雷达阵列天线介绍

第一篇：雷达阵列天线介绍

■开课目的

“阵列天线分析与综合”是电子信息工程专业电磁场与微波通信方向的专业选修课程。课程的任务是使学生掌握阵列天线的基本理论、基本分析与综合方法，掌握单脉冲阵列、相控阵扫描天线的基本理论和概念、以及阵列天线的优化设计思想，培养学生分析问题和解决问题的能力，为今后从事天线理论研究、工程设计和开发工作打下良好的基础。

■课程要求

● 约有五次作业 ● 考核

平时成绩占20％。包括平时作业，出勤情况。期末考试成绩占80％(一页纸开卷)

雷达阵列天线简介

1、“AN/SPY—1”S波段相控阵雷达

是海军“宙斯盾”(Aegis)武器系统中的一部分，由RCA公司研制。它有四个相控阵孔径，提供前方半空间很大的覆盖范围。

接收时它使用带68个子阵的馈电系统，每个子阵包含64个波导辐射器，总共有68×64＝4352个单元。

发射时，子阵成对组合，形成32个子阵，每个子阵128个单元，总共32×128＝4096辐射单元。

移相器为5位二进制铁氧体移相器，直接向波导辐射器馈电。为了避免相位量化误差引起的高副瓣电平，后来移相器改为7位二进制移相器，合成的相控阵由强制馈电功分网络馈电，辐射单元也改为4350个，单脉冲的和、差波瓣及发射波束均按最佳化设计。

AN/SPY—1天线正在进行近场测试(RCA公司电子系统部提供)目前该系统安装在导弹巡洋舰上

导弹巡洋舰上的AN/SPY—1系统

2、爱国者(PATRIOT)多功能相控阵雷达

是Raytheon公司为陆军研制的一种多功能相控阵雷达系统。其天线系统使用光学馈电的透镜阵列形式。和差波瓣分别通过单脉冲馈源达到最佳。孔径呈圆形，包含大约5000个单元，采用4位二进制铁氧体移相器和波导型辐射器单元。它安装在车辆上，并可平叠以便于运输。

爱国者多功能相控阵雷达天线(Raytheon公司提供)

3、机载预警和控制系统(AWACS)世界上第一个具有超低副瓣的作战雷达天线是由西屋电气公司为AWACS系统研制的。它取得成功后，便有很多产品紧随其后，而且常常得到比规定的副瓣电平还要低的副瓣。AWACS雷达天线是波导窄边缝隙阵列，有4000多个缝隙单元。该系统可用于空中监视的预警机，如下图所示。它在可一起转动的圆形天线罩内做机械旋转，在垂直面上用28个铁氧体精密移相器实现相控扫描。

AWACS预警机雷达天线波导窄边缝隙阵列(西屋公司提供)

4、电子捷变雷达

西屋电气公司以前为机载应用研制了这种X波段相控阵雷达。后来此系统演化为B1－B轰炸机上的AN/APQ—164雷达，如下图所示。该图显示正在装配的这种雷达天线，它有1526个圆波导口辐射单元，组成的阵列为椭圆形孔径，每个单元都带有可逆铁氧体移相器，可以实现空间二维扫描。该系统有形成波束变化的灵活性，其口径相位的变化可以实现尖锐的笔形波束、余割平方波束、垂直扇形波束。极化可从垂直极化改变为圆极化。这是通过每个单元的可开关的法拉第旋转器结合铁氧体/4薄片来实现。天馈系统还包括故障定位和隔离系统，还有检测、校验系统，这可通过合成信号的变化来确定合适的相位分布(校正馈电系统的误差)，检验激励幅度，并检查极化分集的功能。

正在装配的AN/APQ—164相控阵雷达天线(西屋公司提供)

5、多功能电扫描自适应雷达(MESAR)

这是一部具有挑战性的S波段固态相控阵雷达，它由英国海军部研究中心和Plessey雷达公司共同研制。阵面为1.8m×1.8m孔径，共有918个波导型辐射单元，如下图所示。采用4位二进制移相器，功率放大器为分立器件，有22％的带宽，2W输出功率。接收时信号在模块中被前置放大和移相，并在波束形成器中聚集成16个子阵，每一子阵都有各自的接收机，这些接收机的输出用8位A/D转换器数字化，提供强大的自适应置零能力。

MESAR固态相控阵雷达天线(Plessey公司提供)

6、AN/TPS-70多波束阵列雷达

这是一种不用移相器相控扫描的低副瓣阵列，在方位上为低副瓣波束并采用机械旋转扫描，在俯仰面上实现多个波束以覆盖空间较大的范围。天线使用36根水平波导管，每根波导管上有94个缝隙以形成主瓣宽度为1.6o的方位窄波束。在俯仰面上，发射时激励22根波导管，产生20o的俯仰波束，该波束为赋形波束，低仰角时的增益高，高仰角时的增益低；接收时来自全部36根波导的能量结合在一起产生6个同时波束以覆盖0～20o的仰角范围。6个波束的仰角宽度从最低波束的2.3o变化到6o。这6个波束均有自己的接收机，通过比较这些波束中的能量可提供仰角的单脉冲信息。

同时多波束的优点是，在强杂波环境中它能提供实现信号处理功能所需的时间。该雷达可运输。其作用距离240英里，有3MW的峰值功率和5KW的平均功率。该雷达及其改型已在全世界广泛使用。

AN/TPS-70多波束阵列雷达天线(西屋公司提供)

7、AN/TPQ-37武器定位雷达

又称火力搜索雷达，为美军陆军装备，由休斯(Hughes)飞机公司研制。用来探测炮弹弹道，并反向寻找其发射点。该雷达使用有限扫描相控阵，它能在方位上提供宽扫描角，在仰角上提供有限的扫描角，有限扫描范围将大大减少移相器数目。系统只使用360个二极管移相器，每个移相器控制阵列垂直线上的6个辐射单元。其峰值功率为4KW，平均功率为165W。

该雷达为单脉冲体制，其馈电网络可形成和波束、方位差波束和俯仰差波束，馈电网络由空气带状线和波导功分器组成。天线尺寸8×12×2(ft)3。在美国和其他国家和地区，以装备了数十套这种雷达。

