基于MATLAB的雷达天线控制系统设计与仿真.doc

1、基于MATLAB的雷达天线控制系统设计与仿真摘要：伺服系统是跟踪雷达的主要组成部分，伺服系统精度直接影响到雷达的跟踪精度。雷达伺服驱动正在由直流向交流方向发展，伺服控制系统逐渐由模拟控制系统向数字控制系统发展，先进的控制理论也被应用于伺服系统中，这些都为高性能雷达伺服控制系统的开发奠定了基础。针对雷达天线控制系统的速度控制和位置控制要求，建立其速度控制和位置控制数学模型，通过根轨迹法，结合MATLAB软件，作出系统的根轨迹图和单位阶跃响应图及频率特性曲线，分析这两个系统的性能，并找出合适的系统参数，最后运用MATLAB设计图形用户界面GUI，实现系统的全程仿真。关键词：伺服系统，根轨迹，MAT

2、LAB，图形用户界面A Method Of Design And Simulation Of Radar Antenna Control System Based On MATLABAbstract:Servo system is a main part of tracking radar.The accuracy in servo system directly affects the tracking precision of radar. The radar servo drive equipment is changing from DC to AC, and the servo co

3、ntrol system is changing from analog to digital system. The advanced control theory has been applied to servo system. All these have laid the foundation for development of high-performance radar servo system. For the requirements of radar antenna control system in the control of speed and position,

4、establishing its mathematical model of speed control and position control through the root locus method. Combining with the MATLAB software, make the root locus diagram, the unit step response of the system diagram and frequency characteristic curve.Analyse the feature of the two systems, find out t

5、he appropriate system parameters, and finally use MATLAB graphical user interface design GUI to implete the whole simulation of the system.Key words: Servo system,Root locus,MATLAB,Graphical User Interface 目 录1 绪论11.1 雷达天线的简介11.2 MATLAB的简介22 天线速度/位置的控制系统数学建模42.1 雷达系统工作原理42.2 天线控制系统的构成42.3 组成环节的单元52.

6、4 系统数学模型的建立63 速度/位置控制系统的设计103.1 系统总体指标103.2 速度系统仿真103.3 位置系统仿真143.3.1 仅有位置反馈143.3.2 （位置+速度）的反馈163.3.3 方框图和特征方程173.3.4 随系数变化的根轨迹183.3.5 用仿真法确认系统指标224 图形用户界面GUI的设计制作254.1 图形化用户界面GUI简介254.2 基于GUIDE的建立方式254.3 GUIDE常用的基本控件264.4 控件对象的描述274.5 控件对象的属性274.6 GUIDE创建的一般步骤284.6.1 GUI工具的使用284.6.2 使用用户界面开发环境的一般步骤

7、304.6.3 基于GUI的雷达天线系统的仿真305 雷达天线控制系统的性能分析345.1 系统在有摩擦时的情况345.2 仅有位置反馈时，使用PD调节时的分析及情况35结 论37参考文献38致 谢39附 录40III1 绪论1.1 雷达天线的简介雷达5概念形成于20世纪初。雷达是英文radar的音译，为Radio Detection And Ranging的缩写，意为无线电检测和测距，是利用微波波段电磁波探测目标的电子设备。发射电磁波对目标进行照射并接收其回波，由此获得目标至电磁波发射点的距离、距离变化率(径向速度)、方位、高度等信息。天线（英语：antenna)是一种变换器，它把传输线上传

8、播的导行波，变换成在无界媒介（通常是自由空间）中传播的电磁波，或者进行相反的变换。在无线电设备中用来发射或接收电磁波的部件。无线电通信、广播、电视、雷达、导航、电子对抗、遥感、射电天文等工程系统，凡是利用电磁波来传递信息的，都依靠天线来进行工作。此外，在用电磁波传送能量方面，非信号的能量辐射也需要天线。一般天线都具有可逆性，即同一副天线既可用作发射天线，也可用作接收天线。同一天线作为发射或接收的基本特性参数是相同的。这就是天线的互易定理。雷达用来辐射和接收电磁波并决定其探测方向的设备。雷达在发射时须把能量集中辐射到需要照射的方向；而在接收时又尽可能只接收探测方向的回波，同时分辨出目标的方位和仰

9、角，或二者之一。雷达测量目标位置的三个坐标（方位、仰角和距离）中，有两个坐标（方位和仰角）的测量与天线的性能直接有关。因此，天线性能对于雷达设备比对于其他电子设备(如通信设备等)更为重要。雷达所起的作用和眼睛和耳朵相似，当然，它不再是大自然的杰作，同时，它的信息载体是无线电波。 事实上，不论是可见光或是无线电波，在本质上是同一种东西，都是电磁波，在真空中传播的速度都是光速C，差别在于它们各自的频率和波长不同。其原理是雷达设备的发射机通过天线把电磁波能量射向空间某一方向，处在此方向上的物体反射碰到的电磁波；雷达天线接收此反射波，送至接收设备进行处理，提取有关该物体的某些信息（目标物体至雷达的距离

