雷達天線伺服控制系統課程設計

1、雷達天線伺服控制系統目 錄1 雷達天線伺服控制系統簡介21.1 概 述21.2 系統的組成31.3 工作原理32 雷達天線伺服控制系統主要元部件42.1 位置檢測器42.2 電壓比較放大器52.3 可逆功率放大器52.4 執(zhí)行機構63 系統的開環(huán)增益的選擇和系統的靜態(tài)計算74系統的動態(tài)分析95 校正設計106 結 論12第 12 頁/ 共12頁1 雷達天線伺服控制系統簡介1.1 概 述 用來精確地跟隨或復現某個過程的反饋控制系統。又稱隨動系統。在很多情況下，伺服系統專指被控制量（系統的輸出量）是機械位移或位移速度、加速度的反饋控制系統，其作用是使輸出的機械位移（或轉角）準確地跟蹤輸入的位移（或

2、轉角）。伺服系統的結構組成和其他形式的反饋控制系統沒有原則上的區(qū)別。它是由若干元件和部件組成的并具有功率放大作用的一種自動控制系統。位置隨動系統的輸入和輸出信號都是位置量，且指令位置是隨機變化的，并要求輸出位置能夠朝著減小直至消除位置偏差的方向，及時準確地跟隨指令位置的變化。位置指令與被控量可以是直線位移或角位移。隨著工程技術的發(fā)展，出現了各種類型的位置隨動系統。由于發(fā)展了力矩電機及高靈敏度測速機，使伺服系統實現了直接驅動，革除或減小了齒隙和彈性變形等非線性因素，并成功應用在雷達天線。伺服系統的精度主要決定于所用的測量元件的精度。此外，也可采取附加措施來提高系統的精度，采用這種方案的伺服系統稱

3、為精測粗測系統或雙通道系統。通過減速器與轉軸嚙合的測角線路稱精讀數通道，直接取自轉軸的測角線路稱粗讀數通道。因此可根據這個特征將它劃分為兩個類型，一類是模擬式隨動系統，另一類是數字式隨動系統。本設計雷達天線伺服控制系統實際上就是隨動系統在雷達天線上的應用。系統的原理圖如圖1-1所示。圖1-1 雷達天線伺服控制系統原理圖1.2 系統的組成從圖1-1可以看出本系統是一個電位器式位置隨動系統，用來實現雷達天線的跟蹤控制，由以下幾個部分組成：位置檢測器、電壓比較放大器、可逆功率放大器、執(zhí)行機構。以上四部分是該系統的基本組成，在所采用的具體元件或裝置上，可采用不同的位置檢測器，直流或交流伺服機構等等?，F

4、在對系統的組成進行分析：1、受控對象：工作機械（雷達天線）。2、被控量：角位置。3、干擾：主要是負載變化（及）。4、給定值：指令轉角。5、傳感器：由電位器測量、，并轉化為、。6、比較計算：兩電位器按電橋連接，完成減法運算（偏差）。7、控制器：放大器，比例控制。8、執(zhí)行器：直流電動機及減速箱。1.3 工作原理現在來分析該系統的工作原理。由圖1-1可以看出，當兩個電位器和的轉軸位置一樣時，給定角與反饋角相等，所以角差，電位器輸出電壓，電壓放大器的輸出電壓，可逆功率放大器的輸出電壓，電動機的轉速，系統處于靜止狀態(tài)。當轉動手輪，使給定角增大，則，電動機轉速，經減速器帶動雷達天線轉動，雷達天線通過機械機

5、構帶動電位器的轉軸，使也增大。只要，電動機就帶動雷達天線超著縮小偏差的方向運動，只有當，偏差角，系統才會停止運動而處在新的穩(wěn)定狀態(tài)。如果給定角減小，則系統運動方向將和上述情況相反2 雷達天線伺服控制系統主要元部件2.1 位置檢測器位置檢測器作為測量元件，由電位器和組成位置（角度）檢測器。在控制系統中,單個電位器用作為信號變換裝置，一對電位器可以組成誤差檢測器，空載時，單個電位器的電刷角位移與輸出電壓的關系曲線在進行理論分析時可以用直線近似，于是可得輸出電壓為式中，是電刷單位角位移對應的輸出電壓，稱為電位器傳遞系數，其中是電位器電源電壓，是電位器最大工作角。對上式求拉氏變換，并令，可求得電位器傳

