一种连续旋转体制雷达的伺服停转方法与流程

1.本发明涉及一种伺服停转方法。更具体地，涉及一种连续旋转体制雷达的伺服停转方法。


背景技术：

2.连续旋转体制雷达在工作过程中往往要求雷达伺服在方位方向上做长时间高速连续旋转，从而带动雷达波束在空间方向上做360
°
扫描进行探测。连续旋转体制雷达在工作结束后，希望能从工作转速逐渐减速，最后停止到收藏位置；同时随着雷达技术的发展，连续旋转体制雷达也可以对准固定指向进行工作，这也要求伺服能够按照给定的加速度从工作转速逐渐减速并最终定位在任意位置。
3.由于连续旋转体制雷达转速高，惯量大，在停转的过程中希望能按照一定的加速度进行减速，不发生冲击和振荡，避免损坏天线。因此，需要提供一种连续旋转体制雷达的伺服停转方法。


技术实现要素：

4.本发明的一个目的在于提供一种连续旋转体制雷达的伺服停转方法。
5.为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
6.一种连续旋转体制雷达的伺服停转方法，包括：
7.根据雷达伺服系统指令位置和雷达的当前位置，计算出雷达伺服系统中位置环误差的绝对值；
8.当所述位置环误差的绝对值大于误差阈值时，所述位置环采用变增益控制算法控制输出目标速度，
9.所述位置环误差的绝对值小于等于误差阈值时，所述位置环采用其他已知控制算法控制输出目标速度；
10.分别按设定加速度和速度限制位置环输出的目标速度的变化率和大小。
11.优选地，当雷达需要连续旋转时，将伺服系统指令位置设为随时间连续变化的控制指令位置值序列，控制指令位置值序列中任意相邻两个位置值差分后得到的速度为伺服系统的工作转速。
12.优选地，当雷达需要从连续旋转切换到停转时，将伺服系统的指令位置直接置为停转位置。
13.优选地，该方法进一步包括，根据雷达伺服系统能力确定变增益控制算法和其他已知控制算法切换的误差阈值，所述误差阈值上限确定方法包括：
14.使用其他已知控制算法对雷达伺服系统进行阶跃测试，测试得到振荡次数不超过1.5次的最大阶跃幅值作为误差阈值上限；
15.优选地，所述误差阈值下限为
16.17.其中kp
max
为使用纯比例控制算法测试雷达伺服系统得到位置环稳定的最大纯比例增益，a
max
为设定的最大加速度。
18.优选地，所述当位置环误差的绝对值大于误差阈值时，位置环采用变增益控制算法；
19.e≥0时，
20.e《0时，
21.其中e为位置环误差，v
obj
为当前拍位置环输出的目标速度，a
max
为设定的最大加速度。
22.优选地，所述对位置环输出的目标速度的变化率按照设定加速度进行限制包括：
23.if(v
obj-v'
obj
》a
max
*ts),v
obj
＝v'
obj
+a
max
*ts，
24.if(v
obj-v'
obj
《-a
max
*ts),v
obj
＝v'
obj-a
max
*ts，
25.其中v
obj
为当前拍位置环输出的目标速度，v'
obj
为前一拍位置环输出的目标速度，a
max
为设定的最大加速度，ts为雷达伺服系统控制周期。
26.优选地，所述对位置环输出的目标速度的大小进行限制包括：
27.if(v
obj
》v
max
),v
obj
＝v
max
，
28.if(v
obj
《-v
max
),v
obj
＝-v
max
，
29.其中v
obj
为当前拍位置环输出的目标速度，v
max
为雷达伺服系统能达到的最大速度。
30.优选地，所述对位置环输出的目标速度的大小进行限制包括：
31.根据雷达伺服系统能达到的最大速度，对位置环输出的目标速度的大小进行限制。
32.优选地，该方法进一步包括将经限制的目标速度输送到雷达伺服系统的驱动器，所述驱动器带动天线运动。
33.本发明的有益效果如下：
34.本发明不需要复杂的计算和状态切换，可以在转动的任意时刻实施停转并停转到指定角度，减速过程的加速度受控，无冲击，能保护天线的安全。
附图说明
35.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
36.图1示出本发明变增益控制下的系统闭环架构示意图。
37.图2示出本发明匀速转动下系统指令位置obj_angle的变化趋势图。
38.图3示出本发明初始条件72
°
/s，0
°
开始停转，停转角度为180
°
，停转全过程中实际角度real_angle、位置环校正环节输出目标速度vobj曲线图。
39.图4示出本发明初始条件72
°
/s，0
°
开始停转，停转角度为240
°
，停转全过程中实际角度real_angle、位置环校正环节输出目标速度vobj曲线图。
40.图5示出本发明初始条件72
°
/s，0
°
开始停转，停转角度为120
°
，停转全过程中实际角度real_angle、位置环校正环节输出目标速度vobj曲线图。
具体实施方式
41.为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
