新型快速反射镜伺服系统设计

为了满足光电跟踪系统高精度跟踪的要求,针对一种新型内外框架式快速反射镜进行了详细的伺服系统设计。首先,对新型快速反射镜进行了数学建模,采用速度环与位置环相结合的双闭环控制方法,对位置校正环节和速度校正环节进行了参数设计。其次,以DSP 为实现平台,详细阐述了快速反射镜伺服系统的硬件组成。再次,对快速反射镜伺服系统的工作模式和软件工作流程进行了详细说明。最后,为了验证快速反射镜伺服系统的性能,进行了锁零实验和跟踪实验。实验结果表明:快速反射镜锁零时响应快速且稳态误差小于0.3,跟踪时跟踪误差均方根小于7。新型快速反射镜伺服系统能够满足光电跟踪系统对快速反射镜的快速性和高精度要求。     

快速反射镜研究现状及未来发展

针对某红外搜索系统快速反射镜设计需求,研究基于十字簧片传动结构与音圈致动器的快速反射镜机电联合仿真技术。建立快速反射镜的机电参数化模型,采用有限元分析法构建柔性结构传动刚度模型,同时建立音圈制动器的电磁驱动模型,并进行关键参数的迭代设计确定最优参数;以Matlab/Simulink为联合仿真平台,建立反射镜动力学仿真接口与电磁驱动仿真接口,结合经典控制模型实现对反射镜机构的联合仿真,并获得系统动态响应的仿真结果。最后通过实验测试验证50 Hz成像周期下回扫补偿残差与相位滞后,其中实测回扫补偿残差0.0365 mrad,相位滞后2.6 ms,虽然高于仿真分析结果但能够满足工程应用的需求;并对系统的开环频响曲线进行对比,中低频幅值响应误差不超过10%。仿真和实验结果表明,该联合仿真技术对于快速反射镜的设计与优化具有重要的理论指导意义。     

激光通信系统中快速反射镜控制技术研究

为满足激光通信系统跟踪精度的要求,采用快速反射镜系统作为精跟踪控制核心.选用大行程、高分辨率、高带宽的音圈电机驱动快速反射镜,对音圈电机控制方法进行了研究.首先,定性分析了快速反射镜系统的组成及工作原理.然后,根据音圈电机的等效电路模型进行建模分析,得到快速反射镜的传递函数模型.最后,介绍了模拟控制器的设计原理,给出了比例-积分-微分(Proportional-Integral-Derivati ve,PID)电路、位置检测电路以及功率放大电路的具体设计.实验结果表明,设计的快速反射镜的角分辨率为1 μrad,重复定位精度为3 μrad,闭环带宽(-3 dB)为300 Hz@1 mrad,满足激光通信系统稳定可靠、精度高、抗干扰能力强等要求.     

音圈电机快速控制反射镜研究现状

快速反射镜需要具备快速的动态响应以及抗干扰能力。针对快速反射镜系统在工作环境中,因自身运动以及外界干扰等因素所引起的不确定性干扰问题,本文在对快速反射镜系统进行分析与数学建模的基础上,提出一种基于扩张状态观测器的改进滑模控制器,利用扩张状态观测器观测出未知扰动并直接补偿给控制器,在保证跟踪误差在期望精度范围的同时,有效减少了抖振,便于工程实现。通过仿真实验证明：相较于传统滑模控制器,采用基于扩张状态观测器的改进滑模控制器,上升时间缩短了50.4%,调节时间上缩短了39.1%,跟踪精度提高了30.5%,满足了快速反射镜的工作要求,提高了动态性能。     

快速反射镜控制回路设计与仿真

简要介绍了快速反射镜的工作原理,针对存在的问题提出采用优化结构布局的解决方法,理论推导了优化布局后的伺服机构传递函数,并据此传递函数设计了控制回路,提出了宽带宽校正网络的设计原则,为抑制伺服机构的低频振荡模式在回路中串接陷波器加以抑制;通过在控制回路中串接解算网络的方法降低多输入多输出控制系统设计的难度。建立了快速反射镜的系统仿真模型,通过系统仿真验证上述方法的可行性;在理论分析的基础上搭建实验平台,通过对实验平台施加不同的激励信号,对快速反射镜的性能参数进行测试,验证了理论模型的准确性。     

激光对准快速反射镜控制系统的设计

为了校正激光发射设备中激光对准光路的偏差,设计了一种激光对准快速反射镜控制系统。采用步进电机作为驱动,控制快速反射镜在互相垂直的两个方向进行运动,校正激光光路的偏差,达到了精确控制激光光路的目的。对激光对准快速反射镜的工作原理和设计过程进行了详细阐述,并利用对准控制机箱等硬件设备对软硬件设计进行了实验验证,取得了较好的实验数据。结果表明,快速反射镜控制系统在小角度工作范围内方位误差和俯仰误差均方根都小于1,即控制精度小于1。该系统能够很好地控制快速反射镜进行2维运动,软件设计和硬件设计都是正确可靠的,能够满足激光对准控制系统精确控制激光光路的要求。     

星载红外探测器温度控制系统的设计和应用

针对红外探测器需要在低温下工作,设计并实现了红外探测器温度控制系统.本设计采用了闭环反馈的控制方式,使用热电制冷的方法控制红外探测器工作温度.温控系统具有结构简单,速度快以及精度高和可靠性高等特点,满足了设计要求.并且对整个系统的工作状态进行了评估,对系统进行了误差分析.     

