雷达天线伺服控制系统要点

概述

用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。又称随动系统。在很多情况下，伺服系统专指被控制量（系统的输出量）是机械位移或位移速度、加速度的反馈控制系统，其作用是使输出的机械位移（或转角）准确地跟踪输入的位移（或转角）。伺服系统的结构组成和其他形式的反馈控制系统没有原则上的区别。它是由若干元件和部件组成的并具有功率放大作用的一种自动控制系统。位置随动系统的输入和输出信号都是位置量，且指令位置是随机变化的，并要求输出位置能够朝着减小直至消除位置偏差的方向，及时准确地跟随指令位置的变化。位置指令与被控量可以是直线位移或角位移。随着工程技术的发展，出现了各种类型的位置随动系统。由于发展了力矩电机及高灵敏度测速机，使伺服系统实现了直接驱动，革除或减小了齿隙和弹性变形等非线性因素，并成功应用在雷达天线。伺服系统的精度主要决定于所用的测量元件的精度。此外，也可采取附加措施来提高系统的精度，采用这种方案的伺服系统称为精测粗测系统或双通道系统。通过减速器与转轴啮合的测角线路称精读数通道，直接取自转轴的测角线路称粗读数通道。因此可根据这个特征将它划分为两个类型，一类是模拟式随动系统，另一类是数字式随动系统。本设计——雷达天线伺服控制系统实际上就是随动系统在雷达天线上的应用。系统的原理图如图1-1所示。

1 雷达天线伺服控制系统结构及工作原理

图1-1 雷达天线伺服控制系统原理图

1.2 系统的结构组成

从图1-1可以看出本系统是一个电位器式位置随动系统，用来实现雷达天线的跟踪控制，由以下几个部分组成：位置检测器、电压比较放大器、可逆功率放大器、执行机构。以上四部分是该系统的基本组成，在所采用的具体元件或装置上，可采用不同的位置检测器，直流或交流伺服机构等等。

现在对系统的组成进行分析：

1、受控对象：雷达天线

2、被控量：角位置m θ。

3、干扰：主要是负载变化（f 及L T ）。

4、给定值：指令转角*m θ。

5、传感器：由电位器测量m θ、*m θ，并转化为U 、*U 。

6、比较计算：两电位器按电桥连接，完成减法运算*U U e -=（偏差）。

7、控制器：放大器，比例控制。

8、执行器：直流电动机及减速箱。

1.3 工作原理

分三种情况考虑：

1当两个电位器1RP 和2RP 的转轴位置一样时，给定角*m θ与反馈角m θ相等，所以角差

*m m m 0θθθ∆=-=，电位器输出电压*U U =，电压放大器的输出电压ct U 0=，可逆功率放大器的输出电压d U 0=，电动机的转速n 0=，系统处于静止状态。

2当转动手轮，使给定角*

m θ增大，m 0θ∆>，则*U >U ，ct U 0>，d U 0>，电动机转速n >0，经减速器带动雷达天线转动，雷达天线通过机械机构带动电位器2RP 的转轴，使m θ也增大。

3给定角*m θ减小， *m m θθ<，电动机就带动雷达天线超着缩小偏差的方向运动，只有当*m m θθ=，偏

差角m 0θ∆=，ct U 0=，d U 0=，系统才会停止运动而处在新的稳定状态。

2 雷达天线伺服控制系统框图

由实物图可画出系统方框图，如下

图3-1 雷达天线伺服控制系统原理框图

给定角*m θ经电位器变成给定信号*U ，被控量经电位器变成反馈信号U ，给定信号与

反馈信号产生偏差信号e ；偏差信号经放大器（电压比较放大器和可逆功率放大器）得到

d U ，d U 通过执行机构（直流伺服电动机）作用到雷达天线上，减小偏差，最终实现*m

m θθ=。这就是控制的整个过程。

2.1各部分传函及方块图

2.1.1 位置检测器

在控制系统中,单个电位器用作为信号变换装置，一对电位器可以组成误差检测器，空载时，单个电位器的电刷角位移()t θ与输出电压()u t 的关系曲线在进行理论分析时可以用直线近似，于是可得输出电压为

0()()u t K t θ= 式中0max K E θ=，是电刷单位角位移对应的输出电压，称为电位器传递系数，其中E 是电位器电源电压，max θ是电位器最大工作角。对上式求拉氏变换，可求得电位器传递函数为

0()()()

U s G s K s θ== 可以看出电位器的传递函数是一个常值，它取决于电源电压E 和电位器最大工作角度max θ。电位器可用图2-1的方框图表示。

图2-1 电位器方框图

其中输入()X s 就是()s θ，输出()C s 就是()U s ，()G s 就是0K 。

用一对相同的电位器组成误差检测器时，其输出电压为

120120()()()[()()]()u t u t u t K t t K t θθθ=-=-=∆

式中0K 是单个电位器的传递系数；12()()()t t t θθθ∆=-是两个电位器电刷角位移之差。称为误差角。因此，误差角为输入时，误差检测器的传递函数与单个电位器传递函数相同，即为

0()()()

U s G s K s θ==∆ 2.2．2 电压比较放大器

电压比较放大器实际上是比较元件和一部分放大元件的组合，其职能是把测量元件检测到的被控量实际值与给定元件给出的参据量进行比较，求出它们之间的偏差，并经过电压型集成运算放大器的放大作用，将偏差信号放大。具体说来就是：

*ct ct ()U K U U =- 其中ct 10K R R =-，又因*U U e -=（偏差），所以上式可以写成ct ct U K e =，对该式两边同时进行拉氏变换，可得电压比较运算放大器的传递函数为

ct ct ()()()

U s G s K E s == 从式子可以知道电压比较放大器的传递函数也是一个常值。电压比较放大器可以用图2-2所示的方框图表示

图2-2 电压比较器方框图

其中ct ()G s K =。

2.2.3 可逆功率放大器

本设计用到的功率放大器由晶闸管或大功率晶体管组成功放电路，由它输出一个足以驱动电动机SM 的电压和电流。分析可知，对该环节做近似处理，可得

d d ct U K U =

对式子两边同时做拉氏变换，得可逆功率放大器的传递函数为

d d ct ()()()

U s G s K U s == 用图2-3所示的方框图表示。

图2-3 可逆功率放大器方框图

其中d ()G s K =。

2.2.4 执行机构

直流伺服电动机在控制系统中广泛用作执行机构，用来对被控对象的机械运动实现快速控制，通过简化处理后的直流伺服电动机的微分方程为