仰轴转动角度和电动缸丝杠长度关系，转换为丝杠长度误 差；调用自适应模糊PID控制器，计算比例、积分、微分控制系数k p、I kd，得到电动缸丝杠 长度控制量u ;最后将电动缸丝杠长度控制量，通过D/A变换器，输入伺服驱动组合，驱动伺 服电动缸电机运动，通过控制电动缸丝杠的长度，进行俯仰轴角度的控制。
[0038] 图4为雷达俯仰轴的自适应模糊PID控制系统结构图。
[0039] 1.雷达天线俯仰轴伺服系统硬件设计
[0040] 雷达天线俯仰轴伺服系统硬件结构如图5所示，主要由伺服处理器、RDC变换器、 A/D变换器、D/A变换器、伺服驱动组合、伺服电源组合、俯仰电动缸、各环路传感器（编码 器、光纤陀螺、旋转变压器）等组成。伺服处理器和RDC变换器、A/D变换器、D/A变换器位 于雷达系统数字组合中。伺服驱动组合包含PWM功放模块、直流电源、旋变激磁电源。伺服 电源组合提供俯仰驱动器电源，天线座上装有伺服电动缸、光纤陀螺、旋转变压器等。
[0041] 各硬件功能如下：伺服处理器完成俯仰轴控制量的计算；旋转变压器、光纤陀螺、 编码器分别采集俯仰轴角度和角速度信号、以及伺服电动缸速度信号；RDC变换器和A/D变 换器完成传感器采集信号的模数转换；D/A变换器完成伺服处理器控制信号的数模转换； 伺服驱动组合接收D/A变换器的伺服处理器控制信号，经功率放大，驱动俯仰电动缸丝杠 运动，完成俯仰轴角度控制。
[0042] 2.雷达天线俯仰轴控制软件设计
[0043] 雷达天线俯仰轴控制软件主要包括伺服状态初始化程序，系统控制主程序，中断 服务程序，如图6所示。伺服系统控制软件完成的主要功能包括：系统初始化，俯仰轴角位 置信号的采集和处理，俯仰轴角速度信号的采集和处理，伺服电动缸丝杠长度和速度信号 采集和处理，自适应模糊PID控制方法的实现，与雷达中心机数据交换，故障检测及保护功 能等。
[0044] 伺服系统控制软件流程如下所示：
[0045] (1)伺服状态初始化，包括总线初始化，各寄存器初始化，以及伺服系统电源组合 上电控制；
[0046] (2)读取由各环路传感器传入A/D变换器中的俯仰轴角度和角速度，以及伺服电 动缸丝杠长度和速度；
[0047] (3)伺服处理器根据步骤（2)中读取的数据，判断雷达工作状态，并进行雷达俯仰 轴转动角度和电动缸丝杠长度之间的换算，计算雷达俯仰轴转动误差；
[0048] (4)根据雷达俯仰轴转动误差，分别选取为比例、积分、微分控制系数kp、I匕的 模糊自适应整定规则，并对控制量k p、Ic1、匕去模糊化，得到电动缸丝杠长度控制量u ;
[0049] (5)将步骤（4)中计算出的电动缸丝杠控制量，通过D/A变换器，输入伺服驱动组 合，驱动伺服电动缸电机运动，通过控制电动缸丝杠的长度，进行俯仰轴角度的控制；
[0050] (6)若控制过程未完成，转入步骤（2);若控制过程完成，则结束整个控制流程。
[0051] 3.雷达俯仰轴旋转运动和伺服电动缸丝杠直线运动的非线性运动学关系
[0052] 根据图1可以得到如图2所示的雷达俯仰轴运动示意图，其中图2中各参数如表 1所示。
[0053] 表1雷达俯仰轴运动示意图各参数意义
[0056] 设当雷达天线垂直于地面时，天线绕俯仰轴转动角度α = 0, L与H之间夹角Θ =Θ。。由图2可知，当伺服电动缸丝杜推动天线绕俯仰轴转动时，0 = (1 + 0。，0与α 呈线性关系，且天线俯仰轴转动角速度?和角加速度泛分别可表示为：分=旧、设=#?因 此，通过对伺服电动缸丝杠的长度S进行控制，即可控制夹角Θ的变化，进而直接控制雷达 天线绕俯仰轴转动角度α。通过分析可以得到丝杠长度S与夹角Θ的关系如下式所示：
[0057] 根据上式可以看出，S与Θ为非线性运动关系。同时，可以得到由丝杠长度表示 的俯仰轴转动角度α、角速度?和角加速度d如下式所示。
