量子光通信望远镜跟踪控制技术研究

发布时间：2017-10-09 07:13

  本文关键词：量子光通信望远镜跟踪控制技术研究

  更多相关文章： 空间量子通信 光电编码器细分误差 LuGre摩擦模型 摩擦力矩补偿 粒子群算法 模糊控制 滑模变结构控制

【摘要】：作为中科院星地面望远镜系统项目的关键技术之一,量子光通信望远镜跟踪控制系统跟踪精度和速度平稳性技术决定了星地量子通信链路的稳定性。将中科院光电所自主研发的1.2米量子光通信望远镜作为研究对象,分析了影响望远镜跟踪控制系统速度平稳性的主要因素,提出相应的补偿方法及控制策略。探讨了量子通信链路的建立过程,详细分析了量子光通信望远镜粗跟踪控制系统的组成单元与各单元的工作原理及其在控制系统中的作用。介绍了望远镜粗跟踪控制器的硬件平台搭建,给出了粗跟踪控制系统设计框图及粗跟踪控制系统被控对象模型的测量方法。从扰动成因、已有扰动补偿技术、现有补偿技术存在的不足及扰动对量子光通信望远镜速度平稳性的影响,分别对光电编码器细分误差扰动及摩擦力矩扰动进行了分析。针对非线性光电编码器细分误差直接影响望远镜跟踪控制精度及速度平稳性的问题,提出一种基于编码器细分信号误差补偿的高精度位置测量方法。对编码器进行了比较和分析,选择合适的编码器,探讨了光栅莫尔条纹技术测角原理和细分技术。对细分信号进行数理分析,结合实际工程经验,归纳出光电编码器细分误差主要存在的6类细分误差源。进一步对细分误差源进行数理分析,得到了细分误差源与细分信号空间角周期存在比例关系的结论,并将此结论用作误差源的判定依据。分析了细分误差对望远镜跟踪控制系统的影响,提出了一种基于跟踪控制系统位置量的细分误差补偿算法。结合该细分误差补偿算法,设计了两种望远镜粗跟踪控制系统模型,模型I:将细分误差补偿算法仅应用于望远镜粗跟踪速度环;模型II:将细分误差补偿算法同时应用于速度环和位置环,并对二者进行了分析和比较。在实际工程中,望远镜伺服转台存在角秒量级抖动的问题。对该抖动问题分别从时域、频域和空域进行了分析,并找出了该扰动的特性。结合已推算出的细分误差源判定依据,给出对直流细分误差进行补偿的结论。将控制模型II应用于望远镜高低轴跟踪控制系统中,进行了编码器细分误差补偿,位置误差最大值减小至未补偿前的50%。针对非线性摩擦力矩降低了量子光通信望远镜速度平稳性这一问题,提出了一种高精度粒子群LuGre摩擦模型参数辨识方法,并给出应用模型。首先,对摩擦现象和摩擦模型进行了分析,对比选用LuGre模型作为摩擦补偿模型,提出了一种干扰观测器高精度测量摩擦力矩方法。然后,详述了粒子群算法,给出了粒子群辨识LuGre摩擦模型参数的方法。最后,结合LuGre摩擦模型、干扰观测器高精度测量摩擦力矩和粒子群摩擦模型参数辨识算法,提出一种新的摩擦补偿方法并设计相应的摩擦力矩补偿控制器。将摩擦力矩补偿控制器应用于望远镜方位轴控制中,零速附近反向运动跟踪误差最大值仅为补偿前的40.6%,正向运动跟踪误差最大值仅为补偿前的34.5%。为增强量子光通信望远镜对控制系统内部参数摄动、复杂力矩扰动,如摩擦力矩,电机力矩波动及风阻力矩等的抵抗能力和鲁棒性,提高跟踪控制系统速度平稳性,提出一种应用于望远镜的新的模糊滑模变结构控制策略。首先,对滑模变结构控制理论及对扰动的不变性给出了论述及证明,提供了针对滑模控制抖振问题的主要解决方案。然后,研究了模糊控制系统的控制思想及组成模块,以望远镜粗跟踪高低轴和方位轴伺服平台作为控制对象,设计了滑模变结构控制器。最后,给出了一种基于模糊控制器切换增益调节的滑模控制器设计方法。以望远镜方位轴作为被控对象,实测所得细分误差和摩擦力矩叠加到被控对象上作为扰动输入,将设计出的模糊滑模变结构控制器应用于方位轴控制系统中。经仿真,文中设计的模糊变结构控制器可以用于增强系统抗扰能力和抑制抖振。经实际测试与仿真,文中提出的2种扰动补偿方法及1种控制策略有效提升了量子光通信望远镜跟踪控制系统的抗干扰能力与速度平稳性,对其它跟踪控制平台具有普适性。
【关键词】：空间量子通信 光电编码器细分误差 LuGre摩擦模型 摩擦力矩补偿 粒子群算法 模糊控制 滑模变结构控制
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(光电技术研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP273;TH743
【目录】：

