1、本科毕业论文（20 届）基于 MATLAB 的雷达天线控制系统设计与仿真所在学院专业班级 机械电子工程学生姓名指导教师完成日期诚信声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。本人签名： 日期： 年 月 日毕业设计任务书设计题目： 基于 MATLAB 的雷达天线控制系统设计与仿真 1设计的主要任务及目标学生应通过本次毕业设计，综合运用所学过的基础理论知识，在深入了解反馈控制系统工作原理的基础上，掌握机电系统建模、分析及校正环节设计的基本过程；初步掌握运用 MATLAB/Simulink 相关模块进行控制
2、系统设计与仿真的方法，为学生在毕业后从事机电控制系统设计工作打好基础。2设计的基本要求和内容（1）根据已有的雷达天线控制系统相关资料，对其结构特点及工作原理进行分析；（2）建立系统的数学模型，分析系统的性能指标；（3）用根轨迹法进行转速、位置控制系统设计；（4）运用 MATLAB/SIMULINK 对系统进行仿真计算；（5）设计 GUIDE，显示设计过程和动态结果；3主要参考文献1刘白燕等编,机电系统动态仿真-基于 MATLAB/SIMULINKM.北京:机械工业出版社,2005.7 2王积伟,吴振顺等著,控制工程基础M.北京:高等教育出版社 2001.8 3李连升编.雷达伺服系统.北京:国防
3、工业出版社,1983.6 4徐昕等著.MATLAB 工具箱应用指南:北京:电子工业出版社，20004进度安排设计各阶段名称 起 止 日 期1 查阅资料，总体规划，完成开题 2013.12.182014.03.162 分析雷达天线控制系统的物理特征 2014.03.172014.03.233 建立雷达天线控制系统的数学模型 2014.03.242014.04.134 运用 MATLAB/SIMULINK 完成系统的仿真 2014.04.142014.05.115 设计 GUIDE，显示设计过程和动态结果 2014.05.122014.05.316 分析结果，整理论文，准备答辩 2014.06.0
4、12014.06.10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
5、。关键词：伺服系统，根轨迹，MATLAB，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,
6、 and the servo control 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 spe
7、ed and position, 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 sy
8、stems, find out the 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 I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 .
9、42.2 天线控制系统的构成 .42.3 组成环节的单元 .52.4 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
10、.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 .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 .34II5.2 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 .4011 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
11、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
12、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
13、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，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2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
14、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
15、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 FO
16、RTRAN 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
17、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3MATLAB 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
18、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）
19、。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
20、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、模糊聚类以及与 Simulink 的接口功能等。（6）非线性控制设计模块（Nonlinear Control Design Blockset） 。该工具箱以 Simulink 模块的形式，集成了基于图形界面的非线性系统控制器优化设计和仿真功能。42 天线速
21、度/位置的控制系统数学建模2.1 雷达系统工作原理雷达天线以一定的速度转动，观测目标物体的位置和形状，并对目标进行跟踪，主要用于制导和通信。它是一种利用它自身所发射的无线电波来探测目标的设备。其基本原理是：雷达的发射机产生一种强功率的无线电波，经过方向性极好的天线辐射到空间，这种无线电波如果遇到目标（例如飞机）就会被目标反射，如果我们能够接受这种反射回波，并根据其回波的特性，便可判断目标的位置及其他的参数。为了使辐射的无线电波照射到目标，自动跟踪目标。因此接收机所收到的目标的反射回波还要送到自动跟踪系统，而搜索目标和自动地跟踪目标就是借助于雷达伺服系统来实现的。所以雷达的速度/位置控制系统非常重要，图 2.1 为雷达伺服系统 3原理图。图 2.1 雷达的原理方框图2.2 天线控制系统的构成天线控制系统是由：输入设定用的电位器，电压比较放大器，DC 电动机，速度