6、遞函數為可以看出電位器的傳遞函數是一個常值，它取決于電源電壓和電位器最大工作角度。電位器可用圖2-1的方框圖表示。 圖2-1 電位器方框圖其中輸入就是，輸出就是，就是。用一對相同的電位器組成誤差檢測器時，其輸出電壓為式中是單個電位器的傳遞系數；是兩個電位器電刷角位移之差。稱為誤差角。因此，誤差角為輸入時，誤差檢測器的傳遞函數與單個電位器傳遞函數相同，即為2.2 電壓比較放大器電壓比較放大器由、組成，其中放大器僅僅起倒相的作用，則起電壓比較和放大作用，其輸出信號作為下一級功率放大器的控制信號，并具備鑒別電壓極性（正反相位）的能力。電壓比較放大器實際上是比較元件和一部分放大元件的組合，其職能是把測

7、量元件檢測到的被控量實際值與給定元件給出的參據量進行比較，求出它們之間的偏差，并經過電壓型集成運算放大器的放大作用，將偏差信號放大。具體說來就是：其中，又因（偏差），所以上式可以寫成，對該式兩邊同時進行拉氏變換，可得電壓比較運算放大器的傳遞函數為從式子可以知道電壓比較放大器的傳遞函數也是一個常值。電壓比較放大器可以用圖2-2所示的方框圖表示圖2-2 電壓比較器方框圖其中。2.3 可逆功率放大器本設計用到的功率放大器由晶閘管或大功率晶體管組成功放電路，由它輸出一個足以驅動電動機的電壓和電流。分析可知，對該環(huán)節(jié)做近似處理，可得對式子兩邊同時做拉氏變換，得可逆功率放大器的傳遞函數為用圖2-3所示的方

8、框圖表示。圖2-3 可逆功率放大器方框圖其中。2.4 執(zhí)行機構直流伺服電動機是專門為控制系統特別是伺服系統設計和制造的一種電機。直流伺服電動機在控制系統中廣泛用作執(zhí)行機構，用來對被控對象的機械運動實現快速控制，通過簡化處理后的直流伺服電動機的微分方程為式中可視為負載擾動轉矩。根據線性系統的疊加原理，可分別求到和到的傳遞函數，以便研究在和分別作用下電動機轉速的性能，將他們疊加后，便是電動機轉速的響應特性。所以在不考慮負載擾動轉矩的條件下，即時和在零初始條件下，即時，對上式各項求拉氏變換，并令，則得的代數方程為由傳遞函數的定義，于是有便是電樞電壓到的傳遞函數，是系統的機電常數。這可以用圖2-4所示

9、的方框圖來表示圖2-4 直流伺服電動機方框圖其中。設減速器的速比為，減速器的輸入轉速為，而輸出轉速為，則減速器的傳遞函數為其中。3 系統的開環(huán)增益的選擇和系統的靜態(tài)計算系統的原理框圖可簡化成如圖3-1所示圖3-1 雷達天線伺服控制系統原理框圖給定角經電位器變成給定信號，被控量經電位器變成反饋信號，給定信號與反饋信號產生偏差信號；偏差信號經放大器（電壓比較放大器和可逆功率放大器）得到，通過執(zhí)行機構（直流伺服電動機）作用到雷達天線上，減小偏差，最終實現。這就是控制的整個過程。前面已經將各部件的傳遞函數分別用方框圖表示了出來，用信號線將個方框圖按信號流向依次連接，在不考慮干擾力矩的條件下，并適當的變

