高精度音圈快速反射镜的自适应鲁棒控制

为了进一步提高复合轴航空光电稳定平台的性能,文中首先在硬件电路中采用电流环将复杂的电机模型简化为一阶模型,同时保证电机的输出力矩稳定;然后在PD控制器的基础上,引入了自适应鲁棒控制器,对快速反射镜进行位置控制和扰动抑制;最后分别通过带宽测试实验、扰动抑制实验、视轴稳定实验和鲁棒性实验对其性能进行测试,并采用DOB型音圈式-快速反射镜和压电陶瓷式-快速反射镜做对比。实验结果表明:相比于传统的DOB型音圈式-快速反射镜系统,本文控制方法的参数鲁棒性更强;相比于传统的压电式-快速反射镜,本文控制方法不仅视轴稳定精度与其不相上下,还具有更大的行程。除此之外,在80Hz以内任意频率扰动的影响下,基于ARC型音圈式-快速反射镜的复合轴航空光电稳定平台的视轴稳定精度均可以控制在5μrad(RMS)以内;同时在-40℃~50℃的温度条件下依然可以保持该性能,远远优于DOB型音圈式-快速反射镜的效果。本文控制方法完全满足高精度航空光电稳定平台的性能要求,对提高航空光电稳定平台控制系统的抗扰动性能具有较高的实用价值。     

二维快速控制水冷反射镜装置设计

为了进一步精确控制激光发射方向,减少反射镜热畸变以提高光束质量,设计了一种新型二维快速控制水冷反射镜装置.根据高功率激光反射镜的设计和制作原则,对反射镜的材料性能进行了分析,采用主动水冷铜镜来减小镜面热畸变使镜面变形控制在0.1 μm以内.然后,分别从机械结构、驱动器和控制系统、角度检测元件3方面设计了反射镜装置,其x-y轴框架式的机械结构形式,可减小反射镜的冷却水管对轴系回转精度的影响,使回转精度＜2″.实验测试结果表明,二维快速控制水冷反射镜装置工作稳定、可靠,控制光束稳定的精度＜1″,可满足对激光传输方向的精确实时控制和对光束整体倾斜方向进行校正等要求.     

基于DOB和ZPETC的PWM驱动快速反射镜控制方法研究

针对高精度音圈电机快速反射镜PWM驱动方法存在的问题,对快速反射镜控制方法进行了研究。设计了基于干扰观测器(disturbance observer,DOB)和零相差跟踪控制器(zero phase error tracking controller,ZPETC)相结合的鲁棒控制方法。通过系统辨识实验建立了音圈电机快速反射镜的动态模型,利用半实物仿真平台对控制系统的动态性能进行了测试,给出了被控对象的实验记录测量数据及其开环幅频特性曲线bode图。研究结果表明,基于干扰观测器和零相差跟踪控制器的控制方法补偿了外部扰动、模型不确定性以及机械非线性等因素对控制系统性能的影响,系统带宽达到150 Hz以上,快速反射镜伺服系统能够满足光电跟踪系统对快速反射镜的快速性和高精度要求,新方法在性能上有显著的提高,在实际工程中具有较高的应用价值。     

车载大口径刚性支撑式快速反射镜

为了适应车载平台恶劣的工作环境,设计了一种大口径刚性支撑式快速反射镜。针对车载跟瞄转台对快速反射镜的应用需求选择音圈电机为驱动器,并分别设计了快速反射镜系统的平面反射镜、驱动器、支撑基座、测量元件和机械结构。然后,应用有限元分析方法,有效地实现了平面反射镜的轻量化及支撑基座的模态分析。快速反射镜通过球型铰链实现其运动部分与不动部分的连接,主要载荷通过铰链由支撑基座间接承载,从而有效地保障了大口径快速反射镜的承载能力和环境适应性。最后,组建了伺服控制系统,并对控制带宽和指向精度进行了测试。结果显示:所设计的车载大口径快速反射镜带宽达67Hz,方位指向精度为1.0″、俯仰指向精度为1.1″,表明控制系统稳定实用,满足车载平台的应用要求。     

激光发射系统快速反射镜的光线反射过程

为了精确控制光电跟踪复合轴系统的快速反射镜,研究了快速反射镜的反射过程。推导出了快速反射镜镜子转动角度和反射光线转动角度之间的关系,描述了快速反射镜系统的控制方法和软件实现。以推导出的快速反射镜镜子转动角度和反射光线转动角度之间的关系为理论依据,建立了快速反射镜伺服控制系统,对快速反射镜系统进行了锁零实验和跟踪实验,并与母轴系统进行了对比。实验结果显示:快速反射镜在锁零时稳态精度小于1″,且响应快速;在跟踪时系统方位跟踪误差均方根为3.6″,俯仰跟踪误差均方根为8.7″,满足光电跟踪系统对跟踪速度和瞄准精度的要求。得到的结果表明,基于快速反射镜反射过程理论建立的快速反射镜伺服系统提高了激光发射系统的跟踪精度和响应速度。     

