雷達(dá)伺服跟蹤系統(tǒng)數(shù)字控制器及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種雷達(dá)伺服跟蹤系統(tǒng)數(shù)字控制器及其控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)有的雷達(dá)跟蹤系統(tǒng)控制主要分為模擬控制和數(shù)字控制器，其中，小型化的雷達(dá) 伺服系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)緊湊，導(dǎo)致伺服系統(tǒng)在傳統(tǒng)的模擬電路控制下，系統(tǒng)的非線性、去藕性能 等都無法滿足要求。因此，無法通過模擬控制電路提高伺服跟蹤系統(tǒng)性能。
[0003] 而針對數(shù)字控制的公開發(fā)表的論文，通過檢索發(fā)現(xiàn)只有以下幾種：《基于復(fù)合控制 的雷達(dá)導(dǎo)引頭伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)》，《H_m控制理論在雷達(dá)導(dǎo)引頭伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用》，《基 于DSP的Fuzzy-PID控制在雷達(dá)導(dǎo)引頭伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用》等，由此可以知道，市面上公開 的雷達(dá)伺服系統(tǒng)控制器主要有PID與其他控制的復(fù)合控制、模擬控制以及H_ 〇〇等高級控制 器，通過文獻(xiàn)內(nèi)容也可以看出，這些控制器都是處于理論研究階段，并沒有對其去藕性能和 非線性作論述。
[0004] 根據(jù)《自動控制理論》書籍中可以知道，數(shù)字控制器的算法主要有PID控制器、模 擬控制、自適應(yīng)控制、智能控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等，這些控制器都是通過設(shè)計(jì)提高系統(tǒng)的穩(wěn) 定性，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定預(yù)度，對系統(tǒng)的去藕能力以及非線性的克服抑制并沒有提到。
[0005] 通過檢索，大部分專利都是關(guān)于數(shù)字控制器的，并沒有提到應(yīng)用到哪種系統(tǒng)，而且 控制器的實(shí)現(xiàn)形式和本專利也完全不一樣，重要的是這些檢索到的專利中都沒有對系統(tǒng)的 去藕性能和非線性的提高和改善進(jìn)行闡述和說明。如《應(yīng)用于串勵(lì)電機(jī)的數(shù)字控制器》，《一 種舵機(jī)數(shù)字控制器》，《一種無刷直流電機(jī)數(shù)字控制器》，《基于IIR濾波器的數(shù)字核脈沖信號 高斯成形方法》，《路燈控制系統(tǒng)及其數(shù)字控制器》等，它們不是針對特殊電機(jī)就是針對其他 機(jī)構(gòu)，數(shù)字控制器的算法與本專利也完全不一樣，重要的它們并沒有對系統(tǒng)的去藕性能和 非線性的克服進(jìn)行闡述和論證。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明提供一種雷達(dá)伺服跟蹤系統(tǒng)數(shù)字控制器及其控制方法，保證雷達(dá)跟蹤系統(tǒng) 的穩(wěn)定的前提下，提高了跟蹤系統(tǒng)的去藕性能，克服了系統(tǒng)的非線性。
[0007] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種雷達(dá)伺服跟蹤系統(tǒng)數(shù)字控制器，包含：電性連 接伺服機(jī)構(gòu)的FPGA模塊，以及通過數(shù)據(jù)總線連接FPGA模塊的DSP模塊；
[0008] 所述的FPGA模塊包含：
[0009] 轉(zhuǎn)換模塊，將位置輸入信號A轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出；
[0010] 高精度A/D轉(zhuǎn)換器，其輸入端電性連接伺服機(jī)構(gòu)的輸出端，將伺服機(jī)構(gòu)的速度反 饋信號Uf轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出；
[0011] 減法器，其輸入端電性連接轉(zhuǎn)換模塊和高精度A/D轉(zhuǎn)換器的輸出端，對位置輸入 信號UdP速度反饋信號Uf進(jìn)行數(shù)字信號求差，求差的結(jié)果作為DSP模塊中數(shù)字控制器的輸 入；
[0012] 高精度D/A轉(zhuǎn)換器，其輸入端通過數(shù)據(jù)總線連接DSP模塊的輸出端，其輸出端電性 連接伺服機(jī)構(gòu)，將DSP模塊輸出的數(shù)字控制信號轉(zhuǎn)換為模擬信號輸出給伺服機(jī)構(gòu)；
[0013] 所述的DSP模塊包含：
[0014] 第一 0階保持器，其輸入端通過數(shù)據(jù)總線連接減法器的輸出端，對數(shù)字控制器進(jìn) 行離散化處理；
[0015] 算法控制模塊，其輸入端電性連接第一 0階保持器的輸出端，實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制器的 差分方程算法；
[0016] 第二0階保持器，其輸入端電性連接算法控制模塊的輸出端，其輸出端通過數(shù)據(jù) 總線連接FPGA模塊中的高精度D/A轉(zhuǎn)換器。
