第一篇：雷達(dá)天線伺服控制系統(tǒng)要點

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概 述

用來精確地跟隨或復(fù)現(xiàn)某個過程的反饋控制系統(tǒng)。又稱隨動系統(tǒng)。在很多情況下，伺服系統(tǒng)專指被控制量（系統(tǒng)的輸出量）是機械位移或位移速度、加速度的反饋控制系統(tǒng)，其作用是使輸出的機械位移（或轉(zhuǎn)角）準(zhǔn)確地跟蹤輸入的位移（或轉(zhuǎn)角）。伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和其他形式的反饋控制系統(tǒng)沒有原則上的區(qū)別。它是由若干元件和部件組成的并具有功率放大作用的一種自動控制系統(tǒng)。位置隨動系統(tǒng)的輸入和輸出信號都是位置量，且指令位置是隨機變化的，并要求輸出位置能夠朝著減小直至消除位置偏差的方向，及時準(zhǔn)確地跟隨指令位置的變化。位置指令與被控量可以是直線位移或角位移。隨著工程技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了各種類型的位置隨動系統(tǒng)。由于發(fā)展了力矩電機及高靈敏度測速機，使伺服系統(tǒng)實現(xiàn)了直接驅(qū)動，革除或減小了齒隙和彈性變形等非線性因素，并成功應(yīng)用在雷達(dá)天線。伺服系統(tǒng)的精度主要決定于所用的測量元件的精度。此外，也可采取附加措施來提高系統(tǒng)的精度，采用這種方案的伺服系統(tǒng)稱為精測粗測系統(tǒng)或雙通道系統(tǒng)。通過減速器與轉(zhuǎn)軸嚙合的測角線路稱精讀數(shù)通道，直接取自轉(zhuǎn)軸的測角線路稱粗讀數(shù)通道。因此可根據(jù)這個特征將它劃分為兩個類型，一類是模擬式隨動系統(tǒng)，另一類是數(shù)字式隨動系統(tǒng)。本設(shè)計——雷達(dá)天線伺服控制系統(tǒng)實際上就是隨動系統(tǒng)在雷達(dá)天線上的應(yīng)用。系統(tǒng)的原理圖如圖1-1所示。

自 動 控 制 原 理 課 程 設(shè) 計 雷達(dá)天線伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

圖1-1 雷達(dá)天線伺服控制系統(tǒng)原理圖

1.2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

從圖1-1可以看出本系統(tǒng)是一個電位器式位置隨動系統(tǒng)，用來實現(xiàn)雷達(dá)天線的跟蹤控制，由以下幾個部分組成：位置檢測器、電壓比較放大器、可逆功率放大器、執(zhí)行機構(gòu)。以上四部分是該系統(tǒng)的基本組成，在所采用的具體元件或裝置上，可采用不同的位置檢測器，直流或交流伺服機構(gòu)等等。

現(xiàn)在對系統(tǒng)的組成進(jìn)行分析：

1、受控對象：雷達(dá)天線

2、被控量：角位置?m。

3、干擾：主要是負(fù)載變化（f及TL）。

*

4、給定值：指令轉(zhuǎn)角?m。

*

5、傳感器：由電位器測量?m、?m，并轉(zhuǎn)化為U、U*。

6、比較計算：兩電位器按電橋連接，完成減法運算U*?U?e（偏差）。

7、控制器：放大器，比例控制。

8、執(zhí)行器：直流電動機及減速箱。

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1.3 工作原理

分三種情況考慮：

*1當(dāng)兩個電位器RP1和RP2的轉(zhuǎn)軸位置一樣時，給定角?m與反饋角?m相等，所以角差*??m??m??m?0，電位器輸出電壓U*?U，電壓放大器的輸出電壓Uct?0，可逆功率放大器的輸出電壓Ud?0，電動機的轉(zhuǎn)速n?0，系統(tǒng)處于靜止?fàn)顟B(tài)。

**2當(dāng)轉(zhuǎn)動手輪，使給定角?m增大，??m?0，則U>U，Uct?0，Ud?0，電動機轉(zhuǎn)速n>0，經(jīng)減速器帶動雷達(dá)天線轉(zhuǎn)動，雷達(dá)天線通過機械機構(gòu)帶動電位器RP2的轉(zhuǎn)軸，使?m也增大。

*3給定角?m減小，**，電動機就帶動雷達(dá)天線超著縮小偏差的方向運動，只有當(dāng)?m?m??m??m，偏差角??m?0，Uct?0，Ud?0，系統(tǒng)才會停止運動而處在新的穩(wěn)定狀態(tài)。雷達(dá)天線伺服控制系統(tǒng)框圖 由實物圖可畫出系統(tǒng)方框圖，如下

圖3-1 雷達(dá)天線伺服控制系統(tǒng)原理框圖

*給定角?m經(jīng)電位器變成給定信號U*，被控量經(jīng)電位器變成反饋信號U，給定信號與反饋信號產(chǎn)生偏差信號e；偏差信號經(jīng)放大器（電壓比較放大器和可逆功率放大器）得到

*（直流伺服電動機）作用到雷達(dá)天線上，減小偏差，最終實現(xiàn)?mUd，Ud通過執(zhí)行機構(gòu)??m。這就是控制的整個過程。

2.1各部分傳函及方塊圖

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2.1.1 位置檢測器

在控制系統(tǒng)中,單個電位器用作為信號變換裝置，一對電位器可以組成誤差檢測器，空載時，單個電位器的電刷角位移?(t)與輸出電壓u(t)的關(guān)系曲線在進(jìn)行理論分析時可以用直線近似，于是可得輸出電壓為

u(t)?K0?(t)

式中K0?E?max，是電刷單位角位移對應(yīng)的輸出電壓，稱為電位器傳遞系數(shù)，其中E是電位器電源電壓，?max是電位器最大工作角。對上式求拉氏變換，可求得電位器傳遞函數(shù)為

G(s)?U(s)?K0 ?(s)可以看出電位器的傳遞函數(shù)是一個常值，它取決于電源電壓E和電位器最大工作角度?max。電位器可用圖2-1的方框圖表示。

圖2-1 電位器方框圖

其中輸入X(s)就是?(s)，輸出C(s)就是U(s)，G(s)就是K0。

用一對相同的電位器組成誤差檢測器時，其輸出電壓為

u(t)?u1(t)?u2(t)?K0[?1(t)??2(t)]?K0??(t)

式中K0是單個電位器的傳遞系數(shù)；??(t)??1(t)??2(t)是兩個電位器電刷角位移之差。稱為誤差角。因此，誤差角為輸入時，誤差檢測器的傳遞函數(shù)與單個電位器傳遞函數(shù)相同，即為

G(s)?U(s)?K0 ??(s)2.2．2 電壓比較放大器

電壓比較放大器實際上是比較元件和一部分放大元件的組合，其職能是把測量元件檢測到的被控量實際值與給定元件給出的參據(jù)量進(jìn)行比較，求出它們之間的偏差，并經(jīng)過電壓型集成運算放大器的放大作用，將偏差信號放大。具體說來就是：

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Uct?Kct(U*?U)

其中Kct??R1R0，又因U*?U?e（偏差），所以上式可以寫成Uct?Kcte，對該式兩邊同時進(jìn)行拉氏變換，可得電壓比較運算放大器的傳遞函數(shù)為

G(s)?Uct(s)?Kct E(s)從式子可以知道電壓比較放大器的傳遞函數(shù)也是一個常值。電壓比較放大器可以用圖2-2所示的方框圖表示

E(s)G(s)Uct(s)

圖2-2 電壓比較器方框圖

其中G(s)?Kct。

2.2.3 可逆功率放大器

本設(shè)計用到的功率放大器由晶閘管或大功率晶體管組成功放電路，由它輸出一個足以驅(qū)動電動機SM的電壓和電流。分析可知，對該環(huán)節(jié)做近似處理，可得

Ud?KdUct

對式子兩邊同時做拉氏變換，得可逆功率放大器的傳遞函數(shù)為

G(s)?Ud(s)?Kd Uct(s)用圖2-3所示的方框圖表示。

Uct(s)G(s)Ud(s)

圖2-3 可逆功率放大器方框圖

其中G(s)?Kd。

2.2.4 執(zhí)行機構(gòu)

直流伺服電動機在控制系統(tǒng)中廣泛用作執(zhí)行機構(gòu)，用來對被控對象的機械運動實現(xiàn)快速控制，通過簡化處理后的直流伺服電動機的微分方程為

