激光通信系统精跟踪PID控制算法研究及实现

发布时间：2017-08-07 09:43

  本文关键词：激光通信系统精跟踪PID控制算法研究及实现

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【摘要】：随着通信技术的发展和通信传输数据量的不断增加,当前军事领域主要采用的微波技术已经不能满足人们对信息传输速率和带宽的要求,光纤通信技术成为人们的首选。但部分地区由于地貌、地势等原因不宜铺设光缆,需要一种可靠的无线通信技术来解决困难,基于这些情况激光通信技术应运而生。相比于传统的通信技术,自由空间激光通信具有通信容量大、保密性高、机动性好、抗电磁干扰能力强、建造和维护经费低等优势。激光通信技术以其具有的种种优点被认为是未来实现高速大容量通信的最佳方案。激光链路的快速建立及稳定保持是实现高速率、高可靠性激光通信的保障和前提,这需要由捕获、跟踪、瞄准(Acquisition, Tracking and Pointing, ATP)系统来实现。在星地、星间、舰船、岸舰等激光通信过程中,ATP过程受作用距离、大气湍流扰动及其他外界环境因素的影响,很难实现快速、高精度的跟踪捕获及激光通信的链路建立。为保证通信链路的持续可靠维持并达到更高的跟踪精度,空间激光通信系统多采用一级粗跟踪加二级精跟踪的复合轴结构形式。精跟踪系统具有响应速度快、谐振频率高、动态滞后小等特点,其较小的工作范围由主轴系统予以补偿,两者相结合可实现快速大范围高精度跟踪。二级控制系统通常使用FSM(Fast Steering Mirror, FSM)以获得更高的控制带宽。PID控制是FSM控制最普遍应用的控制方式,其结构简单、参数易于调节,能够获得良好的控制效果。但随着系统控制品质要求的不断提高,常规PID控制需要精确数学模型、不适应非线性控制过程等缺点也逐渐显现出来,实际控制过程中,系统具有的纯滞后或非线性耦合、时变的特点导致结构和参数出现不确定性,无法获得精确数学模型,加之各种外部扰动的存在,常规PID控制不能获得理想的控制效果。本文针对激光通信系统对ATP的高精度需求,提出自适应PID和模糊PID两种FSM控制算法,能够克服传统PID控制的响应时间长、超调量大、带宽低等缺点,实现快速响应的高精度精跟踪子系统。本文分别对两种控制算法搭建仿真模型进行分析,并将其转换成CCS程序通过以DSP2812为核心的控制系统进行桌面跟踪实验,并将搭建的系统模型转化为适用于FPGA中的VHDL文件,从硬件层面对所设计的两种控制算法进行验证。实验结果表明,当使用自适应PID控制器时,当外界有较大扰动时系统的抗干扰性能有较大改善；使用模糊PID控制器时,当被控对象发生变化时依然具有较好的鲁棒性。应用两种控制算法均能实现2微弧度的跟踪精度。用FSM作为被控对象研究设计控制算法来抑制ATP过程中各种扰动造成的影响,保证链路的快速建立和稳定性,是发展自由空间激光通信技术不可缺少的,高精度快速控制算法的研究及实现为激光通信中进行高精度跟踪提供了理论支持和实际系统应用的经验,可以为激光通信精跟踪技术的发展提供参考,具有重要的研究意义。
【关键词】：激光通信 ATP FSM PID 自适应 模糊 DSP Builder
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN929.1
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第1章 绪论12-20
• 1.1 研究背景及意义12-15
• 1.1.1 激光通信ATP的特点和关键技术12-13
• 1.1.2 研究目的及意义13-15
• 1.2 国内外研究现状15-17
• 1.3 本文的主要研究内容17-20
• 第2章 FSM经典控制方法概述20-28
• 2.1 FSM简介20-24
• 2.1.1 工作原理20-22
• 2.1.2 数学模型22-23
• 2.1.3 影响FSM性能的因素23-24
• 2.2 经典控制方法概述24-26
• 2.3 本章小结26-28
• 第3章 参考模型自适应PID控制器28-40
• 3.1 概述28-29
• 3.2 自适应算法设计29-34
• 3.3 控制器Simulink仿真34-38
• 3.4 本章小结38-40
• 第4章 模糊PID控制器40-54
• 4.1 概述40-45
• 4.2 模糊控制器的设计45-49
• 4.2.1 输入输出变量的确定45-46
• 4.2.2 变量论域及隶属度函数的选择46
• 4.2.3 模糊控制规则表的建立46-48
• 4.2.4 模糊推理运算及清晰化48
• 4.2.5 参数自整定设计过程48-49
• 4.3 控制器Simulink仿真49-52
• 4.4 本章小结52-54
• 第5章 控制系统设计及实验54-66
• 5.1 实验系统54-56
• 5.2 控制系统整体结构56-57
• 5.3 硬件概述57-59
• 5.3.1 DSP芯片57-58
• 5.3.2 FPGA电路设计58-59
• 5.4 DSP软件设计59
• 5.5 FPGA中DSP Builder软件设计59-63
• 5.6 实验结果分析63-66
• 第6章 总结与展望66-68
• 6.1 全文总结66
• 6.2 工作展望66-68
• 参考文献68-74
• 在学期间学术成果情况74-75
• 指导教师及作者简介75-76
• 致谢76

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本文编号：634021