康普顿光源精密调节系统关键技术的研究

发布时间：2017-10-16 23:21

  本文关键词：康普顿光源精密调节系统关键技术的研究

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【摘要】：近年来我国的航天事业迅猛发展,因而对航天事业中使用的各种装备不断提出新的要求。作为航天探测中的一类有效载荷,X/γ探测器在许多场合都有很重要的作用。X/γ探测器在执行探测任务之前需要在地面进行非常精确的定标实验,而现阶段无法通过已有的放射源进行精确定标,所以迫切需要探求到一种单色性好、能量覆盖范围广且峰值能量可调的γ光源来满足X/γ探测器的定标需求。γ射线是通过电子束与激光进行碰撞发生康普顿散射而获得的,所以需要让束腰半径都是20μm的激光束与电子束在空间中进行高精度的碰撞。通过对国内外微机电系统(MEMS)发展现状的研究,论文设计出一套康普顿光源精密调节系统来精确控制激光的光路,让其与电子束发生高精度的碰撞。康普顿实验中使用的激光和电子束都是不可见的,论文提出在激光和电子束的设定碰撞点处放一个YAG荧光靶,让激光和电子束打在荧光靶上产生荧光效应,出现两个可见光斑,通过康普顿光源精密调节系统来改变激光光路,进而改变激光光斑在荧光靶上的位置,最后让两个光斑达到要求的重合度。为了实现对激光光路的精确控制,精密调节系统中激光反射镜的转角定位精度需要达到6×10-4度。论文选用具有纳米分辨率的压电陶瓷电机作为驱动元件,设计无机械摩擦、无间隙、结构紧凑的柔性铰链作为传动元件,以保证机械结构的定位精度。由于激光和电子束束腰半径只有20μm,论文提出采用高分辨率的CCD相机和显微镜头来对荧光靶上激光和电子束的光斑位置进行检测,以保证两个光斑的重合度。论文还使用模糊PID控制算法构建基于视觉反馈的全闭环控制系统来对光斑位置进行快速、稳定和准确的调节。论文对康普顿光源精密调节系统的机械结构进行有限元分析,结果显示其最大应力和行程符合使用要求。然后分析由加工精度引起的柔性铰链转动刚度误差,并用误差数据对理论计算结果进行补偿,建立系统的传递函数,通过Simulink进行仿真来验证整个系统的可行性。最后通过实验对比PID算法和模糊PID算法的控制效果,发现模糊PID控制算法适应性更强,超调较小,控制更加平稳,并且在平衡状态稳定性更好。
【关键词】：微机电系统 柔性铰链 压电陶瓷 视觉检测 模糊PID
【学位授予单位】：河北工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V447.1
【目录】：

• 摘要4-5
• abstract5-10
• 第一章 绪论10-18
• 1.1 课题提出的背景及意义10-12
• 1.2 国内外研究现状12-16
• 1.2.1 微机电系统的发展现状12-14
• 1.2.2 柔性铰链的发展现状14
• 1.2.3 压电陶瓷控制算法的研究现状14-15
• 1.2.4 快速控制反射镜发展现状15-16
• 1.3 课题研究的主要内容16-18
• 第二章 康普顿光源精密调节系统的整体方案18-26
• 2.1 前言18
• 2.2 康普顿光源精密调节系统中各项技术指标的提出18-20
• 2.3 康普顿光源精密调节系统的实现方案20-25
• 2.3.1 调节系统的结构方案20-21
• 2.3.2 调节精度的检测方案21-25
• 2.4 本章小结25-26
• 第三章 康普顿光源精密调节系统的结构设计26-46
• 3.1 前言26
• 3.2 柔性铰链26-30
• 3.2.1 柔性铰链的概述26-27
• 3.2.2 单轴直圆型柔性铰链的参数计算27-30
• 3.2.3 单轴直圆型柔性铰链的设计参量分析30
• 3.3 柔性镜架的设计30-34
• 3.3.1 柔性架体的结构设计30-33
• 3.3.2 激光反射镜的设计33-34
• 3.4 基于伪刚体模型法的柔性镜架建模34-38
• 3.4.1 伪刚体模型法34-35
• 3.4.2 柔性镜架的伪刚体模型35-38
• 3.5 微驱动器38-42
• 3.5.1 压电陶瓷材料的特性38-39
• 3.5.2 压电陶瓷电机的工作原理39-42
• 3.6 有限元分析42-45
• 3.6.1 有限元分析概述42
• 3.6.2 机构的有限元分析42-45
• 3.7 本章小结45-46
• 第四章 康普顿光源精密调节系统控制系统的设计46-66
• 4.1 前言46
• 4.2 控制系统的组成46-48
• 4.2.1 控制系统概述46-47
• 4.2.2 康普顿光源精密调节系统控制系统的组成47-48
• 4.3 视觉检测原理48-54
• 4.3.1 图像处理概述48
• 4.3.2 光斑中心位置提取48-54
• 4.3.2.1 将图像二值化49-52
• 4.3.2.2 对图像进行形态学处理52-54
• 4.3.2.3 提取光斑中心坐标54
• 4.4 基于视觉反馈运动控制系统的建立54-57
• 4.4.1 控制系统硬件的选型54-57
• 4.4.2 闭环控制系统的建立57
• 4.5 控制方法的研究57-65
• 4.5.1 压电陶瓷电机的控制方法57-58
• 4.5.2 控制算法的分类和比较58
• 4.5.3 控制算法的建立58-65
• 4.5.3.1 PID控制原理58-60
• 4.5.3.2 模糊控制原理60-61
• 4.5.3.3 模糊PID控制器的设计61-65
• 4.6 本章小结65-66
• 第五章 康普顿光源精密调节系统的误差分析和实验66-78
• 5.1 前言66
• 5.2 误差分析66-69
• 5.2.1 柔性铰链的误差分析66-69
• 5.3 系统仿真69-74
• 5.3.1 控制系统传递函数的建立69-71
• 5.3.2 劳斯稳定性判据判定控制系统稳定性71-72
• 5.3.3 控制系统Simulink仿真72-74
• 5.4 实验和分析74-77
• 5.5 本章小结77-78
• 第六章 结论与展望78-80
• 参考文献80-84
• 致谢84

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