提高大口径望远镜控制系统闭环带宽的方法

为了提高大口径望远镜的抗风载扰动能力和对目标的跟踪精度,要求望远镜控制系统有较好的动态性能和稳态跟踪精度,望远镜的闭环控制带宽决定了控制系统的跟踪性能。因此,首先根据望远镜结构的二质弹簧质量模型,分析影响望远镜控制系统闭环带宽和动态响应的因素,进而介绍提高闭环控制系统带宽的两种方法:结构滤波器方法和加速度反馈控制方法;然后,详细分析了结构滤波器的设计方法及其望远镜控制系统中的应用;最后,分析了基于加速度反馈控制的设计方法以及该控制策略对提高望远镜控制系统闭环带宽的有效性。通过实验结果可以看出,加速度反馈控制方法对提高望远镜镜控制系统闭环带宽更加有效。     

光电跟踪系统力矩波动干扰抑制的研究

光电跟踪系统的力矩波动是影响其跟踪精度的噪声的角度一个关键问题.基于某光电跟踪控制系统动态模型,从抑制噪声的角度分析了加入电流环对抑制力矩波动的影响,同时还分析了系统速度、电流两环闭环带宽与力矩波动抑制之间的关系.分析表明,加入电流环后的光电跟踪系统抑制力矩波动的能力明显增强,同时较高的速度回路带宽有利于抑制力矩波动引起的干扰,且在速度带宽一定的情况下增加电流用环带宽对抑制力矩波动也有一定作用.因此,在设计光电跟踪系统时,在不影响系统稳定性的前提下应选用尽可能大的速度及电流闭环带宽.     

空间光通信的粗精复合轴解耦技术研究

国内外的空间光通信系统都采用粗精复合轴结构实现大视场、高精度、高闭环带宽的跟踪系统.粗精控制环解耦问题是复合轴结构控制系统中很重要的问题,它会影响整个APT系统的性能.通过软件仿真和桌面实验,对双探测器的复合轴解耦问题进行了深入的研究,在桌面实验系统中实现了空间光通信要求的3urad的控制精度.     

两轴柔性支承快速反射镜结构控制一体化设计

为了预测并确认结构设计阶段快速反射镜系统的频率特性和时域性能,对一种两轴柔性支承快速反射镜进行了结构控制一体化研究和测试。提出了一种新型柔性支承结构,根据激光系统光束传输要求的快速反射镜指标,设计了快速反射镜系统的主要结构参数;研究了系统的动态数学模型,确定了闭环系统的控制方式和控制参数;建立了系统摆动部分的刚柔耦合模型,获得了结构非线性模型,基于非线性模型对控制系统和运动系统进行了联合仿真测试。联合仿真结果显示,系统在运动方向的谐振频率为54 Hz,与有限元和理论计算结果的误差均为3.8%,系统位置闭环带宽为203 Hz,符合设计要求。时域输出结果显示,系统的超调量为3.5%,调节时间为10 ms,与理论计算结果的偏差分别为3%和5 ms。     

基于自抗扰控制的光电平台视轴稳定技术研究

针对影响光电平台控制精度的载体速度扰动以及测量噪声等因素,设计了扰动自抗扰以及滤波控制的两部分控制策略。首先,通过分析光电平台伺服系统速度稳定环的数学模型中扰动作用原理,等效各个扰动作用并提出扰动总和思想,设计了基于降阶扩张状态观测器的自抗扰控制器。其次,利用卡尔曼滤波器对系统中测量噪声进行了滤波处理,降低了扩张状态观测器的估计误差。最后,详细地进行了传统PI控制系统与文中设计的卡尔曼自抗扰控制系统的对比实验。实验结果表明,在设计带宽相同的情况下,卡尔曼自抗扰控制系统相比PI控制系统的阶跃响应稳定时间减小32.53%,超调幅值减小72.73%;当使用摇摆台引入幅值为1频率、在2.5 Hz以内的正弦扰动时,卡尔曼自抗扰控制系统较PI控制系统的扰动隔离度提升了54.67%以上;在系统模型参数改变15%范围内,卡尔曼自抗扰控制系统仍具有优异的扰动隔离性能,表现出较强鲁棒性,满足光电平台视轴稳定的性能要求,对提升视轴稳定精度有较高实用价值。     

