单片微机控制雷达伺服系统的设计分析.doc
[摘 要]为了满足地面雷达要求设备尺寸小，易于拆卸和重量轻的需求。本文设计系统核心为PICI8F2431单片机，伺服电机为无刷直流电机，针对相关问题提出软件伺服的方法，形成全数字高精度伺服系统。由于该系统存在机械共振、力矩耦合和电气参数波动等非线性因素的影响，采用改良后的抗积分饱和相结合的PID控制器和模糊性规则。经验证，该系统具有较高的控制精度和较快的响应速度，它对于设计具有严格重量限制的X型伺服系统具有重要的参考价值。
[关键词]雷达伺服；无刷直流电动机；PID控制器；模糊规则
中图分类号：TN957 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）06-0397-02
引言
雷达，又称为无线电定位，即用无线电的方法发现目标并测定他们的空间位置。雷达是利用电磁波探测目标的电子设备。雷达系统的核心部件为目标追踪系统，以实现对目标搜索，捕获和跟踪。我国大多数雷达伺服控制器为DSP，但这类伺服控制器具有相对复杂的结构，较大的体积，扩展性不足等问题，无法与现在条件下雷达系统要求相匹配。以单芯片为设计核心的无刷直流电机控制系统具有体积小、重量轻、结构简单、启动快、可靠性高、维修方便的特点。
本文主要对基于ST公司和PIC18F2431智能功率驱动芯片L6235领域的X型雷达伺服平台进行了介绍，并为系统设计了硬件和软件。无论是机械结构的选择，伺服部件的选取，还是主控芯片的选择其设计过程力求简单、紧凑和可靠。依据X型雷达伺服系统控制器的特性和精度要求，设计了一种改进型抗积分饱和PID控制器和模糊规则的PID控制器。
一、 控制器的整体构成
1、控制器的硬件整体构成
雷达天线伺服系统对天线运动情况进行控制主要系统程序指令要求，并完成各种动态和静态性能指标。雷达天线主体包含两个自由度，即俯仰轴和方位轴。两种自由度有着不同的作用范围，俯仰轴的功能主要是实现精度范围内的位置伺服；方位轴则有着更大的范围，不仅要求实现俯仰轴中所要求的功能，还要求在一定精度范围内，能够实现不同速度和不同范围下的扇扫。其中双轴天线伺服平台结构如图1所示。
2、控制器的软件整体构成
由于系统内部存在一些非线性且无法人为确定的因素（主要有电气参数波动、机械谐振以及力矩耦合等）的影响，因此，我们主要采用改进型的抗积分饱和的PID控制器，并且控制器中有效结合模糊规则。
图2对系统伺服系统的主要原理进行叙述。其控制策略主要是三环控制，其中将位置这一环节的反馈设置为光电编码器的回馈位置，速度环节的反馈设置为光电编码器回馈位置的微分，电流环节的反馈设置为智能功率模块L6235引出的母线电流。
二、硬件和软件设计
1、硬件结构
在第一部分的内容中，我们对控制器硬件的整体构成进行了叙述。这类控制器的核心部分为单片机PIC18F2431，驱动电机旋转主要通过相关驱动芯片来进行；直线电位器给控制器提供天线的俯仰轴位置模拟信号，再经AD转化为数字量；绝对光电编码器为控制器提供天线的方位位置数字信号。通过测量无刷直流电机的霍尔信号周期来计算方位扫描速度，D/A转换模块输出与天线速度方位角扫描速度成比例的参考电压控制；通过数字隔离，RS422和天线控制器进行通信，还可以通过手动键盘来实现一些控制。控制器的两个驱动器芯片包括主电源电路和相关的驱动控制逻辑，内置过流保护电路，使电机控制变得简单方便。
进行硬件电路设计时，采用PIC18F2413的单片机，该单片机产地为微芯公司。选择无刷直流电机作为硬件电路电机，驱动主要采用智能功率驱动芯片L6235，产自ST公司，芯片的控制输入与CMOS/TTL逻辑的微处理器兼容，输出等级为DMOS三相桥电路，具有PWM、正反向、制动控制等控制功能，还具有过电流、过热、欠电压、交叉导通等保护功能。
2、软件设计
Ⅰ、系统软件设计流程图（图3）
Ⅱ、结合模糊规则和改进型抗积分饱和的PID控制器
将模糊规则和改进型抗积分饱相结合的PID控制器引入到PID软件设计中，一方面能够使程序调试的灵活性得到进一步提升，另一方面还能在很大程度上提升系统性能，控制原理如图4所示。模糊规则表的确定主要通过误差和误差变化，再由模糊规则表所示数据确定PID的比例、积分、微分参数的大小和变化趋势。