基于改进自抗扰的快速反射镜控制研究

快速反射镜(Fast Steering Mirror,FSM)是光电跟踪系统中精跟踪的重要组成部件,FSM系统需要满足响应时间快,高精度以及抗干扰等性能要求.提高跟踪精度以及减小响应时间是快反镜系统需要解决的关键问题.本文提出了一种改进非线性状态误差反馈控制律的自抗扰控制器,在传统自抗扰优良控制效果的基础上,进一步改善了系统的动态性能和稳态性能.经过大量仿真研究,与传统自抗扰控制相比,该方法使系统的动态性能提升80％左右,跟踪精度增加了46％左右.     

快速反射镜控制系统设计

针对快速反射镜的控制系统展开分析和研究。首先,概述了FSM的技术特点。其次,对FSM控制系统实现过程进行了研究,具体包括系统辨识,速度环回路闭环,位置环回路闭环和电流环回路闭环。然后,针对FSM控制系统实现过程进行了仿真验证,实现了FSM控制系统跟踪精度5″。最后,对FSM系统的性能进行了综合总结。     

基于模型预测控制的大口径快摆镜随动系统

为了满足地基大口径望远镜精密稳像系统的需求,对大口径快摆镜(FSM)的控制方法进行了研究。为了解决三促动器FSM的运动解耦为系统辨识带来的困难,通过解析法和系统辨识法相结合建立了FSM的传递函数模型。依据该模型,设计了PID控制器与模型预测控制器(MPC),采用仿真和实验两种方式比较了两种控制器的效果。仿真结果表明,在受到阶跃扰动后,MPC控制器的恢复速度是PID控制器的45倍。在50 Hz正弦信号下,由于FSM的大惯量特点,PID控制器有严重的时滞,而MPC控制器能以1.224×10^-6″的误差稳定跟随。在噪声抑制方面,对实时加入10%幅值噪声的随机信号,MPC控制器的噪声抑制效果是PID控制器的13.3倍。实验结果表明,MPC控制器能以0.430″的误差稳定跟随50 Hz正弦信号,其跟踪精度是PID控制器的3.212倍,采用MPC控制器的快摆镜能满足快摆镜高带宽和高精度的需求。     

基于快速反射镜的模糊自适应PID控制算法研究

针对机载平台在振动、扰动和快速机动条件下光电系统高精度稳定指向的需求,开展宽频带视轴稳定技术的相关研究,并针对该稳定系统的核心—快速反射镜,提出一种改进型的模糊自适应PID控制算法。该算法在经典PID控制算法基础上,引入模糊设计思想和参数自整定方法,解决了复杂工作环境下控制系统数学模型不易获取、控制参数时变等因素对稳定系统的影响,为保证远距离机载光电载荷的高精度目标定位及目标瞄准提供技术支撑。仿真结果表明,该控制算法相比经典PID控制具有响应速度快、稳态性能好、抗干扰能力强等优点,具有良好的控制效果。     

基于超磁致伸缩材料的高速倾斜镜的设计与应用

在目标跟踪系统中,由于大气湍流的影响导致光波振幅和相位起伏。为了提高跟踪性能,降低大气湍流造成的光斑倾斜成为了首要目标,而高速倾斜镜（FSM）则是达成这一目标的关键器件。文中介绍的高速倾斜镜利用超磁致伸缩材料（GMM）作为位移驱动元件,通过线圈的电流产生磁场控制材料的伸缩,从而驱动倾斜镜的偏转。该倾斜镜已经被应用于激光大气传输倾斜校正系统中,使湍流造成的倾斜减少了90%,光斑稳定度和光斑质量得到了明显提高。     

基于PI逆模型的快速微摆反射镜的开环控制

由压电陶瓷驱动器构成的快速微摆反射镜平台存在迟滞特性,影响了对快速微摆反射镜的控制。为了能够有效的对快速微摆反射镜进行控制,采用基于PI逆模型的开环控制方法。首先,采用PI模型对快速微摆反射镜平台的迟滞特性建立数学模型,通过最小二乘法辨识PI模型的参数;其次,基于PI模型的可逆性,求解PI逆模型参数;最后,验证基于PI逆模型的开环控制方法的有效性。根据轨迹跟踪实验得到的数据,在正弦波轨迹输入信号下的均方根误差为1.23%,最大误差为2.45%;在三角波轨迹输入信号下的均方根误差为1.3%,最大误差为2.37%。证明了基于PI逆模型的开环控制方法是可行的,能够有效地控制快速微摆反射镜。     