基于改进扩张状态观测的机载目标指示稳定控制

为了满足先进航空目标指示装备对视轴速度平稳性误差的设计需求,提出了一种基于扰动估计与补偿理论的控制算法。设计了一种改进扩张状态观测器以减小高阶观测器的相位延迟,提高视轴控制精度。对改进的控制算法进行了阶跃响应和速度稳定两部分实验,并与传统PID算法进行了比较。通过分析阶跃实验结果可得,该控制算法在不同的闭环控制带宽下,均能达到更短的稳定时间和更低的超调量,在35 Hz的闭环带宽下,相比PID算法的稳定时间减少了49.1%、超调量降低了88.4%,系统动态性能提升明显;速度稳定实验结果表明,该控制算法对幅值为1°、频率为2.5 Hz以内的不同扰动的抑制能力显著提高,视轴的速度误差均控制在0.1 (°)/s以内,扰动残值均小于0.1 (°)/s。该控制算法满足先进目标指示装备的设计需求,对提高系统动态性能和视轴速度平稳性具有较高的实用价值。     

基于超声电机的力矩补偿装置控制方法研究

为补偿卫星载荷运动产生的干扰力矩,设计了一种基于超声电机的力矩补偿机构。基于传统控制策略的比例、积分、微分(PID)闭环负反馈控制系统调速效果难以令人满意,在这种情况下建立了系统的数学模型,设计了基于模糊PI控制的闭环调速控制系统,并与传统的PI控制进行了对比。根据干扰力矩的给定形式,设计了飞轮运行的正弦速度给定曲线,仿真结果表明,该方法能够有效补偿载荷干扰力矩。此外,设计了以数字信号处理器(DSP)芯片为核心的硬件驱动控制电路,并进行了实验验证。结果表明,该算法比传统的PI控制效果更好,速度曲线跟踪精度明显提升。     

永磁同步电机模糊PI与PI控制性能的比较及仿真

采用32位的高性能DSP TMS320LF2407,系统采用速度环和电流环双闭环结构.电流环为模糊控制器,速度环为PI控制器,组成了模糊PI控制器.从仿真可以看出,同PI控制相比,模糊PI控制使永磁同步电机控制系统的抗干扰能力得到提高,增强了鲁棒性,动态性能得到改善.     

光电跟踪系统的模糊Ⅱ型控制技术研究

为了解决高型控制方法在光电伺服跟踪系统应用中存在的稳态精度与超调量之间的矛盾,设计了一种由多种群遗传算法(MPGA)优化的模糊Ⅱ型控制方法。该方法在经典Ⅰ型双闭环反馈控制器的速度环之前并联一个积分环节,将系统型别增加到Ⅱ型,以此加快反应速度、减小稳态误差;并引入模糊控制器(FLC),根据系统状态动态调节积分环节的增益,实现动态高型控制,既抑制系统震荡,又保证稳态精度;然后用MPGA优化FLC的输入输出比例因子,得到最优控制参量。对该控制系统进行了理论分析,并将各阶段优化系统进行了对比实验。结果表明,在相同实验条件下,采用MPGA优化的模糊Ⅱ型控制系统实现了对系统的动态高型控制,既能保证原系统的超调量不变,又能将稳态误差减小88.55%,明显提高了控制系统的稳态精度。该研究对优化光电伺服跟踪系统是有帮助的。     

光电跟踪转台伺服控制策略研究

针对高性能光电跟踪转台负载重、摩擦大、跟踪精度要求高等特点,提出了基于复合控制的伺服控制策略,速度环路设计了带有扰动观测器的线性二次最优反馈控制器,并在前向通道增加了零相位误差跟踪控制器(ZPETC),提高速度环的跟踪性能,位置环采用非线性PID反馈控制方式降低超调,提高稳态精度;将低速率的位置给定信息分别进行插值细分和滤波,通过高增益微分器和卡尔曼预测滤波,对转台速度和加速度进行预测和估计,进行前馈实现复合控制,实践证明,这种策略可以有效提高大加速度下的跟踪精度。     

