第一章 绪 论
1.1 课题研究的背景与意义
随着军事技术的不断发展和跟踪雷达应用的日益广泛，对跟踪雷达的性能要求和智能化水平要求也越来越高。在武器控制、靶场测量、空间探测和民用等[1]多个领域，跟踪雷达都具有相应的应用和发展，跟踪雷达首先要进行移动目标的捕获，捕获的实质是把天线波束精确的指向可能有目标的可疑区域，捕获的控制方式主要有指向、扫描和手动控制，捕获目标虽然并不属于跟踪工作的范畴，但它是跟踪雷达实现距离跟踪或者角度跟踪的前提，而具有快速响应、稳态误差小等特点的伺服控制和检测系统是及时精确捕获目标的保证。另外，现代雷达伺服控制系统正在由模拟控制系统向全数字化控制系统发展，数字化伺服控制系统具有编程灵活、稳定性高、成本低的优势，且易于实现伺服系统的一体化和智能化控制，并可以提高雷达的跟踪精度及自动化控制程度。但是，仅对雷达伺服控制系统的硬件进行升级改造，改进的裕度并不大，仍然需要对检测系统和控制算法进行提高，才能使系统的性能指标有本质性的改变。为了加快提高跟踪雷达的伺服控制系统的技术水平，提高雷达的生存能力和抗干扰性能，促进跟踪雷达向高精度、多功能、数字化、智能化发展，适应国防技术的需要，有必要对跟踪雷达的硬件、控制算法及软件控制流程等方面进行全面的优化。本课题是一项与某研究所的合作项目，目的是研制某跟踪雷达天线的全数字化、高精度的伺服控制系统，其控制对象如图 1-1 所示。
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1.2 跟踪雷达的国内外研究历史与现状
目前，跟踪雷达对移动目标的跟踪主要是通过扫描跟踪和连续跟踪[1,2]两种方式，扫描跟踪方式是利用雷达天线波束在搜索扫描情况下对移动目标进行跟踪，包括边扫描边跟踪方式、扫描加跟踪方式、自动检测跟踪方式，在对空监视、民用交通管制等领域基本全采用自动检测跟踪方式，在自动检测跟踪方式下，跟踪雷达的俯仰方向保持不动，而方位方向采用恒定速度进行连续旋转扫描，获取目标的移动轨迹和信息，即实现对移动目标的自动跟踪。连续跟踪方式是利用雷达天线波束对目标进行连续跟随转动，它与扫描跟踪方式的最大区别是它采用闭环跟踪控制系统，即将天线指向的实际位置与目标位置的偏差送入闭环的伺服控制系统，驱动天线波束随目标的移动而运动；而扫描跟踪方式是开环跟踪控制系统，其位置误差直接送至数据处理而不需要去控制天线对移动目标的随动。跟踪雷达具有很多种分类方法[3]，按照应用领域划分，可分为武器控制跟踪雷达、靶场测量跟踪雷达、空间探测跟踪雷达和民用跟踪雷达；按照跟踪精度划分，可分为中精度跟踪雷达和精密跟踪雷达；按照天线波束扫描方式划分，可分为机械扫描跟踪雷达、相控阵(电子扫描)跟踪雷达、混合式(机械扫描+电子扫描)跟踪雷达。跟踪雷达的主要特点是连续自动跟踪、高精度的目标位置信息测量以及高数据率的数据输出。在跟踪雷达中，除了发射机、天线、接收机、信号处理和数据处理功能外，还需要对移动目标进行跟踪的多个自动闭环跟踪回路。就跟踪雷达的发展而言，美国一直领先于其它国家。二战期间，美国研制出SCR-584 跟踪雷达[1,3,4]，它是一种中等精度跟踪雷达，当时主要用于火炮控制，该雷达首先实现了对移动目标的连续自跟踪及对火炮射击的控制，其角跟踪精度约为 0.2°，使高炮射击命中率提高了近 2 个数量级；1956 年，美国研制出第一个精密级跟踪雷达 AN/FPS-16(XN-1)，其角跟踪精度达到 0.03°，比 SCR-584 提高了一个数量级，直至今日，它仍然是美国靶场跟踪测量雷达中的一个重要型号；1964年，美国林肯实验室研制出具有多用途的赫斯台克（Haystack）雷达 ，它既可以作为空间通信的地面基站，也可以作为跟踪和测量雷达，还可以用做射电望远镜；1999 年，美国研制出用于导弹防御系统的地基雷达 GBR，它本质上是一个固态有源相控阵精密跟踪雷达，可以实现对全空域的覆盖以及在二维上对移动目标的角度连续自动跟踪。2004 年，美国的 SPY-1F 跟踪探测雷达实验测试成功，该雷达可同时跟踪 200 多个目标，其主要特点是它的伺服控制系统采用分布式处理器来实现数据的快速处理，具有较强的多任务处理能力。当前，美国的跟踪雷达技术在高精度的基础上正在朝向宽带、多用途、多目标跟踪方向发展。
