基于PI逆模型的快速微摆反射镜的开环控制

由压电陶瓷驱动器构成的快速微摆反射镜平台存在迟滞特性,影响了对快速微摆反射镜的控制。为了能够有效的对快速微摆反射镜进行控制,采用基于PI逆模型的开环控制方法。首先,采用PI模型对快速微摆反射镜平台的迟滞特性建立数学模型,通过最小二乘法辨识PI模型的参数;其次,基于PI模型的可逆性,求解PI逆模型参数;最后,验证基于PI逆模型的开环控制方法的有效性。根据轨迹跟踪实验得到的数据,在正弦波轨迹输入信号下的均方根误差为1.23%,最大误差为2.45%;在三角波轨迹输入信号下的均方根误差为1.3%,最大误差为2.37%。证明了基于PI逆模型的开环控制方法是可行的,能够有效地控制快速微摆反射镜。     

大口径压电快摆镜机构迟滞非线性补偿与控制

为了提高空间天文望远镜精密稳像系统中大口径压电快摆镜机构（Fast Steering Mirror,FSM）的控制精度,采用迟滞前馈补偿和最优PID控制算法相结合的复合控制策略。针对基于广义Play算子的Prandtl-Ishlinskii（PI）模型可逆性受约束条件限制以及求逆过程中模型参数估计误差累加的问题,提出了一种基于广义Stop算子的PI逆模型进行压电执行器（Piezoelectric Actuator,PZT）迟滞补偿。针对逆迟滞模型的不确定性和直接前馈控制抗干扰能力差的问题,在控制系统中加入最优PID闭环控制器。采用自适应差分进化算法（Adaptive Differential Evolution,ADE）对迟滞逆模型参数和PID控制器参数进行寻优并引入混沌搜索机制来提高ADE算法的性能。实验结果表明:与传统PI模型解析求逆方法相比,基于广义Stop算子的PI逆模型能够更好描述逆迟滞曲线,拟合频率为1 Hz的迟滞曲线,拟合精度提高78.04%;实时跟踪频率分别为1、10、20 Hz的大口径快摆机构目标摆动位移,复合控制策略的跟踪精度相比于直接前馈控制分别提高了38.56%,22.92%和13.5%。     

压电叠堆作动器率相关迟滞非线性建模研究

针对压电叠堆作动器的率相关迟滞非线性特性,该文提出了一种基于asymmetric unilateral backlash(aubacklash)算子的BP神经网络率相关迟滞建模方法。首先提出了改进的aubacklash算子,改善了Prandtl-Ishlinskii(PI)模型backlash算子在原点处残余位移及严格中心对称的问题;其次分析了压电叠堆作动器迟滞的率相关记忆特性,提出了率相关BP神经网络迟滞模型;最后搭建了迟滞建模精度评估系统,采用Levenberg-Marquardt(L-M)算法辨识aubacklash算子模型参数,确定了BP神经网络模型最优结构参数。实验结果表明,在高、低单一频率及混合频率下,BP神经网络模型较PI模型均方误差降低了70.90%～89.98%,相对误差降低了70.69%～89.84%,验证了该模型的精度与频率适应性。     

柔性轴承有轴系快速反射镜结构设计

快速反射镜是自适应光学中重要的光学元件,比较了有轴系和无轴系快速反射镜两种结构形式的性能,分析了不同的工作特点和应用特征,在此基础上设计了一种新的有轴系快速控制反射镜结构。轴系利用柔性轴承无摩擦、转角大的特点,通过分析计算提出了适用的参数,选择了相应的柔性轴承.该设计结合了有轴系和无轴系快速反射镜的优点,提出了一种具有发展前景的快速反射镜结构。     

基于PQ法的惯性/光机复合指向控制方法

为了进一步提升机动平台的遥感侦查能力,在惯性稳定平台的基础上,结合光电探测信息通路中的快速反射镜,构成惯性/光机复合指向系统,借助快返镜的快速运动补偿惯性稳定回路的伺服误差,可有效提高探测光轴的稳定精度与指向跟踪的机动性能。将惯性稳定回路与快反镜控制回路转化为平行的双入单出系统,针对两者作用频带与作动范围的差异,提出一种惯性/光机复合指向控制方法,解决系统中惯性稳定机架指向与快反镜指向叠加的稳定性匹配和频带分解问题,从而提升光轴的稳定精度和机动性能。仿真结果表明:加入了快反镜的惯性稳定平台的误差有显著减小,其跟踪误差量从0.018减小到0.005以内,验证了控制器设计的有效性。     

