CN104459636A - 多雷达天线协同控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种多雷达天线协同控制方法,该方法通过对多部雷达天线的协同控制,可以任意选择几部雷达协同工作,也可以任意对一部雷达进行控制,通过几部雷达共同工作,既提高工作效率,又完成了以前无法完成的协同工作。本发明的控制方法可实现以下目标控制如下:多雷达天线同步旋转控制,即需要协同的几部雷达时刻保持和基准雷达相同方位、基本相同速度旋转;多雷达天线顺序旋转控制,即需要协同的雷达时刻保持和基准雷达时刻保持一定的夹角、基本相同速度旋转;单雷达天线微动指向控制,即对协同内单一雷达***提供一个目标外推航迹信息完成对该目标的跟踪控制功能。
Description
技术领域:
本发明是多雷达天线协同控制方法,即实现多部雷达天线同步旋转控制、多部雷达天线顺序旋转控制、单部雷达天线微动指向控制,此发明可以大大提高雷达探测目标的频率,有利于多部雷达后端数据融合。
背景技术:
目前,每个雷达站对天线旋转的控制多采用相互独立的方式,每一部天线有对应的一套独立控制***,不同雷达之间不能同时协调工作。
发明内容:
本发明的发明目的是提供一种多雷达天线协同控制方法,该方法通过对多部雷达天线的协同控制,可以任意选择几部雷达协同工作,也可以任意对一部雷达进行控制,通过几部雷达协同工作,既提高工作效率,又完成了以前无法完成的协同工作。
本发明的具体技术方案如下:
一种多雷达天线协同控制方法,该方法的控制过程如下:
开启***,***初始化,然后根据控制指令,判断后进入以下三种控制模式之一;
1)模式一:同步旋转控制模式
a)首先设定任一雷达天线为基准机器,其他雷达自动默认为从动雷达;每部雷达天线的同步机实时向主控单元发送本机器的实时方位值,主控单元读取基准雷达的方位值θ(t),和从动雷达方位值θn(t),并计算从动雷达与基准雷达的方位差值ε(t)=θ(t)-θn(t),如若ε(t)<0,则把此值加360°,表示只能按统一顺时针方向追;
其中,θ(t)表示t时刻的基准雷达方位值,θn(t)表示t时刻从动雷达的方位值,n表示各台从动雷达标号,ε(t)表示t时刻从动雷达和基准雷达方位差值;
b)给定基准雷达的转速V0;
c)采用Bang-bang控制形式:当ε(t)大于30°时,调整从动雷达速度按照以V0+ΔV转/分的转速转动,使ε(t)逐步减小;
d)采用PID控制形式:当ε(t)逐步减小至≤30°时,按下式调节从动雷达天线的转速:
逐步减小从动雷达与基准雷达的方位差值ε(t);
式中:n为各台从动雷达的编号,Vn(t)为PID控制器的输出控制量,为比例系数;TnI为积分时间常数;TnD为微分时间常数;
e)当调速至εn(t)值小于误差阀值β(β=0.05°)时,认定为从动雷达方位值与基准雷达方位值保持一致:θn(t)=θ(t)±β,继而从动雷达按照Vn(t)速度紧密跟随主动雷达,时时保证θn(t)=θ(t)±β;
2)模式二:顺序旋转控制模式
a)首先设定任一雷达天线为基准机器,其他雷达自动默认为从动雷达;置入各从动雷达天线的顺序旋转夹角值θ1,即各部雷达天线按编号与基准雷达的置入角度值分别为θ1、2θ1、3θ1、4θ1…nθ1;每部雷达天线的同步机实时向主控单元发送本机器的实时方位值,主控单元读取基准雷达的方位值θ(t),和从动雷达方位值θn(t),并计算从动雷达方位值与基准雷达及置入角度值的方位差值λn(t)=θ(t)-θn(t)-nθ1,如若λn(t)<0,则把此值加360°,表示只能按统一顺时针方向追;
