基于模糊控制的自適應(yīng)幅相補(bǔ)償控制系統(tǒng)

陳　原，張曉明，胥志毅

(南京電子技術(shù)研究所,　南京 210039)

?

·天饋伺系統(tǒng)·

基于模糊控制的自適應(yīng)幅相補(bǔ)償控制系統(tǒng)

陳原，張曉明，胥志毅

(南京電子技術(shù)研究所,南京 210039)

摘要：針對(duì)數(shù)字陣列在使用過(guò)程中存在的性能退化問(wèn)題，利用模糊控制相關(guān)理論建立了自適應(yīng)幅相補(bǔ)償控制器模型，并設(shè)計(jì)了新型數(shù)字陣列自適應(yīng)幅相補(bǔ)償控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)能夠智能、實(shí)時(shí)地對(duì)數(shù)字陣列進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并根據(jù)陣面狀態(tài)對(duì)各通道幅相進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)數(shù)字陣列性能的優(yōu)化。該系統(tǒng)在未來(lái)數(shù)字相控陣?yán)走_(dá)設(shè)計(jì)中具有很大的工程意義。

關(guān)鍵詞：數(shù)字陣列; 模糊控制; 自適應(yīng)幅相補(bǔ)償; 控制系統(tǒng)

0引言

近年來(lái)，數(shù)字陣列雷達(dá)發(fā)展迅速，其接收機(jī)和發(fā)射機(jī)均采用數(shù)字波束形成技術(shù)，具有較好的靈活性和通用性，隨著超大規(guī)模數(shù)字電路、超高速處理芯片以及高速光纖傳輸?shù)燃夹g(shù)飛速發(fā)展，數(shù)字陣列雷達(dá)正逐步替代常規(guī)的模擬雷達(dá)。

由于相控陣天線存在各種誤差，從而導(dǎo)致相控陣天線的通道特性會(huì)偏離理論設(shè)計(jì)值，使得相控陣天線系統(tǒng)性能下降，如副瓣電平升高、波束指向偏離和增益下降等。因此，在相控陣列調(diào)試過(guò)程中，為了保證天線性能能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求，需要對(duì)陣列口徑的幅相分布作大量的測(cè)量和校準(zhǔn)，陣面的測(cè)量與校準(zhǔn)通常在陣面出廠之前通過(guò)暗室中近場(chǎng)測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)[1]。數(shù)字陣列雷達(dá)陣面結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，有源電子元器件較多，單元間幅相的差異不僅僅只存在于天線，整個(gè)發(fā)射接收通道的差異性也應(yīng)考慮進(jìn)去。因此，相控陣天線間的誤差除了結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性、器件制造公差、安裝公差等這些固定誤差之外，還包括陣面不平度、重力變形、風(fēng)力變形、溫度變化、組件失效等這些隨機(jī)誤差。在暗室進(jìn)行的陣面測(cè)試與校準(zhǔn)只能消除固定誤差，當(dāng)陣面裝備后，隨著環(huán)境的變化以及時(shí)間的推移，有源器件(T/R組件)的性能變化和失效會(huì)導(dǎo)致天線性能退化，從而嚴(yán)重影響雷達(dá)使用性能。

單元級(jí)數(shù)字陣列雷達(dá)的每個(gè)天線單元中均有一個(gè)數(shù)字T/R組件，發(fā)射信號(hào)波形產(chǎn)生和接收信號(hào)波形產(chǎn)生均以數(shù)字的方式實(shí)現(xiàn)，其相位、幅度可靈活控制。因此，可以設(shè)計(jì)自適應(yīng)的幅相補(bǔ)償控制系統(tǒng)，對(duì)數(shù)字陣面天線單元間的幅相差異及由于外界環(huán)境等因素導(dǎo)致的幅相變化進(jìn)行修調(diào)，從而增強(qiáng)數(shù)字陣列性能的穩(wěn)定性，提升數(shù)字陣列雷達(dá)的適應(yīng)性。隨著使用時(shí)間的增加，陣面部分通道會(huì)失效，如果幅相補(bǔ)償系統(tǒng)僅僅只是將全陣面所有通道的幅相進(jìn)行監(jiān)測(cè)后修平，則會(huì)抬高失效接收通道的底噪，從而影響全陣面通道合成后的信噪比，反而惡化了陣面的性能。

