某精密跟踪系统的极限能力分析与控制策略研究

发布时间：2020-06-08 11:52

【摘要】：精密跟踪系统是一类对跟踪精度、响应速度、抗干扰能力等多方面要求很高的系统,涉及到半导体加工、军事探测、航空航天、生物医学、纳米科学研究等领域。精密跟踪系统体现着当前控制领域的整体水平。本文以某快速发射镜精密跟踪系统研究项目为背景展开,主要研究该系统的能力极限与改进问题。本文的思路是:根据项目要求以及目前精密跟踪领域存在的问题,探索性的寻找一种适合大多数精密跟踪系统的分析设计方法,包括系统的非线性建模、控制器设计、系统性能极限分析、控制器实现、系统改进方法等多个方面。本文的主要工作如下:1.针对模型不准确问题,本文对快速反射镜系统进行了多途径建模,得到了三种线性模型,并通过实测分析与理论计算得到了系统的噪声与非线性环节参数。最后通过对比得出了适用于本系统研究的带噪声的非线性白盒模型。2.针对古典控制器设计调整不方便问题,应用现代控制理论设计了状态增广鲁棒控制器,它可以通过极点配置的方式方便灵活的改变控制器参数,从而方便搜索系统的物理极限。在该控制器下,完成了以下工作:(1).极点搜索方案问题:将极点的面搜索转换为线搜索,并给出了初始主导极点的确定方法以及搜索方案;(2).系统极限性能总结:通过仿真研究得到了系统极限性能指标与输入信号及物理极限的关系;(3).系统鲁棒性检测:采用单变量法对该系统进行了鲁棒性检测,结果表明,电机的电磁力系数比反电势系数敏感,当变化超过40%时系统将不稳定。(4).在系统具有最大线性带宽时,分析了系统单轴动态特性与稳态精度;并对双轴联合仿真跟踪标准圆的跟踪特性进行了总结与分析。3.由于通过状态增广设计得到的控制器存在实现难问题,因此借助观测器将现代控制中的状态增广鲁棒控制器通过模型等价、降阶,得到积分超前加陷波的古典控制器。并对此控制器进行了验证,其效果与原状态增广鲁棒控制器控制效果一致。得出结论:在系统研发时,可以采用现控来分析设计系统,用古典控制理论来实现。4.对等价降阶而来的积分、特殊陷波加超前控制器给出了两种实现方法,一是数字方法;二是模拟方法。其中,采用Multisim仿真软件搭建了模拟电路,通过对比控制器的Bode图,验证了电路搭建的正确性。最后针对本文研究的快速反射镜系统存在的问题提出了改进建议。
【图文】：

结构图,复合轴,结构图,音圈电机

[9]，这样，以取长补短的方式对两者的优点进行了融合，具有更广泛的应用价值。图1.1 复合轴结构图快速反射镜构成的精密跟踪系统主要采用音圈电机（VCA）和压电陶瓷（PZT）。音圈电机驱动器有很多优点，，如行程大、频率响应好和行程控制精确等。大部分快速反射镜还配电涡流传感器，以得到反射镜位置。音圈电机驱动的驱动电压比较低，同时可以控制反射镜做大倾角运动，但是谐振频率较低，适用于大角度扫描。压电陶瓷驱动的活动范围较小，但谐振频率和控制精度高。与音圈电机相比，压电陶瓷体积更小，所产生的作用力更大，频率响应有所提高。但其缺点也很明显，即行程小，具有磁滞现象。压电驱动器适合于高频率响应、负载大、行程小的场合，音圈电机适合于行程大，负载小的场合[5]。国内外都在大力开展快速控制反射镜的研制[10-13]。其结构形式主要分为两轴一种是 X-Y 轴框架形式

压电,德国,位置稳定性,亚微秒

中研发出了许多不同的高精度、高响应速度的 FSM 系统产品，该产品在在中国市场乃至全球具有很大的占有率。图1.2 德国 PI 公司的压电快速反射镜 S-340以型号为 S-3401[19]的产品为例，如图 1.2 所示，用于直径高达 100mm（4 英寸）的反射镜和光学，分辨率高达 20urad，具有优异的位置稳定性，光束偏转达 4mrad，亚微秒级响应时间，空载谐振达 900Hz，并且闭环版本可实现更佳的线性度。2005 年
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP273

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