第３２卷第３期 ２０１１年９月 制 导 与 引 信 ＧＵＩＤＡＮＣＥ＆ＦＵＺＥ Ｖ０１．３２ Ｎｏ．３ Ｓｅｐ．２０１１
文章编号：１６７１—０５７６（２０１１）０３～０００５—０４
０ 导引头伺服系统预定回路Ａｎｔｉ—Ｗｉｎｄｕｐ设计
张 艳 ， 刘 扬 ， 陈峻山 ， 陆涓涓
（１．海军驻上海地区航天系统军事代表室，上海２０１１０９；
２．上海无线电设备研究所，上海２０００９０）
摘 要：以雷达导引头伺服系统预定回路为研究对象，建立了回路的数学模型。针对由
饱和非线性引起的Ｗｉｎｄｕｐ问题，提出两种Ａｎｔｉ—Ｗｉｎｄｕｐ设计方法，并通过数字控制器实现。
实验结果表明，两种设计方法能有效解决回路Ｗｉｎｄｕｐ问题，提高回路性能。
关键词：雷达导引头；伺服系统；预定回路；控制器
中图分类号：ＴＪ７６５．３３１ 文献标识码：Ａ
Ａｎｔｉ＿＿Ｗｉｎｄｕｐ Ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ Ｐｒｅｓｃａｌｅ Ｌｏｏｐ ｏｆ
Ｒａｄａｒ Ｓｅｅｋｅｒ Ｓｅｒｖｏ Ｓｙｓｔｅｍ
ＺＨＡＮＧ Ｙａｈ ，ＬＩＵ Ｙａｎｇ ，ＣＨＥＮ Ｊｕｎ—ｓｈａｎ 。ＬＵＪｕａｎ－ｊｕａｎ
（１．Ｔｈｅ Ｎａｖｙ ｏｆ Ｍｉｌｉｔａｒｙ Ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｖｅ Ｏｆｆｉｃｅ ｉｎ ＳＡＳＴ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０ １ １０９；
２．Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｒａｄｉｏ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００９０，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｐｒｅｓｃａｌｅ ｌｏｏｐ ｏｆ ｒａｄａｒ ｓｅｅｋｅｒ ｓｅｒｖｏ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｓｔｕｄｉｅｄ ａｎｄ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｔｈｅ
ｍａｔｈｓ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｌｏｏｐ．Ｔｏ ｒｅｓｄｌｖｅ ｔｈｅ Ｗｉｎｄｕｐ ｐｒｏｂｌｅｍ ｉｎ ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｌｏｏｐ，ｔｗｏ ａｎｔｉ—
Ｗｉｎｄｕｐ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ａｎｄ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｂｙ ｄｉｇｉｔａｌ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｔｅｓｔ
ｐｒｏｖｅ ｔｈａｔ ｔｈｅｓｅ ｔｗｏ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｒｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｔｏ ｒｅｓｏｌｖｅ ｔｈｅ Ｗｉｎｄｕｐ ｐｒｏｂｌｅｍ ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅ ｌｏｏｐ’
Ｓ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｒａｄａｒ ｓｅｅｋｅｒ；ｓｅｒｖｏ ｓｙｓｔｅｍ；ｐｒｅｓｃａｌｅ ｌｏｏｐ；ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ
引言
伺服系统是雷达导引头的重要组成部分，根
据导引头信号处理机提供的指令完成预定天线指
向、隔离弹体扰动、跟踪Ｅｌ标和形成指令信号等功
牧一日期ｔ２０１１—０６—１５ 作爿Ｉ｜ 介ｔ张艳（１９７９～），男，工程师，主要从事导引头与 引信技术的研究。 能口 。预定回路完成天线指向预定功能，按照发
射前提供的预定角信号或视向预定角信号，将导
引头天线预先对准目标或前置一个角度，系统对
其稳态精度、过渡过程的要求都很严格 ］。
作为一个典型的位置控制系统，预定回路可
以按照经典控制理论的频域方法设计控制器，但
由于实际系统中存在的多种非线性特性，必将影
响线性控制器的性能。其中，最为显著的是饱和
非线性会引起的控制器Ｗｉ
ｎｄｕｐ（积分饱和）问 ６ 制 导 与 引 信 第３２卷
题，需要设计Ａｎｔｉ—Ｗｉｎｄｕｐ（抗积分饱和）控制器 进行补偿Ｌ２］。
本文以某雷达导引头伺服系统的预定回路为
研究对象，针对由饱和非线性引起的Ｗｉｎｄｕｐ问
题，设计两种Ａｎｔｉ—Ｗｉｎｄｕｐ控制器进行补偿；最
后通过数字控制器实现补偿算法，并通过实验测
试验证其控制效果。
１ 回路Ｗｉｎｄｕｐ问题
１．１ 回路模型
为确保系统静态动态性能，预定回路采用双 对电机速度的控制，外环由电位器构成位置反馈，
完成对机构位置的控制，预定回路结构框图如图
１所示。
图中，Ｒ为预定角；Ｅ为角误差；ｎ，为参考角
速度；【，为驱动电压；力为电机角速度；ｒ为天线
指向角；Ｇｍ（ｓ）为电机传递函数；Ｇ。（ｓ）为机构传递
函数；Ｋ为测速机反馈系数；Ｃ （ｓ）为速度环控制 律；Ｃ。（ｓ）为位置环控制律。
回路的控制对象为电机和机构组成的机电驱
动机构，文献［３］对其这类驱动特性的建模进行了
讨论，提出了刚性连接模型和弹性连接模型的两
种建模方法，理论分析和试验测试表明，对于位标
环路结构；内环由测速机构成速度反馈回路，完成 器的驱动特性，弹性连接模型更能准确描述系统
一一一一、ｆ，一一一一 一 ＿１１二竺：厂
Ｉ 二二 Ｉ’
图１预定回路框图
特性。按弹性连接模型建模，得到电机和机构的
传递函数如式（１）、式（２）所示。
，、 ２ ０００（０．０２３ ４ ＋ 一 干 丽一
０．００９ ３６５＋１） ， ０．００９ｓ＋１）（５．７３×１０ Ｓ＋１） …
Ｇｌ 一 掣
按照频域设计方法，设计测速机反馈为
Ｋ—１．５×１０一。
速度环控制律为
Ｃｖ 一
位置环控制律为
Ｃ。（ｓ）一２２．５ （２）
１．２ Ｗｉｎｄｕｐ问题
图１中ｓａｔ（ｓ）表示回路的驱动电压饱和特
性， 和 分别为饱和非线性之前的目标控制电
压和饱和非线性之后的实际输出电压，它们之间 的关系如式（３）所示。
Ｄｃｓ，一｛ｕ２２ ｓｉ ｇｎ［Ｕ（ｓ） ：； ｃ３ Ｉ ］ ｌ Ｕ（ｓ）Ｉ≥２２ 由于回路中包含积分环节，这使得回路会产
生饱和非线性带来的Ｗｉｎｄｕｐ问题。图２为考虑
了加入饱和非线性后的回路模型对不同幅值阶跃
信号的响应。
喇
娥
件＜
时间／ｓ
ａ）５。预定角
时间／ｓ
ｂ）５Ｏ。预定角 图２
含饱和非线性回路模型阶跃响应 第３期 张艳，等：导引头伺服系统预定回路Ａｎｔｉ—Ｗｉｎｄｕｐ设计 ７
从图中可以看出，当系统作小角度位置预定 时，回路工作在线性区，饱和特性对系统没有影
响；当系统作大幅度的位置预定时，饱和非线性造
成回路性能严重下降，超调变大，调节时间变长，
出现Ｗｉｎｄｕｐ问题。回路需要设计Ａｎｔｉ—Ｗｉｎｄｕｐ
控制律对饱和非线性进行补偿。常用的Ａｎｔｉ—
Ｗｉｎｄｕｐ设计有基于饱和控制的Ａｎｔｉ－Ｗｉｎｄｕｐ设
计和基于滤波器的Ａｎｔｉ—Ｗｉｎｄｕｐ设计Ｌ４］。 ／ｍＡ饱和控制后，回路的大信号阶跃响应仿
真结果，如图３所示。
２ Ａｎｔｉ—Ｗｉｎｄｕｐ控制器设计 时间
图３基于饱和控制的Ａｎｔｉ—Ｗｉｎｄｕｐ阶跃响应
２．１基于饱和控制的Ａｎｔｉ－Ｗｉｎｄｕｐ设计
基于饱和控制的Ａｎｔｉ—Ｗｉｎｄｕｐ设计通过对
线性控制施加饱和限制，避免驱动器出现饱和现
象，从而消除Ｗｉｎｄｕｐ现象，文献Ｅｓ］证明了该方
法的稳定性。根据回路的驱动饱和特性选择饱和