AN/TPQ-37武器定位雷达(Hughes公司提供)

8、铺路爪(Pave Paes)雷达

该雷达由Raytheon公司研制。它用于提供弹道导弹的预警，也可实现对卫星的跟踪，它是超高频(UHF)固态相控阵雷达。一套系统包含孔径相互倾斜120o的两部雷达，可提供240o的总观察范围，它可检测到3000英里处的10m2的目标。

铺路爪超高频固态相控阵雷达天线(Raytheon公司提供)

9、丹麦眼镜蛇(Cobra Dane)雷达

是Raytheon公司研制的一部庞大的L波段相控阵雷达，它是为收集国外洲际导弹试验情报而研制和部署的，其雷达天线如下图所示。它有一些与众不同的特性，它是一种稀疏阵列，直径为95ft，共有34768个单元，其中15360个单元是有源单元，其余是无源单元。有源单元分成96个子阵，每个子阵有160个辐射器。发射时由行波管馈电，加到天线上的总峰值功率为15.4MW，其频带宽度为200MHz，有2.5ft的距离分辨能力，以探测目标的尺寸和形状。

丹麦眼镜蛇L波段相控阵雷达天线(Raytheon公司提供)

10、“朱迪”眼镜蛇雷达

是一种独特的大型相控阵雷达，由Raytheon公司为美国空军研制。用以收集国外弹道导弹实验的数据。他安装在美国舰船“膫望岛”的转台上，如下图所示。阵列直径为22.5ft，包含12288个单元，由16个行波管馈电

美国舰船“膫望岛”上的“朱迪”眼镜蛇大型可旋转相控阵雷达天线

(Raytheon公司提供)

11、空中预警机雷达

又叫机载搜索雷达。最初是为远程侦察机探测舰艇研制的，第二次世界大战后期美海军研制了几种机载预警雷达，用来探测舰艇雷达天线探测不到的低空飞行的飞机。在增大对空、对海面目标的最大探测距离方面，机载雷达的优势是显而易见的。因为海面上高度为100ft的天线，其雷达视线距离只有12英里，而高度为10000ft的飞机，雷达视线距离为123英里。

日本神风突击队的袭击造成美国多艘哨舰的损失，激发了机载预警雷达的设想，后来这种系统发展成为一种用于洲际防空的边界预警巡逻机。

下图为航空母舰的舰载E－2C预警机。

E－2C预警机 12、3D雷达概念

又叫三坐标雷达，这种雷达可同时测量目标的3个基本位置坐标(距离，方位和仰角)。3D雷达是一种警戒雷达，其天线在方位上机械旋转，以测量目标的距离和方位，在仰角上扫描一个或多个波束，或者通过邻接的固定仰角波束来获得目标的仰角。

按照怎样形成仰角波束和怎样在仰角上的扫描波束，3D雷达可分为堆积多波束雷达，频扫雷达、相扫雷达，机械扫描雷达和数字波束形成雷达。

13、S713Martello堆积多波束3D雷达

它是L波段可移动的包含8个波束的堆积多波束雷达，如下图所示。其平面阵列高10.6m，宽6.1m，共有60行，每行32个辐射单元，装有60个接收机用以把接收到的射频信号下变频为中频。方位波束宽度为2.8o，机械旋转，转速为3圈/秒。仰角上，发射时为余割平方方向图，覆盖范围30 o，接收时形成并处理8个堆积窄波束。发射峰值功率为3MW，平均功率8KW。这种雷达为警戒雷达。对100英里处的小型战斗机，其测高精度达1000ft(约300m)。

S713Martello堆积多波束3D雷达(Marconi公司提供)

14、AN/SPS－52C频扫3D雷达

频率扫描雷达是指天线辐射波束指向随频率改变而改变的雷达。应用于空中监视任务的3D雷达技术之一是频率扫描。频扫阵列是利用一段波导传输线的相位频率相关特性来扫描笔形波束。馈电波导在阵列的一侧折叠成蛇形状，对波导行波阵进行耦合馈电，如下图所示。改变发射或接收频率在口径上产生不同的相位变化剃度，从而使天线辐射波束指向发射偏转。实际应用的频扫阵列天线如下图所示的AN/SPS-52C雷达天线。

频扫雷达的测量精度比不上堆积多波束雷达和相扫单脉冲雷达。其原因之一是为了控制波束指向需要改变系统工作频率，从而导致目标回波幅度的波动，降低了多波束目标回波中可用的目标角度信息的质量。

具有蛇形波导馈电的波导窄变缝隙阵列及AN/SPS-52C舰载频扫3D雷达

(Hughes公司提供)

15、AN/FPS－117相扫3D雷达

方位上采用机械旋转扫描，仰角上采用相控扫描来进行目标的三坐标定位，是3D雷达测高技术中最为灵活的雷达。可以和相扫阵列一起使用的测高技术包括各种相参同时波束转换技术(单脉冲、和相位干涉等)，以及幅度比较顺序波束转换技术。相控阵雷达在当今武器市场中变得越来越普遍，这要归因于目标和环境的威胁不断地升级和变化。

AN/FPS－117固定站固态相扫3D雷达(通用电气公司提供)AN/FPS－117是典型的S波段相扫3D雷达，如上图所示。其天线为平面阵列，共有44行带状线馈电的水平振子，每行有30个单元。44行中的每一行包含它自己的固态收发组件。该收发组件由峰值功率为1KW的固态发射机、集成电源、低噪声接收机、移相器、收发开关和逻辑控制单元组成，且全部安装在天线上。平面阵列的馈源结构在接收时可产生双轴单脉冲波束集，即一个和波束与两个差波束。一个附加的列馈为最低角波束位置提供了特殊的低仰角测高能力。馈源产生一对和波束被小心地放置在某仰角上并作为单脉冲对其进行处理，采用此技术使多路径的影响为最小。

16、其他雷达天线

波导宽壁纵缝阵

低副瓣的波导窄壁斜缝阵(机载预警雷达天线)