闪烧技术制备致密钛酸锶钡基陶瓷的研究

通过闪烧法制备Na离子掺杂钛酸锶钡基陶瓷,研究了外加不同直流电场强度条件下钛酸锶钡基陶瓷的相结构、微观形貌和快速烧结致密化原因。结果表明,在330 V/cm、440 V/cm、550 V/cm和660 V/cm不同电场强度下,相结构均为纯钙钛矿结构,平均晶粒尺寸随电场的增加而减小,闪烧起始温度随电场的升高而降低,当电场强度达到660 V/cm时,其烧结温度为800℃。     

基于双前馈+双神经网络自适应快速反射镜的解耦控制

基于柔性铰链结构支撑和音圈电机驱动的两轴快速反射镜是一个两输入两输出强耦合系统,X轴和Y轴间的耦合大幅降低了反射镜的定位精度,采用传统的PID控制算法很难实现高精度的解耦控制。针对中心对称和轴对称结构形式的两轴快速反射镜,理论分析了两轴快速反射镜耦合来源—直流耦合分量和非直流耦合分量;建立了X轴和Y轴间的耦合物理模型;提出的双前馈+双神经网络自适应解耦控制算法分别补偿直流耦合分量和非直流耦合分量。实验结果表明:该控制算法与传统的PID控制算法相比,耦合度从5%左右降低到1.0‰以内,从而定位精度从2.5%左右提高到0.5‰以内。     

万向柔性铰链连接快速反射镜的设计与仿真

在高能激光武器系统中,快速反射镜作为光束指向控制的核心器件,对提高毁伤效能起到关键作用。针对扩展高能激光武器系统光束指向范围的战术需求,设计了一种万向柔性铰链连接快速反射镜系统。研究了各组成单元对快速反射镜系统性能的影响因素,分析了单自由度单音圈电机驱动反射镜设计方案的可行性。在此基础上给出了音圈电机和光栅测微仪的设计依据,进行参数设计,推导了万向柔性铰链的柔度表达方程,并验证了万向柔性铰链的弯曲强度。仿真结果表明,快速反射镜系统具有3.3的运动行程,一阶谐振频率达到了231.04 Hz,满足了大行程、高带宽的设计要求。     

Soft pneumatic actuators adapted in multiple environments: A novel fuzzy cascade strategy for the dynamics control with hysteresis compensation

Soft pneumatic actuators (SPAs) have been widely used in the design of various soft robots due to their compliance, adaptability, and high force density characteristics. However, it is a challenge to accurately model and control such soft pneumatic robotic systems due to inherent hysteresis nonlinearity, uncertainties, and disturbances from external environments. In this paper, we propose a novel fuzzy cascade strategy to control the dynamics of bellow-type soft pneumatic actuators when working in multiple environments (air, water, and their transition process). First, the components of the soft pneumatic system including the actuator and solenoid valve are mathematically modeled using second-order transfer functions, which are derived with a system identification method. Then, the Prandtl-Ishlinskii (P-I) model is proposed to accommodate and characterize the complex hysteresis effect. In the P-I model, the parameters are identified and derived using a particle swarm optimization (PSO) method. Subsequently, an inverse P-I model is constructed and placed in the feed-forward path to compensate for the hysteresis effect. In addition to the hysteresis nonlinearity, the uncertainties and disturbances from multiple environments will also degrade the tracking performance of soft pneumatic actuators. To enhance the adaptability, especially during the trans-environment process (e.g., from air into water or the reverse), a single-input FUZZY P+ID controller is proposed and integrated into the cascade strategy aiming to improve the robustness and precisely control the system dynamics. Extensive simulations and real-world tracking experiments of soft pneumatic actuators fabricated with the fused deposition modeling (FDM) method are performed to evaluate the performance of the proposed strategy and three designed controllers (PID, fuzzy PID, and FUZZY P+ID). It is noted that the comparison of tracking results has proved that the proposed FUZZY P+ID controller with only single input has better overall performance than traditional PID and fuzzy PID controllers in terms of adaptability and robustness.     

空间光通信复合轴APT系统

为克服单轴伺服系统的固有频率和带宽限制,设计了一个双轴复合APT系统.建立了快速反射镜、相机、D/A数据采集卡和速度伺服单元的传递函数,得到了该系统的传递函数的理论模型.结合MATLAB仿真,分析了动态滞后误差、平台振动误差、光斑质心检测误差、机械力矩干扰误差对APT系统精度的影响.采用现代综合算法,对快速反射镜APT...     

