自适应光学系统中倾斜镜的自适应逆控制

为了克服自适应光学系统中倾斜镜的迟滞响应,提高响应的线性度,改善倾斜镜的控制精度,研究了倾斜镜的迟滞非线性效应。提出了一个基于频率相关的Mutified-Prandtl-Ishlinskii(MPI)模型的补偿方法来在线自适应逆补偿倾斜镜的迟滞非线性。结合反馈PID控制构成了自适应逆前馈复合控制方案,其中自适应逆前馈克服了由于频率等因素引起的迟滞曲线变化,反馈PID则改善了整体的控制性能。建立了倾斜镜二阶系统模型来估计倾斜镜系统的输出,解决了MPI模型参考信号的问题,避免了增加额外前馈传感器,保证了光能量的利用率。实验结果表明,倾斜镜系统15 Hz非线性迟滞率由原来的24.28%降为1.17%,线性度提高了约95%,控制精度较传统PID方法提高了约60%。该方法能够有效补偿倾斜镜的迟滞非线性,提高了自适应光学系统中倾斜镜的校正精度。     

压电陶瓷驱动系统及控制方法研究

给出了一种压电陶瓷驱动系统的控制方法,利用VB中的Timer控件和压电陶瓷电源的DLL动态连接库函数,实现了控制电压的实时可编程输出。针对压电陶瓷驱动器的非线性和迟滞特性,应用MATLAB分别拟合出压电陶瓷驱动器在往返行程中电压与位移值的多项式拟合曲线,得到了电压与位移的关系式,为进一步修正和减少非线性及迟滞误差的影响、提高系统的定位精度,提供了分析的依据。     

200单元硅基单压电变形镜的设计与测试

针对天文望远镜对变形镜的需求,设计了200单元级硅基单压电变形镜并对其进行了性能测试。首先,通过有限元方法对单压电变形镜进行结构建模,分析比较了电极排列形式和边界支撑方式对变形镜性能的影响。然后,制备了3款200单元变形镜样机(环形简支,环形固支,六边形简支)。最后,利用干涉仪测量了变形镜的影响函数,并通过激光多普勒测振仪测量其频响特性。仿真与实验结果表明:致动器在50V电压下变形量可达1μm,固支条件下谐振频率在1kHz左右,对前100项Zernike像差具有良好的校正能力。该变形镜在低成本天文自适应光学系统中具有应用潜力。     

液晶自适应光学系统中倾斜镜的建模与控制

为了提高液晶自适应光学系统的波前探测精度,研究了该系统中倾斜镜的校正方法。分析了液晶自适应光学系统中各环节的物理特性,利用拉格朗日方程给出了倾斜镜系统模型的基本结构;采用子空间辨识方法确定了模型参数,同时利用非线性最小二乘算法对子空间模型的频域特性进行了修正。修正后模型幅频特性均方根误差为0.024 5dB,相频特性均方根误差为1.9008°。引入Smith控制策略来解决倾斜镜校正波前整体倾斜过程中的时滞问题;利用子空间辨识出的模型分别进行Smith和PID的仿真和实验验证,得到的结果与仿真计算相吻合,即在相同稳定裕度的情况下,采用Smith补偿PID算法的误差抑制带宽比传统PID算法提高了23.97%。最后,用提出的方法对一组湍流整体倾斜信号进行了校正。结果显示:采用Smith补偿PID算法的控制精度比传统PID算法提高了21.03%,证实提出的方法优化了倾斜镜的校正精度,保证了开环液晶自适应光学系统的波前探测精度。     

新型压电高速开关阀结构设计与仿真

利用压电晶体的高输出力冲击特性提出一种压电驱动的新型高速开关阀结构,克服了压电晶体低输出位移,输出位移对温度变化敏感等问题;建立了压电阀的数学模型,并进行了仿真分析;仿真结果表明：所设计的压电数字阀能够实现高速、高压、大流量的要求。     