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Tmd?m(t)??m(t)?K1ud(t)?K2M(t)dt式中M(t)可視為負(fù)載擾動轉(zhuǎn)矩。根據(jù)線性系統(tǒng)的疊加原理，可分別求ud(t)到?m(t)和M(t)到?m(t)的傳遞函數(shù)，以便研究在ud(t)和M(t)分別作用下電動機轉(zhuǎn)速?m(t)的性能，將他們疊加后，便是電動機轉(zhuǎn)速的響應(yīng)特性。所以在不考慮負(fù)載擾動轉(zhuǎn)矩的條件下，即M(t)?0'時和在零初始條件下，即?m(0)??m(0)?0時，對上式各項求拉氏變換，并令?m(s)?L[?m(t)]，Ud(s)?L[ud(t)]，則得s的代數(shù)方程為

(Tms?1)?m(s)?K1Ud(s)

由傳遞函數(shù)的定義，于是有

G(s)??m(s)K1 ?Ud(s)Tms?1G(s)便是電樞電壓ud(t)到?m(t)的傳遞函數(shù)，Tm是系統(tǒng)的機電常數(shù)。

這可以用圖2-4所示的方框圖來表示

圖2-4 直流伺服電動機方框圖

其中G(s)?K1。Tms?12.2.5減速器

設(shè)減速器的速比為i，減速器的輸入轉(zhuǎn)速為n，而輸出轉(zhuǎn)速為n'，則減速器的傳遞函數(shù)為

G(s)?N'(s)?Kg N(s)其中Kg?1/i。

2.3系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)圖

在不考慮干擾力矩的條件下，并適當(dāng)?shù)淖儞Q，就會得到雷達(dá)天線伺服控制控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，如圖3-2所示

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圖3-2 雷達(dá)天線伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

*其中R(s)就是?m(s)，C(s)就是?m(s)，Kg?1/i。

將方框圖進(jìn)行化簡處理，可得系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)

G(s)?C(s)?m(s)K ?*?R(s)?m(s)s(Tms?1)其中K?K0KctKdK1Kg。簡化后的系統(tǒng)方框圖如圖3-3所示

圖3-3 系統(tǒng)簡化方框圖

從實際考慮，我們知道雷達(dá)天線伺服控制系統(tǒng)的性能應(yīng)該是響應(yīng)速度盡可能快，即調(diào)節(jié)時間盡可能小，超調(diào)量盡可能小。

3.系統(tǒng)傳遞函數(shù)

本系統(tǒng)的設(shè)計要求是系統(tǒng)通過校正設(shè)計后的單位階躍響應(yīng)無超調(diào)，且調(diào)節(jié)時間ts?0.5s。因系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為

G(s)?K

s(Tms?1)其中K為開環(huán)增益，Tm為直流伺服電動機的時間常數(shù)。選取Tm?0.1s的直流伺服電動機作為執(zhí)行機構(gòu)。由開環(huán)傳遞函數(shù)求得系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)

?(s)?K/TmG(s)?1?G(s)s2?1s?KTmTm由上式可以得到閉環(huán)特征方程為

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s2?1Ks??0 TmTm這是一個二階系統(tǒng)，在沒有校正設(shè)計前，取系統(tǒng)的阻尼比為??0.5，代入Tm?0.1，由二階系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)形式有

2??n?1?10 Tm?n2?K?10K Tm計算得到?n?10rad/s。系統(tǒng)的開環(huán)增益為

K?10(rad/s)2

系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為

G(s)?K10 ?s(Tms?1)s(0.1s?1)這可以用系統(tǒng)的參數(shù)方框圖表示，如圖3-4所示

圖3-4 系統(tǒng)參數(shù)方框圖 系統(tǒng)性能分析

4.1系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能分析

可以看出??1，是一型系統(tǒng)。靜態(tài)位置誤差系數(shù)

Kp?limG(s)H(s)??

s?0得到系統(tǒng)在階躍輸入作用下的穩(wěn)態(tài)誤差

ess?4.2系統(tǒng)動態(tài)性能分析

11??0

1?limG(s)H(s)1?Kps?0對本系統(tǒng)而言，在沒有校正設(shè)計時，??0.5，可知系統(tǒng)是欠阻尼二階系統(tǒng)。動態(tài)分析

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具體而言就是確定系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)。因??cos?，于是求得阻尼角為

??arccos??arccos0.5??/3

而阻尼振蕩頻率為

?d??n1??2?8.66(rad/s)

對欠阻尼二階系統(tǒng)各性能指標(biāo)進(jìn)行近似計算，可得

1、延遲時間td：

td?1?0.7??1?0.7?0.5?0.135

10?n2、上升時間tr：

tr???????/3??0.24(s)?d8.663、調(diào)節(jié)時間ts：

ts?3.5?3.5?0.7(s)

0.5?10??n4、超調(diào)量?%：

?%?e???/1??2?100%?16.3%

由這些計算出的動態(tài)性能指標(biāo)可以知道，系統(tǒng)并沒有達(dá)到設(shè)計要求，超調(diào)量?%?16.3%?0，調(diào)節(jié)時間ts?0.7?0.5。系統(tǒng)此時的單位階躍響應(yīng)曲線如圖4-1所示

圖4-1 系統(tǒng)校正前單位階躍響應(yīng)曲線

從對系統(tǒng)的動態(tài)分析和圖4-1可以看出，如果該系統(tǒng)沒有校正設(shè)計，則達(dá)不到設(shè)計要求，所以為了滿足設(shè)計要求，必須進(jìn)行校正設(shè)計。

自 動 控 制 原 理 課 程 設(shè) 計 校正設(shè)計

所謂校正，就是在系統(tǒng)中加入一些其參數(shù)可以根據(jù)需要而改變的機構(gòu)或裝置，使系統(tǒng)整個特性發(fā)生變化，從而滿足給定的各項性能指標(biāo)。目前，在工程實踐中常用的有三種校正方法，分別是串聯(lián)校正、反饋校正和復(fù)合校正。

本系統(tǒng)的校正設(shè)計采用反饋校正。反饋校正是目前廣泛應(yīng)用的一種校正方式，反饋校正的基本原理是：用反饋校正裝置包圍待校正系統(tǒng)中對動態(tài)性能改善有重大妨礙作用的某些環(huán)節(jié)，形成一個局部反饋回路（內(nèi)回路），在局部反饋回路的開環(huán)幅值遠(yuǎn)大于1的條件下，局部反饋回路的特性主要取決于反饋校正裝置，而與被包圍部分無關(guān)；適當(dāng)選擇校正裝置的形式和參數(shù)，可以使系統(tǒng)的性能滿足給定指標(biāo)的要求。

本系統(tǒng)采用直流測速發(fā)電機作為校正裝置，即采用測速反饋控制來實現(xiàn)校正。直流測速發(fā)電機的傳遞函數(shù)為

G(s)?U(s)?Kt ?(s)或

G(s)?U(s)?Kts ?(s)將該校正環(huán)節(jié)加到原系統(tǒng)中，可以得到校正后的系統(tǒng)方框圖，如圖5-1所示

圖5-1 校正后雷達(dá)天線伺服控制系統(tǒng)方框圖

畫簡后得到圖5-2

圖5-2 校正后系統(tǒng)方框圖

由圖5-2得到校正后的開環(huán)傳遞函數(shù)

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G(s)?K10 ?s(Tms?1?KKt)s(0.1s?1?10Kt)進(jìn)一步得到校正后的系統(tǒng)的閉環(huán)特征方程

s2?(10?100Kt)s?100?0

其中Kt為與測速發(fā)電機輸出斜率有關(guān)的測速反饋系數(shù)，校正設(shè)計的主要目的就是確定反饋系數(shù)，以達(dá)到整個系統(tǒng)的設(shè)計要求。

前面已經(jīng)提到系統(tǒng)的設(shè)計要求是通過校正設(shè)計后系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)無超調(diào)，且調(diào)節(jié)時間ts?0.5s。我們知道對于二階系統(tǒng)要想無超調(diào)量，則校正后阻尼比?t?1。而且本系統(tǒng)要求盡可能快的響應(yīng)，所以取阻尼比?t?1。進(jìn)而有2?t?n?10?100Kt，?n2?100，于是可以計算出

Kt?0.1

由于

2s2?2??n??n?(s?1/T1)(s?1/T2)

當(dāng)阻尼比為1時，T1?T2，所以得

2T1?T2?1/?n?0.1(s)

根據(jù)過阻尼二階系統(tǒng)動態(tài)性能指標(biāo)的近似計算，可得校正后系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)為

td?1?0.6?t?0.2?t2?n1?1.5?t??t2?1?0.6?0.2?0.18(s)

10tr??n?1?1.5?1?0.35(s)10ts?4.75T1?0.475(s)

調(diào)節(jié)時間ts?0.475?0.5，無超調(diào)量，達(dá)到了設(shè)計要求。

自 動 控 制 原 理 課 程 設(shè) 計 結(jié)