光电系统跟踪精度工程可实现性判断方法

阐述了一种简化的、可以通过数学解析求解的判断方法,用于判断光电系统跟踪精度的工程可实现性。本文的判断方法是一种必要性判断,利用跟踪系统闭环带宽的可实现性来评估系统跟踪精度的可实现性,充分性还依赖于其他条件,如电机的选取等。本文以切向匀速直线运动(变角加速度运动)目标为例分析目标的运动特性；以直流有刷力矩电机速度环位置环双闭环系统为例、以经典控制理论为基础,简化模型以分析求解跟踪所需带宽；最后对未简化的模型进行仿真,以验证简化模型的计算精度。     

基于迭代学习控制的潜望式激光通信终端系统的动态跟踪设计

为提高潜望式激光通信终端伺服系统的动态跟踪性能,针对基于永磁同步电机的二维伺服转台的控制系统进行了设计。通过采取空间矢量控制方法实现电机的解耦控制,建立控制模型并完成了各控制回路的设计。针对动目标跟踪设计了迭代学习控制方法以提高通信终端的动态跟踪性能,并对控制系统的速度阶跃响应进行测试,分析通信终端系统的低速平稳性。最后,搭建了4.62 km激光通信的动态跟踪实验,利用六自由度转台模拟平台抖动,为动态跟踪验证实验创造外部平台扰动条件。实验结果表明:通信终端系统速度阶跃响应的稳态误差为±0.02 (°)/s,表明伺服系统速度回路具有较快的动态响应特性和较高的稳态精度,在最大加速度为0.219 (°)/s2的正弦波扰动条件,二维伺服转台的动态粗跟踪精度可以达到62 μrad,粗精复合跟踪精度优于2 μrad,验证了通信终端伺服系统的有效性及其动态跟踪性能,为进一步提高终端系统的跟踪精度奠定基础。     

三相PWM整流器双闭环PI调节器的新型设计

通过分析三相脉宽调制（PWM）整流器在d-q旋转坐标系下的数学模型,设计了具有前馈解耦控制的PWM整流器双闭环控制系统。根据系统对电流内环的控制要求设计电流比例积分（PI）调节器,提出按闭环幅频特性峰值（Mr）最小准则来确定调节器参数的方法;根据系统对电压外环的控制要求,采用模最佳整定法来设计电压PI调节器。最后对整个PWM整流器双闭环控制系统进行仿真,仿真结果验证了PI调节器设计的正确性。     

Real-time electro-hydraulic hybrid system for structural testing subjected to vibration and force loading

Real-time electro-hydraulic hybrid system (REHS) with shaking table and force loading simulator is an essential experimental facility for evaluating structural performance subjected to simultaneously vibration excitation and force loading. The key feature of this paper is combination of a feedforward force controller including modified force inverse model compensator (MFIMC) and velocity feedforward compensator (VFFC) with an internal model control (IMC) to compensate the surplus force disturbance caused by active motion of shaking table and to obtain high fidelity force loading tracking performance. An acceleration tracking controller is also designed with modified acceleration inverse model compensator (MAIMC) to extend the acceleration tracking frequency bandwidth and to improve the acceleration tracking performance. The acceleration/force closed-loop transfer function model and their inverse model are identified and designed by multi-step recursive extended least squares (RELS) algorithm and zero magnitude error tracking controller (ZMETC) technology respectively because the identified transfer function model of the acceleration and force loading closed-loop systems may be a nonminimum-phase (NMP) system and their inverse model are instable. An acceleration and force modeling error compensator (MEC) are utilized in MFIMC and MAIMC to minimize the effect of the inaccuracy of identified model and designed inverse model. Experimental results obtained on a real uniaxial REHS with xPC rapid prototyping technology clearly demonstrate the benefit of the proposed compensation method.     

