FSM在高精度瞄准线稳定系统中的应用研究

快速反射镜（fast-steering mirrors,简称FSM）是一种精确控制光束方向的装置。提出用一种基于压电陶瓷驱动的FSM补偿稳瞄系统中粗级平台的残余误差的方法,可以提高系统稳定精度,同时对采用FSM的高精度稳瞄系统进行了仿真。仿真结果表明:粗级平台稳定误差为110 rad,通过FSM补偿后的系统稳定误差不大于8 rad,即采用该方法可将稳定精度提高一个数量级以上。     

滑模动态面控制在快速反射镜系统中的应用

针对快速反射镜系统在捕获、跟踪、瞄准过程中,由于外界环境以及音圈电机机械惯性和电磁惯性所引起的影响跟踪精度以及响应时间的不确定性干扰问题,提出了一种滑模动态面控制器(SMDSC)。此控制器引入跟踪微分器(TD)代替传统动态面控制中的一阶滤波器,改善了一阶惯性环节收敛速度和控制精度不理想的问题,另外控制器将滑模控制和动态面控制相结合,进一步提高了系统的抗干扰能力和跟踪精度。研究表明,设计的SMDSC与传统动态面控制、经典PID控制相比较,上升时间分别提高了62.5%、75%;调节时间分别提高了72%、88%;跟踪精度分别提升了75%、96%。     

基于导航系统的光电吊舱补漂方法

稳定精度是光电吊舱稳瞄系统的重要指标,为了减少在稳瞄控制中陀螺漂移对稳定精度的影响,需对陀螺漂移进行补偿。提出一种基于导航系统的光电吊舱测漂和补漂方法,即在光电吊舱测漂阶段,通过机载导航系统的位置数据、姿态数据及吊舱轴角值计算地球自转在平台中的分量,测量出更加准确的陀螺漂移;在稳定控制回路中,通过导航系统分别补偿陀螺漂移及地球自转分量。该方法可将陀螺测漂过程中的地球自转分量和陀螺漂移有效分离,并在稳定控制回路中实时调整地球自转分量,从而提高稳瞄系统稳定精度。试验结果表明:通过对比10 min常规测漂和基于导航系统的测漂结果,稳定控制漂移累积误差中俯仰角由常规方法的1.80°减少到0.04°,航向角由0.77°减少到0.04°。     

两轴四框架结构光电稳瞄吊舱减振器谐振频率计算与试验

根据振动理论分析两轴四框架系统选择减振器的要点,对某型直升机内外框架刚性连接的吊舱进行扫频振动试验,测量了谐振频率和谐振点的扫频放大率,绘制了放大率曲线。通过使用放大率曲线计算内外框架刚性连接时系统的三向刚度。并根据减振器刚度值,利用弹簧串联刚度的计算方法计算了使用减振器系统的三向刚度和谐振频率。重新进行试验后,结果表明系统谐振频率和放大率都满足要求。该结构使用减振器的要点是：减振器放大段位于伺服带宽内,系统谐振频率避开外界扰动频率以及放大率应尽可能小。     

大口径、高精度二维快速控制平面反射镜系统设计北大核心CSCD

为解决光电跟踪仪跟踪精度测量过程中光束大范围指向的模拟问题,设计了一种大口径、高精度二维快速控制反射镜(fast steering mirror,FSM)。采用微晶材料设计了长、短轴分别为230 mm和160 mm的椭圆形平面反射镜,面形精度优于λ/30。采用音圈电机驱动,通过柔性支撑铰链设计及DSP嵌入式控制系统,运动行程达到±30 mrad,运动控制精度达到5μrad,运动控制线性度优于±0.20%,角分辨率优于1μrad。通过软件控制,实现对入射光束圆形轨迹运动、直线轨迹运动、随机运动等形式的运动模拟。最后,对设计指标进行实际测试,可以满足跟踪精度光束动态模拟的测试需求。     

压电驱动快速反射镜的自适应反演滑模控制

由压电驱动器驱动的快速反射镜(FSM)广泛应用于各种精密稳定跟踪系统,FSM的控制精度决定了系统的跟踪精度。但压电驱动器具有严重的迟滞非线性干扰,针对这一缺点,应用自适应径向基RBF神经网络对迟滞干扰进行非线性逼近,并在此基础上结合滑模控制和反演法,设计了自适应反演滑模(ABSM)控制器。仿真实验表明,相对于滑模控制器,ABSM控制器的最大跟踪误差和均方根误差为分别降低了57.26%和52.53%,提高了FSM的控制精度。     