其中,λn(t)表示从动雷达方位值与基准雷达及置入角度值的方位差值;
b)给定基准雷达的转速V0;
c)采用Bang-bang控制形式:当λn(t)>30°时,调整从动雷达速度按照以V0+ΔV转/分的转速转动(ΔV=0.5~3转/分),使λn(t)逐步减小;
其中Vn(t)表示从动雷达转速,n表示各台从动雷达标号;
d)采用PID控制形式:当λn(t)逐步减小至λn(t)≤30°时,按下式调节从动雷达天线的转速:
逐步减小从动雷达与基准雷达的方位差值λn(t);
式中:n为各台从动雷达的编号,Vn(t)为PID控制器的输出控制量,为比例系数;TnI为积分时间常数;TnD为微分时间常数;
e)当调速至λn(t)值小于误差阀值β(β=0.05°)时,认定为从动雷达方位值与基准雷达已按置入角度值保持一致:θn(t)=θ(t)+nθ1±β,继而从动雷达按照Vn(t)速度紧密跟随主动雷达;
3)模式三:微动指向控制
a)置入一部雷达的目标方位值θ2;
b)该部雷达天线的同步机实时向主控单元发送本机器的实时方位值,主控单元读取该部雷达方位值θn(t),并计算该部雷达的方位与置入的目标方位值的差值Ιn(t)=θn(t)-θ2,如若Ιn(t)<0,则把此值加360°,表示只能按统一顺时针方向追;
其中,θ2表示某部雷达的目标方位值;Ιn(t)表示t时刻该部雷达的方位值与置入的目标方位值的差值;
c)采用Bang-bang控制形式:当Ιn(t)>30°时,调整该部雷达速度按照以ΔV转/分的转速转动(ΔV=0.5~3转/分),使Ιn(t)逐步减小;
d)采用PID控制形式:当Ιn(t)逐步减小至Ιn(t)≤30°时,按下式调节该部雷达天线的转速:
逐步减小从动雷达与置入的目标方位值的差值Ιn(t);
式中:V0该部雷达的初始化速度,V0=0,n为雷达的编号,Vn(t)为PID控制器的输出控制量,为比例系数;TnI为积分时间常数;TnD为微分时间常数;
e)当调速至Ιn(t)值小于误差阀值β时,认定为该部雷达方位值与置入的目标方位值一致,并将该部雷达停至该位置。
本发明的进一步设计在于:
该方法的控制过程如下:步骤c)中所述ΔV取0.5~3转/分。
该方法的控制过程如下:步骤e)中所述误差阀值β取0.01°~0.05°。
本发明具有如下有益效果:
本发明把所有雷达的方位信号通过光纤连接到主控设备里,不影响原设备的伺服控制***,所以配置结构特别简单,控制对象清楚;同时由于着眼点不在改变原来单个雷达控制***,为了增加多部雷达协同控制功能,提高雷达探测目标的频率和可靠性。本设备还有配液晶屏,遥控时终端向主控设备发送协同指令,操作方式简便。
本发明为了实现对阵地所有雷达的协同联合工作,大大提高雷达探测目标的频率,增加一个协同主控控制设备,每部雷达原控制部分(协同控制从控设备)和主控设备通过光纤连接,主控控制设备再和同一集成终端(上位机)连接,通过统一终端或主控控制设备本身(液晶屏)就可以发送协同控制命令。
本发明的控制方法可实现以下目标控制如下:
多雷达天线同步旋转控制,即需要协同的几部雷达时刻保持和基准雷达相同方位、以基本相同速度旋转;
多雷达天线顺序旋转控制,即需要协同的雷达时刻保持和基准雷达时刻保持设定的夹角、基本相同速度旋转;
单雷达天线微动指向控制,即对协同内单一雷达***提供一个目标外推航迹信息完成对该目标的跟踪控制功能。
附图说明:
图1为多天线协同控制设备的原理框图。
图2为本发明的主控流程图。
图3为从动雷达在跟随目标方位过程中从动雷达效果图。
具体实施方式:
实施例一:
如图1所示,本发明方法采用的多天线协同控制设备组成。包括五部雷达天线,每部雷达天线配备有一台伺服控制单元和一台***,还包括电源模块和主控单元,主控单元分别经一台***与每台雷达天线的伺服控制单元相连,电源模块为各台***和主控单元供电。
该设备还包括液晶显示屏,该液晶显示屏与主控单元连接,也由电源模块供电。设备还包括遥控***和上位机,主控单元与遥控***连接,遥控***经光纤与上位机连接。
主控单元采用带操作***PCC控制器,型号为ESCP476-PCNW-T3-M11;电源模块采用24V直流电源,具体为VI-PU30-EUY直流开关电源;***采用OEC20-433-137-01-Y2M单模***;液晶显示屏采用ESPP320.0571-35-T3-M1液晶显示屏;遥控***采用OEC-1000。
实施例二:同步旋转控制模式
本发明的多天线协同控制方法,该方法的控制过程如下:
开启***,***初始化,然后根据控制指令,进入以下控制过程:
a)首先(在上位机或者本控液晶屏上)设定任一雷达天线为基准机器,其他雷达自动默认为从动雷达;每部雷达天线的同步机实时向主控单元发送本机器的实时方位值,主控单元读取基准雷达的方位值θ(t),和从动雷达方位值θn(t),并计算从动雷达与基准雷达的方位差值ε(t)=θ(t)-θn(t),如若ε(t)<0,则把此值加360°,表示只能按统一顺时针方向追;
其中,θ(t)表示t时刻的基准雷达方位值,θn(t)表示t时刻从动雷达的方位值,n表示各台从动雷达标号,ε(t)表示t时刻从动雷达和基准雷达方位差值;
b)通过主控单元给定基准雷达的转速V0(比如V0=3转/分);
c)主控单元采用Bang-bang控制形式:当ε(t)大于30°时,调整从动雷达速度按照以V0+ΔV(因为雷达最高转速为6转/分,ΔV取=0.5~3转/分)转/分的转速转动,此速度也是由主控单元通过光纤传给相应的伺服控制单元,使ε(t)逐步减小;
d)主控单元采用PID控制形式对各个从动雷达天线速度控制:当ε(t)逐步减小至α≤30°时,按下式调节从动雷达天线的转速,也是通过光纤由主控单元发出转速指令:
逐步减小从动雷达与基准雷达的方位差值ε(t);
式中:n为各台从动雷达的编号,Vn(t)为PID控制器的输出控制量,为比例系数;TnI为积分时间常数;TnD为微分时间常数;
(由于不同波段的天线质量不同,结构尺寸不同转动带来的阻力也不同,各个天线的转动惯量也不尽相同,因此需要通过调整相应天线的比例、积分和微分系数,来使天线的控制达到期望的特性,通过反复测试确定各调节参数,TnI=0.2,TnD=0.0001)。
e)当调速至εn(t)值小于误差阀值β(β=0.05°)时,认定为从动雷达方位值与基准雷达方位值保持一致:θn(t)=θ(t)±β,继而从动雷达按照Vn(t)速度紧密跟随主动雷达,时时保证θn(t)=θ(t)±β。
实施例三:顺序旋转控制模式
开启***,***初始化,然后根据控制指令,进入以下控制过程:
a)首先(在上位机或者本控液晶屏上)设定任一雷达天线为基准机器,其他雷达自动默认为从动雷达;置入各从动雷达天线的顺序旋转夹角值θ1,即各部雷达天线按编号与基准雷达的置入角度值分别为θ1、2θ1、3θ1、4θ1…nθ1;每部雷达天线的同步机实时向主控单元发送本机器的实时方位值,主控单元读取基准雷达的方位值θ(t),和从动雷达方位值θn(t),并计算从动雷达方位值与基准雷达及置入角度值的方位差值λn(t)=θ(t)-θn(t)-nθ1,如若λn(t)<0,则把此值加360°,表示只能按统一顺时针方向追;