[0061] 因此，设状态向1
:控制输入
则可以得到雷达俯仰 轴控制系统的非线性状态方程为：
[0063] 可以看出，当α为不同值时，伺服雷达天线俯仰轴转动角速度随电动缸丝杠伸出 速度变化呈非线性关系，即随着α的增大，天线绕俯仰轴转动角速度，随电动缸丝杠伸出 速度的增大而加速增大。因此，在设计雷达天线俯仰轴控制方法时，若要通过对丝杠长度的 控制，以控制俯仰轴转动角度，必须考虑一种针对非线性系统的自适应控制方法。
[0064] 4.雷达俯仰轴自适应模糊PID控制方法
[0065] 雷达俯仰轴自适应模糊PID控制方法的设计步骤如下：
[0066] (1)定义e、ec和kp、kp kd的模糊子集均为：{负大，负中，负小，零，正小，正 中，正大} = {他，匪，吧，20，？5，？1，？8}，控制系统隶属度函数如图7所示。其中，6为误 差，ec为误差变化，k p为比例控制系数、k i为积分控制系数、k d为微分控制系数。
[0067] 同时，根据控制系统设计的要求，选取e的基本论域为[-0.2,0.2]，ec的基本论 域为[-0.5,0.5]。k p的基本论域为[-50, 50]，Ic1的基本论域为[-3, 3]，kd的基本论域为 [-15,15]。
[0068] (2)建立自适应模糊控制规则
[0069] 根据分析，可以设计出如表2所示符合要求的kp、kp kd模糊自适应整定规则表。
[0070] 表2 Wkd自适应模糊整定规则表
[0071]
[0074] 采用上式的加权平均法，对控制量kp、kp匕去模糊化，其中Xl(i = 1，2，…η)为 论域中元素 ，μ (i)为待判决输出模糊集合的隶属度函数。
[0075] 最终得到控制量u如下式所示：
【主权项】
1. 一种大阵面雷达天线俯仰轴驱动装置，包括伺服电机、编码器、光纤巧螺、旋转变压 器、自适应模糊PID控制器和伺服驱动组合，其特征在于：所述伺服电机安装在雷达天线座 上，伺服电机的输出通过丝杠与雷达天线较接，且较接点不在雷达天线的俯仰轴上；所述编 码器测量丝杠的转动速度，光纤巧螺测量雷达天线的俯仰角速度，旋转变压器测量雷达天 线的俯仰角度，均传输给自适应模糊PID控制器，计算得到丝杠长度控制量；将丝杠长度控 制量通过D/A变换器输入伺服驱动组合，驱动伺服电机运动；通过控制丝杠的长度，进行俯 仰轴角度的控制。2. -种利用权利要求1所述大阵面雷达天线俯仰轴驱动装置的自适应控制方法，其特 征在于包括下述步骤： (1) 测量雷达天线的俯仰角度、俯仰角速度W及丝杠长度和速度； (2) 进行雷达俯仰角度和丝杠长度之间的换算，计算雷达俯仰轴转动误差； (3) 根据雷达俯仰轴转动误差e，分别选取比例控制系数kp、积分控制系数ki和微分控 制系数kd的模糊自适应整定规则，采用加权平均法对kp、ki、kd去模糊化，得到丝杠长度控 制量(4) 利用计算出的丝杠长度控制量驱动伺服电机运动，通过控制电机丝杠的长度，进行 俯仰轴角度的控制； (5) 返回步骤（1)，直至整个控制过程完成。
【专利摘要】本发明提供了一种大阵面雷达天线俯仰轴驱动装置及自适应控制方法，将伺服电机安装在雷达天线座上，伺服电机的输出通过丝杠与雷达天线铰接，且铰接点不在雷达天线的俯仰轴上；所述编码器测量丝杠的转动速度，光纤陀螺测量雷达天线的俯仰角速度，旋转变压器测量雷达天线的俯仰角度，均传输给自适应模糊PID控制器，计算得到丝杠长度控制量；将丝杠长度控制量通过D/A变换器输入伺服驱动组合，驱动伺服电机运动；通过控制丝杠的长度，进行俯仰轴角度的控制。本发明能够实现对大阵面雷达天线俯仰轴的稳定控制。
【IPC分类】H01Q3/06
【公开号】CN105244622
【申请号】CN201510716989
【发明人】官伯林
【申请人】中国电子科技集团公司第二十研究所
【公开日】2016年1月13日
【申请日】2015年10月29日