本文利用模糊控制相關(guān)理論設(shè)計(jì)了自適應(yīng)幅相補(bǔ)償控制器模型，并提出了數(shù)字陣面自適應(yīng)幅相補(bǔ)償控制系統(tǒng)構(gòu)架及方案，該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)字陣面各通道的幅相特性，并按照規(guī)則進(jìn)行自適應(yīng)補(bǔ)償修正，動(dòng)態(tài)調(diào)整數(shù)字陣面性能以達(dá)到最優(yōu)態(tài)。

1模糊控制理論及自適應(yīng)幅相補(bǔ)償控制器模型

1.1模糊控制理論

模糊控制系統(tǒng)是一種自動(dòng)控制系統(tǒng)，以模糊數(shù)學(xué)、模糊語(yǔ)言形式的知識(shí)表示和模糊邏輯規(guī)則推理為理論基礎(chǔ)，一般采用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)構(gòu)成一種具有反饋通道的閉環(huán)結(jié)構(gòu)的數(shù)字控制系統(tǒng)。模糊控制系統(tǒng)主要由模糊化接口、知識(shí)庫(kù)、模糊推理機(jī)、解模糊接口四個(gè)部分組成，其中，知識(shí)庫(kù)包含數(shù)據(jù)庫(kù)和規(guī)則庫(kù)[2-3]。

1)模糊化接口

模糊控制系統(tǒng)通常使用系統(tǒng)的實(shí)際輸出值與初始設(shè)定的期望值進(jìn)行比較，得到一個(gè)偏差值，模糊控制器再根據(jù)這個(gè)偏差來(lái)決定如何對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，往往這個(gè)偏差值是一個(gè)精確的輸入值，需要先采用模糊控制理論將其轉(zhuǎn)換成模糊集合的隸屬函數(shù)。工程實(shí)踐中通常把輸出變量范圍人為離散化處理，離散化級(jí)數(shù)取決于所需輸入變量的分辨率要求，模糊化主要分為單點(diǎn)模糊化和非單點(diǎn)模糊化，對(duì)于任意可采用的模糊IF-THEN規(guī)則的隸屬度函數(shù)類型而言，單點(diǎn)模糊化能夠大大簡(jiǎn)化模糊推理機(jī)的計(jì)算過(guò)程，而非單點(diǎn)模糊化能夠克服輸入變量中所包含的噪聲，具有更強(qiáng)的魯棒性。

2)知識(shí)庫(kù)

模糊控制的知識(shí)庫(kù)主要包含數(shù)據(jù)庫(kù)和規(guī)則庫(kù)。所有輸入、輸出變量所對(duì)應(yīng)的論域，以及這些論域上所定義的規(guī)則庫(kù)中所使用的全部模糊子集的定義，都存放在數(shù)據(jù)庫(kù)中。在模糊控制器推理過(guò)程中，數(shù)據(jù)庫(kù)向推理機(jī)提供必要的數(shù)據(jù)，在模糊化接口和解模糊化接口進(jìn)行模糊化和反模糊化時(shí)，數(shù)據(jù)庫(kù)也向它們提供相關(guān)論域的必要數(shù)據(jù)。因此，模糊規(guī)則庫(kù)是模糊控制器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。模糊規(guī)則庫(kù)通常由一系列的關(guān)系詞連接構(gòu)成，例如IF-THEN、ELSE、AND、OR等，這些關(guān)系詞必須經(jīng)過(guò)翻譯才能將模糊規(guī)則進(jìn)行量化。IF部分稱為“前件(前提)部分”，而THEN部分稱為“后件(結(jié)論)部分”；條件句的前件為系統(tǒng)的模糊化輸入，后件為控制量輸出。一般模糊控制規(guī)則是基于專家知識(shí)或操作人員經(jīng)驗(yàn)經(jīng)過(guò)歸納整理所形成的，它是對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制的一個(gè)知識(shí)模型，這個(gè)模型將影響模糊控制系統(tǒng)的性能，模糊數(shù)據(jù)庫(kù)和模糊規(guī)則庫(kù)一般可以通過(guò)以下途徑建立[4-5]：