論

本設(shè)計是雷達(dá)天線伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計，伺服控制系統(tǒng)最初用于船舶的自動駕駛、火炮控制和指揮儀中，后來逐漸推廣到很多領(lǐng)域，特別是雷達(dá)天線伺服控制系統(tǒng)。主要討論的是雷達(dá)天線的跟蹤問題。雖然系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計要求，但這只是理論上的設(shè)計，好多環(huán)節(jié)都采用了理想化的處理，與實際條件還有一定的區(qū)別。要是進(jìn)行物理設(shè)計，還有很多方面的問題需要注意和解決。從本質(zhì)上說就的一個位置隨動系統(tǒng)。在設(shè)計中，通過對系統(tǒng)工作原理的分析，進(jìn)行了方案和主要元部件的選擇。對系統(tǒng)的開環(huán)增益和靜態(tài)誤差進(jìn)行了計算，對系統(tǒng)進(jìn)行了動態(tài)分析，了解了系統(tǒng)在沒有進(jìn)行校正設(shè)計時的動態(tài)性能，最后進(jìn)行了校正設(shè)計并再次進(jìn)行動態(tài)分析，使系統(tǒng)最終達(dá)到了在單位階躍信號作用下，響應(yīng)無超調(diào)，調(diào)節(jié)時間ts?0.5s的設(shè)計要求。

自 動 控 制 原 理 課 程 設(shè) 計 體

會

通過本次的課程設(shè)計也使我們學(xué)到了很多知識，不僅使我們對自動控制原理的了解和理解更加深刻了，而且也讓我們學(xué)會了分析問題、解決問題的方法，我了解了雷達(dá)天線伺服控制系統(tǒng)的工作原理，并進(jìn)一步學(xué)習(xí)了控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，系統(tǒng)的時域分析法，系統(tǒng)的校正等方面的知識。讓我們學(xué)會了分析問題、解決問題的方法鞏固了所學(xué)的知識，學(xué)會了如何利用圖書館的資源。學(xué)會了團(tuán)隊合作的精神以及刻苦鉆研的精神，學(xué)會一些在課本中根本沒有提及到的東西。加強了理論知識與實踐統(tǒng)一的能力，加強了自己的動手操作能力。同時，也讓我接觸了很多書本之外的知識，大大地豐富了我們的見聞，拓寬了我們的視野。由于，自動控制原理適用于很多領(lǐng)域、應(yīng)用于各行各業(yè)，在做本次設(shè)計的同時，也讓我們接觸、學(xué)習(xí)了許多其他專業(yè)領(lǐng)域的知識，豐富了我們的知識儲備。但由于本人的所學(xué)和水平有限，難免出現(xiàn)一些問題和錯誤，還望老師予以批評指正。

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參考文獻(xiàn)

[1] 胡壽松.自動控制原理[M].第4版.北京：科學(xué)出版社，2001.[2] 姚樵耕、俞文根.電氣自動控制[M].第1版.北京：機械工業(yè)出版社，2005.[3] 梅曉榕、蘭樸森.自動控制元件及線路[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1993.[4] 陳夕松、汪木蘭.過程控制系統(tǒng)[M].北京：科學(xué)出版社，2005.[5] 孟浩、王芳.自動控制原理（第四版）全程輔導(dǎo)[M].大連：遼寧師范大學(xué)出版社，2004.

第二篇：自動控制原理課程設(shè)計-雷達(dá)天線伺服控制系統(tǒng)

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雷達(dá)位置伺服系統(tǒng)校正

班級： 0xx班 學(xué)號： xx

姓名： xx 指導(dǎo)老師： x老師

—2011.12

自 動 控 制 原 理 課 程 設(shè) 計

雷達(dá)位置伺服系統(tǒng)校正

一、雷達(dá)天線伺服控制系統(tǒng)

(一)概 述

用來精確地跟隨或復(fù)現(xiàn)某個過程的反饋控制系統(tǒng)。又稱隨動系統(tǒng)。在很多情況下，伺服系統(tǒng)專指被控制量（系統(tǒng)的輸出量）是機械位移或位移速度、加速度的反饋控制系統(tǒng)，其作用是使輸出的機械位移（或轉(zhuǎn)角）準(zhǔn)確地跟蹤輸入的位移（或轉(zhuǎn)角）。伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和其他形式的反饋控制系統(tǒng)沒有原則上的區(qū)別。它是由若干元件和部件組成的并具有功率放大作用的一種自動控制系統(tǒng)。位置隨動系統(tǒng)的輸入和輸出信號都是位置量，且指令位置是隨機變化的，并要求輸出位置能夠朝著減小直至消除位置偏差的方向，及時準(zhǔn)確地跟隨指令位置的變化。位置指令與被控量可以是直線位移或角位移。隨著工程技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了各種類型的位置隨動系統(tǒng)。由于發(fā)展了力矩電機及高靈敏度測速機，使伺服系統(tǒng)實現(xiàn)了直接驅(qū)動，革除或減小了齒隙和彈性變形等非線性因素，并成功應(yīng)用在雷達(dá)天線。伺服系統(tǒng)的精度主要決定于所用的測量元件的精度。此外，也可采取附加措施來提高系統(tǒng)的精度，采用這種方案的伺服系統(tǒng)稱為精測粗測系統(tǒng)或雙通道系統(tǒng)。通過減速器與轉(zhuǎn)軸嚙合的測角線路稱精讀數(shù)通道，直接取自轉(zhuǎn)軸的測角線路稱粗讀數(shù)通道。因此可根據(jù)這個特征將它劃分為兩個類型，一類是模擬式隨動系統(tǒng)，另一類是數(shù)字式隨動系統(tǒng)。本設(shè)計——雷達(dá)天線伺服控制系統(tǒng)實際上就是隨動系統(tǒng)在雷達(dá)天線上的應(yīng)用。系統(tǒng)的原理圖如圖1-1所示。

圖1-1 雷達(dá)天線伺服控制系統(tǒng)原理圖

(二)系統(tǒng)的組成

從圖1-1可以看出本系統(tǒng)是一個電位器式位置隨動系統(tǒng)，用來實現(xiàn)雷達(dá)天線的跟蹤控制，由以下幾個部分組成：位置檢測器、電壓比較放大器、執(zhí)行機構(gòu)。以上部分是該系統(tǒng)的基本組成，在所采用的具體元件或裝置上，可采用不同的位置檢測器，直流或交流伺服機構(gòu)等等。

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現(xiàn)在對系統(tǒng)的組成進(jìn)行分析：

1、受控對象：雷達(dá)天線；

2、被測量：角位置?m；

*

3、給定值：指令轉(zhuǎn)角?m；

4、傳感器：由電位器測量?m,并轉(zhuǎn)化為U；

5、控制器：放大器，比例控制；

6、執(zhí)行器：直流電動機及減速箱。

（三）工作原理

現(xiàn)在來分析該系統(tǒng)的工作原理。由圖1-1可以看出，當(dāng)輸入一個指定角?m經(jīng)過指令信號電位計，將角位移轉(zhuǎn)換為電位計的電壓輸出，電壓經(jīng)過計算機系統(tǒng)輸出到運放的輸入端，在經(jīng)過電壓放大器輸出到電動機的兩端。驅(qū)動雷達(dá)天線轉(zhuǎn)動，當(dāng)轉(zhuǎn)動到指定位置?m*，停止。

*??m?0，則反饋信號為0，不需要調(diào)整。如果??m??m如果??m?0。則經(jīng)過反饋電位計將角位移信號轉(zhuǎn)換為反饋電壓輸出，進(jìn)行調(diào)整，只要輸入與輸出之間存在角度的差值，則就會有反饋電壓信號的輸出，直至輸出的位置信號等于?m*=?m。

*同理可得：如果給定角?m減小，則系統(tǒng)運動方向?qū)⒑蜕鲜銮闆r相反。

二、雷達(dá)天線伺服控制系統(tǒng)主要元部件

（一）位置檢測器

位置檢測器作為測量元件，由指令信號電位計和反饋電位計組成位置（角度）檢測器，兩個電位器均由同一個直流電源US供電，這樣可將位置直接轉(zhuǎn)換成電量輸出。

在控制系統(tǒng)中,單個電位器用作為信號變換裝置，其輸出與輸入的函數(shù)關(guān)系為：

u(t)?K0?(t)

式中K0?E?max，是電刷單位角位移對應(yīng)的輸出電壓，稱為電位器傳遞系數(shù)，其中E是電 2

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位器電源電壓，?max是電位器最大工作角。對上式求拉氏變換，并令U(s)?L[u(t)]，?(s)?L[?(t)]，可求得電位器傳遞函數(shù)為：