42.一种连续旋转体制雷达的伺服停转方法，其具体步骤为：
43.第一步：根据雷达伺服系统能力确定变增益控制和pi/其他已知控制算法切换的误差阈值。
44.(a)计算误差阈值上下限：使用pi/其他已知控制算法(稳定跟踪模式下算法)进行阶跃测试，测试得到振荡次数不超过1.5次的最大阶跃幅值作为误差阈值上限；误差阈值下限为其中kp
max
使用纯比例控制算法测试得到位置环稳定的最大纯比例增益，a
max
为设定的最大加速度。
45.其他已知控制算法例如：pi控制算法、纯比例控制算法和超前滞后控制算法等。
46.(b)根据实际情况和前面计算的误差阈值上下限，确定合理算法切换的误差阈值。
47.第二步：当误差e的绝对值大于阈值时，位置环采用变增益控制算法。
48.(a)计算出所述误差e：指令位置obj_angle减去当前位置real_angle。
49.(b)当误差大于阈值时，设计控制算法如下：
50.e≥0时，位置环校正环节输出的目标速度
51.e《0时，位置环校正环节输出的目标速度
52.其中a
max
为设定的最大加速度。
53.这种控制算法是变增益系统，如果将位置环依然看作是一个比例环节，那么位置环的等效比例增益为：
[0054][0055]
当误差e很大时，即系统刚开始调转和/或距离目标位置很远时，系统位置环增益很小；随着调转过程进行，误差不断减小，系统位置环增益逐渐增大。
[0056]
本发明采用变增益控制不需要提前规划减速段的长度，当误差满足条件时自动按照设定加速度进行减速，计算相对简单。
[0057]
第三步：当误差e的绝对值减小到小于等于阈值时，位置环切换至pi或其他常见控制算法。
[0058]
第四步：对位置环校正环节输出的目标速度vobj的变化率按照设定加速度进行限制。
[0059]
变增益调转算法已经在减速段对加速度进行了限制；而在加速段对加速度进行限制，则需要位置环校正环节输出的目标速度vobj的变化率进行限制，其方法为：
[0060]
设上一周期的位置环输出为v'
obj
，如果v
obj
和v'
obj
两拍速度变化超过a
max
*ts就进行限制，加速度限制算法如下。
[0061]
if(v
obj-v'
obj
》a
max
*ts),v
obj
＝v'
obj
+a
max
*ts；
[0062]
if(v
obj-v'
obj
《-a
max
*ts),v
obj
＝v'
obj-a
max
*ts。
[0063]
第五步：对位置环校正环节输出的目标速度vobj的大小按照系统能达到的最大速
度进行限制，速度限制算法如下：
[0064]
if(v
obj
》v
max
),v
obj
＝v
max
；
[0065]
if(v
obj
《-v
max
),v
obj
＝-v
max
。
[0066]
第六步：将位置环校正环节输出的目标速度vobj送到驱动器，驱动器带动天线进行旋转。
[0067]
第一步至第六步形成的闭环系统架构如图1所示。
[0068]
第七步：需要连续旋转时，将系统指令位置obj_angle设为一个随时间连续变化的控制指令位置值序列，控制指令位置值序列中任意相邻两个位置值差分后得到的速度为系统的工作转速obj_speed，满足如下公式obj_angle(n+1)＝obj_angle(n)+obj_speed*ts，其中ts为雷达伺服系统控制周期，系统指令位置obj_angle的变化趋势如图2所示。
[0069]
第八步：需要从连续旋转切换到停转时，将系统的指令位置obj_angle直接置为停转位置。
[0070]
具体的一个实施例：
[0071]
一种连续旋转体制雷达的伺服停转方法，包括：
[0072]
根据雷达伺服系统指令位置和雷达的当前位置，计算出雷达伺服系统中位置环误差的绝对值；
[0073]
当所述位置环误差的绝对值大于误差阈值时，所述位置环采用变增益控制算法控制输出目标速度，
[0074]
所述位置环误差的绝对值小于等于误差阈值时，所述位置环采用其他已知控制算法控制输出目标速度；
[0075]
分别按设定加速度和速度限制位置环输出的目标速度的变化率和大小。
[0076]
优选地，所述其他已知控制算法包括：pi控制算法、纯比例控制算法和超前滞后控制算法等。
[0077]
优选地，当雷达需要连续旋转时，将伺服系统指令位置设为一个随时间连续变化的控制指令位置值序列，控制指令位置值序列中任意相邻两个位置值差分后得到的速度为伺服系统的工作转速。
[0078]
优选地，当雷达需要从连续旋转切换到停转时，将伺服系统的指令位置直接置为停转位置。
[0079]
优选地，该方法进一步包括，根据雷达伺服系统能力确定变增益控制算法和其他已知控制算法切换的误差阈值，所述误差阈值上限确定方法包括：
[0080]
使用其他已知控制控制算法对雷达伺服系统进行阶跃测试，测试得到振荡次数不超过1.5次的最大阶跃幅值作为误差阈值上限；
[0081]
优选地，所述误差阈值下限为
[0082][0083]