机载雷达天线及馈电网络

机场监视雷达天线及馈电网络形式

圆环阵列天线

多普勒角度扫描缝隙阵列

圆柱形频率扫描阵列

俯视图

A方向侧视图

B方向侧视图

圆锥共形阵列(单元为直缝、斜缝和横缝)

俯视图

A方向侧视图

B方向侧视图

圆锥共形阵列(单元为“十”字缝)

弹头锥体上的“十”字缝隙阵，及单元形式

球形开关阵列

双极化C波段微带贴片天线

八木天线阵列

对称振子天线阵列

第二篇：雷达天线伺服控制系统要点

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概 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——雷达天线伺服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1-1所示。

自 动 控 制 原 理 课 程 设 计 雷达天线伺服控制系统结构及工作原理

图1-1 雷达天线伺服控制系统原理图

1.2 系统的结构组成

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：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。

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1.3 工作原理

分三种情况考虑：

*1当两个电位器RP1和RP2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m0，电位器输出电压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。

**2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。

*3给定角m减小，**，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mm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。雷达天线伺服控制系统框图 由实物图可画出系统方框图，如下

图3-1 雷达天线伺服控制系统原理框图

*给定角m经电位器变成给定信号U*，被控量经电位器变成反馈信号U，给定信号与反馈信号产生偏差信号e；偏差信号经放大器（电压比较放大器和可逆功率放大器）得到

*（直流伺服电动机）作用到雷达天线上，减小偏差，最终实现mUd，Ud通过执行机构m。这就是控制的整个过程。

2.1各部分传函及方块图

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2.1.1 位置检测器

在控制系统中,单个电位器用作为信号变换装置，一对电位器可以组成误差检测器，空载时，单个电位器的电刷角位移(t)与输出电压u(t)的关系曲线在进行理论分析时可以用直线近似，于是可得输出电压为

u(t)K0(t)

式中K0Emax，是电刷单位角位移对应的输出电压，称为电位器传递系数，其中E是电位器电源电压，max是电位器最大工作角。对上式求拉氏变换，可求得电位器传递函数为

G(s)U(s)K0 (s)可以看出电位器的传递函数是一个常值，它取决于电源电压E和电位器最大工作角度max。电位器可用图2-1的方框图表示。

图2-1 电位器方框图

其中输入X(s)就是(s)，输出C(s)就是U(s)，G(s)就是K0。

用一对相同的电位器组成误差检测器时，其输出电压为

u(t)u1(t)u2(t)K0[1(t)2(t)]K0(t)

式中K0是单个电位器的传递系数；(t)1(t)2(t)是两个电位器电刷角位移之差。称为误差角。因此，误差角为输入时，误差检测器的传递函数与单个电位器传递函数相同，即为

G(s)U(s)K0 (s)2.2．2 电压比较放大器

电压比较放大器实际上是比较元件和一部分放大元件的组合，其职能是把测量元件检测到的被控量实际值与给定元件给出的参据量进行比较，求出它们之间的偏差，并经过电压型集成运算放大器的放大作用，将偏差信号放大。具体说来就是：

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UctKct(U*U)

其中KctR1R0，又因U*Ue（偏差），所以上式可以写成UctKcte，对该式两边同时进行拉氏变换，可得电压比较运算放大器的传递函数为

G(s)Uct(s)Kct E(s)从式子可以知道电压比较放大器的传递函数也是一个常值。电压比较放大器可以用图2-2所示的方框图表示

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

图2-2 电压比较器方框图

其中G(s)Kct。

2.2.3 可逆功率放大器

本设计用到的功率放大器由晶闸管或大功率晶体管组成功放电路，由它输出一个足以驱动电动机SM的电压和电流。分析可知，对该环节做近似处理，可得

UdKdUct

对式子两边同时做拉氏变换，得可逆功率放大器的传递函数为

G(s)Ud(s)Kd Uct(s)用图2-3所示的方框图表示。

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

图2-3 可逆功率放大器方框图

其中G(s)Kd。

2.2.4 执行机构

直流伺服电动机在控制系统中广泛用作执行机构，用来对被控对象的机械运动实现快速控制，通过简化处理后的直流伺服电动机的微分方程为

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Tmdm(t)m(t)K1ud(t)K2M(t)dt式中M(t)可视为负载扰动转矩。根据线性系统的叠加原理，可分别求ud(t)到m(t)和M(t)到m(t)的传递函数，以便研究在ud(t)和M(t)分别作用下电动机转速m(t)的性能，将他们叠加后，便是电动机转速的响应特性。所以在不考虑负载扰动转矩的条件下，即M(t)0'时和在零初始条件下，即m(0)m(0)0时，对上式各项求拉氏变换，并令m(s)L[m(t)]，Ud(s)L[ud(t)]，则得s的代数方程为

(Tms1)m(s)K1Ud(s)

由传递函数的定义，于是有

G(s)m(s)K1 Ud(s)Tms1G(s)便是电枢电压ud(t)到m(t)的传递函数，Tm是系统的机电常数。

这可以用图2-4所示的方框图来表示

图2-4 直流伺服电动机方框图

其中G(s)K1。Tms12.2.5减速器

设减速器的速比为i，减速器的输入转速为n，而输出转速为n'，则减速器的传递函数为

G(s)N'(s)Kg N(s)其中Kg1/i。

2.3系统的原理结构图

在不考虑干扰力矩的条件下，并适当的变换，就会得到雷达天线伺服控制控制系统的结构图，如图3-2所示

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图3-2 雷达天线伺服控制系统结构图

*其中R(s)就是m(s)，C(s)就是m(s)，Kg1/i。

将方框图进行化简处理，可得系统的开环传递函数

G(s)C(s)m(s)K *R(s)m(s)s(Tms1)其中KK0KctKdK1Kg。简化后的系统方框图如图3-3所示

图3-3 系统简化方框图

从实际考虑，我们知道雷达天线伺服控制系统的性能应该是响应速度尽可能快，即调节时间尽可能小，超调量尽可能小。

3.系统传递函数

本系统的设计要求是系统通过校正设计后的单位阶跃响应无超调，且调节时间ts0.5s。因系统的开环传递函数为

G(s)K

s(Tms1)其中K为开环增益，Tm为直流伺服电动机的时间常数。选取Tm0.1s的直流伺服电动机作为执行机构。由开环传递函数求得系统的闭环传递函数

(s)K/TmG(s)1G(s)s21sKTmTm由上式可以得到闭环特征方程为

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s21Ks0 TmTm这是一个二阶系统，在没有校正设计前，取系统的阻尼比为0.5，代入Tm0.1，由二阶系统的标准形式有