相位检测法定镜自适应校正技术

为保持傅里叶变换光谱仪在动镜运动和外界震动等恶劣条件下动镜和定镜间的准直性,采用了相位检测法检测准直性误差的定镜自适应校正技术。介绍了相位检测法的基本原理和实现自适应校正的途径以及自适应校正系统的基本结构。采用高速压电倾斜镜作为驱动补偿元件,分析了相位检测精度对校正精度的影响。实验结果表明,采用自适应校正后系统干涉效率明显提高。     

机械控制式惯性压电旋转驱动器

以惯性压电旋转驱动器为研究对象,对比研究了非对称式惯性压电旋转驱动器和变摩擦力式惯性压电旋转驱动器的运动特性。分析了两种驱动器的工作原理,设计、制作了试验样机,搭建了测试系统并对两种压电旋转驱动器进行了对比试验测试。结果显示:在8Hz方波电信号的激励下,非对称式压电驱动器的旋转步距大于变摩擦力式旋转驱动器;当驱动电压为100V时,非对称式与变摩擦力式压电驱动器的回退率分别为73.19%、65.67%;在40V、8 Hz的方波激励下,非对称式与变摩擦式压电驱动器的线性度残差平方和与重复性标准差分别为0.031、0.069与0.011、0.063。试验结果表明:与变摩擦力式驱动器相比,非对称式驱动器的输出步距及回退率更大,具有较高的线性度和重复性。     

压电驱动晶体的特性研究

压电陶瓷迟滞特性是影响压电陶瓷驱动器位移输出精度的主要因素。在仔细研究现有的解决方案的基础上，采用Preisach模型对压电的迟滞性进行建模，并进行了相应的实验研究。实验结果证明该方法可以很好地降低压电陶瓷迟滞特性对位移输出性能的影响。而且采用压电陶瓷位移输出不回复到初始0电压状态的处理方法能够更地吻合实际情况。     

高速转镜的驱动装置

DJZ等待型高速转镜扫描、分幅相机是一种具有时间和空间分辨本领的大型精密光学仪器,主要用于研究起点在时间上很不稳定的现象以及某些从仪器方面不可能控制的快速过程。本文主要介绍该仪器电动高速转镜的驱动装置,它是仪器核心的精密部件,其性能好坏直接影响着仪器的主要技术指标、拍摄频率、时间分辨本领和成象质量。     

恒星光干涉仪中倾斜镜系统的研制

本文介绍了倾斜镜在恒星光干涉仪中的作用及倾斜镜系统的组成和工作原理,对倾斜镜系统中的ＡＴ８９Ｃ５１控制单元、高压驱动电源、压电陶瓷微位移装置ＰＺＴ以及倾斜镜的机械结构设计进行了详细的讨论,并给出了倾斜镜闭环实验调试平台。     

压电驱动双面快速指向镜的设计

考虑相干激光雷达对光束波前的要求,设计了压电驱动双面快速指向镜系统以实现相干激光遥感探测的高精度大范围指向定位。研究了系统的机械结构和电子学控制方法。结合指向角度、通光口径及信号带宽的实际工程应用需求,选择了合理的致动器和位移放大机构。针对压电陶瓷固有的迟滞和蠕变等非线性效应,设计了以应变片作为位移传感器的模拟比例-积分-微分(Proportion Intergration Differentiation,PID)闭环反馈控制方法。在仿真分析指向镜固有模态频率的基础上,确定了周边支撑的反射镜支撑方式。实验结果表明,该指向系统能够达到指向范围为27 mrad×27mrad、绝对定位精度优于27μrad、偏转速率为2.7rad/s的指标,基本满足激光遥感探测对探测范围、探测精度、探测速率等指向定位的要求。     

PZT驱动快速控制反射镜的设计与试验

针对望远镜光束对准精确度损失以及光束稳定性难以保持等问题.将快速控制反射镜技术应用到望远镜光路系统中,开展了影响压电陶瓷(PZT)驱动快速控制反射镜性能指标的分析;建立了结构谐振频率、分辨力、通光口径和惯性力等与系统性能之间的关系,根据Rayleigh能量法建立了其基频理论模型,在此基础上建立了有限元模型并对理论模型进行了评价,进行了结构一阶谐振、量程、一致性以及校正能力试验.研究结果表明:与实测结果相比,理论和仿真分析结果误差均小于3％,证明了理论模型简化的合理性与正确性,可以作为后续设计参考;结构双向一致性较好;校正量程大于±4′;校正能力优于0.06″,对于较差视宁(相干长度50 mm,等晕角2”)亦可以满足精度高、响应快的应用要求.     