其中kp
max
为使用纯比例控制算法测试雷达伺服系统得到位置环稳定的最大纯比例增益，a
max
为设定的最大加速度。
[0084]
优选地，所述当位置环误差的绝对值大于误差阈值时，位置环采用变增益控制算法；
[0085]
e≥0时，
[0086]
e《0时，
[0087]
其中e为位置环误差，v
obj
为当前拍位置环输出的目标速度，a
max
为设定的最大加速度。
[0088]
优选地，所述对位置环输出的目标速度的变化率按照设定加速度进行限制包括：
[0089][0090]
if(v
obj-v'
obj
《-a
max
*ts),v
obj
＝v'
obj-a
max
*ts，
[0091]
其中v
obj
为当前拍位置环输出的目标速度，v'
obj
为前一拍位置环输出的目标速度，a
max
为设定的最大加速度，ts为雷达伺服系统控制周期。
[0092]
优选地，所述对位置环输出的目标速度的大小进行限制包括：
[0093]
if(v
obj
》v
max
),v
obj
＝v
max
，
[0094]
if(v
obj
《-v
max
),v
obj
＝-v
max
，
[0095]
其中v
obj
为当前拍位置环输出的目标速度，v
max
为雷达伺服系统能达到的最大速度。
[0096]
优选地，所述对位置环输出的目标速度的大小进行限制包括：
[0097]
根据雷达伺服系统能达到的最大速度，对位置环输出的目标速度的大小进行限制。
[0098]
优选地，该方法进一步包括将经限制的目标速度输送到雷达伺服系统的驱动器，所述驱动器带动天线运动。
[0099]
具体的一个实施例：以某型雷达为例，其方位最高转速可以达到72
°
/s，最大加速度为1.2
°
/s2。
[0100]
假设转速现在已经达到了72
°
/s，在方位旋转到0度位置接收到了停转指令，停转角度为180
°
，雷达伺服系统控制周期为20ms。
[0101]
分析停转的具体工作过程如下：在停转之前，整个伺服系统还处于匀速旋转过程中，此时旋转速度为72
°
/s，此时位置环校正环节输出的目标速度vobj等于此时的旋转速度72
°
/s。
[0102]
接收停转指令瞬间，伺服系统的指令位置obj_angle从随时间连续变化的控制指令位置值序列obj_angle(n)变为固定的停转目标角度180
°
。此时实际角度为0度，目标角度和实际角度的误差为180
°
。
[0103]
利用变增益算法公式计算得到此时变增益控制输出的目标速度：
[0104][0105]
输出的目标速度远远小于上一拍匀速旋转时位置环校正环节输出的目标速度72
°
/s，但是由于加速度限制环节的作用，位置环输出的变化不能大于a
max
*ts＝0.024
°
/s，所以实际上经过加速度限制环节后位置环输出的目标速度为71.976
°
/s，相当于20ms内目标速度变化只有0.024
°
/s。同时我们也可以看到，由于角度范围在0
°
到360
°
内，定位误差最大只有正负180
°
，变增益算法能产生的最大目标速度也只有20.78
°
/s，所以在实际旋转速度在20.78
°
/s以上时，主要依靠加速度限制环节来实现匀减速。所以当实际旋转速度降低
到20.78
°
/s以下时，变增益控制算法才会真正起作用，会根据当前的实际位置和停转角度之差进行调转定位。
[0106]
实际运动结果如图3所示。左侧纵坐标轴指示的是实际位置，右侧纵坐标轴指示的是位置环输出的目标速度。可以看到目标速度匀速下降，转动整整6圈后定位到0
°
，再进行一次调转反向运动到180
°
。
[0107]
假设停转之前初始旋转速度达到了72
°
/s，在方位旋转到0
°
位置接收到了停转指令，但是停转角度为240
°
，伺服控制周期为20ms。实际运动结果如图4所示。左侧纵坐标轴指示的是实际位置，右侧纵坐标轴指示的是位置环输出的目标速度。可以看到目标速度匀速下降，转动整整6圈后定位到0
°
，再进行一次调转反向运动到240
°
。
[0108]
假设停转之前初始旋转速度达到了72
°
/s，在方位旋转到0
°
位置接收到了停转指令，但是停转角度为120
°
，伺服控制周期为20ms。实际运动结果如图5所示。左侧纵坐标轴指示的是实际位置，右侧纵坐标轴指示的是位置环输出的目标速度。可以看到目标速度匀速下降，当运动到第6圈300
°
左右时，此时实际运动速度为11.928
°
/s，此时距离120
°
的停转角度距离为180
°
，由于此时实际运动速度低于变增益控制算法计算得到的目标速度，在变增益算法的控制下先加速后减速，最后调转运动到120
°
。
[0109]
综上所述，该算法在从连续旋转状态切换到停转时，无需产生平滑位置时间序列，直接输入终点位置，在控制算法闭环中自动按照一定的加速度进行减速，不发生冲击和振荡，避免损坏天线，算法可靠简单。
[0110]
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