三、模糊自适应PID控制器设计
大多数传统雷达伺服系统采用PID（比例，积分和微分）进行控制，具有控制原理简单，精度高，易于使用，适应性强等优点，可为许多控制对象提供令人满意的控制性能。然而，随着现代战争的逐渐发展，雷达天线伺服系统的复杂性大大提高，但其精确的数学模型难以获得，选取PID控制器的最优参数的过程也变得更加麻烦；并且随着逐步提升的战场环境复杂程度，固定控制器的适应性参数也越来越差。
因此，要结合模糊控制和传统PID控制的優点，设计出具有高坚牢度，强鲁棒性和高控制精度的模糊自适应PID控制器，不仅可以在线修改PID控制器参数，而且还可以能够适应伺服系统参数的变化。
1、雷达天线伺服系统构成
为有效提升雷达的性能，雷达伺服系统中大多将速度环、位置环和电流环三环组成的闭环控制结构作为系统的主要控制结构，主要结构如图5所示。
电流回路是伺服系统的内圈，需要其调节器快速跟踪给定电流的变化。由于内部循环系统参数更加清晰，系统运行变化小，所以选择传统的PID控制作为电流调节器的控制算法，速度环的位置处在伺服系统的次级外圈。为了提高操作的平滑度，可以使用传统的PID控制。位置环的位置处在伺服系统的外圈，其调节器可以快速，准确地跟踪给定位置，系统参数变化的影响具有良好的鲁棒性。为此，在位置环路中设计了一个模糊自适应PID控制器，以提高系统的性能。
2、模糊自适应PID控制器设计
模糊自适应PID控制器以误差E和误差变化Ec对PID参数自整定的要求，并利用模糊控制规则对PID参数进行在线校正，结构如图6所示。
模糊自适应PID控制器的设计是找出Kp，Ki，Kd和E之间的关系以及PID参数的Ec。通过在运行期间不断检测E和Ec，然后根据模糊控制原理在线校准三个参数。为满足不同E和Ec控制参数的不同要求，控制对象具有良好的动态和静态性能。
PID控制器的作用参数如下：①比例系数Kp的作用是加快系统响应速度，提高系统的调整精度。Kp值越高，系统的响应时间越快，调节精度越高，但超标，甚至可能导致系统不稳定。如果Kp值太小，会降低调整精度，减慢系统响应速度，延长调整时间，使系统稳态，动态特性更差。②积分系数Ki是消除系统的稳态误差。Ki越大，系统的静态误差越快，但是Ki过大，积分饱和可能在响应过程开始时发生，导致过冲响应过程过大；如果Ki太小，会使系统的静态错误难以消除，影响系统的调整精度。③微分系数Kd的影响是提高系统的动态特性，主要是在任何方向的偏差过程中提前改变预测的偏差。但是Kd太大，会使制动的响应过程超前，从而延长了调整时间，降低了系统的抗干扰性能。
依据上述规律特点，对该模糊推理控制器的控制规则进行如下三点推理：第一，若偏差E值过大，则实际情况下应选取较大的比例系数Kp和较小的微分系数Kd；第二，当偏差E值为中等大小时，则比例系数Kp为帮助系统取得相对较小的超调应选取较小值，这种情况下，微分系数Kd会对系统产生较大影响，其取值应适当来保证系统获得良好的响应速度；第三，当偏差E值接近设定值或者偏差值较小时，此时应尽量降低积分系数Ki的值，而尽量增加比例系数Kd的值，当偏差的变化量Ec的数值比较小时，则比例系数Kd的取值应尽可能大些；反之，比例系数Kd的取值则尽可能小一些。
在Matlab中使用模糊逻辑工具箱，模糊控制器是通过编辑FIS文件来设计的。模糊控制器为双输入三输出控制器，输入变量E，Ec，输出变量Kp，Ki，Kd。输入和输出变量取7个语言值，其模糊子集为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。E和Ec与[3，3]相同。由于参数值仅由偏差的绝对量确定，如果偏差的绝对量是输入语言变量，则可以提高变量分类精度，敏感度。Mamdani型模糊控制器的设计，模糊推理选择MAX-MIN方法，采用加权平均法的反模糊，变量隶属函数为三角形，每个值采取相同的宽度范围。
参考文献
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作者简介
邱建朋，1981年11月，男，江苏阜宁，2005年毕业湖南大学自动化专业，本科，中国电子科技集团公司第三十八研究所，高级工程师，研究方向：雷达伺服系统。