音圈致动快速反射镜的降阶自抗扰控制

为改善航空光电载荷用音圈致动快速反射镜的控制性能,提出一种降阶自抗扰控制方法。首先,对快速反射镜(Fast Steering Mirror,FSM)模型进行了分析并获取了模型参数。根据自抗扰控制理论,设计了FSM的三阶通用自抗扰控制器。将电涡流传感器的测量结果视为已知,提出降阶扩张状态观测器及其对应的自抗扰控制器设计方法。根据控制器带宽设计思想,推导了对于FSM这类二阶欠阻尼对象的控制律,并给出了加入扰动补偿量的控制律的具体实现形式。实验结果表明,降阶自抗扰控制能明显改善FSM的位置阶跃响应动态性能,能实现无超调与振荡的阶跃响应,稳态时间由11.7 ms提升至9.2 ms,同时能够降低FSM对位置斜坡输入跟踪的稳态误差,并改善其速度响应动态过程,像移补偿稳速时间由10.2 ms提升至7.8 ms,提升约24%。降阶自抗扰控制具有实现简单、运算量小的特点,能够明显提升FSM的动态性能。     

采用柔性铰链的快速反射镜设计

根据激光发射系统对快速反射镜发射方向精度的需求,提出了一种新型快速反射镜设计方案。该方案以柔性铰链为运动传递元件,采用直线音圈电机驱动,并用高精度光栅测微仪实现位置闭环控制。首先,介绍了反射镜工作原理及驱动方式,选择了系统的驱动元件和测角元件,并对柔性铰链结构进行设计。在研究其刚度特性的基础上,采用序列二次规划法优化了铰链关键尺寸。然后,建立了驱动组件的简化模型,并利用理论公式和有限元分析软件分别计算驱动组件的转角精度。最后,使用测角元件及自准直平行光管测量了快速反射镜的转角精度。实验结果表明：所设计的快速反射镜装置工作稳定、结构可靠,对发射光束的控制精度能达到0.95",满足激光发射系统实时控制光束发射方向的精度要求。     

快速反射镜姿态角的高精度解算

为了提高跟瞄转台出射激光的指向精度,研究了快速反射镜(FSM)姿态角与转台跟踪误差间的关系,提出了FSM姿态角的高精度解算方法。介绍了跟瞄转台出射激光的光路特点和FSM的工作原理;确定了坐标系中入射光与出射光的方向,依据坐标变换理论和光的反射定律,建立了FSM反射镜姿态角与转台跟踪误差间的函数关系。然后,推导出姿态角的解析表达式,描述了姿态角的空间分布规律,并从解析表达式中推出了近似表达式,确定了近似表达式引入的指向误差。最后,通过指向精度实验验证了姿态角解算方法的正确性。实验结果表明:在跟踪误差不超过(A 12.9′,E13.5′)时,应用姿态角解析表达式和近似表达式均能取得优于2.5″的指向精度;跟踪误差增大为(A38.6′,E37.8′)时,解析表达式对应的指向误差仍低于2.5″,而近似表达式对应的指向误差迅速增大为13.2″。得到的结果显示:FSM姿态角的解析表达式不存在原理误差,在任意跟踪误差下均能使出射激光具有高精度指向能力,且其形式简洁,满足伺服控制器快速运算的要求。     

