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DesignandDevelopmentofServoControlSystemforSatelliteAntenna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。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日I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IIABSTRACTWiththedevelopmentofsociety,peoplehaveagrowingneedforsatellitecommunication.Aligningtheantennaaccuratelytothetargetsatelliteisacoretechnologyofthewholesatellitesystem.Inthisthesis,thedesignanddevelopmentofaservosystembasedonKufrequencybandairbornesatelliteantennaisinvestigated.Thepurposeoftheresearchistodrivetheantennaaimingatthetargetsatelliterapidly,stablyandaccurately;sothatastableandreliablesatellitecommunicationlinkcanbeestablished.First,thebasicprinciplesoftheservosystemareintroduced,andthemaincompositionsofthesystemaredescribedindetail.Thenaftermodelingeachmaincomponentsoftheservosystem,adoubleclosed-loopmathematicalmodelofpositionfeedbackloopispresentedwithsomeanalysisapplyingtothemodel.ThecontroltheoryofdigitalPIDisparticularlyaddressed.Second,wemakeadetaileddescriptionofthedesignandimplementationforthehardwareandsoftwareoftheservocontroller.Thepartofhardwaredesignmainlyincludesanglecoding-decodingcircuit,positionrestrictioncircuit,powersourcecircuit,differentialamplifiercircuit.Thesoftwaredevelopmentenvironmentisthenpresented,andthemainprogramandsubprogramarediscussed.AndthedigitalPIDcontrolalgorithmisalsogiven.Wealsomakethetestingandanalyzingtheperformanceoftheservosystemaswellasthecorrespondingresults.Finally,weanalyzethetraditionalPIDcontrolalgorithm,andthenturntotheactivedisturbancerejectioncontroltechnique(ADRC).Inthissection,wecarryonthedetaileddiscussionofthemainpartofADRC.Subsequently,thedesignofsatelliteantennaservocontrollerbasedonADRCtechniqueisstudied,thedesignmethodofthecontrollerisproposed.Inaddition,weuseMatlabtosimulatethecontrollerdesignedbyADRCandillustratetheeffectivenessoftheaboveresults.KEYWORDS：SatelliteAntenna,ServoSystem,PIDControlAlgorithm,ActiveDisturbanceRejectionControlTechniqueIII目录目录......................................................................................................................III第一章绪论..................................................................................................................11.1课题研究的背景..............................................................................................11.2机载卫星天线伺服系统的研究现状..............................................................21.3论文的主要内容..............................................................................................3第二章卫星天线伺服控制系统简介..........................................................................42.1卫星天线伺服系统的原理及组成..................................................................42.1.1伺服电机................................................................................................42.1.2伺服驱动器............................................................................................52.1.3轴角编码解码........................................................................................62.1.4限位开关................................................................................................82.2卫星天线伺服系统模型的建立......................................................................92.2.1直流伺服电机的数学模型....................................................................92.2.2PWM驱动器的数学模型....................................................................102.2.3测速电动机和轴角测量装置..............................................................112.3位置伺服系统环路分析................................................................................122.3.1速度环调节器......................................................................................132.3.2位置环调节器......................................................................................132.4卫星天线伺服系统控制算法........................................................................142.4.1数字PID控制器.................................................................................142.5本章小结........................................................................................................17第三章卫星天线伺服控制系统硬件设计................................................................183.1伺服系统硬件结构........................................................................................183.2伺服控制器芯片选取.