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第二章 跟踪雷达的伺服控制系统功能分析与方案设计
2.1 跟踪雷达的伺服系统组成及工作原理
跟踪雷达的伺服控制系统是跟踪雷达的主要组成部分，它根据控制指令，求解出天线和目标位置之间的偏差，使雷达天线及时准确地去对准和跟踪移动目标，并且实时获取天线的当前位置[17,18]。跟踪雷达伺服控制系统是根据天线波束与目标位置间的角度误差进行工作的反馈闭环控制系统，误差经过检测、折算、放大后去驱动电机执行元件，使雷达天线朝向位置误差减小的方向转动，直到天线波束对准目标。对于高精度、快速响应的高性能伺服控制系统，往往由电流环、速度环和位置环三个相互衔接的环路组成[19]，其组成框图如图 2-1 所示。电流环路减小驱动器内部元件对于环路输出的影响，抑制系统内部扰动对于输出的影响，并对结构谐振环节有一定的抑制作用；速度环路可以改善系统低速运行时候的稳定性，减小负载扰动的影响；位置环路是最外环，主要作用是根据控制指令，实现精确定位和位置随动，保证系统的跟踪性能。
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2.2 跟踪雷达的伺服系统工作模式
跟踪雷达伺服控制系统主要任务是通过对跟踪雷达的方位、俯仰位置的实时在线控制，实现对目标位置的精确指向或跟踪，确保遥测数据链路的畅通。伺服控制系统还具有对空间目标的角度测量、显示、存储和上报，完成对天馈分系统的工作状态和故障信息的上报，完成上位机（监控分系统）对雷达的远程操控等功能。跟踪雷达伺服系统控制的本质目的就是要实现对移动目标的及时捕获及准确跟踪，并使系统达到需要的跟踪性能和精度[1,20]。跟踪雷达的伺服控制系统主要有如下工作模式：（1）待机：待机模式是系统在刚上电时的初始工作模式和系统故障时的应急退出模式。在待机方式下电机驱动器断开使能，电机抱闸，但依然能响应合法控制命令。（2）手动控制：手动控制是经常用到的通过人为观察以转动天线的工作方式，也可以用于手动跟踪和天线调试。在伺服控制系统分机上将本控/远控开关切换到本控模式，在此方式下，由摇杆偏置产生速度指令对天线实施速度控制，控制天线以一定的速度运动朝手柄偏置方向运动。摇杆具有自复位功能。（3）指向：是一种常用的位置控制模式，主要用于天线的大角度调转，指向方式通过位置闭环使天线准确地停在预定位置。（4）扫描：为及时、迅速发现和捕获目标，跟踪雷达需要具有扫描搜索功能，即伺服控制系统控制天线方位、俯仰轴在初始位置附近按一定周期规律运动，以发现和捕获目标。（5）自动跟踪：自跟踪以跟踪接收机输出的数字误差电压为依据，在达到跟踪门限后驱动天线朝位置偏差减小的方向转动，实现对目标的自动跟踪，直到目标位置偏差小于跟踪门限。（6）收藏：伺服控制系统引导雷达转台到收藏位置，人工将收藏栓插入收藏孔，状态显示收藏到位。
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第三章 跟踪雷达的伺服控制算法研究及仿真..........15
3.1 跟踪雷达的伺服控制系统建模 ..........15
3.2 经典 PID 控制算法仿真与分析..........21
3.3 自适应 PID 控制算法仿真与分析......24
3.4 基于 BP 神经网络参数自学习的 PID 控制算法仿真与分析...........28
3.5 本章小结 ..........34
第四章 跟踪雷达伺服控制系统硬件设计......35
4.1 电源电路及控制电路设计 ......35
4.2 触摸屏及 GPS 接收机通信电路设计.............36
4.3 旋变数字转换器及跟踪接收机通信电路设计 ..........38
4.4 上位机通信电路设计 ..............38
4.5 电机驱动器及解闸通信电路设计 ......39
4.6 本章小结 ..........40
第五章 跟踪雷达伺服控制系统通信处理软件设计..............41
