并行相移同轴数字全息偏振成像方法

为了研究并行相移同轴数字全息系统中偏振态传输的问题,提出考虑偏振的并行相移同轴数字全息系统的修正模型,并依据此模型提出偏振成像方法。首先,介绍了理想情况下并行相移同轴数字全息的原理,然后,介绍了考虑偏振的并行相移同轴数字全息修正模型,最后,基于此模型提出了实现偏振成像的方法。实验结果验证了模型的可行性,通过这种方法可以得到外表信息,成像分辨率可达到14μm。该方法扩充了数字全息系统的功能,通过该系统可以对物体的偏振态进行成像。

基于TMS320F2812的直流力矩电机伺服系统

针对现有光电设备的伺服控制系统存在的集成度差、价格昂贵等问题,提出一种基于TMS320F2812芯片作为核心处理元件的伺服控制器的设计方法,以DSP为基础构建了伺服控制系统的硬件平台,采用数字化控制算法,实现了对选用直流力矩电机作为执行元件的光电经纬仪的伺服控制。经实际运行证明,该设计方案完全能实现光电经纬仪所要求的跟踪性能,满足高精度要求,可以替代基于PC-104工业总线的控制板卡构成的伺服控制系统。

基于dsPIC30F4011的高精度微型直流电机伺服控制器

介绍了一种Microchip公司生产的数字信号控制器dsPIC30F4011。以dsPIC30F4011为控制核心,以双全H桥驱动芯片L298N为驱动单元,采用异步通信串口与上位机进行数据通信,控制策略采用内模PID控制算法,设计了一种高精度的微型直流电机控制器。该控制器在大型光电望远镜的光学镜头调焦系统中获得了广泛应用,给出了该控制器的硬件详细设计、软件算法设计以及大型光电望远镜光学系统调焦机构的基本原理。最后给出了应用该控制器的调焦系统的仿真和实验结果。

基于PXI总线的通用伺服控制卡的设计方法

伺服控制器是伺服控制系统的1个重要组成部分,主要功能为完成精密跟踪算法的运算及控制相关对外通讯、电气接口。PXI总线是由美国NI公司于1997年发布的1种新的开放性、模块化仪器总线规范。PXI结合PCI的电气特性和欧洲卡机械封装以及高性能IEC连接器,使之具有PCI总线的高性能和欧洲卡结构的高可靠性。提供了基于PXI总线和浮点数字信号处理器TMS320F28335的通用伺服控制卡的设计方案,给出了详细的硬件设计方法和基于该控制器的伺服控制软件的软件设计方法。

基于重复控制的光电望远镜低速平稳性改善方法

分析了光电望远镜低速跟踪过程中的力矩波动对速率平稳性的影响,提出了一种基于重复控制算法的控制策略,并给出了该算法的稳定性分析和设计方法。另外提出了使用正弦法测量光电望远镜机械时间常数Tm的方法。实验证明:使用重复控制算法可以有效地抑制了由力矩波动引起的低频噪声,提高光电望远镜的低速跟踪能力。

光电望远镜伺服系统速度环的自抗扰控制

针对大口径光电望远镜惯量大、存在摩擦非线性的特点,设计了自抗扰控制器以改善伺服系统的速度响应特性。介绍了自抗扰控制器的工作原理和基本结构,给出了控制器参数的选择依据,并仿真分析了各个参数的作用效果。最后,在实际望远镜转台上和常规PID控制器进行了对比实验。结果表明,采用自抗扰控制器,既可以实现大速度阶跃响应快速无超调,又可以缩短低速阶跃响应时间、改善低速平稳性。在以0.005(°)/s速度运行时,系统稳定时间为1s,速度波动标准差为0.000 082(°)/s,最大值为0.000 42(°)/s,性能明显优于传统的PID控制系统。实验结果证明自抗扰控制器对摩擦、饱和等非线性因素具有抑制能力,可以提高望远镜伺服系统的调速性能。

变结构PID在大型望远镜速度控制中的应用

为了满足大型望远镜对于速度控制响应快、超调量小、稳态精度高、低速运行平稳的要求,在分析经典PID控制算法的基础上,提出了一种变结构PID控制器。通过构造以控制误差为自变量的比例增益、积分增益、积分变增益和微分增益等函数,变结构PID能够根据瞬时误差实时改变其结构和参数。针对某大型望远镜的传递函数模型,仿真验证了变结构PID的作用,并比较了经典PID与变结构PID的控制性能。实验结果表明,该望远镜能够以最大加速度达到期望速度,且无速度超调,以20(°)/s运行时的最大稳态误差为0.0167(°)/s,以10(″)/s运行时的最大稳态误差为0.7(″)/s。仿真和实验结果均证明:基于变结构PID控制器的速度控制系统能够满足大型望远镜的要求。

