雷达天线控制系统的设计

雷达天线控制系统设计

摘 要

本课题研究的雷达天线控制系统要求具有定位和等速跟踪功能，定位控制要求精度高、响应快，等速跟踪控制要求转速平稳。早期的雷达天控系统大多采用模拟电路实现，如需调整控制参数时，就要更换控制器中一些元件，同时受环境温度、外界干扰及元件老化等因素的影响，调节器参数都会发生变化，从而影响控制性能。

一般的雷达天线的性能主要取决于其伺服系统的设计水平。伺服系统的设计包括结构设计和控制设计两部分，这两部分是相互影响紧密耦合的。一般所采用的设计方法是对结构系统和控制系统先分别设计，然后再根据要求进行调校，这往往会导致产品研制的周期长、成本高、性能差、结构笨重，不能保证伺服系统总体的综合性能最优。针对雷达天线伺服系统设计中存在的结构设计与控制设计相分离的问题，提出一种结构与控制集成优化设计的模型，即采用手轮控制和电路自动化控制相结合的方式完成。

本文以雷达天线控制系统的研制为背景，设计了系统总体方案。雷达为机动型远程警戒雷达，天线在圆周360°方位中进行运转工作，在伺服系统中对天线的控制实现远程遥控和人工控制。工作中为了有效的消除云雨气象杂波的干扰，利用空间电磁场和目标的特性，在伺服系统中对云雨气象杂波的干扰实现线极化和原极化的转换控制。对于天线360°圆周运转状态，需要通过处理变换并把360°圆周运转的模拟方位信号转换为数字方位信号，同时为雷达各个分系统提供出方位数据；通过方位处理可实现雷达寻北，对方位数据进行自动教北。天线在架设时应进行升降俯仰控制，通过控制可安全操作升降俯仰。

关键词：雷达，天线，控制，精度，伺服

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Radar antenna control system design

Summary

Research of radar antenna control system requires a positioning and velocity tracking, positioning control requires high precision and fast response, speed speed tracking control requirements, such as stable. Most of the early days of radar controlled systems used analog circuits, need to adjust control parameters, it is necessary to replace the controller components in and influenced by environmental factors such as temperature, outside interference and component aging effects, changes regulator parameters, thus affecting performance.

General performance of radar antenna mainly depends on the level of its servo system design. Design of servo system design including design and control of two parts, interaction between these two parts are tightly coupled. General system design method is used to structure and control system design, respectively, and then adjusted according to the requirements, which often leads to long product development cycles, high cost, poor performance, structure of heavy, cannot ensure the overall performance of optimal servo system. For the radar antenna servo system design of structure and control design of phase separation problem, proposed a model of integrated optimization design of structure and control, using hand wheel completed the combination of control and automatic control circuit.

With development of the radar antenna control system in the background of this article, designing the general scheme of the system. Radar-Mobile early warning radar, antennas work running in a circle of 360 ° azimuth, remote control for antenna servo system of control and manual control. In order to be effective in eliminating Cloud and rain weather clutter interference using spatial characteristics of electro-magnetic fields and the target, Cloud and rain in a servo system of weather clutter jamming transition control for linear polarization and the polarization. Aerial 360 ° circle running condition, use the transform and simulation of running in a circle of 360 ° azimuth direction of signal into a digital signal, while for the radar system with location data through North azimuth radar homing, on North azimuth data

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automatically, to teach. Elevator pitch control should be carried out when the erection of the antenna by controlling the safe operation of elevator pitch.

Keywords：Radar,Antennas, Control, Precision, Servo

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1绪 论

1.1课题背景及目的

进几十年来，天线和雷达都有着惊人的发展，但基本原理没有重大突破。目前，天线的各种类型层出不穷，性能要求越来越高，应用领域不断扩展。军事装备和国民经济的迫切需求推动和牵引着天线理论和技术的日新月异的发展。在现代科学技术的众多领域中，自动控制技术起着越来越重要的作用。所谓自动控制，是指再没有人直接参与的情况下，利用外加的设备和装置（称控制装置和控制器），使机器、设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量）自动的按照预定规律运行。而近几十年来，自动控制技术的应用范围线已扩展到社会生活的各个领域中，已成为生活中不能缺少的组成部分。雷达天线的形状虽然千奇百怪，但却有一个共同作用，即都是把电磁波集中起来形成波束实现定向辐射。只是由于各种雷达所用的无线电波波长不同，才使它们的呈现出千姿百态的差异。我们见到雷达天线在不停的转动，其实它是一个方位一个方位挨个的搜索和探测目标。当天线转动时，集中起来的无线电波束也会随之转动。这样，当强大的波束扫描到空中目标时，根据雷达收到回波时天线所指示的方位，便可以知道目标的方位，并根据波束由雷达发射到目标和由目标反射回到雷达所需要的时间、电波在空间的传播速度，就可以计算出雷达与目标之间的距离。雷达天线控制系统有两种工作状态，一种是当雷达还有捕捉到飞机时，要有雷达手操作，通过设计的自动控制系统使天线旋转去搜索飞机，这是雷达的搜索过程。第二种状态时当天线捕捉到目标时，由雷达天线作自动跟踪飞机的运动，系统处于自动跟踪的状态。