限制参数，在位置环控制律Ｃ （ｓ）加入饱和限制，
修正后的位置环控制律如式（４）所示。 从仿真结果中可以看出，采用基于饱和控制
的Ａｎｔｉ—Ｗｉｎｄｕｐ设计后，回路的大信号阶跃响应
超调降低，调节时间减小，回路性能得到改善。
２．２基于滤波器的Ａｎｔｉ－Ｗｉｎｄｕｐ设计
基于滤波器的Ａｎｔｉ－Ｗｉｎｄｕｐ控制方法由基
于内模控制结构的Ａｎｔｉ—Ｗｉｎｄｕｐ方法改进而
㈣一 ２２．５
５ｘ Ｅ（ ㈤耋 的反馈结构的控制系统’其
ｙ－ 一 己一一 一 口
． １ ｎ ｌ一
图４基于滤波器的Ａｎｔｉ—Ｗｉｎｄｕｐ控制
图中，Ｆ（ ）为Ａｎｔｉ—Ｗｉｎｄｕｐ补偿环节，根据
饱和前后控制电压Ｕ和Ｄ的差值，对控制量进行
补偿，减小饱和非线性对回路的影响。
文献Ｅ７］给出了该方法的稳定性分析，文献
Ｅｓ］证明了在饱和非线性存在的条件下，该方法可
以使系统性能达到最优，通过合理地选择Ｆ（ｓ），
可以有效地提高系统性能，并给出了Ｆ（ｓ）的设计
原则。按照文献Ｅ８３给出的设计原则，结合位标器
预定回路模型参数，设计Ａｎｔｉ—Ｗｉｎｄｕｐ补偿环节
如式（５）所示。
ｎ Ｆ（５）一 ‘ ）
Ａｎｔｉ—Ｗｉｎｄｕｐ补偿后，回路的大信号阶跃响
应仿真结果如图５所示。 Ｃ
援
Ｈ＜
时同／ｓ
图５ 基于滤波器的Ａｎｔｉ—Ｗｉｎｄｕｐ阶跃响应
从仿真结果中可以看出，采用基于滤波器的
Ａｎｔｉ—Ｗｉｎｄｕｐ补偿后，回路的大信号阶跃响应超
调为零，调节时间减小，基于滤波器的Ａｎｔｉ—
Ｗｉｎｄｕｐ设计的回路性能优于基于饱和控制的
Ａｎｔｉ—Ｗｉｎｄｕｐ设计。 一．）／
哪 ８ 制 导与 引 信 第３２卷
３控制器实现及回路测试
线性控制律以及Ａｎｔｉ—Ｗｉｎｄｕｐ控制律可以
通过数字控制器方便地实现，数字控制器分为硬
件电路设计和软件算法设计。
３．１硬件电路
控制器硬件电路结构如图６所示。
……………一叠
－ｑＣＡＮｋ－－ 信号处理机
ＤＳＰ ・●—＋ ＦｐＧＡ 什
Ｉ ｌ、
图６控制器硬件电路结构
硬件电路主要由ＤＳＰ电路、ＦＰＧＡ电路、ＡＤ
采样电路、ＣＡＮ通信电路，功放驱动电路组成。
ＤＳＰ电路实现控制算法；ＦＰＧＡ电路完成ＤＳＰ与
外围电路的逻辑接口；ＡＤ电路完成电位器、测速
机信号的采集；ＣＡＮ通信电路实现与信号处理机
间指令和数据的传输；功放驱动电路采用ＰＷＭ 方式实现电机驱动。
３．２软件算法
线性控制律以及Ａｎｔｉ－Ｗｉｎｄｕｐ控制律是在 连续域内设计完成的，采用数字控制器实现需要
进行离散化设计。根据系统带宽和控制实时性要
求确定采样频率为１ ０００ Ｈｚ，按采样周期采用双
线性变换将连续域设计的控制律转化为离散域的
控制算法，最终通过ＤＳＰ的定时中断完成回路的
控制运算。
３．３ 回路测试
按上述设计结果，分别采用线性控制律、线性
控制律结合饱和控制Ａｎｔｉ—Ｗｉｎｄｕｐ、线性控制律
结合滤波器Ａｎｔｉ—Ｗｉｎｄｕｐ对雷达导引头伺服系
统预定回路进行控制，输人５Ｏ。预定信号，回路测 试结果如图７所示。
援 皇ｊ：ｆ Ｈ＜
鲥 趟
Ｈ＜ 时间／ｓ
ａ）５。预定角
时同／ｓ
ｂ）５０。预定角 图７回路测试结果
从测试结果可知，回路小角度位置预定时，回
路主要工作在线性区，线性控制律起主要作用，各
种控制方法控制效果相近，回路指标满足系统要
求；回路大角度位置预定时，驱动电压饱和非线性
对回路产生影响，单独使用线性控制律回路超调
增大，不满足系统要求，加入Ａｎｔｉ—Ｗｉｎｄｕｐ控制
律后超调降低，满足系统要求，基于滤波器的Ａｎ—
ｔｉ—Ｗｉｎｄｕｐ控制律补偿效果优于基于饱和控制
Ａｎｔｉ—Ｗｉｎｄｕｐ控制律。
４结论
对于雷达导引头伺服系统预定回路驱动电压
饱和非线性引起的Ｗｉｎｄｕｐ问题，基于饱和控制
的Ａｎｔｉ—Ｗｉｎｄｕｐ设计和基于滤波器的Ａｎｔｉ—
Ｗｉｎｄｕｐ设计能有效补偿饱和非线性影响，基于
滤波器的Ａｎｔｉ—Ｗｉｎｄｕｐ设计的补偿效果更优。
采用数字控制器设计能方便地实现两种Ａｎｔｉ—
Ｗｉｎｄｕｐ控制律，实验测试表明有效验证了不同
算法的性能。
（下转第１４页）