U(s)?K0

G(s)??(s)可以看出電位器的傳遞函數(shù)是一個常值，它取決于電源電壓E和電位器最大工作角度?max。電位器可用圖2-1的方框圖表示。

圖2-1 電位器方框圖

其中輸入X(s)就是?(s)，輸出C(s)就是U(s)，G(s)就是K0。我們認(rèn)為反饋電位計的傳遞函數(shù)與指令信號電位計的相同

在使用電位器時要注意負(fù)載效應(yīng)。所謂負(fù)載效應(yīng)就是指在電位器輸出端接有負(fù)載時所產(chǎn)生的影響。當(dāng)電位器接負(fù)載時，一般負(fù)載阻抗比較大，所以可以將電位器視為線性元件，其輸出電壓與電刷角位移之間成線性關(guān)系。

（二）電壓比較放大器

電壓比較放大器由1A、2A組成，其中放大器1A僅僅起倒相的作用，2A則起電壓比較和放大作用，其輸出信號作為下一級功率放大器的控制信號，并具備鑒別電壓極性（正反相位）的能力。

電壓比較放大器實際上是比較元件和一部分放大元件的組合，其職能是把測量元件檢測到的被控量實際值與給定元件給出的參據(jù)量進(jìn)行比較，求出它們之間的偏差，并經(jīng)過電壓型集成運算放大器的放大作用，將偏差信號放大。具體說來就是：

Uct?Kct(U?U)*

其中Kct??R1R0，又因U*?U?e（偏差），所以上式可以寫成Uct?Kcte，對該式兩邊同時進(jìn)行拉氏變換，可得電壓比較運算放大器的傳遞函數(shù)為

G(s)?Uct(s)E(s)?Kct

從式子可以知道電壓比較放大器的傳遞函數(shù)也是一個常值。電壓比較放大器可以用圖2-2

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所示的方框圖表示：

E(s)G(s)Uct(s)

圖2-2 電壓比較器方框圖

其中G(s)?Kct。

（三）執(zhí)行機構(gòu)

執(zhí)行機構(gòu)即執(zhí)行元件，它的職能是直接推動被控對象，使其被控量發(fā)生變化。一般用來作為執(zhí)行元件的有控制閥、電動機、液壓馬達(dá)等。雖然隨著科技的發(fā)展，近些年來，交流電動機在控制系統(tǒng)特別是調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用越來越廣，使直流電動機的地位受到了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。但目前直流電動機在控制系統(tǒng)中仍占主要地位。對于調(diào)速范圍不大，動態(tài)響應(yīng)要求不高的系統(tǒng)，可以使用普通直流電動機。對于調(diào)速范圍大，動態(tài)響應(yīng)要求快的系統(tǒng)，特別是伺服系統(tǒng)（隨動系統(tǒng)），則應(yīng)采用直流伺服電動機。

直流伺服電動機是專門為控制系統(tǒng)特別是伺服系統(tǒng)設(shè)計和制造的一種電機。它的轉(zhuǎn)子的機械運動受輸入電信號控制作快速反應(yīng)。直流伺服電動機的工作原理、結(jié)構(gòu)和基本特征與普通直流電動機沒有原則區(qū)別，但為了滿足控制系統(tǒng)的要求，在結(jié)構(gòu)和性能上做了一些改進(jìn)，具有如下特點：

1、采用細(xì)長的電樞以便降低轉(zhuǎn)動慣量，其慣量大約是普通直流電動機的1/3?1/2。

2、具有優(yōu)良的換向性能，在大的峰值電流沖擊下仍能保持良好的換向條件。

3、機械強度高，能夠承受住巨大的加速度造成的沖擊力作用。

4、電刷一般都安排在幾何中性面上，以確保正、反轉(zhuǎn)特性對稱。

本系統(tǒng)就是采用直流伺服電動機SM作為帶動負(fù)載運動的執(zhí)行機構(gòu)，系統(tǒng)中的雷達(dá)天線即為負(fù)載，電動機到負(fù)載之間通過減速器匹配。

直流伺服電動機在控制系統(tǒng)中廣泛用作執(zhí)行機構(gòu)，用來對被控對象的機械運動實現(xiàn)快速控制，通過簡化處理后的直流伺服電動機的微分方程為

Tmd?m(t)dt??m(t)?K1ud(t)?K2M(t)

式中M(t)可視為負(fù)載擾動轉(zhuǎn)矩。根據(jù)線性系統(tǒng)的疊加原理，可分別求ud(t)到?m(t)和M(t)到?m(t)的傳遞函數(shù)，以便研究在ud(t)和M(t)分別作用下電動機轉(zhuǎn)速?m(t)的性能，將他們疊加后，便是電動機轉(zhuǎn)速的響應(yīng)特性。所以在不考慮負(fù)載擾動轉(zhuǎn)矩的條件下，即M(t)?0

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'時和在零初始條件下，即?m(0)??m(0)?0時，對上式各項求拉氏變換，并令?m(s)?L[?m(t)]，Ud(s)?L[ud(t)]，則得s的代數(shù)方程為

(Tms?1)?m(s)?K1Ud(s)

由傳遞函數(shù)的定義，于是有

G(s)??m(s)Ud(s)?K1Tms?1

G(s)便是電樞電壓ud(t)到?m(t)的傳遞函數(shù)，Tm是系統(tǒng)的機電常數(shù)。

這可以用圖2-4所示的方框圖來表示

圖2-4 直流伺服電動機方框圖

其中G(s)?K1Tms?1。

設(shè)減速器的速比為i，減速器的輸入轉(zhuǎn)速為n，而輸出轉(zhuǎn)速為n'，則減速器的傳遞函數(shù)為

G(s)?N'(s)N(s)?Kg

其中Kg?1/i。

三、系統(tǒng)的開環(huán)增益的選擇和系統(tǒng)的靜態(tài)計算

系統(tǒng)的原理框圖可簡化成如圖3-1所示

圖3-1 雷達(dá)天線伺服控制系統(tǒng)原理框圖

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*給定角?m經(jīng)電位器變成給定信號U*，被控量經(jīng)電位器變成反饋信號U，給定信號與反饋信號產(chǎn)生偏差信號e；偏差信號經(jīng)放大器（電壓比較放大器）得到Ud，Ud通過執(zhí)行

*機構(gòu)（直流伺服電動機）作用到雷達(dá)天線上，減小偏差，最終實現(xiàn)?m??m。這就是控制的整個過程。，在不考慮干擾力矩的條件下，并適當(dāng)?shù)淖儞Q，就會得到雷達(dá)天線伺服控制控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，如圖3-2所示：

圖3-2 雷達(dá)天線伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

*(s)，C(s)就是?m(s)，Kg?1/i。其中R(s)就是?m將方框圖進(jìn)行化簡處理，可得系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)：

G(s)?C(s)R(s)??m(s)?(s)*m?Ks(Tms?1)

其中K?K0KctKdK1Kg。簡化后的系統(tǒng)方框圖如圖3-3所示：

Kw/(Tw*s+1)?（s）k0UKm/(Tm*s+1)W（s）1/Is*?（s）

圖3-3 系統(tǒng)簡化方框圖

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因系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：

?（s）=2K2S(10Tm?5K)?(10?K)S

其中K為開環(huán)增益，Tm為直流伺服電動機的時間常數(shù)。選取Tm?0.1s的直流伺服電動機作為執(zhí)行機

這是一個二階系統(tǒng)，在沒有校正設(shè)計前，取系統(tǒng)的阻尼比為??0.5，代入Tm?0.1，由二階系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)形式有：

?（s）=2K/(10Tm?5K)S?(10?K)/(10Tm?5K)S2

2?Wn?(10?K)/(10Tm?5K)Wn?2K/(10Tm?5K)2計算得到：K=4.4 系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：

?（s）=0.38S?0.63S2

這可以用系統(tǒng)的參數(shù)方框圖表示，如圖3-4所示：

R(s)0.38?（）s=2S?0.63SC(s)B(s)

圖3-4 系統(tǒng)參數(shù)方框圖

可以看出??1，是一型系統(tǒng)。靜態(tài)位置誤差系數(shù)

Kp?limG(s)H(s)??s?0

得到系統(tǒng)在階躍輸入作用下的穩(wěn)態(tài)誤差

ess?11?limG(s)H(s)s?0?11?Kp?0

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四 系統(tǒng)的動態(tài)分析

（一）時域分析

在第三章選擇了系統(tǒng)的開環(huán)增益，并進(jìn)行了靜態(tài)計算，知道了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差為0，現(xiàn)在對系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)分析。在典型輸入信號作用下，任何一個控制系統(tǒng)的時間響應(yīng)都由動態(tài)過程和穩(wěn)態(tài)過程兩部分組成，動態(tài)分析就是對動態(tài)過程的分析。動態(tài)過程又稱過渡過程或瞬態(tài)過程，指系統(tǒng)在典型輸入信號作用下，系統(tǒng)輸出量從初始狀態(tài)到最終狀態(tài)的響應(yīng)過程。由于實際控制系統(tǒng)具有慣性、摩擦以及其它一些原因，系統(tǒng)輸出量不可能完全復(fù)現(xiàn)輸入量的變化。動態(tài)過程除提供系統(tǒng)穩(wěn)定性的信息外，還可以提供響應(yīng)速度及阻尼情況等信息，這些信息用動態(tài)性能描述。

