于检测雷达天线的位置和角度状态信息；

伺服电机为执行机构，用于对雷达天线的位置状态进行误差补偿；

控制器接收检测装置输出的数据和给定的期望角度值实现扰动观测、模型简化、模型控制以及执行机构的驱动，模型是指伺服电机的驱动电压和雷达天线的位置、角度、角速度关系的数学抽象；

控制器进一步包括扰动观测器和误差反馈环节，将模型不确定性和外部扰动的总和当作总扰动，将其作为被扩张的状态，通过扰动观测器观测得到，并通过扰动补偿对模型进行简化；误差反馈环节对扰动补偿后的简化的模型进行控制。

扰动观测器为可参数化设计的扩张状态观测器ESO，观测系统状态和总扰动，把角速度ω以及控制器输出u作为ESO的输入，将模型不确定性和外部扰动的总和当作总扰动，总扰动的观测值作为ESO的输出，通过选取ESO的带宽ω_o来确定参数k₁、k₂、k₃，其中k₁＝3ω_o、k₂＝3ω_o²、k₃＝ω_o³，ESO的带宽ω_o的选择需要低于系统噪声的最低频率。