10、，距离变化率或径向速度、方位、高度等）。测量距离实际是测量发射脉冲与回波脉冲之间的时间差，因电磁波以光速传播，据此就能换算成目标的精确距离。测量目标方位是利用天线的尖锐方位波束测量。测量仰角靠窄的仰角波束测量。根据仰角和距离就能计算出目标高度。测量速度是雷达根据自身和目标之间有相对运动产生的频率多普勒效应原理。雷达接收到的目标回波频率与雷达发射频率不同，两者的差值称为多普勒频率。从多普勒频率中可提取的主要信息之一是雷达与目标之间的距离变化率。当目标与干扰杂波同时存在于雷达的同一空间分辨单元内时，雷达利用它们之间多普勒频率的不同能从干扰杂波中检测和跟踪目标。基本应用：雷达的优点是白天黑夜均能探测

11、远距离的目标，且不受雾、云和雨的阻挡，具有全天候、全天时的特点，并有一定的穿透能力。因此，它不仅成为军事上必不可少的电子装备，而且广泛应用于社会经济发展(如气象预报、资源探测、环境监测等)和科学研究(天体研究、大气物理、电离层结构研究等)。星载和机载合成孔径雷达已经成为当今遥感中十分重要的传感器。以地面为目标的雷达可以探测地面的精确形状。其空间分辨力可达几米到几十米，且与距离无关。雷达在洪水监测、海冰监测、土壤湿度调查、森林资源清查、地质调查等方面显示了很好的应用潜力。1.2 MATLAB的简介MATLAB的首创者Cleve Moler博士在数值分析，特别是在数值线性代数的领域中很有影响 ，他

12、参与编写了数值分析领域一些著名的著作。1980年前后，Moler博士在New Mexico大学讲授线性代数课程时，发现了用其他高级语言编程极为不便，便构思并开发了MATLAB(MATeix LABoratory，即矩阵实验室)，这一软件利用了当时的EISPACK（基于特征值计算的软件包）和LINPACK（线性代数软件包）量大软件包中可靠的子程序，用FORTRAN语言编写了及命令翻译，科学计算与一身的一套交互式软件系统。现在的MATLAB已经用C语言作了完全的改写。在MATLAB下，矩阵的运算变得异常的容易，后来的版本中又增添了丰富的图形处理功能亿多媒体功能。这一系统逐渐完善、逐步走向成熟，形成

13、了今天的模样。由于MATLAB的应用范围越来越广泛，Moler博士等一批数学家与软件架组建了一个名为MathWorks的软件开发公司，专门扩展并改进MATLAB。该公司于1992年推出了具有滑时代意义的MATLAB4.0版本，并于1993年推出了其微机版，可以配合Microsoft Window一起使用，使之应用范围越来越广。1994年推出的4.2版本扩充了4.0版本的功能，尤其在图形界面设计方面跟提供了新的方法。值得指出的示，MATLAB一开始并不是为控制理论与系统的设计者们编写的，但MATLAB软件一出现很快就引起了控制界研究人员的瞩目，因为它把看起来那么繁琐的矩阵操作变得简单的令人难以置

14、信，同时MATLAB还可以十分容易地绘制出各种精美的图形。此外，MATLAB又有那么好的可扩充性，可以把它当作一种更高级的语言那样去使用，用户可以用它容易地编写出各种通用或专用应用程序来。作为著名的科学与工程计算软件包，MATLAB在其发展过程中，一直面向控制工程应用作为该软件的主要功能之一。MATLAB的早期版本提供了控制系统设计工具箱（Control Toolbox），1991年推出的MATLAB3.5版集成了控制系统的仿真软件Simulab(Simulink的前身)和鲁棒控制工具箱（Robust Control Toolbox），1993年在MATLAB4.0版本中提供了基于模块图的控制

15、系统仿真软件Simulink和多个与控制工程相关的工具箱。到目前为止，与MATLAB5.2版本配套的控制工程类工具箱超过10个。下面介绍一下常用的6个控制工程类工具箱4：（1） 系统辨识工具箱（System Identification Toolbox）。该工具箱的主要功能包括参数化模型（包括AR、ARX、状态空间和输出误差等模型类）辨识工具、非参数化模型辨识工具箱模型验证工具、地推参数古迹、各种模型类的建立和转换函数以及集成多种功能的图形用户界面。（2）控制系统工具箱（Control System Toolbox）。主要功能包括线性控制系统的模型建立，时频特性分析和系统设计工具。（3）鲁棒控制工具箱（Robust Control Toolbox）。主要功能包括鲁棒性分析工具（奇异值、特征跟轨迹和结构异值分析）、鲁棒综合工具（频率加权LQG综合、LQG/LTR、综合、综合工具）、鲁棒模型降阶工具以及采样系统鲁棒控制。（4）模型预测控制工具箱（Model Predictive Control Toolbox）。主要功能包括系统模型辨识函数、模型建立和转换函数、模型预测控制器设计和仿真工具以及系统分析工具。（5）模糊逻辑工具箱(Fuzzy Logic Toolbox)。主要功能包括模糊推理系统的建立函数、图形化的模糊推理系统设计工具、神经模糊推理系统的学习集图形界面、模