快速反射镜非线性模型建立及控制策略对比研究

发布时间：2020-10-19 13:44

　　 快速反射镜是用于控制目标光源到接收器之间光束传播方向的小型精密光学仪器。随着技术的发展,各领域对性能指标的要求越来越高,所以高性能的快速反射镜系统变得越发重要。本文以某快速反射镜控制系统的设计及性能提升研究为主要工作。具体研究思路是:首先,设计出满足系统期望性能指标的控制器;接着,探索一种容易改变系统指标的控制器设计方法;最后,如何进一步提升系统性能指标。主要工作有以下几点:第一是建模,建立了一个简化且能够全工况描述系统的非线性模型,即噪声+物理上下界+线性模型的本质非线性模型。具体建模思路是:首先采用理论建模与实验测试相结合的方式,建立系统的线性模型,并进行参数校正;接着,将物理上下界简化为多个饱和限及死区限,并通过实验测试与理论推导验证确定,同时通过实验测得实际噪声模型,最终得到简化且在全工况描述系统的非线性模型。第二是控制器的设计与性能分析。采用古典频域法对设计了超前滞后、积分陷波等控制器,对于系统的一次谐振以及精度问题,古典控制器的设计展现出了调试困难,控制性能不够高等问题。采用现代控制理论设计了积分增广状态反馈控制器,状态反馈有着调节简便,控制效果良好等优势,但也暴露出其实现难度大、成本高的问题。同时,对不同控制系统的性能指标、鲁棒性进行了分析。最终得到的闭环系统,线性带宽均可做到期望带宽的500Hz,但由于电压饱和限的限制,系统的实际线性运行范围会有所下降。得出了系统本身的物理极限是限制系统线性工作范围的主要因素。第三提出了采用现代控制理论对系统分析设计,等价为古典控制器实现的控制器设计方法。该方法结合了古典与现代控制理论设计的优点,调试方便,实现简单。采用该法,将积分增广状态反馈等价降阶为积分+超前+零极点陷波形式的古典控制器,明确了状态反馈的实质,简化了控制器的实现难度与成本。对等价降阶后的控制器给出了数字控制器的迭代公式;同时采用Mulitism软件设计了模拟电路,并进行了仿真验证。最后对采用模拟控制器的实际系统进行了闭环验证,证明了仿真的准确性。第四就进一步提升系统性能指标,对耦合问题进行了分析讨论。通过辨识与耦合机理的分析,建立了耦合模型。设计了古典解耦控制器和MIMO的积分增广状态反馈控制器。经验证,以上两种控制器均可有效压制耦合影响。最后,对两种控制器进行了单变量的鲁棒性分析。
【学位单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TH74;TP273
【部分图文】：

第一章 绪论第一章 绪论1.1 研究背景快速反射镜（Fast Steering Mirror,FSM）是用于控制目标光源到接收器束传播方向的小型精密光学仪器。作为光电跟踪系统的重要组成部分，凭借其大带宽，响应速度快，分辨率高的特点，被广泛用于航天航空相机、激光通信跟踪、视轴稳定等领域[1][2][3]。为了保证 FSM 的高精度、高响应频率等特点，对驱动器的精度、分辨率、响应速度等提出了极高的要求[2]。根据驱动器的不同统可以分为音圈电机（VCA）驱动及压电陶瓷（PZT）驱动两种类型。

西安电子科技大学硕士学位论文外研究现状研究起步于上世纪 80 年代[5]，近年来，受助于结构技术的发展，相关研究已经趋近成熟化和商业化。希德马丁航天系统公司（LMSC）设计研发了一款高带统，该系统采用压电陶瓷驱动，反射镜直径为 5cm，

该系统采用压电陶瓷驱动，反射镜直径美国 LMSC 公司研发的 FSM 结构图IT 林肯实验室的 Daniel J.Kluk, Michael T.通道模拟控制结构设计验证了一款 FSM 系统为±3.5mrad，角加速度为5 21 10 rad / s[6]。
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本文编号：2847285