2n110 Tmn2K10K Tm计算得到n10rad/s。系统的开环增益为

K10(rad/s)2

系统的开环传递函数为

G(s)K10 s(Tms1)s(0.1s1)这可以用系统的参数方框图表示，如图3-4所示

图3-4 系统参数方框图 系统性能分析

4.1系统稳态性能分析

可以看出1，是一型系统。静态位置误差系数

KplimG(s)H(s)

s0得到系统在阶跃输入作用下的稳态误差

ess4.2系统动态性能分析

110

1limG(s)H(s)1Kps0对本系统而言，在没有校正设计时，0.5，可知系统是欠阻尼二阶系统。动态分析

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具体而言就是确定系统的动态性能指标。因cos，于是求得阻尼角为

arccosarccos0.5/3

而阻尼振荡频率为

dn128.66(rad/s)

对欠阻尼二阶系统各性能指标进行近似计算，可得

1、延迟时间td：

td10.710.70.50.135

10n2、上升时间tr：

tr/30.24(s)d8.663、调节时间ts：

ts3.53.50.7(s)

0.510n4、超调量%：

%e/12100%16.3%

由这些计算出的动态性能指标可以知道，系统并没有达到设计要求，超调量%16.3%0，调节时间ts0.70.5。系统此时的单位阶跃响应曲线如图4-1所示

图4-1 系统校正前单位阶跃响应曲线

从对系统的动态分析和图4-1可以看出，如果该系统没有校正设计，则达不到设计要求，所以为了满足设计要求，必须进行校正设计。

自 动 控 制 原 理 课 程 设 计 校正设计

所谓校正，就是在系统中加入一些其参数可以根据需要而改变的机构或装置，使系统整个特性发生变化，从而满足给定的各项性能指标。目前，在工程实践中常用的有三种校正方法，分别是串联校正、反馈校正和复合校正。

本系统的校正设计采用反馈校正。反馈校正是目前广泛应用的一种校正方式，反馈校正的基本原理是：用反馈校正装置包围待校正系统中对动态性能改善有重大妨碍作用的某些环节，形成一个局部反馈回路（内回路），在局部反馈回路的开环幅值远大于1的条件下，局部反馈回路的特性主要取决于反馈校正装置，而与被包围部分无关；适当选择校正装置的形式和参数，可以使系统的性能满足给定指标的要求。

本系统采用直流测速发电机作为校正装置，即采用测速反馈控制来实现校正。直流测速发电机的传递函数为

G(s)U(s)Kt (s)或

G(s)U(s)Kts (s)将该校正环节加到原系统中，可以得到校正后的系统方框图，如图5-1所示

图5-1 校正后雷达天线伺服控制系统方框图

画简后得到图5-2

图5-2 校正后系统方框图

由图5-2得到校正后的开环传递函数

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G(s)K10 s(Tms1KKt)s(0.1s110Kt)进一步得到校正后的系统的闭环特征方程

s2(10100Kt)s1000

其中Kt为与测速发电机输出斜率有关的测速反馈系数，校正设计的主要目的就是确定反馈系数，以达到整个系统的设计要求。

前面已经提到系统的设计要求是通过校正设计后系统的单位阶跃响应无超调，且调节时间ts0.5s。我们知道对于二阶系统要想无超调量，则校正后阻尼比t1。而且本系统要求尽可能快的响应，所以取阻尼比t1。进而有2tn10100Kt，n2100，于是可以计算出

Kt0.1

由于

2s22nn(s1/T1)(s1/T2)

当阻尼比为1时，T1T2，所以得

2T1T21/n0.1(s)

根据过阻尼二阶系统动态性能指标的近似计算，可得校正后系统的动态性能指标为

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)

调节时间ts0.4750.5，无超调量，达到了设计要求。

自 动 控 制 原 理 课 程 设 计 结

论

本设计是雷达天线伺服控制系统的设计，伺服控制系统最初用于船舶的自动驾驶、火炮控制和指挥仪中，后来逐渐推广到很多领域，特别是雷达天线伺服控制系统。主要讨论的是雷达天线的跟踪问题。虽然系统达到了设计要求，但这只是理论上的设计，好多环节都采用了理想化的处理，与实际条件还有一定的区别。要是进行物理设计，还有很多方面的问题需要注意和解决。从本质上说就的一个位置随动系统。在设计中，通过对系统工作原理的分析，进行了方案和主要元部件的选择。对系统的开环增益和静态误差进行了计算，对系统进行了动态分析，了解了系统在没有进行校正设计时的动态性能，最后进行了校正设计并再次进行动态分析，使系统最终达到了在单位阶跃信号作用下，响应无超调，调节时间ts0.5s的设计要求。

自 动 控 制 原 理 课 程 设 计 体

会

通过本次的课程设计也使我们学到了很多知识，不仅使我们对自动控制原理的了解和理解更加深刻了，而且也让我们学会了分析问题、解决问题的方法，我了解了雷达天线伺服控制系统的工作原理，并进一步学习了控制系统的数学模型，系统的时域分析法，系统的校正等方面的知识。让我们学会了分析问题、解决问题的方法巩固了所学的知识，学会了如何利用图书馆的资源。学会了团队合作的精神以及刻苦钻研的精神，学会一些在课本中根本没有提及到的东西。加强了理论知识与实践统一的能力，加强了自己的动手操作能力。同时，也让我接触了很多书本之外的知识，大大地丰富了我们的见闻，拓宽了我们的视野。由于，自动控制原理适用于很多领域、应用于各行各业，在做本次设计的同时，也让我们接触、学习了许多其他专业领域的知识，丰富了我们的知识储备。但由于本人的所学和水平有限，难免出现一些问题和错误，还望老师予以批评指正。

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参考文献

[1] 胡寿松.自动控制原理[M].第4版.北京：科学出版社，2001.[2] 姚樵耕、俞文根.电气自动控制[M].第1版.北京：机械工业出版社，2005.[3] 梅晓榕、兰朴森.自动控制元件及线路[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1993.[4] 陈夕松、汪木兰.过程控制系统[M].北京：科学出版社，2005.[5] 孟浩、王芳.自动控制原理（第四版）全程辅导[M].大连：辽宁师范大学出版社，2004.