高精度动载体激光发射系统光束控制反射镜

设计了一种适于车载等运动环境下的快速控制反射镜, 用于在具有振动和冲击的工作环境下控制激光发射系统的激光光束稳定及其精确校准。根据某光学系统的性能指标要求,阐述了用于高能激光的平面反射镜的物理性能以及控制反射镜负载应有的机械特性。采用大行程的音圈电机作为控制反射镜的驱动器,并设计了精度高、抗干扰能力强的角位移测量装置作为控制反射镜的位置传感器。对所采用的4个音圈电机和4个角位移测量装置进行了合理布局,既降低了系统的转动惯量又提高了系统的可靠性和环境适应性。实验结果表明：该快速控制反射镜的定位精度优于1.4″,满足高能激光发射系统对控制反射镜的精度要求。     

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。     

反射镜式光电系统光路内嵌复合轴稳定平台

为满足高机动装甲车辆对光电瞄准系统视轴高稳定精度的要求,设计了光路中嵌入快速反射镜的反射镜式光电系统复合轴稳定平台。首先,利用施奈尔反射镜定律的矢量方程,构建系统视轴矢量方程,研究其运动特性、稳定补偿原理;然后,分析了控制方法、控制系统频率特性,分析结果显示,传统稳定平台控制系统的截止频率26Hz,而复合控制系统的截止频率为215Hz,控制系统带宽提升了8倍以上;最后,构建了复合轴稳定平台实验装置、测试装置,介绍了实验方法、稳定精度测试原理,开展了复合轴平台与传统平台的稳定精度比较实验。实验结果表明,在相同的实验条件下,复合轴平台较传统平台的稳定精度提高了5倍以上,反射镜式光电系统光路内嵌复合轴稳定平台能够实现光电瞄准镜的高精度稳定。     

基于生物激励神经动力学的AGV轨迹跟踪控制

提出了一种基于门限偶极子生物神经元模型和快速终端滑模控制策略的轨迹跟踪控制算法,使AGV在存在初始速度跳变的情况下能顺利实现小车的轨迹跟踪控制。首先由运动学控制器产生一个理想控制律,接着利用神经动力学思想解决初始速度跳变问题,最后用快速终端滑模控制器进一步提高跟踪精度。该控制器的输出有界且光滑,整个控制系统全局快速渐进稳定。计算机仿真结果验证了该控制器的有效性。     

车载激光系统光束控制反射镜角位移测量装置

为了使快速控制反射镜(FSM)能在车载、舰载等运动环境下稳定工作,并具有很高的控制精度,研制了一套高精度角位移测量装置,该装置通过精确地提供反射镜摆角信息作为系统的反馈信号来实现伺服闭环控制.针对传统快速控制反射镜位置信息反馈传感器的精度低以及不适于动载环境等缺点,采用田字裂相信号提取方法设计了基于莫尔条纹计数测量原理的精密光栅,并通过计算机进行仿真分析设计了具有抗干扰能力和耐高低温变化的绝对零位信号,其对比度达0.25.对信号处理电路进行高度集成,实现了小型化.实验结果表明,反射镜角位移测量装置测量的反射镜角分辨率为0.15″,测角精度优于0.4″,完全能满足机动式条件下,高能激光发射系统对FSM控制精度的要求.     

带干扰观测器的航空相机前向像移补偿控制器

研究了飞机姿态角速度变化的不确定性扰动对相机反射镜前向像移补偿效果的影响,设计了带有干扰观测器的伺服控制方案来抑制干扰.介绍了一种基于力矩扰动作用的反射镜系统数学模型.采用干扰观测器将外部力矩干扰及模型参数变化造成的实际对象与名义模型输出的差异等效到控制输入端.然后,在控制中引入等效的补偿来实现对干扰的抑制.最后,应用该方法设计了带有干扰观测器的控制器对相机反射镜组件进行像移补偿控制.与先进的PID方法的比较结果表明:在相同扰动作用下基于干扰观测器的补偿控制算法得到的干扰前向像移残差减小了40％～60％左右.该方法提高了相机反射镜前向像移的补偿精度和补偿控制的鲁棒性.     

