大口径天线伺服系统的建模及控制算法设计.PDF

华 南 理 工 大 学 学 报 （自然科 学版） 第４１卷 第５期 ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｏｕｔｈＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖｏｌ．４１　Ｎｏ．５ ２０１３年５月 （ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ） Ｍａｙ　２０１３ 文章编号：１０００５６５Ｘ（２０１３）０５００２２０６ 　 大口径天线伺服系统的建模及控制算法设计 张磊　廖鑫江 （华南理工大学 自动化科学与工程学院，广东 广州５１０６４０） 摘　要：在大口径天线伺服系统存在高频未建模动态不确定性和低频风扰动的情况下， 传统的ＰＩＤ控制算法无法满足天线伺服系统的高指向和跟踪精度要求．针对该问题，文中 设计了一种基于灵敏度函数和补灵敏度函数的、兼顾系统性能和稳定性的混合灵敏度 Ｈ＿ｉｎｆｉｎｉｔｙ控制算法，并将其应用于天线伺服系统．仿真结果表明，该算法不仅能显著提高 天线伺服系统的动态性能，而且具有较强的扰动抑制能力和鲁棒性． 关键词：大口径天线；伺服系统；指向精度；Ｈ＿ｉｎｆｉｎｉｔｙ控制；扰动抑制；鲁棒性 中图分类号：ＴＰ２７３　　 ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００５６５Ｘ．２０１３．０５．００４ 　　大口径射电望远镜天线可以接收和发送射电波 制在提高系统的带宽时也会提高系统的高频增益， 信号，主要应用于射电天文观测和深空探测．指向精 激励出系统的高频谐振不确定性，影响伺服系统的 度作为射电望远镜天线的一项主要性能指标，其优 性能指标和稳定性．先进的控制算法设计越来越成 劣不仅影响到射电望远镜发现和观测目标的能力， 为天线伺服控制研究人员和天线控制工程师的兴趣 还会影响天线伺服系统的跟踪性能．随着对信号接 所在．文献［３８］将基于扰动观测器的鲁棒自适应 收质量要求的不断提高，射电望远镜天线的口径不 控制、线性二次高斯（ＬＱＧ）控制、Ｈ＿ｉｎｆｉｎｉｔｙ控制、预 断地向大型化趋势发展［１］．为了提高数据的传输速 测控制和自抗扰控制等先进的控制算法引入高精度 率，天线的工作频率越来越高，美国ＮＡＳＡ深空网天 伺服控制系统，以提高系统的带宽和伺服性能． 线的工作频率从 Ｓ频段（４ＧＨｚ）和Ｘ频段（８ＧＨｚ） 天线伺服控制系统主要包括系统建模和控制算 发展到Ｋａ频段（３２ＧＨｚ），且Ｋａ频段的跟踪精度要 法设计两个部分．系统建模对控制算法的设计十分 求达到０．００２°．大型毫米波望远镜天线甚至工作在 重要，特别是基于模型的控制算法设计如ＬＱＧ控制 ２００ＧＨｚ的频率以获得超高的指向精度，这些高指 和Ｈ＿ｉｎｆｉｎｉｔｙ控制等．文献［２］研究了通过开环辨识 向精度要求给天线控制工程师带来了前所未有的挑 ［２］ 方法建立天线伺服系统的模型．天线在实际运行过 战 ．为了提高天线伺服系统的响应速度、稳态精 度和指向精度等性能指标，需要提高伺服系统的带 程中，最主要的外界扰动是风，风作用在天线的反射 宽．然而在实际工程中，阻碍天线伺服系统带宽提高 面结构上会影响系统的稳定性和指向精度．文中首 的主要因素是天线结构的高频谐振，这些高频谐振 先介绍天线控制系统的结构，然后建立伺服系统的 同时也会