技术特征：
1.一种连续旋转体制雷达的伺服停转方法，其特征在于，包括：根据雷达伺服系统指令位置和雷达的当前位置，计算出雷达伺服系统中位置环误差的绝对值；当所述位置环误差的绝对值大于误差阈值时，所述位置环采用变增益控制算法控制输出目标速度，所述位置环误差的绝对值小于等于误差阈值时，所述位置环采用其他已知控制算法控制输出目标速度；分别按设定加速度和速度限制位置环输出的目标速度的变化率和大小。2.根据权利要求1所述连续旋转体制雷达的伺服停转方法，其特征在于，当雷达需要连续旋转时，将伺服系统指令位置设为随时间连续变化的控制指令位置值序列，控制指令位置值序列中任意相邻两个位置值差分后得到的速度为伺服系统的工作转速。3.根据权利要求1所述连续旋转体制雷达的伺服停转方法，其特征在于，当雷达需要从连续旋转切换到停转时，将伺服系统的指令位置直接置为停转位置。4.根据权利要求1所述连续旋转体制雷达的伺服停转方法，其特征在于，该方法进一步包括，根据雷达伺服系统能力确定变增益控制算法和其他已知控制算法切换的误差阈值，所述误差阈值上限确定方法包括：使用其他已知控制算法对雷达伺服系统进行阶跃测试，测试得到振荡次数不超过1.5次的最大阶跃幅值作为误差阈值上限。5.根据权利要求4所述连续旋转体制雷达的伺服停转方法，其特征在于，所述误差阈值下限为其中kp
max
为使用纯比例控制算法测试雷达伺服系统得到位置环稳定的最大纯比例增益，a
max
为设定的最大加速度。6.根据权利要求1所述连续旋转体制雷达的伺服停转方法，其特征在于，所述当位置环误差的绝对值大于误差阈值时，位置环采用变增益控制算法；e≥0时，e<0时，其中e为位置环误差，v
obj
为当前拍位置环输出的目标速度，a
max
为设定的最大加速度。7.根据权利要求1所述连续旋转体制雷达的伺服停转方法，其特征在于，所述对位置环输出的目标速度的变化率按照设定加速度进行限制包括：if(v
obj-v
′
obj
>a
max
*ts),v
obj
＝v
′
obj
+a
max
*ts，if(v
obj-v
′
obj
<-a
max
*ts),v
obj
＝v
′
obj-a
max
*ts，其中v
obj
为当前拍位置环输出的目标速度，v
′
obj
为前一拍位置环输出的目标速度，a
max
为设定的最大加速度，ts为雷达伺服系统控制周期。8.根据权利要求1所述连续旋转体制雷达的伺服停转方法，其特征在于，所述对位置环输出的目标速度的大小进行限制包括：if(v
obj
>v
max
),v
obj
＝v
max
，if(v
obj
<-v
max
),v
obj
＝-v
max
，
其中v
obj
为当前拍位置环输出的目标速度，v
max
为雷达伺服系统能达到的最大速度。9.根据权利要求1所述连续旋转体制雷达的伺服停转方法，其特征在于，所述对位置环输出的目标速度的大小进行限制包括：根据雷达伺服系统能达到的最大速度，对位置环输出的目标速度的大小进行限制。10.根据权利要求1所述连续旋转体制雷达的伺服停转方法，其特征在于，该方法进一步包括将经限制的目标速度输送到雷达伺服系统的驱动器，所述驱动器带动天线运动。

技术总结
本发明公开一种连续旋转体制雷达的伺服停转方法，包括：根据雷达伺服系统指令和雷达的实际位置，计算出雷达伺服系统中位置环误差的绝对值；当所述位置环误差的绝对值大于误差阈值时，所述位置环采用变增益控制算法控制输出目标速度，所述位置环误差的绝对值小于等于误差阈值时，所述位置环采用其他已知控制算法控制输出目标速度；本发明不需要复杂的计算和状态切换，可以在转动的任意时刻实施停转并停转到指定角度，减速过程的加速度受控，无冲击，能保护天线的安全。能保护天线的安全。能保护天线的安全。


技术研发人员：徐初隆 张寒冰 谭军
受保护的技术使用者：北京无线电测量研究所
技术研发日：2022.12.14
技术公布日：2023/7/22