對本系統(tǒng)而言，在沒有校正設(shè)計時，??0.5，可知系統(tǒng)是欠阻尼二階系統(tǒng)。動態(tài)分析具體而言就是確定系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)。因??cos?，于是求得阻尼角為

??arccos??arccos0.5??/3

而阻尼振蕩頻率為

?d??n1??2?0.54(rad/s)

對欠阻尼二階系統(tǒng)各性能指標(biāo)進(jìn)行近似計算，可得

1、延遲時間td：

td?1?0.7??6.45

?n2、上升時間tr：

tr?????d??3.90(s)

3、調(diào)節(jié)時間ts：

ts?3.5?11.30(s)

??n4、超調(diào)量?%：

?%?e???/1??2?100%?16.3%

由這些計算出的動態(tài)性能指標(biāo)可以知道，系統(tǒng)并沒有達(dá)到設(shè)計要求，超調(diào)量

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?%?16.3%?0，調(diào)節(jié)時間ts?0.7?0.5。系統(tǒng)此時的單位階躍響應(yīng)曲線如圖4-1所示

Step Response1.41.210.8Amplitude0.60.40.200246810Time(sec)1214161820

圖4-1 系統(tǒng)校正前單位階躍響應(yīng)曲線

從對系統(tǒng)的動態(tài)分析和圖4-1可以看出，如果該系統(tǒng)沒有校正設(shè)計，則達(dá)不到設(shè)計要求，所以為了滿足設(shè)計要求，必須進(jìn)行校正設(shè)計

（二）頻域分析 波特圖如下：

Bode DiagramGm = Inf dB(at Inf rad/sec), Pm = 34.1 deg(at 0.561 rad/sec)50403020Magnitude(dB)Phase(deg)100-10-20-30-40-50-90-135-18010-210-110Frequency(rad/sec)0101

五 校正設(shè)計

所謂校正，就是在系統(tǒng)中加入一些其參數(shù)可以根據(jù)需要而改變的機構(gòu)或裝置，使系統(tǒng)整個特性發(fā)生變化，從而滿足給定的各項性能指標(biāo)。目前，在工程實踐中常用的有三種校

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正方法，分別是串聯(lián)校正、反饋校正和復(fù)合校正。

本系統(tǒng)的校正設(shè)計采用反饋校正。反饋校正是目前廣泛應(yīng)用的一種校正方式，反饋校正的基本原理是：用反饋校正裝置包圍待校正系統(tǒng)中對動態(tài)性能改善有重大妨礙作用的某些環(huán)節(jié)，形成一個局部反饋回路（內(nèi)回路），在局部反饋回路的開環(huán)幅值遠(yuǎn)大于1的條件下，局部反饋回路的特性主要取決于反饋校正裝置，而與被包圍部分無關(guān)；適當(dāng)選擇校正裝置的形式和參數(shù)，可以使系統(tǒng)的性能滿足給定指標(biāo)的要求。

本系統(tǒng)采用直流測速發(fā)電機作為校正裝置，即采用測速反饋控制來實現(xiàn)校正。直流測速發(fā)電機的傳遞函數(shù)為

G(s)?U(s)?(s)?Kt

或

G(s)?U(s)?Kts

?(s)將該校正環(huán)節(jié)加到原系統(tǒng)中，可以得到校正后的系統(tǒng)方框圖，如圖5-1所示

K?（s）(Tw*s+1)/Kwk1k0UKm/(Tm*s+1)W（s）1/Is*?（s）

圖5-1 校正后雷達(dá)天線伺服控制系統(tǒng)方框圖

畫簡后得到圖5-2

圖5-2 校正后系統(tǒng)方框圖

由圖5-2得到校正后的開環(huán)傳遞函數(shù)

?（s）=*44K1/5(22K?1)S?[(50?22K)/5(22K?1)]S2

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由于題目要求Kv?5 即：44K1/5(22K?1)?5

K1是在主前向通路上的開環(huán)放大倍數(shù)，為了方便我們假設(shè)其值為1.?44/5(22K?1)?5

解得：K?0.038 取K?0.01

??（s）?*7.2S?8.2S2

?

2?Wn?8.2Wn?7.22

???1.52Wn?2.7

從實際考慮，我們知道雷達(dá)天線伺服控制系統(tǒng)的性能應(yīng)該是響應(yīng)速度盡可能快，即調(diào)節(jié)時間盡可能小，超調(diào)量盡可能小。

本系統(tǒng)的設(shè)計要求是系統(tǒng)通過校正設(shè)計后的單位階躍響應(yīng)無超調(diào)。校正后系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)為：

td?1?0.6?t?0.2?t2?n?0.85

tr?1?1.5?t??t2?n?2.07

其單位階躍響應(yīng)為：

自 動 控 制 原 理 課 程 設(shè) 計

Step Response10.90.80.70.6Amplitude0.50.40.30.20.10012345Time(sec)678910

均滿足題目要求： 波特圖：

Bode DiagramGm = Inf dB(at Inf rad/sec), Pm = 83.9 deg(at 0.873 rad/sec)40200Magnitude(dB)Phase(deg)-20-40-60-80-100-90-120-150-18010-1100101102103Frequency(rad/sec)

六、校正結(jié)論

本設(shè)計是雷達(dá)天線伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計，伺服控制系統(tǒng)最初用于船舶的自動駕駛、火炮控制和指揮儀中，后來逐漸推廣到很多領(lǐng)域，特別是雷達(dá)天線伺服控制系統(tǒng)。主要討論的是雷達(dá)天線的跟蹤問題。雖然系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計要求，但這只是理論上的設(shè)計，好多環(huán)節(jié)都采用了理想化的處理，與實際條件還有一定的區(qū)別。要是進(jìn)行物理設(shè)計，還有很多方面的問題需要注意和解決。從本質(zhì)上說就的一個位置隨動系統(tǒng)。在設(shè)計中，通過對系統(tǒng)工作原理的分析，進(jìn)行了方案和主要元部件的選擇。對系統(tǒng)的開環(huán)增益和靜態(tài)誤差進(jìn)行了計算，自 動 控 制 原 理 課 程 設(shè) 計

對系統(tǒng)進(jìn)行了動態(tài)分析，了解了系統(tǒng)在沒有進(jìn)行校正設(shè)計時的動態(tài)性能，最后進(jìn)行了校正設(shè)計并再次進(jìn)行動態(tài)分析，使系統(tǒng)最終達(dá)到了在單位階躍信號作用下，響應(yīng)無超調(diào)，調(diào)節(jié)時間ts?0.5s的設(shè)計要求。

七、設(shè)計體會

我們組進(jìn)過了兩次大的討論，第一次是我們確定了該系統(tǒng)要達(dá)到的目標(biāo)。在兩個反饋的作用上產(chǎn)生了一定的分歧，在第二個反饋的作用上我一直不是很理解，知道我們求出傳遞函數(shù)，才明白，在本次討論中我們分組分工，我組要是負(fù)責(zé)matlab部分，其實之前對matlab不是很熟悉，在查閱相關(guān)資料，以及自動控制原理書本上的實例進(jìn)行對比參考能夠基本完成系統(tǒng)校正的實現(xiàn)，在之前的調(diào)試過程中，我們進(jìn)行了多次的計算和參數(shù)的選取。第二次討論我們是對各部分的綜合，能夠完整的了解該系統(tǒng)以及校正后的系統(tǒng)實現(xiàn)的功能。通過本次的課程設(shè)計也使我學(xué)到了很多知識，在課程學(xué)習(xí)中我第五章和第六章學(xué)的不是很好，這次設(shè)計師一次完整的復(fù)習(xí)，在課程設(shè)計中也讓我學(xué)會了分析問題、解決問題的方法，一步學(xué)習(xí)了控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，系統(tǒng)的時域分析法，系統(tǒng)的校正等方面的知識。學(xué)會了團(tuán)隊合作的精神以及刻苦鉆研的精神，學(xué)會一些在課本中根本沒有提及到的東西。加強了理論知識與實踐統(tǒng)一的能力，加強了自己的動手操作能力。同時，自動控制原理適用于很多領(lǐng)域、應(yīng)用于各行各業(yè)，在做本次設(shè)計的同時，也讓我接觸、學(xué)習(xí)了許多其他專業(yè)領(lǐng)域的知識，豐富了自己的知識儲備。當(dāng)然在此過程中很多不懂得地方都有同學(xué)們的幫組，最終能夠了解其功能，實現(xiàn)校正。

參考文獻(xiàn)

[1] 胡壽松.自動控制原理[M].第4版.北京：科學(xué)出版社，2001.[2] 姚樵耕、俞文根.電氣自動控制[M].第1版.北京：機械工業(yè)出版社，2005.[3] 梅曉榕、蘭樸森.自動控制元件及線路[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1993.[4] 陳夕松、汪木蘭.過程控制系統(tǒng)[M].北京：科學(xué)出版社，2005.[5] 孟浩、王芳.自動控制原理（第四版）全程輔導(dǎo)[M].大連：遼寧師范大學(xué)出版社，2004.