5.1 编程环境及嵌入式操作系统 FreeRTOS ........41
5.2 旋变数字转换器通信处理程序设计 ..............43
5.3 电机驱动器通信处理程序设计 ..........46
5.4 跟踪接收机通信处理程序设计 ..........48
5.5 触摸屏通信处理程序设计 ......53
5.6 上位机通信处理程序设计 ......58
5.7 本章小结 ..........61
第五章 跟踪雷达伺服控制系统通信处理软件设计
5.1 编程环境及嵌入式操作系统 FreeRTOS
DAvE 软件是英飞凌科技针对 XMC1000 和 XMC4000 系列芯片发布的数字应用虚拟工程师软件工具。DAvE通过一个智能指引来协助使用者配置芯片，而且可以对全部片上外设及中断自动产生对应驱动函数的C 语言模板，DAvE 软件具有图文界面的初始化配置界面、灵活的引脚配置、易于移植、在线调试等特点，DAvE软件还具有如下属性特点：（1）为配置英飞凌的芯片提供一个嵌入式软件开发平台。（2）利用图形与文本相结合的面向用户的形式，使用户更加快速的了解芯片的相关标准信息和使用方法。（3）指导用户对芯片或系统进行初始化配置，可以自动生成芯片系统和外设的初始化代码及主程序框架模板。（4）每种芯片接口功能都具有详细的开发例程及说明，开发者做好主要的数据处理或者功能程序即可。（5）具有从编写、调试到烧写的免费开发工具链，还集成了嵌入式 C 语言在线调试功能。（6）具有单步、全速、断点设置和查看资源等在线调试功能，程序的运行信息可以被实时观测，包括寄存器、堆栈、内存等信息。（7）具有丰富的外设操作函数库，还包括数学函数库和 FreeRTOS 等操作系统，缩小操作系统复杂繁琐的移植工作，提高开发的效率。通过智能向导，DAvE 能使嵌入式芯片的使用更加简单，软件的开发时间可以大大的被减少，软件的开发效果也能更好，开发人员能高效、快捷地完成嵌入式系统开发任务，该开发平台能够满足跟踪雷达的伺服控制系统的嵌入式软件开发需求。
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总结
本文课题是与某研究所的合作项目，目的是开发跟踪雷达的伺服控制系统，本文以此为基础，把跟踪雷达的伺服控制系统作为研究对象，对其设计实现及其控制算法进行了深入研究，主要完成和取得了以下研究成果：
（1）调研国内外跟踪雷达及其控制算法的研究现状。通过研究国内外跟踪雷达及其控制策略的发展现状及发展趋势，论述了跟踪雷达及其控制算法的研究的背景、价值和意义。
（2）设计跟踪雷达伺服控制系统的整体方案。通过分析伺服控制系统的工作原理、功能需求和指标要求，确定了伺服控制系统的双电机消隙驱动方案、各部分组成及相应接口形式，并对电机驱动器、旋转变压器、跟踪接收机、控制板处理器等关键元件进行了选择。最终方案可抑制非线性因素影响，传动误差小，并使跟踪雷达具有响应性能快、跟踪精度高、调速区域宽的性能。
（3）研究跟踪雷达伺服控制系统的控制算法。首先通过对双电机消隙伺服控制系统进行分析，建立了动力学模型和频域结构框图，并在Simulink中建立其仿真模型；其次，研究了经典PID算法、自适应PID算法和基于BP 神经网络参数自学习的PID算法等三种不同算法的控制原理，以双电机消隙伺服控制系统仿真模型为基础通过位置、跟踪性能的仿真与分析，发现经典PID算法高效易实现，稳定性高，但控制精度差；基于BP 神经网络参数自学习的PID算法控制效果最好，但难实现，且算法稳定性差；而自适应PID算法稳定性高，在控制精度上也能满足系统需求。
（4）设计跟踪雷达伺服控制系统的硬件电路。首先设计了伺服系统控制板的电源电路和处理器的最小外围电路；其次，根据不同的模块，采用光耦隔离思想，设计了与触摸屏、旋变数字转换器、跟踪接收机、上位机、电机驱动器等不同模块的数字化通信隔离电路，完成了高可靠和抗干扰性能优异的伺服系统控制板的PCB 设计、焊接和测试。
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参考文献（略）