(1)將專家知識(shí)或操作者經(jīng)驗(yàn)直接轉(zhuǎn)換成模糊語(yǔ)言規(guī)則；

(2)根據(jù)對(duì)模糊控制器控制的監(jiān)督進(jìn)行歸納和總結(jié)；

(3)利用模糊集合理論對(duì)控制過(guò)程進(jìn)行建模；

(4)在控制系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中實(shí)現(xiàn)規(guī)則的自組織。

3)模糊推理機(jī)

推理機(jī)是根據(jù)輸入模糊量，由模糊控制規(guī)則完成模糊推理來(lái)求解模糊關(guān)系方程，并獲得模糊控制量的功能部分。模糊推理算法和模糊蘊(yùn)含規(guī)則、推理合成規(guī)則等因素緊密相關(guān)，因?yàn)檫@些因素定義不同，所以可以組合出相當(dāng)多的推理算法。因此，模糊推理問(wèn)題比較復(fù)雜，同時(shí)，模糊推理也具有較大的靈活性。

4)解模糊接口

在一定輸入狀態(tài)下，利用知識(shí)庫(kù)中的相關(guān)控制規(guī)則，經(jīng)過(guò)模糊推理機(jī)產(chǎn)生的輸出控制量是一個(gè)模糊量，即控制信號(hào)的語(yǔ)言值，而實(shí)際中需要精確的控制量才能實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的控制。因此，輸出模糊值需要進(jìn)行解模糊，解模糊主要有最大隸屬度法、中位數(shù)法、重心法等。

1.2自適應(yīng)幅相補(bǔ)償控制器模型

圖1　自適應(yīng)幅相補(bǔ)償控制器模型

將輸入的幅相差異值離散為若干等級(jí)，所定義的級(jí)數(shù)取決于雷達(dá)陣面幅相所需的精度，并將輸入量模糊化為“正大(PB)”“正中(PM)”“正小(PS)”“正零(PO)”“負(fù)零(NO)”“負(fù)小(NS)”“負(fù)中(NM)”“負(fù)大(NB)”八個(gè)模糊子集，根據(jù)雷達(dá)陣面具體特征對(duì)各等級(jí)按照八個(gè)模糊子集進(jìn)行劃分。規(guī)則庫(kù)的制定采用專家知識(shí)和控制器監(jiān)督相結(jié)合的方式，專家知識(shí)包含已有同類型雷達(dá)陣面相關(guān)的模糊規(guī)則庫(kù)內(nèi)容，控制器監(jiān)督過(guò)程包括對(duì)控制器執(zhí)行結(jié)果進(jìn)行合理性判斷及干預(yù)，模糊規(guī)則包括輸入變量子集、結(jié)論變量子集以及規(guī)則的置信度，模糊規(guī)則庫(kù)見(jiàn)表1。

表1模糊規(guī)則庫(kù)

當(dāng)陣面存在部分通道失效時(shí)，這些通道與參考通道幅度差異較大，如果采用數(shù)字補(bǔ)償方式強(qiáng)制將這些通道修正至與其他正常通道一致，則會(huì)導(dǎo)致這些通道的底噪按比例放大，從而影響全陣信噪比性能。在模糊規(guī)則庫(kù)制定過(guò)程中需要考慮此通道失效情況，并予以規(guī)避，當(dāng)通道存在異常時(shí)，其相位變化往往更富有隨機(jī)性。因此，可以考慮使用相位差值以及相位差值的變化率作為自適應(yīng)幅相補(bǔ)償控制器的雙輸入。對(duì)于第i條規(guī)則：Ei為第i條規(guī)則相位差值的隸屬函數(shù)；ΔEi為第i條規(guī)則相位差值變化率的隸屬函數(shù)；ΔUi為第i條規(guī)則輸出的隸屬函數(shù)；ei為相位差值在隸屬函數(shù)Ei中所對(duì)應(yīng)的值；Δei為相位差值變化率在隸屬函數(shù)ΔEi中所對(duì)應(yīng)的值。則模糊推理算法為

(1)

具體處理流程如圖2所示。

圖2　模糊推理算法流程圖

2數(shù)字陣列自適應(yīng)幅相補(bǔ)償控制系統(tǒng)

