卫星天线伺服控制系统设计与开发

卫星天线伺服控制系统设计与开发
Design and Development of Servo Control System for Satellite Antenna
学科专业：控制工程 研 究 生：张振江 指导教师：王一晶 副教授
天津大学电气与自动化工程学院 二零一三年 十一月
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果， 也不包含为获得 天津大学 或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。
KEY WORDS：Satellite Antenna, Servo System, PID Control Algorithm, Active
Disturbance Rejection Control Technique
II
目
录
目
录 ......................................................................................................................III 1.1 课题研究的背景 ..............................................................................................1 1.2 机载卫星天线伺服系统的研究现状 ..............................................................2 1.3 论文的主要内容 ..............................................................................................3
学位论文作者签名： 签字日期： 年 月 日
导师签名： 签字日期： 年 月 日
摘 要
随着社会的发展，人们对卫星通信的需求越来越大，而实现卫星通信的关键 在于天线能够准确的对准目标卫星。本文以某 Ku 频段的机载卫星天线为基础， 对卫星天线的伺服系统进行研究，目的是使天线能够快速、稳定、准确的对准目 标卫星，以建立稳定、可靠的通信链路。 本文首先对卫星天线伺服系统的原理进行了介绍，并分别对伺服系统的各个 组成部分做了详尽的描述。然后通过对伺服控制系统各个组成元器件的建模，推 导出了伺服系统双闭环位置回路的数学模型，并对环路进行分析。最后对数字 PID 控制器进行了介绍和分析。 本文详述了伺服控制系统控制器的硬件和软件的设计和具体实现方法。硬件 部分主要介绍了轴角编码解码电路、 限位检测电路、 电源电路和差分放大器电路。 软件部分介绍了软件的开发环境，对主程序及各子程序模块进行了讲解，并对数 字 PID 控制算法进行了研究。 对伺服系统的性能进行验证和分析， 并给出了测试 的结果。 最后通过对传统 PID 控制器的分析，引出并介绍了自抗扰控制技术，对自抗 扰控制器的组成部分进行了详细的介绍。 然后讨论了基于自抗扰技术的卫星天线 伺服系统控制器的设计，给出了控制器设计方案，并进行 Matlab 仿真验证。
关键词：卫星天线 伺服系统 PID 控制算法 自抗扰控制技术
I
ABSTRACT
With the development of society, people have a growing need for satellite communication. Aligning the antenna accurately to the target satellite is a core technology of the whole satellite system. In this thesis, the design and development of a servo system based on Ku frequency band airborne satellite antenna is investigated. The purpose of the research is to drive the antenna aiming at the target satellite rapidly, stably and accurately; so that a stable and reliable satellite communication link can be established. First, the basic principles of the servo system are introduced, and the main compositions of the system are described in detail. Then after modeling each main components of the servo system, a double closed-loop mathematical model of position feedback loop is presented with some analysis applying to the model. The control theory of digital PID is particularly addressed. Second, we make a detailed description of the design and implementation for the hardware and software of the servo controller. The part of hardware design mainly includes angle coding-decoding circuit, position restriction circuit, power source circuit, differential amplifier circuit. The software development environment is then presented, and the main program and subprogram are discussed. And the digital PID control algorithm is also given. We also make the testing and analyzing the performance of the servo system as well as the corresponding results. Finally, we analyze the traditional PID control algorithm, and then turn to the active disturbance rejection control technique (ADRC). In this section, we carry on the detailed discussion of the main part of ADRC. Subsequently, the design of satellite antenna servo controller based on ADRC technique is studied, the design method of the controller is proposed. In addition, we use Matlab to simulate the controller designed by ADRC and illustrate the effectiveness of the above results.
第一章 绪论 ..................................................................................................................1
第二章 卫星天线伺服控制系统简介 ..........................................................................4 2.1 卫星天线伺服系统的原理及组成 ..................................................................4 2.1.1 伺服电机 ................................................................................................4 2.1.2 伺服驱动器 ............................................................................................5 2.1.3 轴角编码解码 ........................................................................................6 2.1.4 限位开关 ................................................................................................8 2.2 卫星天线伺服系统模型的建立 ......................................................................9 2.2.1 直流伺服电机的数学模型 ....................................................................9 2.2.2 PWM 驱动器的数学模型 ....................................................................10 2.2.3 测速电动机和轴角测量装置 .............................................................. 11 2.3 位置伺服系统环路分析 ................................................................................12 2.3.1 速度环调节器 ......................................................................................13 2.3.2 位置环调节器 ......................................................................................13 2.4 卫星天线伺服系统控制算法 ........................................................................14 2.4.1 数字 PID 控制器 .................................................................................14 2.5 本章小结 ........................................................................................................17 第三章 卫星天线伺服控制系统硬件设计 ................................................................18 3.1 伺服系统硬件结构 ........................................................................................18 3.2 伺服控制器芯片选取 ....................................................................................18 3.3 轴角编码解码电路 ........................................................................................20 3.4 限位检测电路 ................................................................................................21 3.5 电源电路 ........................................................................................................23 3.6 差分放大器电路 ............................................................................................24