机动车载快速反射镜激光指向修正量的解算

为了提高机动车载跟瞄发射系统的瞄准精度,提出在其发射光路中引入快速反射镜来修正发射激光的方向。研究了快速反射镜激光指向修正量和粗红外跟踪脱靶量以及反射镜空间实时绝对角度的关系,结合激光发射光路和红外跟踪光路的结构特点,提出了将船摇坐标变换理论应用到快速反射镜激光指向修正量的解算中。建立了快速反射镜激光指向修正量与粗红外跟踪、快速反射镜空间位置的关系,并通过MATLAB编写了M函数,建立了SIMLINK仿真模型。基于仿真模型得出了激光指向修正量与快速反射镜转角的关系数据以及在快速反射镜工作范围(±6′)内的简化公式。试验结果表明:该解算算法正确,解算精度较高,最大静态解算误差为2.9″;载车在三级公路上以20km/h的速度跑车时,激光指向的控制精度为方位角11.65″、俯仰角15.38″,均满足项目指标要求。     

基于PSO的某稳瞄系统滑模变结构控制研究

针对某坦克瞄准镜稳定控制系统,考虑到其中二分之一传动机构间隙和上反射镜固定轴导致的黏性摩擦所引起的非线性时变特征,提出基于粒子群算法的模糊滑模变结构控制方法,旨在优化稳定控制系统滑模控制器的参数,增强系统鲁棒性,并有效弱化抖振。仿真结果表明,该设计可有效提高瞄控系统稳态精度,为坦克稳瞄系统的控制提供了一种切实可行的控制方案。     

利用模拟退火优化快速反射镜控制策略

由于快速反射镜(FSM)系统在不同应用场合下需要不同有效带宽和闭环带宽,本文基于压电FSM控制系统建立系统模型,通过分析系统光轴抖动情况,对FSM控制算法进行了优化。首先,测得系统闭环Bode图,利用模拟退火算法求取系统传递函数;然后,结合辨识模型与模拟退火算法,提出了一种满足不同应用场合的全局最优PID控制器。最后,通过阶跃响应测试验证辨识模型的正确性,通过闭环实验测试验证最优控制器的有效性。结果表明,辨识模型与实际系统在中低频段符合得很好,阶跃响应曲线基本一致。采用最优控制器控制的系统有效带宽为35 Hz,闭环带宽为70Hz,跟踪精度提高了47%,基本满足当前实验环境下对FSM性能的要求。提出的系统显示良好的低频跟随能力和高频干扰抑制能力,跟踪精度高,器件损耗小。     

快速反射镜系统的扰动抑制控制研究

快速反射镜（Fast Steering Mirror,FSM）作为惯性稳定平台的精跟踪控制系统,能够进一步提高惯性稳定平台的视轴稳定精度。针对FSM在工作过程中受到的外界风力干扰、载机姿态变化和内部摩擦力等多源扰动,设计基于干扰观测器（Disturbance Observer,DOB）的抗扰控制方法。先建立FSM的数学模型,对实体快反镜进行模型辨识,然后设计基于干扰观测器的速度环扰动抑制控制方法。通过仿真实验验证了所设计干扰抑制方法的有效性,可为扰动抑制方法的工程应用奠定基础。     

光自闭环快反镜的控制器设计

随着人们对激光束指向精度要求越来越高,对快速反射镜控制技术的要求也相应提高。快反镜控制器主要由控制算法与硬件电路组成。文中设计了光自闭环快反镜的控制器。以DSP F2812芯片为控制核心,DB6236 H桥功率转换芯片为驱动核心。配合电流采样电路以及以CMOS芯片为采样核心的光斑检测电路,完成控制器硬件电路设计。采用增量式离散不完全微分PID算法抑制快反镜工作方向谐振,提高控制器控制带宽。编写DSP控制程序,完成电流读取、光斑质心读取以及多环控制计算。完成快反镜机电系统搭建,并测试其控制误差以及控制带宽。     

基于新型LQR的四旋翼无人机姿态控制

为四旋翼无人机的姿态稳定控制提出了新的LQR控制器,该控制器能够实现姿态的快速稳定控制并跟踪参考输入。首先,根据假设建立了四旋翼无人机的动力学模型,并在此基础上用泰勒级数展开进行线性化。然后利用线性模型设计了LQR控制器,并对控制器进行了改进。最后使用Matlab/Simulink进行试验仿真,验证了改进后的LQR控制对控制过程响应速度的提高。     

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。     

模糊自适应PID在数控进给伺服系统的应用

数控机床的进给伺服控制是复杂的机电耦合系统,因其存在参数时变、负载扰动以及电机的非线性等缺点,很难为其建立准确的模型.模糊FIJzzy控制具有无需建立被控对象的数学模型、鲁棒性好等优点但稳态精度差,将模糊控制和PID控制相结合,设计了模糊自适应PID控制器,并将此应用于数控伺服系统的控制中,该控制器具有较完善的控制性能.仿真实验的结果表明,采用该模糊自适应PID控制器具有较高的稳定精度,较强的鲁棒性.     

改进蜻蜓算法的快速反射镜自抗扰控制

为了提高天基激光武器光电跟瞄系统中快速反射镜(Fast Steering Mirror,FSM)的跟踪精度和抗干扰能力,建立了基于改进自抗扰控制器(Improved Active Disturbance Rejection Control,IADRC)的FSM闭环控制系统,对系统中IADRC的参数整定方法进行研究.由于...