數(shù)字陣列經(jīng)過(guò)暗室定標(biāo)校準(zhǔn)后可采用內(nèi)監(jiān)測(cè)方式對(duì)陣面通道變化進(jìn)行檢測(cè)，雷達(dá)在外場(chǎng)使用環(huán)境下內(nèi)監(jiān)測(cè)方法簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，在有源組件和單元之間加入定向耦合器，耦合信號(hào)再經(jīng)微波網(wǎng)絡(luò)或開(kāi)關(guān)進(jìn)行合成，數(shù)字化接收處理后即可得到各端口的信號(hào)。數(shù)字陣列自適應(yīng)幅相補(bǔ)償控制系統(tǒng)可在雷達(dá)裝機(jī)系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)，無(wú)需額外增加測(cè)試設(shè)備，在雷達(dá)正常工作過(guò)程中利用空閑時(shí)間進(jìn)行陣面內(nèi)監(jiān)測(cè)操作，并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行自適應(yīng)幅相補(bǔ)償，監(jiān)測(cè)周期可根據(jù)實(shí)際陣面通道性能穩(wěn)定程度進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。

數(shù)字陣列自適應(yīng)幅相補(bǔ)償控制系統(tǒng)主要包含數(shù)字陣面內(nèi)的數(shù)字T/R組件(DTRU)、預(yù)處理系統(tǒng)、幅相運(yùn)算模塊、模糊控制器、系統(tǒng)調(diào)度模塊。

系統(tǒng)調(diào)度模塊可采用高速FPGA器件實(shí)現(xiàn)，快速處理能力能夠?qū)崿F(xiàn)雷達(dá)工作周期的實(shí)時(shí)切換，高速SERDES接口硬核的編碼器、串行器、發(fā)送器以及時(shí)鐘產(chǎn)生電路能夠?qū)崿F(xiàn)控制指令的快速發(fā)送，進(jìn)入陣面監(jiān)測(cè)周期后，系統(tǒng)調(diào)度模塊將監(jiān)測(cè)控制指令通過(guò)高速光纖傳輸至陣面數(shù)字T/R組件，數(shù)字T/R組件通過(guò)SERDES接口的解碼器、解串器、接收器以及時(shí)鐘恢復(fù)電路實(shí)現(xiàn)控制指令的接收，并根據(jù)對(duì)應(yīng)的控制指令進(jìn)行收發(fā)監(jiān)測(cè)，同時(shí)，將各通道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)下行光纖傳輸至預(yù)處理系統(tǒng)。預(yù)處理系統(tǒng)采用多片F(xiàn)PGA同步接收陣面各數(shù)字T/R組件的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行抽樣處理，降低后端處理的數(shù)據(jù)量，處理后的數(shù)據(jù)送至大型聯(lián)合運(yùn)算服務(wù)器。

大型聯(lián)合運(yùn)算服務(wù)器具備快速DSP運(yùn)算能力以及與服務(wù)器互聯(lián)的高速總線資源，首先，分析各通道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并按照規(guī)則選擇合適的參考通道；然后，并行計(jì)算各通道和參考通道間的幅相差值。正確選擇參考通道可以簡(jiǎn)化模糊控制器模型，提高處理速度，首先，對(duì)全陣面通道幅相信息按照大小進(jìn)行排序，選擇幅度中間值和相位中間值作為參考值，運(yùn)算得到的幅相差值所形成的論域具備對(duì)稱性；再經(jīng)過(guò)模糊化處理后能夠直接映射至上述8個(gè)模糊子集中，其隸屬函數(shù)可以選擇正態(tài)函數(shù)等易于處理的函數(shù)；最后，從全陣通道中選取一個(gè)幅相與參考值最接近的一個(gè)通道作為參考通道。各通道的幅相差值進(jìn)入模糊控制器模塊，并通過(guò)高速總線從數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)用對(duì)應(yīng)的控制規(guī)則，最終判決得到陣面需要進(jìn)行幅相修正的通道和頻點(diǎn)信息以及最終的修正參數(shù)，并將這些控制信息反饋至系統(tǒng)調(diào)度模塊。整個(gè)運(yùn)算和處理過(guò)程可在雷達(dá)正常工作時(shí)后臺(tái)運(yùn)行，不占用雷達(dá)系統(tǒng)工作時(shí)間資源。