第三篇：雷達(dá)陣列天線介紹

■開課目的

“陣列天線分析與綜合”是電子信息工程專業(yè)電磁場與微波通信方向的專業(yè)選修課程。課程的任務(wù)是使學(xué)生掌握陣列天線的基本理論、基本分析與綜合方法，掌握單脈沖陣列、相控陣掃描天線的基本理論和概念、以及陣列天線的優(yōu)化設(shè)計思想，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力，為今后從事天線理論研究、工程設(shè)計和開發(fā)工作打下良好的基礎(chǔ)。

■課程要求

● 約有五次作業(yè) ● 考核

平時成績占20％。包括平時作業(yè)，出勤情況。期末考試成績占80％(一頁紙開卷)

雷達(dá)陣列天線簡介

1、“AN/SPY—1”S波段相控陣?yán)走_(dá)

是海軍“宙斯盾”(Aegis)武器系統(tǒng)中的一部分，由RCA公司研制。它有四個相控陣孔徑，提供前方半空間很大的覆蓋范圍。

接收時它使用帶68個子陣的饋電系統(tǒng)，每個子陣包含64個波導(dǎo)輻射器，總共有68×64＝4352個單元。

發(fā)射時，子陣成對組合，形成32個子陣，每個子陣128個單元，總共32×128＝4096輻射單元。

移相器為5位二進(jìn)制鐵氧體移相器，直接向波導(dǎo)輻射器饋電。為了避免相位量化誤差引起的高副瓣電平，后來移相器改為7位二進(jìn)制移相器，合成的相控陣由強制饋電功分網(wǎng)絡(luò)饋電，輻射單元也改為4350個，單脈沖的和、差波瓣及發(fā)射波束均按最佳化設(shè)計。

AN/SPY—1天線正在進(jìn)行近場測試(RCA公司電子系統(tǒng)部提供)目前該系統(tǒng)安裝在導(dǎo)彈巡洋艦上

導(dǎo)彈巡洋艦上的AN/SPY—1系統(tǒng)

2、愛國者(PATRIOT)多功能相控陣?yán)走_(dá)

是Raytheon公司為陸軍研制的一種多功能相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)。其天線系統(tǒng)使用光學(xué)饋電的透鏡陣列形式。和差波瓣分別通過單脈沖饋源達(dá)到最佳?？讖匠蕡A形，包含大約5000個單元，采用4位二進(jìn)制鐵氧體移相器和波導(dǎo)型輻射器單元。它安裝在車輛上，并可平疊以便于運輸。

愛國者多功能相控陣?yán)走_(dá)天線(Raytheon公司提供)

3、機載預(yù)警和控制系統(tǒng)(AWACS)世界上第一個具有超低副瓣的作戰(zhàn)雷達(dá)天線是由西屋電氣公司為AWACS系統(tǒng)研制的。它取得成功后，便有很多產(chǎn)品緊隨其后，而且常常得到比規(guī)定的副瓣電平還要低的副瓣。AWACS雷達(dá)天線是波導(dǎo)窄邊縫隙陣列，有4000多個縫隙單元。該系統(tǒng)可用于空中監(jiān)視的預(yù)警機，如下圖所示。它在可一起轉(zhuǎn)動的圓形天線罩內(nèi)做機械旋轉(zhuǎn)，在垂直面上用28個鐵氧體精密移相器實現(xiàn)相控掃描。

AWACS預(yù)警機雷達(dá)天線波導(dǎo)窄邊縫隙陣列(西屋公司提供)

4、電子捷變雷達(dá)

西屋電氣公司以前為機載應(yīng)用研制了這種X波段相控陣?yán)走_(dá)。后來此系統(tǒng)演化為B1－B轟炸機上的AN/APQ—164雷達(dá)，如下圖所示。該圖顯示正在裝配的這種雷達(dá)天線，它有1526個圓波導(dǎo)口輻射單元，組成的陣列為橢圓形孔徑，每個單元都帶有可逆鐵氧體移相器，可以實現(xiàn)空間二維掃描。該系統(tǒng)有形成波束變化的靈活性，其口徑相位的變化可以實現(xiàn)尖銳的筆形波束、余割平方波束、垂直扇形波束。極化可從垂直極化改變?yōu)閳A極化。這是通過每個單元的可開關(guān)的法拉第旋轉(zhuǎn)器結(jié)合鐵氧體?/4薄片來實現(xiàn)。天饋系統(tǒng)還包括故障定位和隔離系統(tǒng)，還有檢測、校驗系統(tǒng)，這可通過合成信號的變化來確定合適的相位分布(校正饋電系統(tǒng)的誤差)，檢驗激勵幅度，并檢查極化分集的功能。

正在裝配的AN/APQ—164相控陣?yán)走_(dá)天線(西屋公司提供)

5、多功能電掃描自適應(yīng)雷達(dá)(MESAR)

這是一部具有挑戰(zhàn)性的S波段固態(tài)相控陣?yán)走_(dá)，它由英國海軍部研究中心和Plessey雷達(dá)公司共同研制。陣面為1.8m×1.8m孔徑，共有918個波導(dǎo)型輻射單元，如下圖所示。采用4位二進(jìn)制移相器，功率放大器為分立器件，有22％的帶寬，2W輸出功率。接收時信號在模塊中被前置放大和移相，并在波束形成器中聚集成16個子陣，每一子陣都有各自的接收機，這些接收機的輸出用8位A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)字化，提供強大的自適應(yīng)置零能力。

MESAR固態(tài)相控陣?yán)走_(dá)天線(Plessey公司提供)

6、AN/TPS-70多波束陣列雷達(dá)

這是一種不用移相器相控掃描的低副瓣陣列，在方位上為低副瓣波束并采用機械旋轉(zhuǎn)掃描，在俯仰面上實現(xiàn)多個波束以覆蓋空間較大的范圍。天線使用36根水平波導(dǎo)管，每根波導(dǎo)管上有94個縫隙以形成主瓣寬度為1.6o的方位窄波束。在俯仰面上，發(fā)射時激勵22根波導(dǎo)管，產(chǎn)生20o的俯仰波束，該波束為賦形波束，低仰角時的增益高，高仰角時的增益低；接收時來自全部36根波導(dǎo)的能量結(jié)合在一起產(chǎn)生6個同時波束以覆蓋0～20o的仰角范圍。6個波束的仰角寬度從最低波束的2.3o變化到6o。這6個波束均有自己的接收機，通過比較這些波束中的能量可提供仰角的單脈沖信息。

同時多波束的優(yōu)點是，在強雜波環(huán)境中它能提供實現(xiàn)信號處理功能所需的時間。該雷達(dá)可運輸。其作用距離240英里，有3MW的峰值功率和5KW的平均功率。該雷達(dá)及其改型已在全世界廣泛使用。

AN/TPS-70多波束陣列雷達(dá)天線(西屋公司提供)

7、AN/TPQ-37武器定位雷達(dá)

又稱火力搜索雷達(dá)，為美軍陸軍裝備，由休斯(Hughes)飛機公司研制。用來探測炮彈彈道，并反向?qū)ふ移浒l(fā)射點。該雷達(dá)使用有限掃描相控陣，它能在方位上提供寬掃描角，在仰角上提供有限的掃描角，有限掃描范圍將大大減少移相器數(shù)目。系統(tǒng)只使用360個二極管移相器，每個移相器控制陣列垂直線上的6個輻射單元。其峰值功率為4KW，平均功率為165W。

該雷達(dá)為單脈沖體制，其饋電網(wǎng)絡(luò)可形成和波束、方位差波束和俯仰差波束，饋電網(wǎng)絡(luò)由空氣帶狀線和波導(dǎo)功分器組成。天線尺寸8×12×2(ft)3。在美國和其他國家和地區(qū)，以裝備了數(shù)十套這種雷達(dá)。

AN/TPQ-37武器定位雷達(dá)(Hughes公司提供)