柔性支撑快速反射镜伺服机构的参数辨识

首先提出了基于柔性支撑的双轴快速反射镜存在的问题;简要介绍了一种基于柔性支撑的双轴快速反射镜系统伺服机构的结构形式,给出了伺服机构的脉冲传递函数;讨论了基于相关-辅助变量递推最小二乘法的多输入多输出系统参数辨识原理与辨识方法,在此基础上提出了基于柔性支撑的双轴快速反射镜系统伺服机构的参数辨识算法,并对该方法进行了数值仿真;设计伺服机构参数辨识实验验证算法的可行性,并将实验结果与仿真结果进行对比。结果表明基于相关-辅助变量递推最小二乘法的多输入多输出系统参数辨识算法有效,辨识精度在预期的范围内,可以为快速反射镜系统的自适应控制提供数据支撑。     

快反镜在高功率连续激光辐照下的热性能分析

为了研究高功率连续激光辐照过程中快反镜的热性能变化问题,文中利用多物理场仿真分析软件建立了融凝石英（fused silica）、微晶（zerodur）、碳化硅（SiC）三种材料制作的快反镜传热学和结构力学耦合非稳态模型,通过泽尼克多项式算法对高功率激光辐照快反镜热应力下的光学波前进行拟合。研究结果表明:在同等激光功率辐照条件下,微晶材料制作的快反镜温升最小,形变最小。根据仿真结果优选微晶作为快反镜镜体材料,基于泽尼克多项式对快反镜波前热畸变进行仿真分析,计算得到波前热像差以活塞、球差、离焦等为主导,可为波前校正工程应用提供理论参考。     

空间相机快速反射镜的两轴柔性支撑结构设计

快速反射镜是空间相机中常用的像移补偿装置,而支撑结构的机械特性将直接影响快速反射镜系统的响应速度及闭环带宽。以某近地轨道空间相机中的音圈电机驱动型快速反射镜为研究对象,设计了基于十字型柔性铰链的两轴柔性支撑结构,该结构具有空间利用率高、中心漂移小等优点。根据悬臂梁的挠曲线近似微分方程,建立了柔性支撑结构两轴转动刚度的数学模型,针对快速反射镜机构的谐振频率要求,选择了柔性铰链的主要结构参数,并利用有限元软件MSC.Patran对机构进行了模态分析,分析结果表明,快速反射镜机构在两个工作方向上的谐振频率分别为18.6 Hz和18.7 Hz,而其他非工作方向上的谐振频率均在292.2 Hz以上,证明了柔性铰链结构参数的选择具有合理性。为了检验理论模型的准确性,加工了快速反射镜的样机并搭建实验平台,对机构的转动刚度和谐振频率进行了检测,检测结果与理论分析得到的结果在允许的误差范围内具有一致性。     

Experimental characterization and modeling of rate-dependent hysteresis of a piezoceramic actuator

Laboratory experiments were performed to characterize the rate-dependent hysteresis properties of a piezoceramic actuator under harmonic, complex harmonic and triangular excitations in the 0.1–500 Hz frequency range. The measured data were analyzed to describe the major and minor hysteresis loops as functions of frequency, magnitude and bias of the input voltage. The results revealed considerably larger hysteresis loop width and lower displacement response amplitude under frequencies above 10 Hz. A rate-dependent Prandtl–Ishlinskii model is developed for describing the rate-dependent hysteresis behaviour of the actuator. This model integrates rate-dependent play operator and density functions formulated on the basis of the rate of change of input and experimentally observed behaviors. The fundamental properties of the proposed rate-dependent play and stop hysteresis operators are also investigated. The model results attained under harmonic, complex harmonic and triangular inputs at different frequencies in the 0.1–500 Hz were compared with the corresponding experimental data to demonstrate model validity over the wide range of inputs. Very good agreements were observed between the model results and the measured data, irrespective of the type and frequency of excitation.     

基于扩张状态观测器的快速反射镜控制研究

为了提高快速反射镜的动态性能并降低跟踪误差,提出了利用扩张状态观测器引入反馈和灰色PID模型控制相结合的方法,该方法基于音圈电机驱动的快速反射模型,采用离散跟踪微分器对输入信号进行过渡和滤波以及对子系统零点配置,并以扩张状态观测器引入反馈和灰色PID控制,对系统的不确定因素进行了估计和补偿,并同不完全微分PID和基于跟踪微分器的零点配置方法进行了性能比较。采用随机正弦信号进行跟踪仿真,仿真结果表明,采用文中算法的跟踪效果明显优于其他算法,且跟踪误差更小,被控对象的动态性能更优,尤其在系统的模型参数发生变化时。该方法具有良好的工程应用价值。     