大口径快反镜面形测试系统设计

大口径快速反射镜（快反镜）常被应用于空间光通信和激光武器等领域。为实现工作状态下大口径快反镜面形误差的实时检测,设计了大口径快反镜面形测试系统。该系统的口径参数为400 mm,工作波长为633 mm,由离轴式前置扩束系统和焦面附件系统组成。对测试系统的设计参数及元件参数选择进行了阐述,设计和仿真了光学系统结构,并基于光机热集成分析获得温度变化对光学系统的影响。测试大口径快反镜面形测试系统后结果表明该系统可实现实时记录和高精度测量,且在温度变化的工作环境下也可实现稳定测量,其测量稳定性为0.048λ（RMS,λ=633 nm）。     

大口径压电快摆镜机构迟滞非线性补偿与控制

为了提高空间天文望远镜精密稳像系统中大口径压电快摆镜机构（Fast Steering Mirror,FSM）的控制精度,采用迟滞前馈补偿和最优PID控制算法相结合的复合控制策略。针对基于广义Play算子的Prandtl-Ishlinskii（PI）模型可逆性受约束条件限制以及求逆过程中模型参数估计误差累加的问题,提出了一种基于广义Stop算子的PI逆模型进行压电执行器（Piezoelectric Actuator,PZT）迟滞补偿。针对逆迟滞模型的不确定性和直接前馈控制抗干扰能力差的问题,在控制系统中加入最优PID闭环控制器。采用自适应差分进化算法（Adaptive Differential Evolution,ADE）对迟滞逆模型参数和PID控制器参数进行寻优并引入混沌搜索机制来提高ADE算法的性能。实验结果表明:与传统PI模型解析求逆方法相比,基于广义Stop算子的PI逆模型能够更好描述逆迟滞曲线,拟合频率为1 Hz的迟滞曲线,拟合精度提高78.04%;实时跟踪频率分别为1、10、20 Hz的大口径快摆机构目标摆动位移,复合控制策略的跟踪精度相比于直接前馈控制分别提高了38.56%,22.92%和13.5%。     

基于DSP的傅里叶变换红外光谱仪动镜控制系统设计

在直线扫描式高精度傅里叶变换红外(FTIR)光谱仪系统的研制过程中,为了达到光谱图的质量和分辨率要求,提出了一种利用DSP芯片TMS320F28335作为控制器,直线电机运动平台带动动镜的系统设计方法。介绍了FTIR的优点以及TMS320F28335的性能特点,分析了FTIR系统的原理,详细阐述了电机控制系统的设计方案,给出了DSP、电机驱动器以及电机模块之间的硬件接口电路和软件实现方法。实验证明,该电机控制系统具有很好的稳定性和很高的运动精度,其位置运动精度能够达到0.1μm,保证动镜做稳定可靠的直线运动。     

基于双前馈+双神经网络自适应快速反射镜的解耦控制

基于柔性铰链结构支撑和音圈电机驱动的两轴快速反射镜是一个两输入两输出强耦合系统,X轴和Y轴间的耦合大幅降低了反射镜的定位精度,采用传统的PID控制算法很难实现高精度的解耦控制。针对中心对称和轴对称结构形式的两轴快速反射镜,理论分析了两轴快速反射镜耦合来源—直流耦合分量和非直流耦合分量;建立了X轴和Y轴间的耦合物理模型;提出的双前馈+双神经网络自适应解耦控制算法分别补偿直流耦合分量和非直流耦合分量。实验结果表明:该控制算法与传统的PID控制算法相比,耦合度从5%左右降低到1.0‰以内,从而定位精度从2.5%左右提高到0.5‰以内。     

快速反射镜扰动信号的模糊补偿控制

为了抑制扰动信号对快速反射镜系统输出性能的影响,保证快速反射镜结构特性改变后控制系统抑制扰动信号的能力,提出了一种对扰动信号进行模糊补偿的复合控制系统。系统中,模糊控制环节的输出参数同时用于整定PID控制参数和前馈环节控制参数,补偿系统因扰动造成的偏差,控制系统不需要增加额外的传感器,不会增加硬件系统的复杂性。利用频域分析方法,设计PID控制器的控制参数,进而设计模糊控制的规则。最后,对这种控制系统进行了仿真实验分析,结果表明:快速反射镜的结构参数变化前后,扰动模糊补偿控制系统对系统中的扰动信号均具有较高的抑制能力。     

基于扩张状态观测器的快速反射镜控制研究

为了提高快速反射镜的动态性能并降低跟踪误差,提出了利用扩张状态观测器引入反馈和灰色PID模型控制相结合的方法,该方法基于音圈电机驱动的快速反射模型,采用离散跟踪微分器对输入信号进行过渡和滤波以及对子系统零点配置,并以扩张状态观测器引入反馈和灰色PID控制,对系统的不确定因素进行了估计和补偿,并同不完全微分PID和基于跟踪微分器的零点配置方法进行了性能比较。采用随机正弦信号进行跟踪仿真,仿真结果表明,采用文中算法的跟踪效果明显优于其他算法,且跟踪误差更小,被控对象的动态性能更优,尤其在系统的模型参数发生变化时。该方法具有良好的工程应用价值。