压电驱动快速反射镜的自适应反演滑模控制

由压电驱动器驱动的快速反射镜(FSM)广泛应用于各种精密稳定跟踪系统,FSM的控制精度决定了系统的跟踪精度。但压电驱动器具有严重的迟滞非线性干扰,针对这一缺点,应用自适应径向基RBF神经网络对迟滞干扰进行非线性逼近,并在此基础上结合滑模控制和反演法,设计了自适应反演滑模(ABSM)控制器。仿真实验表明,相对于滑模控制器,ABSM控制器的最大跟踪误差和均方根误差为分别降低了57.26%和52.53%,提高了FSM的控制精度。     

On saturation suppression in adaptive vibration control

An anti-saturation scheme is presented for adaptive vibration control with LMS controllers. A new recursive formula for weight updating is derived from the optimization of certain object functions, which is an extension of the normalized LMS algorithm. The anti-saturation formula is capable of suppressing controller output in case of a large disturbance and expected to improve the performance of the controller. Numerical simulation and experiment have been conducted to demonstrate the performance of the anti-saturation scheme and the results have shown that the scheme is effective in alleviating output saturation and as a result improves performance of the controller in vibration suppression.     

一种精级回转驱动机构的研究

两轴四框结构光电吊舱,内框多采用力矩电机直驱,稳定精度仅为数10 μrad。为达到更高精度的μrad量级,提出一种压电陶瓷驱动柔性支承的精级回转驱动机构,作为光电吊舱的内框驱动。介绍了精级回转驱动机构的构型方案,并对压电陶瓷的驱动能力进行了探讨,对柔性支承的回转刚度、固有频率、几何参数进行了详细设计。建立了机电仿真模型,制造了原理样机并进行了性能测试,其主要性能指标为:行程509.1 μrad,分辨率优于0.5 μrad,1 Hz、100 μrad的正弦信号跟踪误差小于3 μrad,固有频率约1 kHz,均满足设计目标。     

Beam transport experiment with a new kicker control system on the HIRFL

A kicker control system is used for beam extraction and injection between two cooling storage rings(CSRs) at the Heavy Ion Research Facility in Lanzhou(HIRFL). To meet the requirements of special physics experiments, the kicker controller has been upgraded, with a new controller designed based on ARM+DSP+FPGA technology and monolithic circuit architecture, which can achieve a precision time delay of 2.5 ns. In September2014, the new kicker control system was installed in the kicker field, and the test experiment using the system was completed. In addition, a pre-trigger signal was provided by the controller, which was designed to synchronize the beam diagnostic system and physics experiments. Experimental results indicate that the phenomena of "missed kick"and "inefficient kick" were not observed, and the multichannel trigger signal delay could be adjusted individually for kick power supplies in digitization; thus, the beam transport efficiency was improved compared with that of the original system. The fast extraction and injection experiment was successfully completed based on the new kicker control systems for HIRFL.     

抑制光束抖动的压电倾斜镜高带宽控制

提出了一种抑制光束平台抖动和压电倾斜镜机械谐振的方法从而提高系统校正带宽和跟瞄精度.通过分析双二阶滤波器参数对频率特性的影响,提出了一种双二阶滤波器的设计方法,并把这种设计方法结合比例积分(PI)控制算法用于抑制光束平台抖动和压电倾斜镜机械谐振.最后,对经典PI控制算法和增加了双二阶滤波器的PI控制算法进行了实验比较,在相同的条件下,增加了双二阶滤波器的PI控制带宽比经典PI控制带宽提高了近1倍,对平台抖动控制精度提高了5倍以上.实验结果表明:增加了双二阶滤波器的PI控制算法对抑制光束平台抖动和压电倾斜镜机械谐振简单有效,可以提高系统校正带宽和跟瞄精度.     

模糊PID控制在ATP伺服系统中的应用

针对空间光通信ATP伺服系统采用一种模糊PID参数自整定的控制方法,结合模糊控制与常规PID控制的优点,讨论了模糊PID参数自整定控制器的设计方法。利用MATLAB中的模糊控制工具箱进行了系统的辅助设计与仿真实验,并与传统PID控制系统进行比较。仿真结果表明,该控制方法明显优于传统PID控制,并能使ATP系统的视轴稳定性得到提高。     

系留升空平台光电探测目标的坐标转换误差分析

系留升空平台的目标定位技术在军民领域中具有广泛的应用,定位精度的高低已成为评价无人机、系留升空平台综合性能的一项重要指标。开展了无人升空平台光电探测系统的精度测试研究,对目标高精度定位误差进行分析,推导出光电探测系统误差转换模型,对误差转换坐标进行仿真验证。运用蒙特卡罗思想, 综合分析了升空载荷光电探测系统中各误差参数对定位精度的影响,提出了提高目标高精度定位精度的改进方法,为无人升空平台光电吊舱的目标定位精度、光电吊舱的高精密设计提供了理论基础。     