8、鋪路爪(Pave Paes)雷達(dá)

該雷達(dá)由Raytheon公司研制。它用于提供彈道導(dǎo)彈的預(yù)警，也可實現(xiàn)對衛(wèi)星的跟蹤，它是超高頻(UHF)固態(tài)相控陣?yán)走_(dá)。一套系統(tǒng)包含孔徑相互傾斜120o的兩部雷達(dá)，可提供240o的總觀察范圍，它可檢測到3000英里處的10m2的目標(biāo)。

鋪路爪超高頻固態(tài)相控陣?yán)走_(dá)天線(Raytheon公司提供)

9、丹麥眼鏡蛇(Cobra Dane)雷達(dá)

是Raytheon公司研制的一部龐大的L波段相控陣?yán)走_(dá)，它是為收集國外洲際導(dǎo)彈試驗情報而研制和部署的，其雷達(dá)天線如下圖所示。它有一些與眾不同的特性，它是一種稀疏陣列，直徑為95ft，共有34768個單元，其中15360個單元是有源單元，其余是無源單元。有源單元分成96個子陣，每個子陣有160個輻射器。發(fā)射時由行波管饋電，加到天線上的總峰值功率為15.4MW，其頻帶寬度為200MHz，有2.5ft的距離分辨能力，以探測目標(biāo)的尺寸和形狀。

丹麥眼鏡蛇L波段相控陣?yán)走_(dá)天線(Raytheon公司提供)

10、“朱迪”眼鏡蛇雷達(dá)

是一種獨特的大型相控陣?yán)走_(dá)，由Raytheon公司為美國空軍研制。用以收集國外彈道導(dǎo)彈實驗的數(shù)據(jù)。他安裝在美國艦船“膫望島”的轉(zhuǎn)臺上，如下圖所示。陣列直徑為22.5ft，包含12288個單元，由16個行波管饋電

美國艦船“膫望島”上的“朱迪”眼鏡蛇大型可旋轉(zhuǎn)相控陣?yán)走_(dá)天線

(Raytheon公司提供)

11、空中預(yù)警機雷達(dá)

又叫機載搜索雷達(dá)。最初是為遠(yuǎn)程偵察機探測艦艇研制的，第二次世界大戰(zhàn)后期美海軍研制了幾種機載預(yù)警雷達(dá)，用來探測艦艇雷達(dá)天線探測不到的低空飛行的飛機。在增大對空、對海面目標(biāo)的最大探測距離方面，機載雷達(dá)的優(yōu)勢是顯而易見的。因為海面上高度為100ft的天線，其雷達(dá)視線距離只有12英里，而高度為10000ft的飛機，雷達(dá)視線距離為123英里。

日本神風(fēng)突擊隊的襲擊造成美國多艘哨艦的損失，激發(fā)了機載預(yù)警雷達(dá)的設(shè)想，后來這種系統(tǒng)發(fā)展成為一種用于洲際防空的邊界預(yù)警巡邏機。

下圖為航空母艦的艦載E－2C預(yù)警機。

E－2C預(yù)警機 12、3D雷達(dá)概念

又叫三坐標(biāo)雷達(dá)，這種雷達(dá)可同時測量目標(biāo)的3個基本位置坐標(biāo)(距離，方位和仰角)。3D雷達(dá)是一種警戒雷達(dá)，其天線在方位上機械旋轉(zhuǎn)，以測量目標(biāo)的距離和方位，在仰角上掃描一個或多個波束，或者通過鄰接的固定仰角波束來獲得目標(biāo)的仰角。

按照怎樣形成仰角波束和怎樣在仰角上的掃描波束，3D雷達(dá)可分為堆積多波束雷達(dá)，頻掃雷達(dá)、相掃雷達(dá)，機械掃描雷達(dá)和數(shù)字波束形成雷達(dá)。

13、S713Martello堆積多波束3D雷達(dá)

它是L波段可移動的包含8個波束的堆積多波束雷達(dá)，如下圖所示。其平面陣列高10.6m，寬6.1m，共有60行，每行32個輻射單元，裝有60個接收機用以把接收到的射頻信號下變頻為中頻。方位波束寬度為2.8o，機械旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為3圈/秒。仰角上，發(fā)射時為余割平方方向圖，覆蓋范圍30 o，接收時形成并處理8個堆積窄波束。發(fā)射峰值功率為3MW，平均功率8KW。這種雷達(dá)為警戒雷達(dá)。對100英里處的小型戰(zhàn)斗機，其測高精度達(dá)1000ft(約300m)。

S713Martello堆積多波束3D雷達(dá)(Marconi公司提供)

14、AN/SPS－52C頻掃3D雷達(dá)

頻率掃描雷達(dá)是指天線輻射波束指向隨頻率改變而改變的雷達(dá)。應(yīng)用于空中監(jiān)視任務(wù)的3D雷達(dá)技術(shù)之一是頻率掃描。頻掃陣列是利用一段波導(dǎo)傳輸線的相位頻率相關(guān)特性來掃描筆形波束。饋電波導(dǎo)在陣列的一側(cè)折疊成蛇形狀，對波導(dǎo)行波陣進(jìn)行耦合饋電，如下圖所示。改變發(fā)射或接收頻率在口徑上產(chǎn)生不同的相位變化剃度，從而使天線輻射波束指向發(fā)射偏轉(zhuǎn)。實際應(yīng)用的頻掃陣列天線如下圖所示的AN/SPS-52C雷達(dá)天線。

頻掃雷達(dá)的測量精度比不上堆積多波束雷達(dá)和相掃單脈沖雷達(dá)。其原因之一是為了控制波束指向需要改變系統(tǒng)工作頻率，從而導(dǎo)致目標(biāo)回波幅度的波動，降低了多波束目標(biāo)回波中可用的目標(biāo)角度信息的質(zhì)量。

具有蛇形波導(dǎo)饋電的波導(dǎo)窄變縫隙陣列及AN/SPS-52C艦載頻掃3D雷達(dá)

(Hughes公司提供)

15、AN/FPS－117相掃3D雷達(dá)

方位上采用機械旋轉(zhuǎn)掃描，仰角上采用相控掃描來進(jìn)行目標(biāo)的三坐標(biāo)定位，是3D雷達(dá)測高技術(shù)中最為靈活的雷達(dá)?？梢院拖鄴哧嚵幸黄鹗褂玫臏y高技術(shù)包括各種相參同時波束轉(zhuǎn)換技術(shù)(單脈沖、和相位干涉等)，以及幅度比較順序波束轉(zhuǎn)換技術(shù)。相控陣?yán)走_(dá)在當(dāng)今武器市場中變得越來越普遍，這要歸因于目標(biāo)和環(huán)境的威脅不斷地升級和變化。

AN/FPS－117固定站固態(tài)相掃3D雷達(dá)(通用電氣公司提供)AN/FPS－117是典型的S波段相掃3D雷達(dá)，如上圖所示。其天線為平面陣列，共有44行帶狀線饋電的水平振子，每行有30個單元。44行中的每一行包含它自己的固態(tài)收發(fā)組件。該收發(fā)組件由峰值功率為1KW的固態(tài)發(fā)射機、集成電源、低噪聲接收機、移相器、收發(fā)開關(guān)和邏輯控制單元組成，且全部安裝在天線上。平面陣列的饋源結(jié)構(gòu)在接收時可產(chǎn)生雙軸單脈沖波束集，即一個和波束與兩個差波束。一個附加的列饋為最低角波束位置提供了特殊的低仰角測高能力。饋源產(chǎn)生一對和波束被小心地放置在某仰角上并作為單脈沖對其進(jìn)行處理，采用此技術(shù)使多路徑的影響為最小。

16、其他雷達(dá)天線

波導(dǎo)寬壁縱縫陣

低副瓣的波導(dǎo)窄壁斜縫陣(機載預(yù)警雷達(dá)天線)

機載雷達(dá)天線及饋電網(wǎng)絡(luò)

機場監(jiān)視雷達(dá)天線及饋電網(wǎng)絡(luò)形式

圓環(huán)陣列天線

多普勒角度掃描縫隙陣列

圓柱形頻率掃描陣列

俯視圖

A方向側(cè)視圖

B方向側(cè)視圖

圓錐共形陣列(單元為直縫、斜縫和橫縫)

俯視圖

A方向側(cè)視圖

B方向側(cè)視圖

圓錐共形陣列(單元為“十”字縫)

彈頭錐體上的“十”字縫隙陣，及單元形式

球形開關(guān)陣列

雙極化C波段微帶貼片天線

八木天線陣列

對稱振子天線陣列

第四篇：伺服運動控制系統(tǒng)課程總結(jié)