系統(tǒng)調(diào)度模塊接收到對(duì)應(yīng)的反饋控制信息后，產(chǎn)生幅相參數(shù)補(bǔ)償控制指令，并按照工作周期進(jìn)入?yún)?shù)補(bǔ)償工作模式，系統(tǒng)調(diào)度模塊將產(chǎn)生的控制指令發(fā)送至陣面，數(shù)字T/R組件接收對(duì)應(yīng)的幅相參數(shù)，并對(duì)收發(fā)通道數(shù)字幅度相位值進(jìn)行補(bǔ)償，最終完成全陣面所有通道的幅相修正。

數(shù)字陣列自適應(yīng)幅相補(bǔ)償控制系統(tǒng)功能框圖如圖3所示。

圖3　數(shù)字陣列自適應(yīng)幅相補(bǔ)償控制系統(tǒng)功能框圖

3結(jié)束語(yǔ)

本文將模糊控制理論應(yīng)用于數(shù)字雷達(dá)的陣列幅相補(bǔ)償控制系統(tǒng)，提出了新型數(shù)字陣列自適應(yīng)幅相補(bǔ)償控制系統(tǒng)構(gòu)架，該系統(tǒng)能夠智能、動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)地根據(jù)陣面狀態(tài)對(duì)各通道幅相進(jìn)行調(diào)整，無(wú)需人工干預(yù)，最終實(shí)現(xiàn)陣面性能的優(yōu)化。此控制系統(tǒng)構(gòu)架在未來(lái)智能化、軟件化數(shù)字雷達(dá)領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]文生平，趙國(guó)平，蔡康雄. 一種變論域模糊控制自適應(yīng)算法[J]. 控制理論與應(yīng)用，2009，26(3)：265-268.

WEN Shengping, ZHAO Guoping, CAI Kangxiong. A fuzzy-control adaptive algorithm with variable domain[J]. Control Theory and Application, 2009,26(3)：265-268.

[2]GAO T, WANG J Y. Large active phased array antenna calibration using MCM[J]. IEEE Transactions Antennas and Propagation, 2001, 607-609.

[3]鐘劍鋒，張國(guó)民. 有源相控陣?yán)走_(dá)T/R組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 電子機(jī)械工程，2000，16(2)：15-17.

ZHONG Jianfeng, ZHANG Guomin. The structural design of T/R module for active phased array radar[J]. Electro-Mechanical Engineering, 2000, 16(2)：15-17.

[4]CHEN C S. Adaptive fuzzy control systems with dynamic structure[J]. International Journal of Systems Science, 2008, 39(2): 163-172.

[5]汪義旺，沈錦飛. 基于可變論域模糊控制矢量控制系統(tǒng)的研究[J]. 電氣傳動(dòng)，2007，37(9)：40-46.

WANG Yiwang, SHEN Jinfei. Study of vector control system based on variable universe fuzzy control[J]. Electric Drive, 2007，37(9)：40-46.

陳原男，1986年生，博士，工程師。研究方向?yàn)閿?shù)字陣列控制、高速數(shù)據(jù)傳輸。

張曉明男，1976年生，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)槔走_(dá)顯示與系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)。

胥志毅男，1977年生，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)槔走_(dá)波控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

Adaptive Amplitude-phase Calibration System Based on Fuzzy Control Theory

CHEN Yuan，ZHANG Xiaoming，XU Zhiyi

(Nanjing Research Institute of Electronics Technology,Nanjing 210039, China)

Abstract：For solving performance degradation problem of digital array, an adaptive amplitude-phase calibration control model is proposed with fuzzy control theory. Adaptive amplitude-phase calibration control system of digital array is also developed. This control system can calibrate digital amplitude and phase of each channel intelligently and in real-time, so the performance of digital array can be optimized finally. This system will also have great project meaning in future digital phased array radar design.

Key words：digital array; fuzzy control; adaptive amplitude-phase calibration; control system

DOI：10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.05.013

通信作者：陳原Email：johnchy611@163.com

收稿日期：2016-01-19

修訂日期：2016-03-16

中圖分類號(hào)：TN82

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1004-7859(2016)05-0054-04