第三篇：交叉振子平面反射阵列天线的分析

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交叉振子平面反射阵列天线的分析

作者：李亚峰 谢拥军 杨 锐 龚云峰

来源：《现代电子技术》2009年第13期

摘要：分析交叉振子平面反射阵列天线的移相特性和传输特性，针对FFS地板和交叉振子构成双层结构的阵列天线·采用整体建模并利用Floquent方法数值分析了其移相与传输特性。结果表明，相比单层结构分析方法，该实验结果更加准确，有助于反射阵列天线的精确设计。关键词：反射阵列；交叉振子；Floquent模；反射相移

第四篇：天线测试方法介绍

天线测试方法介绍

天线测试方法介绍

对天线与某个应用进行匹配需要进行精确的天线测量。天线工程师需要判断天线将如何工作，以便确定天线是否适合特定的应用。这意味着要采用天线方向图测量(APM)和硬件环内仿真(HiL)测量技术，在过去5年中，国防部门对这些技术的兴趣已经越来越浓厚。虽然有许多不同的方法来开展这些测量，但没有一种能适应各种场合的理想方法。例如，500MHz以下的低频天线通常是使用锥形微波暗室(Anechoic Chamber)，这是20世纪60年代就出现的技术。遗憾的是，大多数现代天线测试工程师不熟悉这种非常经济的技术，也不完全理解该技术的局限性(特别是在高于1GHz的时候)。因此，他们无法发挥这种技术的最大效用。随着对频率低至100MHz的天线测量的兴趣与日俱增，天线测试工程师理解各种天线测试方法(如锥形微波暗室)的优势和局限的重要性就愈加突出。在测试天线时，天线测试工程师通常需测量许多参数，如辐射方向图、增益、阻抗或极化特性。用于测试天线方向图的技术之一是远场测试，使用这种技术时待测天线(AUT)安装在发射天线的远场范围内。其它技术包括近场和反射面测试。选用哪种天线测试场取决于待测的天线。

为更好地理解选择过程，可以考虑这种情况：典型的天线测量系统可以被分成两个独立的部分，即发射站和接收站。发射站由微波发射源、可选放大器、发射天线和连接接收站的通信链路组成。接收站由AUT、参考天线、接收机、本振(LO)信号源、射频下变频器、定位器、系统软件和计算机组成。

在传统的远场天线测试场中，发射和接收天线分别位于对方的远场处，两者通常隔得足够远以模拟想要的工作环境。AUT被距离足够远的源天线所照射，以便在AUT的电气孔径上产生接近平面的波阵面。远场测量可以在室内或室外测试场进行。室内测量通常是在微波暗室中进行。这种暗室有矩形的，也有锥形的，专门设计用来减少来自墙体、地板和天花板的反射(图1)。在矩形微波暗室中，采用一种墙面吸波材料来减少反射。在锥形微波暗室中，锥体形状被用来产生照射。

图1：这些是典型的室内直射式测量系统，图中分别为锥形(左)和矩形(右)测试场。

近场和反射测量也可以在室内测试场进行，而且通常是近场或紧缩测试场。在紧缩测试场中，反射面会产生一个平面波，用于模拟远场行为。这使得可以在长度比远场距离短的测试场中对天线进行测量。在近场测试场中，AUT被放置在近场，接近天线的表面上的场被测量。随后测量数据经过数学转换，即可获得远场行为(图2)。图3显示了在紧缩测试场中由静区上的反射面产生的平面波。

图2：在紧缩测试场，平坦波形是由反射测量产生。

一般来说，10个波长以下的天线(中小型天线)最容易在远场测试场中测量，这是因为在可管理距离内往往可以轻松满足远场条件。对大型天线(Electrically Large Antenna)、反射面和阵列(超过10个波长)来说，远场通常在许多波长以外。因此，近场或紧缩测试场可以提供更加可行的测量选项，而不管反射面和测量系统的成本是否上升。

假设天线测试工程师想要在低频下进行测量。国防部门对此尤感其兴趣，因为他们需要研究诸如在低频下使用天线等事项，以便更好地穿透探地雷达(GPR)系统中的结构(针对工作在400MHz范围的射频识别(RFID)标签)，以及支持更高效的无线电设备(如软件定义无线电(SDR))和数字遥感无线电设备。在这种情况下，微波暗室可以为室内远场测量提供足够好的环境。

矩形和锥形是两种常见的微波暗室类型，即所谓的直接照射方法。每种暗室都有不同的物理尺寸，因此会有不同的电磁行为。矩形微波暗室处于一种真正的自动空间状态，而锥形暗室利用反射形成类似自由空间的行为。由于使用了反射的射线，因此最终形成的是准自由而非真正自由的空间。

众所周知，矩形暗室比较容易制造，在低频情况下的物理尺寸非常大，而且随着频率的提高工作性能会更好。相反，锥形暗室制造起来较复杂，也更长一些，但宽度和高度比矩阵暗室要小。随着频率的提高(如2GHz以上)，对锥形暗室的操作必须十分小心才能确保达到足够高的性能。

通过研究每种暗室中使用的吸波措施可以更清楚地认识矩形和锥形暗室之间的区别。在矩形暗室中，关键是要减小被称为静区(QZ)的暗室区域中的反射能量。静区电平是进入静区的反射射线与从源天线到静区的直接射线之差，单位是DB。对于给定的静区电平，这意味着后墙要求的正常反射率需等于或大于要达到的静区电平。

由于矩形暗室中的反射是一种斜入射，这会使吸波材料的效率打折扣，因此侧墙非常关键。但是，由于存在源天线的增益，只有较少的能量照射到侧墙(地板和天花板)，因此增益差加上斜入射反射率必须大于或等于静区反射率水平。