1.2雷达天线控制系统的研究现状

随着电子、计算机、自动化等技术对武器装备性能的影响程度越来越大，车载天线稳定跟踪平台技术的研究始终是国内外各研究单位和大公司关注的热点。在国外发达国家，如美、英等国的先进武器系统中，使用微惯性传感器的天线稳定跟踪平台得到了广泛的应用，美国的 Ｍ１ 坦克、英国的“挑战者”坦克、俄罗斯的 Ｔ－８２ 坦克等都采用了不同类型的天线稳定跟踪平台。 国内有公司和院所等单位在研制车载天线系统，但大多局限于各自行业的应用，而且大都不能

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满足部队的大发射功率、强抗风性、低温等要求，部队某单位也在研制同类系统，但还没有成熟产品的大量应用。比较有代表性的有： （１）基于激光陀螺捷联惯导组合的天线控制系统

该系统是由重庆巴山仪器厂开发的一种新的卫星天线的稳定与跟踪系统。系统采用激光陀螺惯性导航系统（ＬＩＮＳ）的数学平台，给出天线相对于地理坐标系的控制信号，使天线稳定在地理坐标系中不受机座运动的干扰，同时系统中还有辅助的自动极值搜索控制，天线在跟踪时的误差达到最小。 （２）基于国产微机械传感器的卫星电视天线控制系统

清华大学导航工程中心从 １９９６ 年开始研制微机械惯性器件，在此基础上研制了一套基于微机械器件的卫星电视接收天线姿态稳定系统。它采用惯性姿态测量与场强自动组合的方式来稳定跟踪天线，系统由微机械姿态测量模块、伺服控制机构和天馈子系统组成，所有数据处理和控制功能由一个嵌入式工控机完成。微机械惯性姿态测量模块被固结于天线反射面上，用于实时测量天线的姿态和角速度。当其姿态偏离设定值时，伺服控制机构及时进行调整，为了克服惯性器件的漂移，还同时使用了场强自动跟踪技术来保持天线准确地指向目标卫星，即始终保持场强最大。

（３）基于单片机技术的卫星天线自动跟踪控制系统

复旦大学专用集成电路于系统国家重点实验室开发了一套卫星天线自动跟踪控制系统，模转换器采集仰角、方位角和 ＡＧＣ 信号，经过坐标转换后驱动电机旋转。 随着现代电视转播、卫星电视接收、车船用移动天线通讯以及运钞车、公安、消防、石油、地质、野外这样等行业的发展，迫切需要一种性价比高的移动天线通讯系统。这种移动天线通讯系统的关键技术同样在于车载天线平台的稳定和跟踪能力，能否很好的隔离载体（汽车、火车、轮船等）的运动（高低速、紧急启动、停止、转弯等）对天线平台的姿态影响，并在各种气象、环境下保证车载天线始终高精度对准卫星，实现连续卫星通信，是此系统成败的关键。 1.3 课题研究内容及要求

本文综合考虑了雷达天线在控制过程中的精确度，以及方便性，充分运用机械及控制理论，将机械控制与电子控制综合运用于本设计。

应用所学的机械和电气方面的知识，完成该装置的设计，选型结合现行主流

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配置进行整体设计；设计出主要零部件。

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2雷达天线控制系统原理

2.1原理简述

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2-1所示。

图2-1 雷达天线控制系统原理图

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2.2 系统的组成

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：工作机械（雷达天线）。 2、被控量：角位置m。

3、干扰：主要是负载变化（f及TL）。

*4、给定值：指令转角m。

*5、传感器：由电位器测量m、m，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。 2.3 工作原理

现在来分析该系统的工作原理。由图2-1可以看出，当两个电位器RP1和RP2**m0，电的转轴位置一样时，给定角m与反馈角m相等，所以角差mm位器输出电压U*U，电压放大器的输出电压Uct0，可逆功率放大器的输出

*电压Ud0，电动机的转速n0，系统处于静止状态。当转动手轮，使给定角m增大，m0，则U*>U，Uct0，Ud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RP2的转轴，使m也增大。

**m，只要mm，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偏差角m0，Uct0，Ud0，系统才会停止运动而处在新的稳定状态。如

*果给定角m减小，则系统运动方向将和上述情况相反。

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此处省略 NNNNNNNNNNNN字。如需要完整说明书和设计图纸等.请联系在线扣扣：九七一九二零八零零 另提供全套机械毕业设计下载！全部设计都已通过答辩

致 谢

时光如梭，光阴似箭，丰富、充实的求学生活即将成为过去，在此，我衷心感谢所以关心支持我的老师、亲人和朋友，并向他们表示崇高的敬意。

在这半年的设计学习中，我得到了王飞老师的精心指导和帮助，从设计的选题、开题论证、资料的收集整理，到正式的设计、撰写修改，无不渗透着王老师的心血和汗水，在此表示衷心的感谢！同时与同学和老师间的交流也让我受益匪浅。通过设计，我深深的感受到了自己知识的浅薄。学海无涯，在将来的学习中我一定会更加的勤奋、谦虚。在这里我向在大学期间教导我、帮助我的各位老师表示最诚挚的谢意!祝老师们身体健康、万事如意！

由于时间仓促，自己水平有限，同时缺乏经验，设计中的不足和错误在所难免，恳请各位老师和同学批评指正，提出宝贵意见。

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