其中,λn(t)表示从动雷达方位值与基准雷达及置入角度值的方位差值;
b)给定基准雷达的转速V0;(比如V0=3转/分);
c)主控单元采用Bang-bang控制形式:当λn(t)>30°时,调整从动雷达速度按照以V0+ΔV转/分的转速转动(ΔV=0.5~3转/分),此速度也是由主控单元通过光纤传给相应的伺服控制单元,使λn(t)逐步减小;
其中Vn(t)表示从动雷达转速,n表示各台从动雷达标号;
d)在主控单元里采用PID控制形式:当λn(t)逐步减小至λn(t)≤30°时,按下式调节从动雷达天线的转速,也是通过光纤由主控单元发出转速指令:
逐步减小从动雷达与基准雷达的方位差值λn(t);
式中:n为各台从动雷达的编号,Vn(t)为PID控制器的输出控制量,为比例系数;TnI为积分时间常数;TnD为微分时间常数。
(由于不同波段的天线质量不同,结构尺寸不同转动带来的阻力也不同,各个天线的转动惯量也不尽相同,因此需要通过调整相应天线的比例、积分和微分系数,来使天线的控制达到期望的特性,通过反复测试确定各调节参数,TnI=0.2,TnD=0.0001)。
e)当调速至λn(t)值小于误差阀值β(β=0.05°)时,认定为从动雷达方位值与基准雷达已按置入角度值保持一致:θn(t)=θ(t)+nθ1±β,继而从动雷达按照Vn(t)速度紧密跟随主动雷达。
实施例四:微动指向控制
开启***,***初始化,然后根据控制指令,进入以下控制过程:
a)置入一部雷达的目标方位值θ2;
b)该部雷达天线的同步机实时向主控单元发送本机器的实时方位值,主控单元读取该部雷达方位值θn(t),并计算该部雷达的方位与置入的目标方位值的差值Ιn(t)=θn(t)-θ2,如若Ιn(t)<0,则把此值加360°,表示只能按统一顺时针方向追;
其中,θ2表示该部雷达的目标方位值;Ιn(t)表示t时刻该部雷达的方位值与置入的目标方位值的差值;
c)在主控单元里采用Bang-bang控制形式:当Ιn(t)>30°时,调整该部雷达速度按照以ΔV转/分的转速转动(ΔV=0.5~3转/分),此速度也是由主控单元通过光纤传给相应的伺服控制单元,使Ιn(t)逐步减小;
d)主控单元采用PID控制形式:当Ιn(t)逐步减小至Ιn(t)≤30°时,按下式调节该部雷达天线的转速,也是通过光纤由主控单元发出转速指令:
逐步减小从动雷达与置入的目标方位值的差值Ιn(t);
式中:V0该部雷达的初始化速度,V0=0,n为雷达的编号,Vn(t)为PID控制器的输出控制量,为比例系数;TnI为积分时间常数;TnD为微分时间常数。
(由于不同波段的天线质量不同,结构尺寸不同转动带来的阻力也不同,各个天线的转动惯量也不尽相同,因此需要通过调整相应天线的比例、积分和微分系数,来使天线的控制达到期望的特性,通过反复测试确定各调节参数,TnI=0.2,TnD=0.0001)。
e)当调速至Ιn(t)值小于误差阀值β(β=0.05°)时,认定为该部雷达方位值与置入的目标方位值一致,并将该部雷达停至该位置。
实施例五:
设计一个多天线协同控制主控箱,控制箱的硬件组成为:一块直流24V电源、一个带操作***的CPU模块、***5个(分别和5部雷达伺服控制单元连接)、一块液晶显示屏(检测各部雷达天线状态,本控控制时发送协同命令)。
以五台雷达参与等差控制为例,协同***的框图见图1所示。