• 致谢4-6
• 摘要6-8
• ABSTRACT8-14
• 1 绪论14-29
• 1.1 课题背景14-20
• 1.1.1 自由空间量子通信望远镜14-18
• 1.1.2 课题意义18-20
• 1.2 望远镜速度平稳性与影响因素20-22
• 1.2.1 速度平稳性概况20-22
• 1.2.2 影响速度平稳性因素22
• 1.3 伺服系统平稳性控制策略研究现状22-25
• 1.3.1 经典控制策略在平稳跟踪控制中的应用22-23
• 1.3.2 现代控制策略在平稳跟踪控制中的应用23-25
• 1.4 本文主要研究内容25-26
• 1.5 本文结构安排26-29
• 2 望远镜粗跟踪系统及扰动分析29-46
• 2.1 引言29-30
• 2.2 量子通信链路建立30
• 2.3 粗跟踪系统需求分析30-31
• 2.4 望远镜粗跟踪系统构成31-34
• 2.4.1 望远镜主光学系统31-32
• 2.4.2 粗跟踪成像探测器32
• 2.4.3 望远镜粗跟踪伺服平台32-33
• 2.4.4 粗跟踪控制系统硬件实现33-34
• 2.5 望远镜粗跟踪控制系统设计34-35
• 2.5.1 粗跟踪控制器设计34-35
• 2.5.2 粗跟踪控制器工作原理35
• 2.6 被控对象辨识35-38
• 2.6.1 粗跟踪伺服平台动力学分析35-37
• 2.6.2 粗跟踪被控对象辨识37-38
• 2.7 光电编码器细分误差扰动38-41
• 2.7.1 细分误差成因38-39
• 2.7.2 细分误差补偿技术39-41
• 2.7.3 细分误差对控制系统影响41
• 2.8 摩擦力矩扰动41-45
• 2.8.1 摩擦力矩42
• 2.8.2 摩擦力矩补偿技术42-44
• 2.8.3 摩擦力矩对控制系统影响44-45
• 2.9 本章小结45-46
• 3 基于控制系统的编码器细分信号误差补偿技术46-68
• 3.1 引言46
• 3.2 光电编码器工作原理46-52
• 3.2.1 编码器组成46-47
• 3.2.2 编码器分类47-48
• 3.2.3 编码器比较48-49
• 3.2.4 光栅莫尔条纹技术49-51
• 3.2.5 细分技术51-52
• 3.3 细分误差源分析52-56
• 3.3.1 编码器莫尔信号数学模型52-53
• 3.3.2 细分误差影响因素数理分析53-56
• 3.4 细分误差源对系统影响56-58
• 3.5 细分误差补偿算法58-60
• 3.6 细分误差补偿控制模型60-61
• 3.7 细分误差补偿技术验证61-66
• 3.7.1 工程遇到问题61-62
• 3.7.2 细分误差源判断62-64
• 3.7.3 细分误差源初始参数确定64-65
• 3.7.4 细分误差补偿实验65-66
• 3.8 本章小结66-68
• 4 基于Lu Gre模型的摩擦力矩补偿技术68-88
• 4.1 引言68
• 4.2 摩擦现象分析68-72
• 4.2.1 几种典型摩擦现象68-69
• 4.2.2 摩擦模型比较与选择69-72
• 4.3 摩擦力矩测量72-77
• 4.3.1 力矩反馈技术73
• 4.3.2 干扰观测器技术73-76
• 4.3.3 干扰观测器高精度摩擦测量76-77
• 4.4 粒子群算法77-79
• 4.4.1 粒子群算法原理77-78
• 4.4.2 算法实现78-79
• 4.5 Lu Gre模型参数辨识79-80
• 4.6 摩擦补偿控制器设计80
• 4.7 摩擦补偿技术验证80-86
• 4.7.1 摩擦力矩测量81-82
• 4.7.2 粒子群摩擦参数辨识实验82-85
• 4.7.3 粒子群Lu Gre模型摩擦补偿实验85-86
• 4.8 本章小结86-88
• 5 模糊滑模变结构控制器抗扰研究88-107
• 5.1 引言88
• 5.2 滑模控制基本原理88-94
• 5.2.1 滑动模态88-89
• 5.2.2 滑模变结构控制函数89-90
• 5.2.3 滑模面参数设计90
• 5.2.4 滑动模态不变性90-91
• 5.2.5 存在的问题及解决方案91-94
• 5.3 模糊控制94-98
• 5.3.1 模糊系统95-96
• 5.3.2 模糊控制系统组成96-98
• 5.4 滑模变结构控制器设计98-99
• 5.4.1 被控对象确定98
• 5.4.2 滑模面设计98-99
• 5.4.3 滑模变结构控制律设计99
• 5.5 滑模控制器切换增益的模糊调节99-102
• 5.5.1 模糊控制器结构确定100
• 5.5.2 模糊控制模糊集确定100
• 5.5.3 确定隶属函数100-101
• 5.5.4 模糊推理规则建立101
• 5.5.5 去模糊化101-102
• 5.6 模糊滑模变结构控制器验证与仿真102-105
• 5.7 几种平稳跟踪控制技术比较105
• 5.8 本章小结105-107
• 6 量子光通信望远镜外场实验107-113
• 6.1 引言107
• 6.2 望远镜测量元件校验107-108
• 6.3 第三镜重复定位实验108-109
• 6.4 兴隆 1m望远镜109-110
• 6.5 南山 1.2m望远镜110-112
• 6.6 本章小结112-113
• 7 总结与展望113-116
• 7.1 主要研究工作113-115
• 7.2 论文主要创新点115
• 7.3 后续工作展望115-116
• 参考文献116-124
• 作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果124-125

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