用于光机的高稳定度温度控制技术研究

发布时间：2023-06-05 02:32

　　空间相机是实现对地观测、大气和海洋探测及宇宙探测等应用的主要有效载荷,根据不同的探测要求,相机观测精度和成像质量也有不同要求。高精度相机其光机温度对成像质量的影响受到广泛关注,当温度发生变化时,镜片表面的曲率半径、透镜的厚度、光学材料的折射率均会发生改变,这会造成焦距偏离和系统失准,导致相机成像模糊,严重时甚至出现成像失败的情况。随着空间相机在具有宽视场及高分辨率的要求的场合越来越多,光机对控温稳定度提出了更高的要求。针对这些问题,本文对空间光机的温度控制技术进行了以下几个方面的研究:首先,本文应用传热学理论对某空间光机中采用主动热控措施进行精密温控的光机结构(镜框)进行了数学建模。由于建立的镜框温控系统数学模型随环境温度的变化而变化,使得最优的PID控制器参数会随之而变化。针对这一现象,本文将PID参数整定方法与空间光机的数学模型相结合,提出了一种基于空间光机热模型的自适应PID控温方法,使PID控温算法的参数自整定更加简洁。然后,将基于光机热模型的自适应PID控温方法应用于镜框的温度控制,求得最佳动态响应的PID参数与遮光罩及镜框温度的关系,使遮光罩温度发生周期性变化,通过仿真验证...

【文章页数】：92 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
符号表
第一章 绪论
    1.1 课题的背景与意义
    1.2 国内外发展现状
        1.2.1 研究进展
        1.2.2 研究现状分析总结
    1.3 主要研究内容、创新点及章节安排
        1.3.1 主要研究内容
        1.3.2 本文创新点
        1.3.3 本文脉络及章节安排
    1.4 本章小结
第二章 光机热特性分析及系统建模
    2.1 温度对光机的影响分析
        2.1.1 温度变化对材料折射率的影响
        2.1.2 温度对光学系统焦距的影响
        2.1.3 温度变化对应力的影响
    2.2 光机载荷的空间热环境
    2.3 光机载荷的结构及温控指标
        2.3.1 光机载荷的结构
        2.3.2 光机载荷的温控指标
    2.4 光机载荷的温控方案
        2.4.1 遮光罩热设计
        2.4.2 主支撑结构热设计
        2.4.3 光学组件热设计
    2.5 热电类比理论
    2.6 建立数学模型
    2.7 光机温控系统模型
    2.8 本章小结
第三章 光机温控算法
    3.1 PID控制算法
        3.1.1 PID控制原理
        3.1.2 数字PID控制算法
        3.1.3 PID三个参数的调节作用
        3.1.4 PID控制的局限性
    3.2 自适应PID控制
        3.2.1 参数自适应PID控制
        3.2.2 非参数自适应PID控制
    3.3 基于光机热模型的自适应PID控温方法
        3.3.1 基于光机热模型的自适应PID控温原理
        3.3.2 基于光机热模型的自适应PID控温方法的设计步骤
    3.4 控制系统的稳定性分析方法
    3.5 本章小结
第四章 光机温控系统仿真与结果分析
    4.1 基于镜框数学模型的温控算法
    4.2 镜框温控系统仿真验证
        4.2.1 仿真工况一
        4.2.2 仿真工况二
    4.3 本章小结
第五章 光机温控系统具体实现
    5.1 系统硬件部分设计
        5.1.1 系统硬件部分总体设计
        5.1.2 测温电路设计
        5.1.3 时钟电路设计
        5.1.4 输出控制电路
        5.1.5 PCB板设计
    5.2 系统软件部分设计
        5.2.1 主程序流程
        5.2.2 温度数据A/D转换程序
        5.2.3 中位值滤波程序
        5.2.4 自适应PID控制算法程序
        5.2.5 PWM输出
    5.3 本章小结
第六章 光机温控系统实验与结果分析
    6.1 光机温控系统实验装置
    6.2 实验及结果分析
        6.2.1 实验工况一
        6.2.2 实验工况二
    6.3 本章小结
第七章 总结与展望
    7.1 全文总结与主要结论
    7.2 研究方向展望
参考文献
致谢
作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果



本文编号：3831510