通常只有源和静区之间存在镜面反射的侧墙区域需要昂贵的侧墙吸波材料。在其它的例子中(例如在位于源后面的发射端墙处)，可以使用更短的吸波材料。在静区周围一般使用楔形吸波材料，这样有助于减少任何后向散射，并防止对测量造成负面影响。

锥形暗室中采用什么吸波措施呢?开发这种暗室的最初目的是为了规避矩形暗室在频率低于500MHz时的局限性。在这些低频频段，矩形暗室不得不使用低效率天线，而且必须增加侧墙吸波材料的厚度来减少反射并提高性能。同样，必须增加暗室尺寸以适应更大的吸波材料。采用较小的天线不是解决之道，因为更低的增益意味着侧墙吸波材料仍必须增大尺寸。

锥形暗室没有消除镜面反射。锥体形状使镜面区域更接近馈源(源天线的孔径)，因此镜面反射成为照射的一部分。镜面区域可以用来通过形成一组并行射线入射进静区，从而产生照射。如图3所示，最终的静区幅度和相位锥度接近自由空间中的期望值。

图3：在紧缩测试场中由静区上的反射面产生的平面波。

使用阵列理论可以更清楚地解释锥形暗室的照射机制。考虑馈源由真实的源天线和一组映像组成。如果映像远离源(在电气上)，那么阵列因子是不规则的(例如有许多纹波)。如果映像比较靠近源，那么阵列因子是一个等方性图案。对位于(远场中的)AUT处的观察者来说，他看到的源是源天线加上阵列因子后的图案。换句话说，阵列将看起来像是自由空间中的独立天线。

在锥形暗室中，源天线非常关键，特别是在较高频率时(如2GHz以上)，此时暗室行为对细小的变化更加敏感(图4)。整个锥体的角度和处理也很重要。角度必须保持恒定，因为锥体部分角度的任何变化将引起照射误差。因此测量时保持连续的角度是实现良好锥形性能的关键。

图4：在典型的锥形暗室中，吸波材料的布局看起来很简单，但离源天线较近的区域(锥形暗区域)非常重要。

与矩形暗室一样，锥形暗室中的接收端墙体吸波材料的反射率必须大于或等于所要求的静区电平。侧墙吸波材料没有那么重要，因为从暗室立方体部分的侧墙处反射的任何射线会被后墙进一步吸收(后墙处有性能最好的吸波材料)。作为一般的“经验之谈”，立方体上的吸波材料的反射率是后墙吸波材料的一半。为减少潜在的散射，吸波材料可以呈45度角或菱形放置，当然也可以使用楔形材料。

表中提供了典型锥形微波暗室的特性，可以用来与典型的矩形暗室作比较。较少量的锥形吸波材料意味着更小的暗室，因此成本更低。这两种暗室提供基本相同的性能。不过需要注意的是，矩形暗室要想达到与锥形暗室相同的性能，必须做得更大，采用更长的吸波材料和数量更多的吸波材料。

图5：一个用于天线测试的200MHz至40GHz小型锥形暗室。

虽然从前面的讨论中可以清楚地知道，在低频时锥形暗室可以比矩形暗室提供更多的优势，但测量数据表明锥形暗室具有真正的可用性。图5 是一个200MHz至40GHz的小型锥形暗室，外形尺寸为12×12×36英尺，静区大小为1.2米。这里采用了一个双脊宽带喇叭天线照射较低频率的静区。然后利用安捷伦(Agilent)公司的N9030A PXA频谱分析仪以一个对数周期天线测量静区。在200MHz点测得的反射率大于30Db(如图6所示)。图7 和 图8分别显示了馈源顶部的源天线和静区中的扫描天线。

图6：从图中可以看出，在200MHz点测得的反射率大于30dB。

图7：图中测试采用双脊喇叭作为源。

有许多像APM和HiL那样的不同方法可进行天线测量。测量技巧在于选择正确的天线测试场，具体取决于待测的天线。对于中型天线(10个波长大小)，推荐使用远场测试场。另一方面，锥形暗室可以为低于500MHz的频率提供更好的解决方案。它们也可以用于2GHz以上的频率，但操作时需要备加小心才能确保获得足够好的性能。通过了解锥形微波暗室的正确使用，今天的天线测试工程师可以使用非常有用的工具开展100MHz至300MHz以及UHF范围的天线测量。

图8：图中测试采用一个对数周期天线来扫描QZ以测量反射率。

第五篇：自动控制原理课程设计-雷达天线伺服控制系统

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雷达位置伺服系统校正

班级： 0xx班 学号： xx

姓名： xx 指导老师： x老师

—2011.12

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雷达位置伺服系统校正

一、雷达天线伺服控制系统

(一)概 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——雷达天线伺服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1-1所示。

图1-1 雷达天线伺服控制系统原理图

(二)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、执行机构。以上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。

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现在对系统的组成进行分析：

1、受控对象：雷达天线；

2、被测量：角位置m；

*

3、给定值：指令转角m；

4、传感器：由电位器测量m,并转化为U；

5、控制器：放大器，比例控制；

6、执行器：直流电动机及减速箱。

（三）工作原理

现在来分析该系统的工作原理。由图1-1可以看出，当输入一个指定角m经过指令信号电位计，将角位移转换为电位计的电压输出，电压经过计算机系统输出到运放的输入端，在经过电压放大器输出到电动机的两端。驱动雷达天线转动，当转动到指定位置m*，停止。

*m0，则反馈信号为0，不需要调整。如果mm如果m0。则经过反馈电位计将角位移信号转换为反馈电压输出，进行调整，只要输入与输出之间存在角度的差值，则就会有反馈电压信号的输出，直至输出的位置信号等于m*=m。

*同理可得：如果给定角m减小，则系统运动方向将和上述情况相反。

二、雷达天线伺服控制系统主要元部件

（一）位置检测器

位置检测器作为测量元件，由指令信号电位计和反馈电位计组成位置（角度）检测器，两个电位器均由同一个直流电源US供电，这样可将位置直接转换成电量输出。

在控制系统中,单个电位器用作为信号变换装置，其输出与输入的函数关系为：

u(t)K0(t)