Robust force control with a feed-forward inverse model controller for electro-hydraulic control loading systems of flight simulators

A hybrid control strategy for an electro-hydraulic control loading system (EHCLS) of a flight simulator in the presence of a control mechanism kinetic parameter perturbation is proposed to improve the force tracking accuracy and guarantee robust stability of the EHCLS system. A double-loop model of the EHCLS, including the control mechanism and the hydraulic mechanism, is established and analyzed from the force-displacement impedance perspective. A force closed-loop parameter model of the EHCLS is identified by a recursive-least-squares (RLS) algorithm and its inverse model is designed using a zero phase error compensation technology to expand the frequency bandwidth of the force closed-loop system of the EHCLS. A μ theory of robust control is employed to design a stable controller for enhancing robust stability of the EHCLS in the presence of uncertainties of the inner loop, the control mechanism and the high frequency disturbance force. Simulation and experimental results show that the proposed hybrid control approach can greatly improve the control performance of the EHCLS by expanding the frequency bandwidth of the force closed-loop system and enhancing stability of the EHCLS, which can decrease displacement output response error of the EHCLS from 10.34% to 3.1%.     

Applications of New Fuzzy Inference-Based Tracking Loops for Kinematic GPS Receiver

Carrier phase measurement is essential for high-accuracy measurement in kinematic global positioning system (GPS) applications. For GPS receiver design, a narrow noise bandwidth is desired to decrease phase jitter due to thermal noise. However, this bandwidth will deteriorate the capability of the tracking loop and result in cycle slipping. Based on bandwidth adjustment criteria, a novel intelligent GPS receiver is proposed for solving the carrier phase tracking problem in the presence of high dynamic environments. A phase error estimator is developed in the carrier loop to conduct the phase error signals; i.e., frequency and frequency ramp errors. Two kinds of fuzzy inference (FI)-based approaches, fuzzy logic control and adaptive neuro-fuzzy control methods, that are simple and have easy realization properties are designed to perform rapid and accurate control of the digital frequency phase-locked loop (FPLL). A new design procedure for kinematic GPS receiver development is also presented. The computer results show that the FI-based receivers achieve faster settling time and wider pull-in range than the conventional tracking loops while also preventing the occurrence of cycle slips.     

光电跟踪自抗扰控制技术研究

为了实现对快速运动目标高精度跟踪,对光电跟踪系统中的自抗扰控制技术进行了研究。根据速度闭环传递函数,利用三阶非线性扩张观测器估计系统状态变量,实现对不确定性因素的补偿,通过改变位置环被控对象传递函数提高系统的跟踪精度。对系统进行仿真与实验研究,分析自抗扰控制对光电跟踪系统动态和稳态性能的影响,与PI控制相对比,结果表明:对于高速运动目标,利用自抗扰控制技术可以将系统的跟踪精度提高7倍左右;对于低速运动目标,由于摩擦和系统噪声的影响,系统的跟踪精度仅提高了4倍左右。若在控制回路中引入相位超前环节,可以将系统的超调量降低40%,进一步改善了系统的动态性能,该技术的实现对于高精度跟踪控制的研究具有重要的应用价值。     

一种GNSS信号跟踪环路频相直调控制算法

全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)接收机信号跟踪环路正确地锁定导航信号的频率、相位是提取测量值以及导航星历的基础。传统的接收机跟踪环路采用调整频率的方式来调整相位,不能及时消除跟踪误差,并且在弱信号条件下容易受到噪声影响,难以对信号进行精确跟踪。针对这一问题,提出了一种基于非相干预滤波器的频相直调环路控制算法,采用非相干预滤波器提取跟踪误差,并且在本地信号生成阶段直接将载波相位差、载波频率差、码相位差进行消除。实验表明,与传统环路相比,频相直调算法对载波相位、码相位迁入速度分别提高了90%和95%,高动态、弱信号下多普勒估计精度分别提高了69.25%和61.37%,并且频相直调算法能够有效抑制环路参数调整、载体突然机动对载波相位锁定带来的扰动。