程序总体框图如下(图2)。完成协同功能除了硬件上增加一个多天线协同控制主控箱外,同时也要增加相应的控制软件,该软件控制***为典型的闭环位置随动***,基于目前电气和结构设计型式,拟采用PID调节算法作为调节算法的基础,同时运用“软”调节器的可编程灵活性,采取多种修正方法,以取得最好的综合动态响应指标。
为使***在大偏差状态(可以在参数配置模块设定界限)获得尽可能快的响应,通常可采用“Bang-Bang”控制策略。即当从动天线的实际方位值离跟随方位值或设定方位值偏差较大时,可忽略PID调节器的运算结果,直接输出最大的控制量。这样可使对应的方位电机以最快的速度,推动相应的雷达天线向目标位置逼近。
当***处于多天线协同控制模式时,首先可以任意选择其中一部雷达作为基准雷达,基准雷达转速的控制为上位终端给定,所以基准雷达速度一定,其控制控制量保持不变。
u(t)=V0
式中V0为基准雷达的输入量(单向指动模式下,V0该部雷达的初始化速度)该部雷达的初始化速度),协同***里其他从控雷达为从动雷达,需要根据基准雷达的适时方位计算出本部雷达当前目标方位。本雷达转速是随着方位差的变化而变化的,采用PID的控制策略,从控雷达控制过程可以写成如下形式:
式中:n为非基准雷达中栈号为n的机器,Vn(t)为PID控制器的输出量控制,εn(t)为方位偏差;knp为比例系数;TnI为积分时间常数;TnD为微分时间常数。由于不同波段的天线质量不同,结构尺寸不同转动带来的阻力也不同,各个天线的转动惯量也不尽相同,因此需要通过调整相应天线的比例、积分和微分系数,来使天线的控制达到期望的特性。整个控制软件的流程图如下图(图2)。
采用PID控制形式时,当方位偏差较小时的偏差输入也小。调试时根据实际情况找到最佳PID系数值当开始跟随时,当受控雷达目标较近时采用PID调节算法跟随,随着ε(t)位值的靠近εn(t)会越来越小,Vn(t)也会逼近V0,当正好位置εn(t)到达时Vn(t)=V0,理论上速度此时正好相同,但PID调节作用下可能会出现超调,此时在PID作用下本受控雷达再次朝着目标方位逼近,所以会出现在基准方位上小方位内波动,波动方位就是误差范围(误差也就是平衡区,此量也可以设置)。从动雷达在跟随目标方位过程中从动雷达效果如下图(图3),图中εn(t)为方位偏差,t表时间,β为误差阀值。
针对本***控制软件设计中引入的一些非线性、非连续的修正策略,控制程序宜对输出结果采用平滑处理,以确保给相应雷达电机在任何时候均为“平滑”的转动,具体算法上,可对输出结果采取一定数量的缓冲求和、取平均运算处理(求积分中值),结合控制软件及伺服驱动器的响应特点,可考虑将控制程序输出的值在100~200ms内求和取平均的策略,这样的处理,既可以有效拟制输出的“毛刺”突变,同时这样的时滞对于***的响应又是可以忽略不计的。
Claims (3)
1.一种多雷达天线协同控制方法,该方法的控制过程如下:
开启***,***初始化,然后根据控制指令,判断后进入以下三种控制模式之一:
1)模式一:同步旋转控制模式
a)首先设定任一雷达天线为基准机器,其他雷达自动默认为从动雷达;每部雷达天线的同步机实时向主控单元发送本机器的实时方位值,主控单元读取基准雷达的方位值θ(t),和从动雷达方位值θn(t),并计算从动雷达与基准雷达的方位差值ε(t)=θ(t)-θn(t),如若ε(t)<0,则把此值加360°,表示只能按统一顺时针方向追;
其中,θ(t)表示t时刻的基准雷达方位值,θn(t)表示t时刻从动雷达的方位值,n表示各台从动雷达标号,ε(t)表示t时刻从动雷达和基准雷达方位差值;
b)给定基准雷达的转速V0;
c)采用Bang-bang控制形式:当ε(t)大于30°时,调整从动雷达速度按照以V0+ΔV转/分的转速转动,使ε(t)逐步减小;