10、換，就會得到雷達天線伺服控制控制系統的結構圖，如圖3-2所示圖3-2 雷達天線伺服控制系統結構圖其中就是，就是，。將方框圖進行化簡處理，可得系統的開環(huán)傳遞函數其中。簡化后的系統方框圖如圖3-3所示圖3-3 系統簡化方框圖從實際考慮，我們知道雷達天線伺服控制系統的性能應該是響應速度盡可能快，即調節(jié)時間盡可能小，超調量盡可能小。本系統的設計要求是系統的單位階躍響應無超調，且調節(jié)時間。因系統的開環(huán)傳遞函數為其中為開環(huán)增益，為直流伺服電動機的時間常數。選取的直流伺服電動機作為執(zhí)行機構。由開環(huán)傳遞函數求得系統的閉環(huán)傳遞函數由上式可以得到閉環(huán)特征方程為這是一個二階系統，在沒有校正設計前，取系統的阻尼比為，

11、代入，由二階系統的標準形式有計算得到。系統的開環(huán)增益為系統的開環(huán)傳遞函數為這可以用系統的參數方框圖表示，如圖3-4所示圖3-4 系統參數方框圖可以看出，是一型系統。靜態(tài)位置誤差系數得到系統在階躍輸入作用下的穩(wěn)態(tài)誤差4系統的動態(tài)分析對本系統而言，在沒有校正設計時，可知系統是欠阻尼二階系統?，F用matlab軟件進行系統的性能指標分析。時域分析：程序代碼：num=10; den=0.1 1 10; g=tf(num,den);step(g)系統單位階躍響應曲線如圖4-1：圖4-1 系統校正前單位階躍響應曲線 頻域分析：程序代碼：num=10;den=conv(1 0,0.1 1);g=tf(num,

12、den);bode(g)圖4-2 系統校正前伯德圖從圖4-1和圖4-2對此系統各性能指標進行計算，可得1、上升時間 =0.243s2、調節(jié)時間 =0.664s (2%誤差帶)3、超調量 = （1.163-1）1=16.3%4、相角裕量 =52由部分性能指標可以知道，系統并沒有達到設計要求，超調量，調節(jié)時間=0.6640.5以為了滿足設計要求，必須進行校正設計。5 校正設計所謂校正，就是在系統中加入一些其參數可以根據需要而改變的機構或裝置，使系統整個特性發(fā)生變化，從而滿足給定的各項性能指標。目前，在工程實踐中常用的有三種校正方法，分別是串聯校正、反饋校正和復合校正。本系統的校正設計采用反饋校正。

13、反饋校正是目前廣泛應用的一種校正方式，反饋校正的基本原理是：用反饋校正裝置包圍待校正系統中對動態(tài)性能改善有重大妨礙作用的某些環(huán)節(jié)，形成一個局部反饋回路（內回路），在局部反饋回路的開環(huán)幅值遠大于1的條件下，局部反饋回路的特性主要取決于反饋校正裝置，而與被包圍部分無關；適當選擇校正裝置的形式和參數，可以使系統的性能滿足給定指標的要求。本系統采用直流測速發(fā)電機作為校正裝置，即采用測速反饋控制來實現校正。直流測速發(fā)電機的傳遞函數為或將該校正環(huán)節(jié)加到原系統中，可以得到校正后的系統方框圖，如圖5-1所示 圖5-1 校正后雷達天線伺服控制系統方框圖畫簡后得到圖5-2圖5-2 校正后系統方框圖由圖5-2得到校

14、正后的開環(huán)傳遞函數進一步得到校正后的系統的閉環(huán)特征方程其中為與測速發(fā)電機輸出斜率有關的測速反饋系數，校正設計的主要目的就是確定反饋系數，以達到整個系統的設計要求。前面已經提到系統的設計要求是通過校正設計后系統的單位階躍響應無超調，且調節(jié)時間。我們知道對于二階系統要想無超調量，則校正后阻尼比。而且本系統要求盡可能快的響應，所以取阻尼比。進而有，于是可以計算出由于當阻尼比為1時，所以得根據過阻尼二階系統動態(tài)性能指標的近似計算，可得校正后系統的動態(tài)性能指標為調節(jié)時間，無超調量，達到了設計要求。6 結 論本設計是雷達天線伺服控制系統的設計，伺服控制系統最初用于船舶的自動駕駛、火炮控制和指揮儀中，后來逐漸推廣到很多領域，特別是雷達天線伺服控制系統。主要討論的是雷達天線的跟蹤問題。雖然系統達到了設