基于改进PID 算法的干扰设备控制方法研究

黄宗卫，范 越

（中国船舶重工集团公司第七二三研究所，江苏扬州 225001）

0 引言

干扰设备主要是指对敌方电子仪器和电子系统实行电子干扰，使之丧失或降低效能的设备，其伺服控制系统主要功能是实现干扰设备本身空域稳定，能够对处于移动状态的干扰动目标进行连续有效地干扰。为了实时高效地对敌对目标实施干扰，要求伺服控制系统具有较高的跟踪精度与快速的动态性能，快速动作、精确指向。对于传统的PID控制算法，需要有较大的控制增益才能实现快速的动态性能与较高的跟踪精度，但是在调舷过程中或者初始误差较大时，大的比例增益会出现超调过大，降低系统的稳定性，传统的PID 算法不能同时满足精度与稳定性的要求［1-2］。传统PID 控制算法参数整定简单，但只能针对特定单一的被控对象和性能指标需求。在实际应用过程中，由于被控对象的自身特性（时变、非线性）以及外界随机噪声的干扰，固定的控制参数难以同时满足控制精度及稳定性的要求。在跟踪雷达的伺服控制过程中，为了提高跟踪精度与快速性，需要较大的比例增益，但大的比例增益会降低系统稳定性，尤其在跟踪雷达开始工作时若存在调舷的动作，会引起超调，若调舷幅度较大，超调量会超出相应的阈值。本文提出一种改进的PID 控制算法，设计可变的比例系数P，既能满足设备启动时的稳定性，又能提高跟踪过程中的控制精度。

1 干扰设备伺服系统工作原理

伺服控制系统是干扰设备的重要组成部分，利用编码器实时测量干扰设备指向角度，并根据控制指令计算与目标之间的误差，经过控制算法运算之后控制伺服电机进行动作，实现干扰设备天线的对准和对移动目标的跟踪［3］。干扰设备伺服控制系统采用三环控制策略，主要包括电流环、速度环、位置环三个部分。电流环及速度环选择由高性能的电机及驱动器集成，可以有效抑制电机参数时变、非线性和反电动势的影响，提高执行机构的动态及稳态性能；位置环由编码器、位置控制器、伺服被控对象组成，完成控制指令的接收、位置信息的采集、误差处理与运算，从而实现干扰设备伺服系统的随动和精确跟踪。干扰设备伺服控制系统组成框图如图1所示。

图1 伺服控制系统方框图

2 改进PID算法

传统PID控制算法包括比例、积分和微分环节，是典型的线性控制方法，结构简单，在伺服控制领域应用广泛。

式中：U为控制器输出；e为误差，即设定值与实际值的差；Kp、Ti、Td分别为比例系数、积分时间常数、微分时间常数。

比例控制是最简单的控制方式，控制器输出与输入成正比，仅有比例控制时系统存在稳态误差，误差大小与控制器比例系数成反比。积分控制时，控制器输出与输入的积分成正比，可以有效消除系统的稳态误差。对于简单的控制系统，比例-积分控制完全能够满足基本的控制性能要求，通过整定比例系数、积分系数实现相应的动态性能及稳态精度要求。但是对于大惯性控制系统，在阶跃响应作用下，偏差通常不会在短时间内消除，积分项会造成较大的超调，严重甚至会引起系统震荡，降低系统稳定性。

在干扰设备伺服系统跟踪模式下的工作过程中，为了快速调舷，实现对目标的跟踪动作，提高跟踪精度，需要较大的比例系数。虽然提高了动态性能与跟踪精度，但会导致系统稳定性降低，不能满足控制系统的实际需求。本文介绍的改进型PID控制算法基于可变的比例系数，根据实时的误差数值选择比例系数，在误差较大时选择较小的比例系数，保持系统稳定无超调；在系统误差较小时，增大比例系数，提高跟踪精度，其实质是改变传统PID控制算法线性控制器的特性，通过在线实时调整控制器比例系数，赋予控制系统非线性的特征，增强控制系统的鲁棒性［4-6］。改进PID 控制算法原理框图如图2所示。

图2 改进PID控制算法原理框图

比例系数的具体选择方法如图3所示。当误差绝对值大于m 时，比例系数Kp＝b；当误差绝对值小于n 时，Kp＝a；当误差绝对值介于n与m之间，比例系数随误差线性变化。比例系数上下限a与b具体数值的选择需要根据实际调试与PID整定结果决定。数值a参考值选择阶跃信号无超调情况下的比例系数；数值b参考值选择正弦信号跟踪下误差较小的比例系数。

图3 误差与比例系数选择关系

3 仿真测试及结果分析

干扰设备伺服控制系统的数学机理模型是一个比较复杂的高阶非线性模型，其组成部分包括永磁同步电机（PMSM）、电机驱动器，伺服转台机械结构、减速器等都是典型的非线性模型。为了简化设计流程，通过降阶以及近似线性化处理，简化为一典型的二阶惯性环节。建立数学模型并基于MATLAB/simulink工具，分别设计传统PID 控制算法与改进PID 控制算法进行仿真验证［7-9］，对改进PID 控制算法控制性能进行研究分析，其仿真实验模型如图4 所示，仿真测试结果如图5～6 所示。仿真实验时，角度设定值选择一固定周期的正弦曲线，周期1 s，变化幅度20°，模拟干扰设备实际工作情况下，实现快速调舷和跟踪的工作状态。

由仿真实验结果可以看出，传统PID控制算法难以兼顾动态跟踪精度与稳态性能，在满足精度要求时，由于比例系数较大以及积分环节的存在，出现较大超调，若要继续提高控制精度（即继续增大比例系数），会降低系统稳定性甚至导致系统震荡。改进PID控制算法由于可以根据反馈误差实时调节控制器参数，因此在阶跃（模拟调舷）阶段以及正弦跟踪（模拟跟踪）阶段均具有较优的动态性能与稳态精度，增强了系统的鲁棒性。

图4 MATLAB/simulink仿真模型

图5 传统PID控制算法动态性能

图6 改进PID控制算法动态性能

4 结束语

本文研究了基于三环控制策略的改进PID 控制算法，该方法基于实时误差在线调整控制器比例系数，在误差较大时选择较小的比例系数，保持系统稳定无超调；在系统误差较小时，增大比例系数，提高跟踪精度，可以有效弥补传统PID控制算法线性控制器特性单一的缺点，增强控制系统鲁棒性，提高干扰设备伺服控制系统动态性能与稳定精度，在工程上取得了良好的应用效果。