高精度雷達天線的adrc陣風擾動補償設(shè)計

高精度雷達天線的adrc陣風擾動補償設(shè)計

0影響隨動性能的因素在現(xiàn)代的高精度雷達天線指跟蹤和跟蹤對象中，矩陣的隨機擾動是影響隨動性能的重要因素。在天線伺服控制中,傳統(tǒng)PID控制器雖具有結(jié)構(gòu)簡單、參數(shù)易于調(diào)整等優(yōu)點,但在復雜陣風干擾條件下,已難以滿足未來高精度指向和跟蹤的要求自抗擾控制技術(shù)1控制結(jié)構(gòu)數(shù)學模型高精度雷達天線伺服控制系統(tǒng)由3個基本控制回路組成,從外到內(nèi)依次是位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)。當忽略非線性成分,基于剛性理論建立線性化三回路控制結(jié)構(gòu)數(shù)學模型如圖1所示。圖中各參量的物理含義參見文獻[1]和文獻[7]。從圖中可以看出天線速度環(huán)路為一個高階控制對象,當采用LQG控制時為了根據(jù)角編碼信息觀測系統(tǒng)內(nèi)部各狀態(tài)信息,需要建立高階狀態(tài)觀測器,這需要精確的數(shù)學模型。而ADRC中“擴張狀態(tài)觀測器”把系統(tǒng)的高頻部分和外部擾動看作未知擾動,通過建立低階擴張狀態(tài)觀測器可實現(xiàn)對未知擾動的實時估計與補償,因此該控制方法具有“自抗擾功能”。2理論基礎(chǔ)2.1過渡過程預處理模塊ADRC是中科院韓京清研究員于上世紀80年代末開創(chuàng)的一門控制技術(shù)。其結(jié)構(gòu)如圖2所示,它主要由3部分組成:過渡過程的預處理模塊、擴張狀態(tài)觀測器模塊以及非線性組合控制模塊等3部分組成其中過渡過程預處理模塊主要用于指令的規(guī)劃。由于被控對象通常為慣性環(huán)節(jié),其動態(tài)輸出不會跳變,當指令跳變時,跟蹤誤差會產(chǎn)生跳變,這樣會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。過渡過程預處理模塊就是通過對指令的規(guī)劃實現(xiàn)跟蹤誤差的連續(xù)控制;擴張狀態(tài)觀測器是根據(jù)控制輸入和實際輸出估計系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)。引入擴張狀態(tài)負反饋控制,可把實際系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成純積分串聯(lián)型系統(tǒng),同時還可以估計出系統(tǒng)的“總和擾動力”;非線性組合控制模塊主要根據(jù)誤差的比例、積分和微分信息進行非光滑反饋,這樣的反饋設(shè)計可實現(xiàn)“小誤差大增益、大誤差小增益”控制,理論和仿真分析表明,非光滑反饋的效率遠比光滑反饋(指數(shù)衰減)好為了在消除穩(wěn)態(tài)速度信號振蕩的同時實現(xiàn)對微分器的最速跟蹤,韓京清研究員提出快速跟蹤微分器,并給出其離散形式:各參數(shù)含義參見文獻[9]。2.2時間之前的控制對于含純延時環(huán)節(jié)的被控對象可用如下傳遞函數(shù)來描述:式中,從式(2)可知,當前的控制量u(t)只能在τ時間之后才能作用于對象,即當前對系統(tǒng)起作用的控制量是τ時間之前算出的控制量。假定時滯大小τ是采樣步長h的整數(shù)倍,即τ=kSmith預估法的基本框圖如圖3所示,輸入u到新的輸出y從信號u到y(tǒng)經(jīng)推導式(3)可簡化為:從上式看出Smith“預估器”的含義:新輸出y3基于adrc抗矩陣干擾的設(shè)計首先,針對速度環(huán)數(shù)字通信周期性時延,設(shè)計Smith預估器?？紤]到上面所分析出的Smith預估器的含義:新輸出y3.1式聯(lián)合法由于文獻[9]給出濾波功能很強的跟蹤微分器,可用該微分預估法取代Smith預估法。其基本思路是用跟蹤微分器先處理系統(tǒng)實際輸出y來得到預估的新輸出y按照式(1)可采用濾波功能很強的跟蹤微分器給出Smith預估器如下:式中,y為角編碼輸出;y3.2iii型濾波器為了實現(xiàn)對斜坡指令的無靜差跟蹤,所設(shè)計的濾波器開環(huán)應為II型系統(tǒng),為此設(shè)計濾波器為:式(6)寫成狀態(tài)空間形式并采用雙線性z變換對其離散化。變換后系統(tǒng)的離散形式為:當濾波輸入u存在初值時u式中,a3.3控制系統(tǒng)模型為了便于工程實現(xiàn),在擴張狀態(tài)觀測器設(shè)計時采用美國克里夫蘭州大學高志強博士給出的用帶寬概念確定的線性擴張狀態(tài)觀測器:為了估計好對象的狀態(tài)和“總和擾動”,應該選取參數(shù)β為了便于工程設(shè)計,控制律設(shè)計如下:至此,基于ADRC和Smith輸出預估器的控制系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)如圖4所示。4模擬測試和現(xiàn)場測試4.1模型陣風擾動的模擬及抑制性能假設(shè)白噪聲經(jīng)頻帶為20rad/s的低通濾波后作為風的擾動力矩作用在天線齒輪箱輸出端?？紤]到工程可實現(xiàn)性,需把作用在齒輪箱輸出端的低通噪聲轉(zhuǎn)換到速度環(huán)輸入端,這樣ACU送出的速度指令是由位置環(huán)解算的速度指令和模擬等效陣風組成,從而實現(xiàn)對實際天線模擬陣風的等效注入。在一個雷達天線上,俯仰分別在PI控制和ADRC控制做增碼運動,其運動特性為起始角為30°,以0.02°/s增碼運動,在運動過程中速度環(huán)輸入端注入噪聲,俯仰運動特性及隨動誤差特性如圖5所示,對隨動誤差進行統(tǒng)計計算,得到PI和ADRC控制下隨動誤差的均方根分別為0.0045和0.0031,從隨動誤差的均方根可以看出與PI控制相比,采用ADRC控制設(shè)計對陣風擾動抑制性能提高30.9%。圖中,PI控制參數(shù)是工程實際采用的參數(shù)。4.2pi控制和adrc控制在一個雷達天線進行實際陣風隨動性能測試。為了使風以最大的能量作用于天線,根據(jù)實時風方向把天線方位角放置在Az=330°,俯仰分別固定在45°和30°。圖6和圖7分別給出PI控制和ADRC控制俯仰隨動誤差特性。對隨動誤差均方根進行統(tǒng)計計算得:當天線俯仰角固定在45°時,與PI控制相比,采用ADRC控制俯仰隨動性能提高31.8%;當天線俯仰角固定在30°時,與PI控制相比采用ADRC控制俯仰隨動性能提高37.6%。5基于wolbachia的控制方案設(shè)計針對高精度雷達天線陣風擾動影響其指向和跟蹤性能,在位置環(huán)設(shè)計時采用了ADRC控制。在ADRC設(shè)計過程中通過Smith輸出預補償、指令過渡過