[0017] 所述的轉(zhuǎn)換模塊、高精度A/D轉(zhuǎn)換器、減法器、第一 0階保持器、算法控制模塊、第 二〇階保持器、高精度D/A轉(zhuǎn)換器和伺服機(jī)構(gòu)共同組成一個(gè)負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)。
[0018] 本發(fā)明還提供一種雷達(dá)伺服跟蹤系統(tǒng)數(shù)字控制器的控制方法，包含以下步驟：
[0019] 步驟Sl、FPGA模塊中的高精度A/D轉(zhuǎn)換器將伺服機(jī)構(gòu)的速度反饋信號Uf轉(zhuǎn)換成 數(shù)字量；
[0020] 步驟S2、FPGA模塊中的轉(zhuǎn)換模塊將位置輸入信號1^轉(zhuǎn)換成數(shù)字量；
[0021] 步驟S3、FPGA模塊中的減法器對位置輸入信號UdP速度反饋信號Uf進(jìn)行數(shù)字信 號求差，將求差結(jié)果通過數(shù)據(jù)總線傳輸給DSP模塊；
[0022] 步驟S4、DSP模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制器的差分方程算法，將運(yùn)算值通過數(shù)據(jù)總線傳輸 給FPGA模塊；
[0023] 步驟S5、FPGA模塊中的高精度D/A轉(zhuǎn)換器將DSP模塊輸出的數(shù)字控制信號轉(zhuǎn)換為 模擬信號輸出給伺服機(jī)構(gòu)。
[0024] 所述的步驟S4中，DSP模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制器的差分方程算法還包含以下步驟：
[0025] 步驟S401、仿真得到雷達(dá)伺服跟蹤系統(tǒng)的三階模擬控制器：
[0026]
[0027] 其中，D(s)是S平面的三階模擬控制器模型，模擬系統(tǒng)的分析運(yùn)算都在S平面上， S是S平面的變量，e(s)是減法器的輸出，t和t都是通過仿真計(jì)算得出的固定常數(shù)，物 理意義就是前一個(gè)時(shí)刻、前兩個(gè)時(shí)刻……等等的時(shí)間常數(shù)；
[0028] 步驟S402、通過梯形積分理論，采用0階保持器對三階模擬控制器進(jìn)行離散化處 理，得到三階數(shù)字控制器數(shù)學(xué)模型；
[0029]氣
、公式（1)中得到三階數(shù)字控制器數(shù)學(xué)模型：
[0030]
[0031] 其中，D(z)是Z平面的三階數(shù)字控制器數(shù)學(xué)模型，離散系統(tǒng)（數(shù)字系統(tǒng)）的分析 運(yùn)算都在Z平面上，Z是Z平面的變量，e (z)是e (s)從S平面到Z平面的映射，a、b的物 理意義就是Z平面的前一時(shí)刻、前兩時(shí)刻……的采樣值系數(shù)；
[0032] 步驟S403、通過引入PID控制算法對三階數(shù)字控制器數(shù)學(xué)模型進(jìn)行優(yōu)化，獲得三 階數(shù)字控制器數(shù)學(xué)模型的差分方程；
[0033] 對公式⑵進(jìn)行下列優(yōu)化，將公式⑵變?yōu)椋?br>[0034]
[0035] 其中，a、b的物理意義就是Z平面的零點(diǎn)和極點(diǎn)；
[0036] 由公式（4)中D(z)的后兩〕
斥成兩項(xiàng)：
[0040] 由公式（5)和公式（6)可以得到下列差分方程：
[0037]
[0038]
[0039]
[0041]
[0042]其中，y是運(yùn)算中間變量，x是各個(gè)變量的系數(shù)，k代表第k時(shí)刻的變量值，k_l代 表k-1時(shí)刻的變量值；
[0043] 步驟S404、將差分方程的運(yùn)算值U(k)通過數(shù)據(jù)總線傳輸給FPGA模塊。
[0044] 本發(fā)明還提供一種DSP模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制器的差分方程算法，包含以下步驟：
[0045] 步驟S401、仿真得到雷達(dá)伺服跟蹤系統(tǒng)的三階模擬控制器：
[0046]
[0047] 其中，D(s)是S平面的三階模擬控制器模型，模擬系統(tǒng)的分析運(yùn)算都在S平面上， S是S平面的變量，e(s)是減法器的輸出，t和t都是通過仿真計(jì)算得出的固定常數(shù)，物 理意義就是前一個(gè)時(shí)刻、前兩個(gè)時(shí)刻……等等的時(shí)間常數(shù)；
[0048] 步驟S402、通過梯形積分理論，采用0階保持器對三階模擬控制器進(jìn)行離散化處 理，得到三階數(shù)字控制器數(shù)學(xué)模型；
[0049] 4
、公式（1)中得到三階數(shù)字控制器數(shù)學(xué)模型：
[0050
[0051] 其中，D(z)是Z平面的三階數(shù)字控制器數(shù)學(xué)模型，離散系統(tǒng)（數(shù)字系統(tǒng)）的分析 運(yùn)算都在Z平面上，Z是Z平面的變量，e(z)是e(s)從S平面到Z平面的映射，a、b的物 理意義就是Z平面的前一時(shí)刻、前兩時(shí)刻……的采樣值系數(shù)；
[0052] 步驟S403、通過引入PID控制算法對三階數(shù)字控制器數(shù)學(xué)模型進(jìn)行優(yōu)化，獲得三 階數(shù)字控制器數(shù)學(xué)模型的差分方程；
[0053] 對公式⑵進(jìn)行下列優(yōu)化，將公式⑵變?yōu)椋?br>[0054]
[0055] 其中，a、b的物理意義就是Z平面的零點(diǎn)和極點(diǎn)；
[0056] 由公式（4)中D(z)的后兩Ii拆成兩項(xiàng)： -,1
[0057]
[0058]
[0059]
[0060] 由公式（5)和公式（6)可以得到下列差分方程：
[0061]
[0062]其中，y是運(yùn)算中間變量，x是各個(gè)變量的糸數(shù)，k代表第k時(shí)刻的變量值，k_l代 表k-1時(shí)刻的變量值；
[006