d)采用PID控制形式:当ε(t)逐步减小至≤30°时,按下式调节从动雷达天线的转速:
逐步减小从动雷达与基准雷达的方位差值ε(t);
式中:n为各台从动雷达的编号,Vn(t)为PID控制器的输出控制量,为比例系数;TnI为积分时间常数;为微分时间常数;
e)当调速至εn(t)值小于误差阀值β时,认定为从动雷达方位值与基准雷达方位值保持一致:θn(t)=θ(t)±β,继而从动雷达按照Vn(t)速度紧密跟随主动雷达,时时保证θn(t)=θ(t)±β;
2)模式二:顺序旋转控制模式
a)首先设定任一雷达天线为基准机器,其他雷达自动默认为从动雷达;置入各从动雷达天线的顺序旋转夹角值θ1,即各部雷达天线按编号与基准雷达的置入角度值分别为θ1、2θ1、3θ1、4θ1…nθ1;每部雷达天线的同步机实时向主控单元发送本机器的实时方位值,主控单元读取基准雷达的方位值θ(t),和从动雷达方位值θn(t),并计算从动雷达方位值与基准雷达及置入角度值的方位差值λn(t)=θ(t)-θn(t)-nθ1,如若λn(t)<0,则把此值加360°,表示只能按统一顺时针方向追;
其中,λn(t)表示从动雷达方位值与基准雷达及置入角度值的方位差值;
b)给定基准雷达的转速V0;
c)采用Bang-bang控制形式:当λn(t)>30°时,调整从动雷达速度按照以V0+ΔV转/分的转速转动,使λn(t)逐步减小;
其中Vn(t)表示从动雷达转速,n表示各台从动雷达标号;
d)采用PID控制形式:当λn(t)逐步减小至λn(t)≤30°时,按下式调节从动雷达天线的转速:
逐步减小从动雷达与基准雷达的方位差值λn(t);
式中:n为各台从动雷达的编号,Vn(t)为PID控制器的输出控制量,为比例系数;TnI为积分时间常数;为微分时间常数;
e)当调速至λn(t)值小于误差阀值β(β=0.05°)时,认定为从动雷达方位值与基准雷达已按置入角度值保持一致:θn(t)=θ(t)+nθ1±β,继而从动雷达按照Vn(t)速度紧密跟随主动雷达;
3)模式三:微动指向控制
a)置入一部雷达的目标方位值θ2;
b)该部雷达天线的同步机实时向主控单元发送本机器的实时方位值,主控单元读取该部雷达方位值θn(t),并计算该部雷达的方位与置入的目标方位值的差值Ιn(t)=θn(t)-θ2,如若Ιn(t)<0,则把此值加360°,表示只能按统一顺时针方向追;
其中,θ2表示某部雷达的目标方位值;Ιn(t)表示t时刻该部雷达的方位值与置入的目标方位值的差值;
c)采用Bang-bang控制形式:当Ιn(t)>30°时,调整该部雷达速度按照以ΔV转/分的转速转动,使Ιn(t)逐步减小;
d)采用PID控制形式:当Ιn(t)逐步减小至Ιn(t)≤30°时,按下式调节该部雷达天线的转速:
逐步减小从动雷达与置入的目标方位值的差值Ιn(t);
式中:V0该部雷达的初始化速度,n为雷达的编号,Vn(t)为PID控制器的输出控制量,为比例系数;TnI为积分时间常数;为微分时间常数;
e)当调速至Ιn(t)值小于误差阀值β时,认定为该部雷达方位值与置入的目标方位值一致,并将该部雷达停至该位置。
2.根据权利要求1所述多雷达天线协同控制方法,该方法的控制过程如下:步骤c)中ΔV取0.5~3转/分。
3.根据权利要求1所述多雷达天线协同控制方法,该方法的控制过程如下:步骤e)中误差阀值β取0.01°~0.05°。
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