激光捷联惯导系统的外场动态标定方法

激光捷联惯导系统的误差参数随着时间的推移会发生变化,为了实现惯导系统长期稳定使用且不拆装系统,需要对外场动态条件下激光陀螺捷联惯导系统的系统级标定方法进行研究。首先根据线性时变系统的可观测性判据详细地分析了动态条件下捷联惯导系统的可观测性,从而给出了完全激励惯导系统12个误差参数(加速度计零偏、标度因数误差以及陀螺零偏、标度因数误差)的必要条件,进一步根据必要条件给出了一种能标定出12个误差参数的可行动态标定路径,并且验证了该路径下系统的完全可观测性。仿真结果表明,在该路径下激光惯组的12个误差参数都是可估计的,陀螺零偏的估计误差在设定值的3%以内,陀螺标度因数误差的估计误差在设定值的7%以内,加表零偏的估计误差在设定值的2%以内,加表标度因数误差的估计误差在设定值的3%以内。

利用加速度计的大型光电望远镜抖动测量方法

为了克服传统抖动测量评价方法在更大VI望远镜上的局限性，提出了利用多加速度计来对抖动进行全面测量和评价的方法。在介绍加速度计测量原理及安装方式的基础上，重点说明了如何利用加速度计测量信息来获得系统抖动信息的时、频域数据处理方法，分析了直接时域积分方法的不足，提出了利用频域积分方法获得系统抖动统计特性的新方法。最后，在某1m级以上望远镜上做了抖动测量实验，结果表明，该测量方法可以计算0．5—500Hz频率范围内任意频率段的抖动RMS值，望远镜方位轴系在静态条件下最大抖动量在0．21”以内，闭环条件下最大抖动量在0．35”以内。加速度计不但能敏感齿槽力矩、摩擦力矩等内扰力引起的抖动，还能敏感因外扰力——风阻、地基振动等带来的轴系晃动，是全面评价望远镜抖动性能的有效方法。该测量方法可以为大型望远镜机械最优设计、控制带宽设计和系统最终性能指标评价提供数据支撑。

基于DSP的永磁同步电动机控制系统设计

为提高永磁同步电动机(PMSM)伺服系统的控制精度和实时性,设计了基于数字信号处理器(DSP)的全数字PMSM控制系统。TMS320F28335型DSP的片上资源丰富,有浮点运算单元,使系统硬件设计更方便,运算速度更快。在PMSM数学模型和矢量控制原理的基础上,设计了PMSM控制系统的硬件和软件。该控制系统具有完成控制算法、电流和转子位置检测、速度计算、SVPWM产生等功能。在一台森创1.5kW的PMSM上进行了实验,结果表明,控制系统调速准确,性能良好,运行稳定。

利用加速度反馈的大型光电设备主轴控制技术

随着光电跟踪设备的大型化,在系统的惯量增大的同时,机械谐振频率一般会降低,此时控制系统的带宽设计将受到限制,而且大型的光电设备更容易受到风阻、地基振动等各种干扰的影响,从而降低系统的控制精度。由于惯性测量元件——加速度计直接感受被测对象的受力情况,通过引入加速度反馈控制回路,在不增大系统带宽的前提下,中低频段的扰动抑制传递函数幅值下降约25 dB。理论、仿真和实验三方面均验证了该控制方式的有效性。

Shack-Hartmann波前传感器在光学检验中的应用

介绍用于光学检测的Shack-Hartmann(S-H)波前传感器,以及相应的检测实验结果。在实验室内,通过与Zygo干涉仪的测量结果对比,得出传感器的测量精度优于λ/50RMS(λ=632.8nm)。在外场利用星光作为光源,对口径1m、焦距11m的望远镜进行了系统波像差检验,测量结果为0.39λ～0.46λRMS之间,并随着俯仰角的增加而增大,主要像差形式为三阶像散。

基于LabView的伺服转台Stribeck摩擦测量系统

基于虚拟仪器技术,利用NI USB-4431数据采集卡、LabView软件研发了一种伺服转台Stribeck摩擦测量系统,实现对光电设备伺服转台的Stribeck摩擦力矩测试。该套系统通过LabView程序控制USB-4431数据采集卡,实现了对转台速度、加速度、电流的采集、显示、存储、数据分析等功能。以某一光电设备T型架方位转台实验,获得该转台的最大静摩擦力矩参数、库仑摩擦力矩参数、临界速度和黏滞摩擦系数。经验证,将摩擦参数带入模型中,正弦曲线引导下,转台仿真与实验的速度相关系数达0.99。该系统人机界面友好,可实现在线显示与测量,提供丰富接口,系统功能可做进一步扩展。