基于滑模变结构控制及预测跟踪的光电吊舱控制方法北大核心CSCD

光电吊舱在稳像和目标跟踪过程中存在摩擦力矩、不平衡力矩等干扰力矩,从而影响速度环响应精度;另一方面,吊舱视频跟踪器图像传输和处理造成的延迟也会造成跟踪滞后,因此必须进行延时补偿。提出基于预测跟踪的滑模变结构控制方法,采用微分预测跟踪器实现对视频跟踪器的延迟补偿,采用预测跟踪器估计出的目标运动角速率构成自适应补偿参数,以调整滑模变结构控制量,改进的滑模控制算法在补偿干扰力矩的同时抑制了抖振现象。仿真及实验结果表明:改进的控制方法能够有效补偿干扰力矩和跟踪器延迟造成的误差,相对于传统PID控制,其跟踪误差减小为原来的1/3,并且该算法已经在相关系统上得到应用。     

车载光电稳定跟踪平台自抗扰伺服系统设计

为了提高光电稳定跟踪平台伺服性能,针对车载光电稳定平台的扰动特点,依据自抗扰控制算法的分离特性,提出一种含有积分补偿项的自抗扰控制伺服系统,系统对指令信号安排过渡过程,即采用最速控制方案。实际摇摆测试结果表明:设计的自抗扰控制伺服系统既保证了车载光电稳定平台稳定误差为0.129 mil（1）,又提高了平台的自动跟踪性能,是一种可应用在稳定跟踪平台系统中的理想控制器。     

两路120 W固体激光高光束质量相干合成

通过主动相位控制实现了两路固体激光器的高光束质量相干合成输出,总输出功率达到240 W。建立了两路120 W板条激光放大器,通过光束整形获得了高光束质量方形光斑,并实现了高占空比光束拼接,填充因子高于92.4%。研制了光轴一致性探测与控制系统,采用基于压电陶瓷的快反镜实现了光轴的高精度闭环控制,两束激光光轴一致性优于2 rad（RMS）。设计了基于现场可编程门阵列（FPGA）的相位探测与控制系统,用随机并行梯度下降算法（SPGD）锁定了两束激光的活塞相位。相位闭环后,远场光斑峰值提高到开环状态的1.7倍,为理想值的84%。合成光束主瓣包含67%的激光总能量,光束质量（BQ）为1.1。     

光纤激光陀螺镜在超短脉冲测量中的应用研究

介绍了采用光纤激光陀螺镜测量超短脉冲宽度、形状、相位时的应用理论．以及相关群速度色散的补偿办法：利用可以自行调节旋转角速度的光纤陀螺镜作为光学延迟线实现旋转角速度的任意连续调整．并在使用归一化的Gerchberg-Saxlon算法中实现过程自动控制、克服了原有测量方法中因时延一定．只能作一次自相关处理．及把时延测量变为路径测量时准确性差和测量精度有限的缺点。利用高精度单光子计数系统对相干光包络进行测量．极大地提高了测量精度．进一步拓宽了超短脉冲在物理、生物、化学以及超高速光纤通信等领域的应用范围.     

两路120 W固体激光高光束质量相干合成

通过主动相位控制实现了两路固体激光器的高光束质量相干合成输出,总输出功率达到240W。建立了两路120W板条激光放大器,通过光束整形获得了高光束质量方形光斑,并实现了高占空比光束拼接,填充因子高于92.4%。研制了光轴一致性探测与控制系统,采用基于压电陶瓷的快反镜实现了光轴的高精度闭环控制,两束激光光轴一致性优于2μrad(RMS)。设计了基于现场可编程门阵列(FPGA)的相位探测与控制系统,用随机并行梯度下降算法(SPGD)锁定了两束激光的活塞相位。相位闭环后,远场光斑峰值提高到开环状态的1.7倍,为理想值的84%。合成光束主瓣包含67%的激光总能量,光束质量(BQ)为1.1。     

双轴旋转靶标式光电测试系统设计

根据光电跟踪测量设备在制造和修理过程中的内场测试需求,从双轴转台设计、直流力矩电动机选型、控制系统设计、靶标设计和应用软件设计等五个方面研究了双轴旋转靶标式光电测试系统设计问题。提出了基于该系统的光电跟踪测量设备的电视和红外两个通道的方位和俯仰跟踪精度、跟踪速度、跟踪加速度等功能和性能的内场测试方法。该系统具有可靠性高、测试环境可控、重复性好、效费比高等特点。     

精确跟瞄控制技术研究

针对目标跟瞄多功能的需求,将最小方差估计和跟踪控制的思想结合,设计了一种跟瞄控制器,实现了目标位置预测与伺服控制的融合,优化了系统结构。采用基于当前统计模型的改进卡尔曼滤波算法,预测出目标运动状态参数;采用自适应滑模的解算控制方法,实现伺服系统的位置控制。通过仿真实验,系统状态稳定,抗干扰能力加强,通过对数据分析,跟瞄精度明显提高。