【正文】 法等。積分分離控制算法可表示為： （42）式（42）中，為積分項的開關(guān)系數(shù)，且︱︱≤時，=1；︱︱＞時。其中之一的方法就是在PID算法中加入一個一階慣性環(huán)節(jié)（低通濾波器），可使系統(tǒng)性能得到改善。下面分析一下PID控制器中微分環(huán)節(jié)的工作狀態(tài)，討論不完全微分是如何抑制高頻擾動，達到改善PID控制性能目的。這種微分作用的突變應該避免，否則會導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。值得注意的是，不完全微分PID控制使微分作用在較長的時間內(nèi)起作用，不是說這種緩慢變化使微分的迅速調(diào)整能力減弱很多，而是在一定的快速響應基礎上的緩慢變化，否則微分作用將失去其快速響應能力。帶死去的控制系統(tǒng)實際上是一個非線性系統(tǒng)，當︱︱≤︱︱時，數(shù)字調(diào)器輸出為零；當︱︱﹥︱︱時，數(shù)字輸出調(diào)節(jié)器有PID輸出。這種現(xiàn)象稱為飽和現(xiàn)象或積分失控現(xiàn)象。第五章 系統(tǒng)性能研究 三種衛(wèi)星通信跟蹤方式比較根據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)工作原理，中繼衛(wèi)星跟蹤的是用戶衛(wèi)星的寬帶數(shù)據(jù)信號，而用戶衛(wèi)星跟蹤的是中繼星的信標信號。圓錐掃描跟蹤體制是把饋源嗽叭繞天線對稱軸作圓周運動，這樣天線波束呈圓錐狀旋轉(zhuǎn)，目標在中心時，回波信號不受調(diào)制，目標偏離中心時，回波信號幅度受圓錐掃描調(diào)制，利用調(diào)制信號，分解出方位和仰角誤差，帶動天線旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)跟蹤。這種體制的缺點是天線波束不能停留在對準星體的方向上，而是在該方向的周圍不斷地擺動，因而跟蹤精度不高，這種體制適用于基本不動的同步衛(wèi)星，對快速運動的衛(wèi)星無法保證跟蹤精度。由于相位比較單脈沖存在相位測量模糊和角度測量多值性問題，因此采用振幅比較角跟蹤體制。饋源喇叭繞對稱軸作圓周運動或副反射面傾斜旋轉(zhuǎn)，可以使天線波束圍繞旋轉(zhuǎn)軸以一定的頻率（該頻率就是旋轉(zhuǎn)電機的旋轉(zhuǎn)頻率）呈圓錐狀旋轉(zhuǎn)當衛(wèi)星偏離旋轉(zhuǎn)軸方向時，接收信號是被波束旋轉(zhuǎn)頻率調(diào)制了的信號，調(diào)制的幅度和相位分別取決于衛(wèi)星偏離旋轉(zhuǎn)軸的大小和方向。天線的方位及仰角分別按照正弦及余弦關(guān)系運動構(gòu)成連續(xù)的圓軌跡，如圖52所示。當整個圓周的信號差小于容許值后便認為達到了最大信號處。該種方式的動態(tài)誤差顯然要差于零值跟蹤因為機械圓錐掃描的頻率不可能很高（一般小于1Hz）。為了獲得較寬的波束覆線機械軸一定的角度（偏焦角），并以錐掃頻率Ω（例如 24Hz）繞天線軸旋轉(zhuǎn)，當目標不在天線軸向方向時，天線所接收的信標信號（或已調(diào)信號的殘留載波）包絡將受到一個調(diào)制頻率為Ω的幅度調(diào)制。得到一組大小與天線偏離目標角度成正比的誤差電壓（偏離方向與有關(guān)），由 KAZ、KEL推動天線跟蹤目標。通常旋轉(zhuǎn)饋源大都會引起極化旋轉(zhuǎn)。