式中K0Emax，是电刷单位角位移对应的输出电压，称为电位器传递系数，其中E是电 2

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位器电源电压，max是电位器最大工作角。对上式求拉氏变换，并令U(s)L[u(t)]，(s)L[(t)]，可求得电位器传递函数为：

U(s)K0

G(s)(s)可以看出电位器的传递函数是一个常值，它取决于电源电压E和电位器最大工作角度max。电位器可用图2-1的方框图表示。

图2-1 电位器方框图

其中输入X(s)就是(s)，输出C(s)就是U(s)，G(s)就是K0。我们认为反馈电位计的传递函数与指令信号电位计的相同

在使用电位器时要注意负载效应。所谓负载效应就是指在电位器输出端接有负载时所产生的影响。当电位器接负载时，一般负载阻抗比较大，所以可以将电位器视为线性元件，其输出电压与电刷角位移之间成线性关系。

（二）电压比较放大器

电压比较放大器由1A、2A组成，其中放大器1A仅仅起倒相的作用，2A则起电压比较和放大作用，其输出信号作为下一级功率放大器的控制信号，并具备鉴别电压极性（正反相位）的能力。

电压比较放大器实际上是比较元件和一部分放大元件的组合，其职能是把测量元件检测到的被控量实际值与给定元件给出的参据量进行比较，求出它们之间的偏差，并经过电压型集成运算放大器的放大作用，将偏差信号放大。具体说来就是：

UctKct(UU)*

其中KctR1R0，又因U*Ue（偏差），所以上式可以写成UctKcte，对该式两边同时进行拉氏变换，可得电压比较运算放大器的传递函数为

G(s)Uct(s)E(s)Kct

从式子可以知道电压比较放大器的传递函数也是一个常值。电压比较放大器可以用图2-2

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所示的方框图表示：

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

图2-2 电压比较器方框图

其中G(s)Kct。

（三）执行机构

执行机构即执行元件，它的职能是直接推动被控对象，使其被控量发生变化。一般用来作为执行元件的有控制阀、电动机、液压马达等。虽然随着科技的发展，近些年来，交流电动机在控制系统特别是调速系统中应用越来越广，使直流电动机的地位受到了严重的挑战。但目前直流电动机在控制系统中仍占主要地位。对于调速范围不大，动态响应要求不高的系统，可以使用普通直流电动机。对于调速范围大，动态响应要求快的系统，特别是伺服系统（随动系统），则应采用直流伺服电动机。

直流伺服电动机是专门为控制系统特别是伺服系统设计和制造的一种电机。它的转子的机械运动受输入电信号控制作快速反应。直流伺服电动机的工作原理、结构和基本特征与普通直流电动机没有原则区别，但为了满足控制系统的要求，在结构和性能上做了一些改进，具有如下特点：

1、采用细长的电枢以便降低转动惯量，其惯量大约是普通直流电动机的1/31/2。

2、具有优良的换向性能，在大的峰值电流冲击下仍能保持良好的换向条件。

3、机械强度高，能够承受住巨大的加速度造成的冲击力作用。

4、电刷一般都安排在几何中性面上，以确保正、反转特性对称。

本系统就是采用直流伺服电动机SM作为带动负载运动的执行机构，系统中的雷达天线即为负载，电动机到负载之间通过减速器匹配。

直流伺服电动机在控制系统中广泛用作执行机构，用来对被控对象的机械运动实现快速控制，通过简化处理后的直流伺服电动机的微分方程为

Tmdm(t)dtm(t)K1ud(t)K2M(t)

式中M(t)可视为负载扰动转矩。根据线性系统的叠加原理，可分别求ud(t)到m(t)和M(t)到m(t)的传递函数，以便研究在ud(t)和M(t)分别作用下电动机转速m(t)的性能，将他们叠加后，便是电动机转速的响应特性。所以在不考虑负载扰动转矩的条件下，即M(t)0

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'时和在零初始条件下，即m(0)m(0)0时，对上式各项求拉氏变换，并令m(s)L[m(t)]，Ud(s)L[ud(t)]，则得s的代数方程为

(Tms1)m(s)K1Ud(s)

由传递函数的定义，于是有

G(s)m(s)Ud(s)K1Tms1

G(s)便是电枢电压ud(t)到m(t)的传递函数，Tm是系统的机电常数。

这可以用图2-4所示的方框图来表示

图2-4 直流伺服电动机方框图

其中G(s)K1Tms1。

设减速器的速比为i，减速器的输入转速为n，而输出转速为n'，则减速器的传递函数为

G(s)N'(s)N(s)Kg

其中Kg1/i。

三、系统的开环增益的选择和系统的静态计算

系统的原理框图可简化成如图3-1所示

图3-1 雷达天线伺服控制系统原理框图

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*给定角m经电位器变成给定信号U*，被控量经电位器变成反馈信号U，给定信号与反馈信号产生偏差信号e；偏差信号经放大器（电压比较放大器）得到Ud，Ud通过执行

*机构（直流伺服电动机）作用到雷达天线上，减小偏差，最终实现mm。这就是控制的整个过程。，在不考虑干扰力矩的条件下，并适当的变换，就会得到雷达天线伺服控制控制系统的结构图，如图3-2所示：

图3-2 雷达天线伺服控制系统结构图

*(s)，C(s)就是m(s)，Kg1/i。其中R(s)就是m将方框图进行化简处理，可得系统的开环传递函数：

G(s)C(s)R(s)m(s)(s)*mKs(Tms1)

其中KK0KctKdK1Kg。简化后的系统方框图如图3-3所示：

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

图3-3 系统简化方框图

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因系统的开环传递函数为：

（s）=2K2S(10Tm5K)(10K)S

其中K为开环增益，Tm为直流伺服电动机的时间常数。选取Tm0.1s的直流伺服电动机作为执行机

这是一个二阶系统，在没有校正设计前，取系统的阻尼比为0.5，代入Tm0.1，由二阶系统的标准形式有：

（s）=2K/(10Tm5K)S(10K)/(10Tm5K)S2

2Wn(10K)/(10Tm5K)Wn2K/(10Tm5K)2计算得到：K=4.4 系统的开环传递函数为：

（s）=0.38S0.63S2

这可以用系统的参数方框图表示，如图3-4所示：

R(s)0.38（）s=2S0.63SC(s)B(s)