适用于FSM系统的菱形微位移放大机构设计

为了增加压电陶瓷驱动快速反射镜的偏摆范围,对菱形微位移放大机构进行了研究设计。首先介绍了菱形结构的放大原理并利用变形能法分析了影响菱形结构性能的关键参数,然后建立了快速反射镜系统要求与菱形结构设计要求之间的联系,并根据自行设计的快速反射镜系统选择了菱形结构的关键参数,最后通过有限元仿真对菱形结构和快速反射镜系统进行了模态分析并对快速反射镜的偏摆范围进行了实验测试。仿真与实验结果表明,快速反射镜的偏摆范围大于6',低阶谐振频率约为400 Hz,满足了快速反射镜的系统要求。文中研究得出,菱形结构的位移放大倍率与最大驱动力是此消彼长的两个性能,可以通过合理调整菱形长轴与菱形边夹角以及菱形边宽度使两个性能同时满足系统设计要求。     

空间相机快速反射镜的结构轻量化设计

针对空间相机快速反射镜的工作条件和工作要求,提出了快速反射镜的结构轻量化设计方案。以100 mm口径圆形反射镜为研究对象,设计了利用加强筋减重的反射镜轻量化结构,并提出了基于镜面抗弯刚度等效的等效标准圆镜厚度的计算方法;分别设计了基于镶嵌体结构的背部三点支撑方案和背部中心支撑方案,有限元对比分析的结果表明,采用背部中心支撑方案可以避免镜座与反射镜之间因温度变形不协调引起的多个支撑点相互干涉,镜面面形精度较高,并且由于结构简单,其摆动组件的总质量更轻;为了进一步提高快速反射镜结构的综合性能,同时以摆动组件的总质量及镜面面形的均方根值为优化目标,对背部中心支撑方案下快速反射镜的主要结构参数进行了多目标优化,优化结果显示,加强筋的高度和镶嵌体的壁厚对结构综合性能的贡献最大;最终优化方案下快速反射镜的摆动组件总质量仅为95.75 g,结构的一阶谐振频率为217 Hz,在-8℃温度载荷的作用下,镜面面形的RMS为7.26 nm,满足设计要求的同时,反射镜实现了40.4%的轻量化率。     

基于率相关迟滞模型的压电微动平台前馈控制

为了降低压电微动平台的动态迟滞误差对平台定位精度的影响,该文设计了基于率相关迟滞逆模型的前馈控制器对其进行迟滞补偿。首先,在对平台受力分析和运动分析的基础上建立平台的动力学模型;其次,在经典Prandtl-Ishilinskii(PI)模型的基础上加以改造,得到Modified Prandtl-Ishilinskii(MPI)模型,并将MPI模型与平台的线性动力学模型串联,得到分离式率相关MPI模型,进而基于率相关MPI逆模型建立平台的前馈控制器;最后,对所设计的控制器进行阶跃响应和正弦轨迹跟踪实验。实验结果表明,所设计的控制器具有较好的定位精度与跟踪性能,可以有效地补偿压电微动平台的动态迟滞误差。     

大口径快反镜面形测试系统设计

大口径快速反射镜（快反镜）常被应用于空间光通信和激光武器等领域。为实现工作状态下大口径快反镜面形误差的实时检测,设计了大口径快反镜面形测试系统。该系统的口径参数为400 mm,工作波长为633 mm,由离轴式前置扩束系统和焦面附件系统组成。对测试系统的设计参数及元件参数选择进行了阐述,设计和仿真了光学系统结构,并基于光机热集成分析获得温度变化对光学系统的影响。测试大口径快反镜面形测试系统后结果表明该系统可实现实时记录和高精度测量,且在温度变化的工作环境下也可实现稳定测量,其测量稳定性为0.048λ（RMS,λ=633 nm）。     

Novel models for one-sided hysteresis of piezoelectric actuators

The hysteretic behavior of a plant with a non-negative input, referred to as one-sided hysteresis, is characterized by an initial ascending curve and hysteresis loops. It is observed that the widely-used classical Preisach hysteresis model and its modifications cannot represent such one-sided hysteresis due to the limitation of the Preisach hysteresis operator. To address this issue, a novel hysteresis operator modified from the Preisach hysteresis operator is proposed in this study and on this basis, a rate-independent hysteresis model and a rate-dependent hysteresis model are developed with methods to estimate their parameters. An algorithm to invert the rate-independent hysteresis model and its application to tracking control are also presented. The models and control schemes developed were verified experimentally on a commercially-available piezoelectric actuator. The results obtained show that the models developed are promising to represent the one-sided hysteresis of the piezoelectric actuator and that the inverting algorithm of the rate-independent hysteresis model is effective as applied to the tracking control of piezoelectric actuators.