問題6

6.1、對課程的教學(xué)方法、教學(xué)效果有何客觀評價？

伺服運動控制系統(tǒng)采用的是每節(jié)課一個專題的方式進(jìn)行教學(xué)，在總體上是我們對電機以及伺服運動控制系統(tǒng)有一個整體的了解，由于本科學(xué)習(xí)過程中沒有接觸過電機以及相關(guān)的課程，這門課使我對電機有了相關(guān)的了解，課堂上的入門學(xué)習(xí)以及課后查閱相關(guān)資料的補充學(xué)習(xí)，讓我覺得上了這門課之后受益匪淺。我的建議是每一章學(xué)習(xí)后，都要給學(xué)生們進(jìn)行知識點總結(jié)，一則讓其掌握本章學(xué)習(xí)的知識框架，二是幫助我們回顧一些細(xì)節(jié)性的東西。

6.2、結(jié)合自身研究的課題，談?wù)剬Α端欧\動控制系統(tǒng)》課程教學(xué)內(nèi)容、授課方式的建議。

本人研究的課題是全自動麻將機的設(shè)計，其中涉及到圖像處理的各種算法以及多電機的協(xié)調(diào)控制，目前正處于電機的選型階段，這門課的對于各種電機的介紹讓我了解了不同類型電機的優(yōu)缺點以及應(yīng)用場合，為課題中電機的選型提供了理論上的幫助。

6.3、請針對某一章節(jié)具體內(nèi)容談一下學(xué)習(xí)感受

通過對步進(jìn)電機伺服系統(tǒng)這一章的學(xué)習(xí)，我將伺服電機與步進(jìn)電機的優(yōu)缺點進(jìn)行總結(jié)。

步進(jìn)電機作為一種開環(huán)控制的系統(tǒng)，和現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)有著本質(zhì)的聯(lián)系。在目前國內(nèi)的數(shù)字控制系統(tǒng)中，步進(jìn)電機的應(yīng)用十分廣泛。隨著全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)的出現(xiàn)，交流伺服電機也越來越多地應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)中。為了適應(yīng)數(shù)字控制的發(fā)展趨勢，運動控制系統(tǒng)中大多采用步進(jìn)電機或全數(shù)字式交流伺服電機作為執(zhí)行電動機。雖然兩者在控制方式上相似（脈沖串和方向信號），但在使用性能和應(yīng)用場合上存在著較大的差異?，F(xiàn)就二者的使用性能作一比較。

一、控制精度不同

兩相混合式步進(jìn)電機步距角一般為 1.8°、0.9°，五相混合式步進(jìn)電機步距角一般為0.72 °、0.36°。也有一些高性能的步進(jìn)電機通過細(xì)分后步距角更小。如三洋公司（SANYO DENKI）生產(chǎn)的二相混合式步進(jìn)電機其步距角可通過撥碼開關(guān)設(shè)置為1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°，兼容了兩相和五相混合式步進(jìn)電機的步距角。交流伺服電機的控制精度由電機軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證。以三洋全數(shù)字式交流伺服電機為例，對于帶標(biāo)準(zhǔn)2000線編碼器的電機而言，由于驅(qū)動器內(nèi)部采用了四倍頻技術(shù)，其脈沖當(dāng)量為360°/8000=0.045°。對于帶17位編碼器的電

機而言，驅(qū)動器每接收131072個脈沖電機轉(zhuǎn)一圈，即其脈沖當(dāng)量為360°/131072=0.0027466°，是步距角為1.8°的步進(jìn)電機的脈沖當(dāng)量的1/655。

二、低頻特性不同

步進(jìn)電機在低速時易出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)象。振動頻率與負(fù)載情況和驅(qū)動器性能有關(guān)，一般認(rèn)為振動頻率為電機空載起跳頻率的一半。這種由步進(jìn)電機的工作原理所決定的低頻振動現(xiàn)象對于機器的正常運轉(zhuǎn)非常不利。當(dāng)步進(jìn)電機工作在低速時，一般應(yīng)采用阻尼技術(shù)來克服低頻振動現(xiàn)象，比如在電機上加阻尼器，或驅(qū)動器上采用細(xì)分技術(shù)等。交流伺服電機運轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使在低速時也不會出現(xiàn)振動現(xiàn)象。交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能，可涵蓋機械的剛性不足，并且系統(tǒng)內(nèi)部具有頻率解析機能（FFT），可檢測出機械的共振點，便于系統(tǒng)調(diào)整。

三、矩頻特性不同

步進(jìn)電機的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時會急劇下降，所以其最高工作轉(zhuǎn)速一般在300～600RPM。交流伺服電機為恒力矩輸出，即在其額定轉(zhuǎn)速（一般為2000RPM或3000RPM）以內(nèi)，都能輸出額定轉(zhuǎn)矩，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率輸出。

四、過載能力不同

步進(jìn)電機一般不具有過載能力。交流伺服電機具有較強的過載能力。以三洋交流伺服系統(tǒng)為例，它具有速度過載和轉(zhuǎn)矩過載能力。其最大轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的二到三倍，可用于克服慣性負(fù)載在啟動瞬間的慣性力矩。步進(jìn)電機因為沒有這種過載能力，在選型時為了克服這種慣性力矩，往往需要選取較大轉(zhuǎn)矩的電機，而機器在正常工作期間又不需要那么大的轉(zhuǎn)矩，便出現(xiàn)了力矩浪費的現(xiàn)象。

四、運行性能不同

步進(jìn)電機的控制為開環(huán)控制，啟動頻率過高或負(fù)載過大易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，停止時轉(zhuǎn)速過高易出現(xiàn)過沖的現(xiàn)象，所以為保證其控制精度，應(yīng)處理好升、降速問題。交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動器可直接對電機編碼器反饋信號進(jìn)行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會出現(xiàn)步進(jìn)電機的丟步或過沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠。

六、速度響應(yīng)性能不同

步進(jìn)電機從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速（一般為每分鐘幾百轉(zhuǎn)）需要200～400毫秒。交流伺服系統(tǒng)的加速性能較好，以山洋400W交流伺服電機為例，從靜止加速到其額定轉(zhuǎn)速3000RPM僅需幾毫秒，可用于要求快速啟停的控制場

合。

綜上所述，交流伺服系統(tǒng)在許多性能方面都優(yōu)于步進(jìn)電機。但在一些要求不高的場合也經(jīng)常用步進(jìn)電機來做執(zhí)行電動機。所以，在控制系統(tǒng)的設(shè)計過程中要綜合考慮控制要求、成本等多方面的因素，選用適當(dāng)?shù)目刂齐姍C。

第五篇：論文 相控陣?yán)走_(dá)天線的工作原理及應(yīng)用

相控陣?yán)走_(dá)天線的工作原理及其應(yīng)用

Xx（魯東大學(xué) 物理學(xué)院 09級物理一班 2xxxxxxxxxxxx）

摘要：本文應(yīng)用惠更斯菲涅耳原理以及平面衍射光柵原理簡要的分析了相控陣?yán)走_(dá)天線的工作原理，并簡要說明了實際相控陣?yán)走_(dá)的工作原理及其優(yōu)點。最后舉例說明了相控陣?yán)走_(dá)天線的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：相控陣；相位差；天線；

PHased array radar antenna working principle and its applicatio

LuHan

(Lu dong university Physics institute 09 level physics class20092312579)Abstract: this paper applied the huygensI型SAR天線為集中饋電的相控陣（下圖）。它工作于C頻段，峰值功率為5000W的波導(dǎo)窄片縫隙相控陣天線孔徑面積為15m×1.5m, 質(zhì)量300kg。方位方向上32個數(shù)字式鐵氧體移相器可靈活地改變天線的波束指向和形狀，使RadarsatП的天線陣面采用了T/R組件是一部接受和發(fā)射雙通道，幅度和相位皆能數(shù)字控制的多極化、超分辨成像的固態(tài)游園【2】 相控陣微帶天線。

Radarsat-I 的天線陣面

五、結(jié)束語

相控陣?yán)走_(dá)是當(dāng)今最先進(jìn)的軍事技術(shù)之一，在某種程度上來說它影響了當(dāng)今新軍事技術(shù)革命的發(fā)展方向。雖然存在一些不足之處，但我們有理由堅信：隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，建立在物理基石上的相控陣?yán)走_(dá)將會得到不斷的完善。在未來，不論是軍事斗爭上還是民用事業(yè)上，相控陣?yán)走_(dá)必定會發(fā)揮它不可替代的巨大作用。參考文獻(xiàn)：

【1】相控陣?yán)走_(dá)技術(shù) 張光義、趙玉潔 編著

【2】相控陣?yán)走_(dá)天線 束咸榮、何炳發(fā)、高鐵 著

【3】光學(xué)教程 第四版 姚啟鈞 原著 華東師大光學(xué)教材編寫組改編