基于鲁棒PID控制的回旋行波管的自动化测试技术

摘要

由于回旋行波管具有输出功率高、工作频带宽等优点，在军用高分辨率成像雷达、非致命性武器、毫米波通信和电子对抗等领域中得到广泛的应用，而这些应用都要求其能够长时间持续输出具有高稳定性的输出功率；另外，热测实验是回旋行波管制作过程中必不可少的环节，我们实验室建立的回旋行波管热测远程控制平台，减少了测试过程中对各个仪器设备的手动操作，提高了测试效率，但是在测试过程中仍然需要有人进行一些手动操作，还不能实现测试的自动化。因此，为了实现回旋行波管的自动化测试，保证管子输出功率的稳定性，开发针对大功率回旋行波管测试系统的实时检测和反馈测试软件就十分必要，软件中采用双鲁棒 PID 控制策略实现系统的自动反馈控制，提高输出功率的稳定性及系统的鲁棒性。用该软件代替人去操作远程控制平台，保证了测试系统的稳定性和可靠性，实现了测试平台的自动化。本论文的研究内容主要分为以下几个方面： （1）从给定值输出响应、鲁棒性以及抗干扰能力等方面对几种PID参数整定方法进行比较，并根据回旋行波管测试的特点选择合适的整定方法。 （2）通过对测试系统的功能要求及各控制参量关系的分析，提出双鲁棒PID控制器的控制方案来确保输出功率的稳定性：其中一个 PID 控制器作用于直接影响输出功率的工作电压；另一个 PID 控制器作用于灯丝电流，通过灯丝电流对工作电流的调节作用间接控制输出功率。 （3）分别对电压PID控制过程的升压阶段和稳压阶段进行模拟。对于升压阶段，分析模拟结果与实验结果存在偏差的原因，并根据分析结果对模拟过程进行优化，最终两者实现很好地吻合；对于稳压阶段，分别对正弦电压波动和随机电压波动进行稳定控制模拟，分析正弦电压波动的参数变化对 PID 稳压控制效果的影响，通过调整相关参数及策略，最终对这两种电压波动实现了有效的稳定控制。 （4）对热测系统中电压电流的控制过程进行数学建模。改进通用阶跃响应建模方法，在原模型的基础上对模型的时间常数遍历优化，最终根据改进的方法对所给的电压电流控制曲线建立了精确的数学模型。 （5）完成自动测试软件的代码编写，对软件进行虚拟调试和实际加电调试，并对其实际的控制效果进行分析。 本论文的主要创新点包括以下几点： （1）针对回旋行波管热测实验的控制要求，提出鲁棒多反馈PID的控制方案对工作电压和工作电流进行反馈控制，进而实现管子长时间的高稳定性功率输出。 （2）鉴于回旋行波管热测实验具有一定的危险性，在使用自动测试软件直接对管子加电测试之前，对回旋行波管工作过程的鲁棒 PID 控制调节进行模拟，提前验证了PID控制策略的有效性和可靠性。 （3）针对回旋行波管测试控制系统特点，改进通用的阶跃响应建模方法，对管子的电压电流控制过程建立数学模型，大大提高了模型的精度。

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