提高万向轴系式快速反射镜指向精度的装置

为了减小万向轴系式快速反射镜(FSM)的轴向间隙,改善FSM系统的指向精度,设计了一种轴系间隙消除装置。在明确万向轴系式FSM结构原理的基础上,分析了FSM系统指向误差的来源。然后,设计了轴系间隙消除装置,计算了压缩弹簧预紧力并对它的结构参数进行了设定。最后,针对是否装有轴系间隙消除装置的FSM系统的指向精度进行了对比测试。结果表明:该轴系间隙消除装置能够有效改善FSM系统的指向精度,使其在方位方向提高约4.4倍,俯仰方向提高约3.3倍。此外,在刚性支撑轴系基础上设计的弹性轴向间隙消除装置,不仅改善了万向轴系式FSM的指向精度,还为系统的运动部分提供了二次刚性支撑,从而进一步提高了FSM的承载能力。     

机载小型化快速反射镜用微位移测量传感器设计

为了实现机载小型化FSM的闭环控制,设计了一款小体积、高精度、高环境适应性的微位移测量传感器。首先根据位移传感器的技术原理和机载FSM的应用需求,提出了微位移测量传感器的主要设计指标。然后,分别对微位移测量传感器的发光元件、密珠滑轨、测量光栅和接收元件等进行了详细设计与选择。其中,高精度密珠滑轨的采用不仅减小了测量过程中的附加阻力,而且使光栅副的运动更加精准;光栅副通光窗口的引入、独特零件编码的设计、裂相法信号提取方式的采用,保证了微位移测量传感器的高低温性能。最后,针对微位移测量传感器在机载小型化FSM上的应用效果进行了理论分析与实验检测。结果显示:机载小型化FSM的方位指向误差不超过3.4″,俯仰指向误差不超过3.8″,证明了专用型微位移测量传感器高精度、高分辨力和高响应速度的技术特点,满足机载小型化FSM的应用需求。     

具有两个双轴柔性铰链的快速反射镜设计

为了改善快速反射镜(FSM)对车载运动平台振动、冲击环境的适应性,设计了一款具有中心和四周两个双轴柔性铰链支撑结构的FSM。在明确车载跟瞄发射系统应用需求的基础上,分别对FSM的平面反射镜、驱动元件、测角元件和柔性铰链进行了详细设计和选择。采用两两差分的方法对四通道电涡流传感器的测量噪声进行抑制,有效保证了FSM的测量精度。采用有限元分析的方法对中心和四周柔性铰链的模态和刚度进行分析与优化设计,有利保证了FSM控制带宽的提高。完成FSM的精密加工、装调后,对系统的指向精度、控制带宽和阶跃响应时间进行了实验测试分析。结果表明,所设计FSM的指向精度优于1″,闭环控制带宽大于200 Hz,阶跃响应时间约为10 ms,满足车载平台系统的应用需求。     

快速控制反射镜两轴柔性支撑平台刚度优化设计

基于椭圆弧柔性铰链兼顾了直梁型柔性铰链运动范围大和圆弧型柔性铰链运动精度高的特点,设计了基于椭圆弧柔性铰链的二维快速控制反射镜系统两轴柔性支撑平台。为使柔性支撑平台快速响应性好,即使其低阶固有频率最大化,对该柔性支撑平台进行了结构优化设计。理论推导了单个柔性铰链最大刚度与许用应力、转角和铰链参数的理论计算公式。然后,采用集总参数的分析方法,得出了两轴柔性支撑平台低阶最大固有频率的理论计算公式。由公式可知:在转动惯量一定的情况下,低阶固有频率最大化即为工作方向刚度最大化。最后,通过有限元仿真和实验检测验证了理论计算的准确性,得到的结果显示:柔性支撑平台的最大固有频率和最大应力的理论值与仿真值的相对误差小于5%,平台工作刚度的理论值与仿真值、实测值的相对误差分别为3.86%和5.75%。仿真和实验结果表明:利用本文推导的理论公式进行柔性支撑平台刚度优化设计,既可以满足工程设计要求,又能省去繁杂的有限元计算。