圖53 圓錐掃描跟蹤方式的波束旋轉(zhuǎn)圖圓錐掃描跟蹤的優(yōu)點是：（1）設備簡單，跟蹤精度較高；（2）跟蹤和通信通道分離，饋源效率較高；（3）對導航、擾動設備要求較低。在跟蹤情況下，ε、δ、θ都很小，顯然OT≈ Rε、OB≈ Rδ、TB≈ Rθ，用余弦定理可得 （55）通常，且考慮 = 2πft （f為圓錐掃描頻率） ，則有 （56）設天線方向性圖為F () ，接收信號的電壓振幅為 （57）試中，K為比例系數(shù)。 （514） （515）誤差電壓和將控制馬達驅(qū)動天線對準衛(wèi)星，構(gòu)成位置閉環(huán)系統(tǒng)，實現(xiàn)天線姿態(tài)的穩(wěn)定跟蹤。其包絡調(diào)制的幅度正比于天線偏離正確位置的角度大小，其相對于波束掃描的相位則表示偏離角的方向，調(diào)制頻率為天線的圓錐掃描頻率，調(diào)制波地起始相位則由衛(wèi)星偏離等天線對稱軸的方向決定。很顯然，越大，跟蹤的靈敏度就越高越小，信噪比越高，跟蹤的靈敏度也就越高。當=0時，最小為0，顯然這是不可行的。與此同時，接收機能否及時的解算出信號電平也是提高掃描一個必須考慮的問題，的選擇也受到信標接收機反映速度的制約。衛(wèi)星通信的優(yōu)點是通信距離遠，建站成本與通信距離無關(guān)，以廣播方式工作，便于實現(xiàn)多址鏈接，通信容量大，能傳送的業(yè)務類型多，性能穩(wěn)定可靠，靈活機動，不受地理條件限制。移動衛(wèi)星天線穩(wěn)定跟蹤系統(tǒng)采用激光制導、遙測天線控制技術(shù)、衛(wèi)星定位等技術(shù)，能自動捕獲目標衛(wèi)星采用先進的自跟蹤技術(shù)，能在載體運動的情況下，對衛(wèi)星進行高精度的自動跟蹤。求學歷程是艱苦的，但又是快樂的。 Zhao, JianXun。在此，也對他們表示衷心感謝。對于衛(wèi)星通信方面還有更多方面更多的未知需要我們?nèi)ヌ剿?希望在將來可以用我們的知識來對我們國家乃至全世界的衛(wèi)星通信事業(yè)做出更大的貢獻。所謂衛(wèi)星移動通信是指借助于通信衛(wèi)星在固定地面站與移動站如車載站、機載站或者移動站與移動站之間提供通信鏈路的通信系統(tǒng)。近年來，隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，衛(wèi)星在通信、廣播、導航定位、氣象服務遙感遙測、地球資源、環(huán)境監(jiān)測、技術(shù)偵查等方面顯示出了非常重要的價值。圖55 誤差信號與波束偏角關(guān)系圖 圓錐掃描頻率為了實現(xiàn)系統(tǒng)對衛(wèi)星的快速跟蹤，就必須提高誤差信號電平的采樣速率，這樣可以加快天線的調(diào)整速率，相應就該提高。在MATLAB 中仿真得到如圖55所示的一組性能曲線，它們是 取不同值時誤差信號隨變化的曲線。因為δ決定了和。當有誤差時，衛(wèi)星偏離軸線，衛(wèi)星位置與天線軸線距離會隨著波束的旋轉(zhuǎn)而有一個周期性的變化，使輸出信號強度受到近似正弦波調(diào)制。接收信號振幅的交流分量為 （59） 式中,U表示目標偏離等信號軸的大小。圖54 圓錐掃描幾何關(guān)系圖圖54是描述圓錐掃描的幾何關(guān)系圖。據(jù)公開發(fā)表的文章介紹該方式的跟蹤精度為0．1（rms），給出的約束條件為三軸轉(zhuǎn)臺，但未注明轉(zhuǎn)動角度和角速率。