舰载跟踪雷达二自由度数字伺服系统的设计

摘要

跟踪雷达伺服系统是跟踪雷达的重要组成部分，其性能好坏直接影响雷达的跟踪精度。现代导弹、飞机等雷达跟踪的目标飞行速度越来越快，机动性越来越强，对跟踪雷达伺服系统的动态响应能力提出了更高的要求；舰载跟踪雷达伺服系统除了要应对风力矩干扰、测量噪声、参数变化等因素的影响外，还要受到船摇的影响，对伺服系统的抗扰动能力要求也很高。传统的单自由度控制器很难同时兼顾系统对跟踪参考输入信号及抑制扰动的要求，二自由度控制器能将跟踪特性和扰动抑制特性分别进行调整，从而提高控制品质。在不影响系统鲁棒性的前提下希望进一步提高系统跟踪参考输入信号的能力，二自由度控制器是值得尝试的选择。
　　 论文应用二自由度控制器理论，选用光纤陀螺作为惯性空间速度传感器，设计了基于TMS320F28335 DSP的全数字跟踪雷达伺服系统。本文提出了一种基于单自由度系统阶跃响应曲线设计确定二自由度系统前馈控制器的方法；对光纤陀螺的数字闭环进行了研究；应用MATLAB/Simulink采用经典频域分析法对伺服系统方位支路的电流环、速度环、位置环进行了设计和仿真，得到了各环路数学模型及控制器的传递函数；针对雷达跟踪状态下，为使伺服系统更快的响应跟踪误差及由再生反馈技术得到的辅助跟踪角速度信号以减小跟踪高速目标的动态滞后，将速度环路设计为二自由度控制结构，仿真结果验证了二自由度控制结构对于提升系统动态性能的显著作用；对速度环进行了灵敏度分析，验证了系统良好的鲁棒性；给出了一种抗积分饱和控制器，仿真结果验证了其有效性。
　　 本文在硬件设计部分，详细阐述了以TMS320F28335 DSP为核心的伺服处理器的设计，处理器与各传感器的接口设计，PWM功放电路的设计，RDC变换器的设计。在软件设计部分，利用串行通讯接口模块(SCI)的硬件中断实现与光纤陀螺的高速异步串行通讯；设计了两个定时器中断，一个定时器中断用来处理电枢电流信号高频率的A/D变换，各环路控制器不同速率的调节以及PWM信号输出的问题；另一个定时器中断用来完成RDC粗、精码值的读取与合成，与雷达计算机的并行通讯，伺服系统各工作状态模块的执行等任务；对连续系统控制器传递函数进行了数字化及程序实现的研究。实现了电流环的数字化。
　　 对伺服系统进行了隔离度及跟踪模拟动目标实验。隔离度实验验证了伺服系统良好的外部扰动抑制能力；跟踪模拟动目标实验测试了系统的动态跟踪精度。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 论文研究的背景和意义

1.2 跟踪雷达伺服系统的概况及现状

1.3 论文的主要研究工作

1.4 论文的组织结构

第二章 二自由度控制系统研究

2.1 二自由度控制系统概念

2.2 二自由度控制系统研究现状

2.3 灵敏度分析

2.3.1 灵敏度函数

2.3.2 控制对象的摄动

2.3.3 系统灵敏度分析

2.4 二自由度系统前馈控制器

2.4.1 前置滤波器和按输入补偿的前馈控制器

2.4.2 两种二自由度控制结构形式的前馈控制器

2.5 本章小结

第三章 伺服系统总体方案设计

3.1 系统原理及物理组成

3.1.1 工作原理

3.1.2 物理组成

3.2 处理器、执行元件、传感器的选型

3.3 光纤陀螺技术研究

3.3.1 光纤陀螺简介

3.3.2 光纤陀螺主要技术指标

3.3.3 数字闭环光纤陀螺

3.4 系统硬件设计

3.5 系统软件设计

3.6 本章小结

第四章 伺服系统的数学模型、仿真及灵敏度分析

4.1 电流环设计与仿真

4.2 速度环负反馈回路控制器的设计

4.3 一种抗积分饱和控制器

4.4 速度环灵敏度分析

4.5 前馈控制器的设计

4.6 位置环路设计与仿真

4.7 本章小结

第五章 伺服系统硬件设计

5.1 伺服处理器的设计

5.2 PWM功放设计

5.3 电流环数字闭环

5.4 与光纤陀螺的串行通讯接口设计

5.5 RDC变换器的设计

5.6 本章小结

第六章 伺服系统软件设计

6.1 开发工具简介

6.2 伺服系统软件结构

6.3 中断管理

6.4 ADC模块配置

6.5 SCI模块的应用

6.6 PWM信号的产生

6.7 控制器算法的数字实现

第七章 伺服系统实验

7.1 伺服系统隔离度实验

7.2 模拟动目标跟踪实验

7.3 本章小结

第八章 总结与展望

8.1 全文总结

8.2 研究展望

致谢

参考文献

作者在读期间的研究成果