图3-4 系统参数方框图

可以看出1，是一型系统。静态位置误差系数

KplimG(s)H(s)s0

得到系统在阶跃输入作用下的稳态误差

ess11limG(s)H(s)s011Kp0

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四 系统的动态分析

（一）时域分析

在第三章选择了系统的开环增益，并进行了静态计算，知道了系统的稳态误差为0，现在对系统进行动态分析。在典型输入信号作用下，任何一个控制系统的时间响应都由动态过程和稳态过程两部分组成，动态分析就是对动态过程的分析。动态过程又称过渡过程或瞬态过程，指系统在典型输入信号作用下，系统输出量从初始状态到最终状态的响应过程。由于实际控制系统具有惯性、摩擦以及其它一些原因，系统输出量不可能完全复现输入量的变化。动态过程除提供系统稳定性的信息外，还可以提供响应速度及阻尼情况等信息，这些信息用动态性能描述。

对本系统而言，在没有校正设计时，0.5，可知系统是欠阻尼二阶系统。动态分析具体而言就是确定系统的动态性能指标。因cos，于是求得阻尼角为

arccosarccos0.5/3

而阻尼振荡频率为

dn120.54(rad/s)

对欠阻尼二阶系统各性能指标进行近似计算，可得

1、延迟时间td：

td10.76.45

n2、上升时间tr：

trd3.90(s)

3、调节时间ts：

ts3.511.30(s)

n4、超调量%：

%e/12100%16.3%

由这些计算出的动态性能指标可以知道，系统并没有达到设计要求，超调量

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%16.3%0，调节时间ts0.70.5。系统此时的单位阶跃响应曲线如图4-1所示

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

图4-1 系统校正前单位阶跃响应曲线

从对系统的动态分析和图4-1可以看出，如果该系统没有校正设计，则达不到设计要求，所以为了满足设计要求，必须进行校正设计

（二）频域分析 波特图如下：

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 校正设计

所谓校正，就是在系统中加入一些其参数可以根据需要而改变的机构或装置，使系统整个特性发生变化，从而满足给定的各项性能指标。目前，在工程实践中常用的有三种校

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正方法，分别是串联校正、反馈校正和复合校正。

本系统的校正设计采用反馈校正。反馈校正是目前广泛应用的一种校正方式，反馈校正的基本原理是：用反馈校正装置包围待校正系统中对动态性能改善有重大妨碍作用的某些环节，形成一个局部反馈回路（内回路），在局部反馈回路的开环幅值远大于1的条件下，局部反馈回路的特性主要取决于反馈校正装置，而与被包围部分无关；适当选择校正装置的形式和参数，可以使系统的性能满足给定指标的要求。

本系统采用直流测速发电机作为校正装置，即采用测速反馈控制来实现校正。直流测速发电机的传递函数为

G(s)U(s)(s)Kt

或

G(s)U(s)Kts

(s)将该校正环节加到原系统中，可以得到校正后的系统方框图，如图5-1所示

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

图5-1 校正后雷达天线伺服控制系统方框图

画简后得到图5-2

图5-2 校正后系统方框图

由图5-2得到校正后的开环传递函数

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

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由于题目要求Kv5 即：44K1/5(22K1)5

K1是在主前向通路上的开环放大倍数，为了方便我们假设其值为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

从实际考虑，我们知道雷达天线伺服控制系统的性能应该是响应速度尽可能快，即调节时间尽可能小，超调量尽可能小。

本系统的设计要求是系统通过校正设计后的单位阶跃响应无超调。校正后系统的动态性能指标为：

td10.6t0.2t2n0.85

tr11.5tt2n2.07

其单位阶跃响应为：

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

均满足题目要求： 波特图：

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、校正结论

本设计是雷达天线伺服控制系统的设计，伺服控制系统最初用于船舶的自动驾驶、火炮控制和指挥仪中，后来逐渐推广到很多领域，特别是雷达天线伺服控制系统。主要讨论的是雷达天线的跟踪问题。虽然系统达到了设计要求，但这只是理论上的设计，好多环节都采用了理想化的处理，与实际条件还有一定的区别。要是进行物理设计，还有很多方面的问题需要注意和解决。从本质上说就的一个位置随动系统。在设计中，通过对系统工作原理的分析，进行了方案和主要元部件的选择。对系统的开环增益和静态误差进行了计算，自 动 控 制 原 理 课 程 设 计

对系统进行了动态分析，了解了系统在没有进行校正设计时的动态性能，最后进行了校正设计并再次进行动态分析，使系统最终达到了在单位阶跃信号作用下，响应无超调，调节时间ts0.5s的设计要求。

七、设计体会

我们组进过了两次大的讨论，第一次是我们确定了该系统要达到的目标。在两个反馈的作用上产生了一定的分歧，在第二个反馈的作用上我一直不是很理解，知道我们求出传递函数，才明白，在本次讨论中我们分组分工，我组要是负责matlab部分，其实之前对matlab不是很熟悉，在查阅相关资料，以及自动控制原理书本上的实例进行对比参考能够基本完成系统校正的实现，在之前的调试过程中，我们进行了多次的计算和参数的选取。第二次讨论我们是对各部分的综合，能够完整的了解该系统以及校正后的系统实现的功能。通过本次的课程设计也使我学到了很多知识，在课程学习中我第五章和第六章学的不是很好，这次设计师一次完整的复习，在课程设计中也让我学会了分析问题、解决问题的方法，一步学习了控制系统的数学模型，系统的时域分析法，系统的校正等方面的知识。学会了团队合作的精神以及刻苦钻研的精神，学会一些在课本中根本没有提及到的东西。加强了理论知识与实践统一的能力，加强了自己的动手操作能力。同时，自动控制原理适用于很多领域、应用于各行各业，在做本次设计的同时，也让我接触、学习了许多其他专业领域的知识，丰富了自己的知识储备。当然在此过程中很多不懂得地方都有同学们的帮组，最终能够了解其功能，实现校正。

参考文献

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