當天線軸對準衛(wèi)星時，地球站接收到的信標電平是一恒定值；當天線軸偏離衛(wèi)星時，信標電平將受到一個頻率極低的信號對其進行幅度調(diào)制。——目標在天線軸向時接收電平。在一定數(shù)量的圓錐掃描后，在圓的相同位置處，計算出位置補償?shù)闹挡⒕C合所用的時間用于消除陀螺的漂移誤差。本系統(tǒng)掃描角177。由于在256 個等分點的任意一點，夾角是已知的。圓錐掃描跟蹤實現(xiàn)簡單，造價低，但跟蹤精度和速度低，并且由于饋源永遠偏離天線拋物面的焦點而使天線的增益下降。信道體制上采用單信道跟蹤接收機，單信道跟蹤接收機的優(yōu)點概括起來主要有：傳輸信道為一個設備可以大大簡化，可靠性明顯得到提高，設備成本也相應降低；方位、俯仰角誤差載波信號采用微帶合集成技術(shù)，設備穩(wěn)定性很高；角跟蹤誤信號在中頻或低頻相關(guān)提取，電路簡單，穩(wěn)定可靠。當目標偏離中心時利用波束的和、差關(guān)系可以獲得誤差信號帶動伺服系統(tǒng)使天線轉(zhuǎn)動并對準目標。多用于初次捕獲時的引導。衛(wèi)星對于平臺的穩(wěn)定性要求很高，因此選擇的角跟蹤體制必須有利于衛(wèi)星姿態(tài)的保持。若u(k1)﹥，則只累加負偏差；若u(k1)﹤,則只累加正偏差。一旦系統(tǒng)出現(xiàn)反響偏差，u(k)逐漸從飽和區(qū)退出，進入飽和區(qū)逾深，則退出飽和區(qū)所需時間就逾長。 帶死區(qū)的PID控制算法在計算機控制系統(tǒng)中，某些系統(tǒng)為了避免控制作用過于頻繁，消除由于頻繁動作所引起的振蕩，可采用帶死區(qū)的PID控制算法，控制算式為： （419）式（419）中，為位置跟蹤偏差，是一個可調(diào)參數(shù)，其具體數(shù)值可根據(jù)實際控制對象由實驗確定。在第一個采樣周期里，不完全微分控制比普通微分控制器的輸出幅度要小得多，第二個周期以后，微分作用在較長的時間內(nèi)在起作用，從而改善PID控制系統(tǒng)性能。它不僅在第一個采樣周期存在，由于，而，所以。低通濾波器的傳遞函數(shù)為 （45）式（45）中，低通濾波器的時間常數(shù)。 （44） 不完全微分算法在PID控制中，微分環(huán)節(jié)的引入，改善了系統(tǒng)的動態(tài)特性，但也易引進高頻干擾，在誤差擾動突變時顯出微分項的不足。但在過程的啟動、結(jié)束或大幅度增減設定時，短時間內(nèi)系統(tǒng)輸出有很大偏差，會造成PID運算的積分積累，致使控制量超過執(zhí)行機構(gòu)可能允許的最大動作范圍對應的極限控制量，引起系統(tǒng)較大的超調(diào)，甚至引起系統(tǒng)較大的振蕩，這在生產(chǎn)過程中是絕對不允許的。 改進型PID算法人們在對PID應用的同時，也對其進行了各種改進。因此運用這一原理有必要獲得數(shù)字式PID算法表達式。因而，只要有足夠的時間，積分控制器將能完全消除誤差。在過程控制中，按誤差的比例（P）、積分（I）和微分（D）進行控制的PID控制器（亦稱PID調(diào)節(jié)器）是目前應用最為廣泛的一種自動控制器。常規(guī)的PID控制原理簡單，容易實現(xiàn)，穩(wěn)態(tài)無靜差。主要性能如下：XY雙軸高分辨率雙向測量；單電源+5VDC供電，工作電流3mA；串行外部接口（SPI）兼容，輸出傾角和溫度信號；量程177。 水平儀水平儀又稱傾角傳感器，一般可以感知器件平面相對于水平面的兩軸傾斜角度。按照公式(31)計算的天線方位角來控制天線的轉(zhuǎn)動，則必須將天線的指向與正北的夾角介入到計算過程中。公式(31)中，天線方位角是以地平面的正北方向作為0176。的二進制數(shù)，數(shù)據(jù)的高7位為0，低9位為數(shù)據(jù)，共占用2 字節(jié)；（2）方向角：共占用2 字節(jié)，第114位表示羅盤的工作狀態(tài)(定義為：01 查詢狀態(tài)，10 正常狀態(tài)，11 標定狀態(tài)) ，第112位空閑未使用，第19位表示羅盤的方向(定義為： 000 北，001 東北，010 東，011 東南，100 南，101 西南，110 西，111 西北)，第8位至第0位表示羅盤的角度，為0176。電子羅盤數(shù)據(jù)格式定義如下：（1）磁偏角：磁偏角為0176。它是一款低成本兩軸數(shù)字羅盤，輸入電壓低、功耗小。60全溫比例因子穩(wěn)定性%177。/s0～100比例因子mV/(176。CRS0302型陀螺儀具有低功耗、快速啟動、低漂移的特點，在劇烈沖擊和震動的條件下仍能保持卓越的性能。實際選用的為WXD312精密多圈繞電位器，其性能特性如下：標稱阻值范圍： 100Ω～47KΩ阻值偏差： 177。其性能參數(shù)如表31所示。長期以來一直廣泛地應用在各種驅(qū)動裝置和伺服系統(tǒng)中。最常用的電機為步進電機。這樣做的好處是準確度高，不會出現(xiàn)SHARP接收機的誤跟蹤現(xiàn)象，并且響應速度快，接收機的集成度很高，也便于操作。為擴大應用范圍，電子工業(yè)協(xié)會（EIA）于1983年在RS422基礎上制定了RS485標準，增加了多點、雙向通信能力，即允許多個發(fā)送器連接到同一條總線上，同時增加了發(fā)送器的驅(qū)動能力和沖突保護特性，擴展了總線共模范圍。RS232的傳送距離要求可達約15米，最高速率為20kbps。并行方式雖然數(shù)據(jù)傳輸速率較高，是串行的8倍，但當傳輸距離較遠、位數(shù)又多時，導致了通信線路復雜且成本提高。后者是根據(jù) GPS 提供的運動物體的實時經(jīng)緯度、傳感器提供的航偏角經(jīng)計算機運算后，指示驅(qū)動器迅速捕獲到目標衛(wèi)星。在移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，載體的姿態(tài)直接影響天線的指向。實際應用中由于對方位的判斷是依據(jù)磁北信息，而磁北與真北之間的磁偏角隨時間和地理位置會有一定變化，可以根據(jù)地磁圖采用劃區(qū)查表的方法獲得。圖26 系統(tǒng)總體框圖圖27 車船與衛(wèi)星相對平面示意圖控制器通過讀取GPS 接收機的輸出信息提取出船只的航向信息以及所處經(jīng)、緯度信息，作為計算天線方位角的部分輸入?yún)?shù)，計算出船只相對于衛(wèi)星的理論角度位置坐標，再求出天線的實際指向角度與理論對星角度之，根據(jù)誤差引導天線轉(zhuǎn)動，對準衛(wèi)星。系統(tǒng)總體框圖如圖26所示，系統(tǒng)主要由電機伺服系統(tǒng)、天線座、GPS 定位系統(tǒng)、電子羅盤、角度編碼器、角速率傳感器（即陀螺儀）等組成。該系統(tǒng)設備在實際使用中得到了檢驗。上位機程序采用C++ Builder軟件編制?？刂萍皥?zhí)行模塊根據(jù)參數(shù)計