大型光电系统精跟踪带宽设计方法研究

为了给大型光电望远镜多级控制的带宽分配提供理论依据,研究了基于输入信号功率谱密度分析的多级精跟踪系统误差抑制带宽设计方法。首先对被控对象模型进行了研究,给出了误差抑制传递函数的近似形式,进一步根据控制系统输入输出功率谱密度函数与系统传递函数之间的关系,推导了基于粗跟踪控制误差的一级精跟踪系统误差抑制带宽设计方法和基于一级精跟踪控制误差的二级精跟踪系统误差抑制带宽设计方法,最后,对不同条件下的粗跟踪误差的测量方法进行了研究。将该方法成功地应用于1米级实验平台上,实验结果表明,当粗跟踪误差RMS为2″时,设计一级精跟踪误差抑制带宽为12 Hz可以使得残余误差RMS为0.32″,二级精跟踪误差抑制带宽为200 Hz时残余误差RMS为0.04″。

基于Stribeck模型的摩擦补偿控制设计

根据某种望远镜低速性能的要求,分析了Stribeck摩擦模型,并利用模糊控制原理实现了对补偿函数参数的整定。针对该望远镜模型,仿真验证了摩擦对控制精度的影响,并且对其进行补偿,在引导值为=0.1t°/s时,跟踪误差在0.0012°,误差在1.2%,并以0.429°t/s作为位置引导值在望远镜系统上实验,误差控制在2%以内;仿真和实验结果表明,该种摩擦补偿方法能很好的改善望远镜的低速跟踪性能。

基于模糊PID控制的望远镜伺服控制系统

为了满足某种望远镜传递函数时变、速度精度要求高、位置定点时间长的控制要求,在分析经典PID的基础上,提出了一种模糊控制方案。通过构造模糊控制规则,模糊PID控制器能够根据误差和误差变化对控制器的比例、积分增益进行实时的调整。针对某望远镜模型,仿真验证了模糊PID控制与经典PID的控制性能,并在该望远镜上实验验证了速度控制及位置定点实验,速度为138.8°/s时最大稳态误差为0.4°/s,位置定点最大误差为0.0002°。仿真结果和实验结果均表明:模糊PID控制能满足该望远镜的观测要求。

具有扰动观测及实时补偿的大型光电望远镜主轴控制技术

为了降低各种内外干扰对大型光电设备成像精度的影响,对控制回路进行了扰动观测补偿器设计。首先,通过开环实验方法估计出设计观测器所需要的控制量增益b;其次,通过仿真建模给出控制器的参数设计,并进行性能分析。结果表明,该控制方法能够在不增加系统闭环带宽的前提下,将系统在中低频段的扰动抑制能力提高10dB。最后,在直流有刷力矩转台上进行了性能对比实验。实验结果表明,与PI控制器相比,系统性能在低、中、高速3种状态下都得到了明显改善。0.1°/s的阶跃响应下调节时间减少3.7s;1°/s的阶跃响应下调节时间减少0.25s,且稳态误差从0.025 7°/s减小至0.018 9°/s;10°/s的阶跃响应下稳态误差从0.113°/s减小至0.061 7°/s。可见,使用同一组控制参数,该控制方法能实现在中低、中、高速运行下的高性能控制,且只需调试2个参数,简单易实现。

基于LabVIEW的望远镜故障诊断与监测系统

目前大多数大型光电设备中不具备在线故障诊断与监测系统,研发出一套基于LabVIEW的大望远镜的故障诊断与监测系统。此系统通过一个标准化采集存储模块,通过外接不同传感器,可实现对大望远镜中转台位置、速度、加速度、跟踪误差的实时测量、采集、存储、显示及分析,可实现对电压、电流、气压、温度、湿度等电气及环境的在线监测,可监测各分系统运行状态及限位状态,判断故障源位置,进而实现大型望远镜的调试、运行时在线监测与控制,便于设备故障提前预防及快速事后维护。另外此系统易扩展,为改进与完善该系统提供了丰富的接口。

光电设备伺服转台的Stribeck摩擦参数测量

为克服转台低速运动时摩擦力测量不准确的缺点,设计了具加速度计的摩擦力测量系统以实现精确测量。利用加速度计测量的启动加速度,获得伺服转台的所需驱动力矩,利用霍尔传感器获得驱动电流,获得电机的总的驱动力矩,从而获得伺服转台的干扰力矩。测量中转矩纹波对摩擦力的测量影响巨大,其主要由机械及电气因素引起,具有周期性特征,设计了数字滤波器误差滤除,获得摩擦力矩的有效值,进而采用非线性最小二乘拟合出摩擦力矩的Stribeck参数,最后在光电设备转台中实验。结果表明,将测量得摩擦力矩加入原有伺服转台模型中,正弦引导时,可准确表现出转台位置秃顶及速度反向"0"速点不连续的现象,仿真与实验的速度误差有效值为0.044°/s,相关系数达0.990 9,位置误差有效值为0.026 5°,相关系数达0.995。该测量系统及方法可有效精确测量出伺服转台的Stribeck摩擦力矩,该测量方法亦可用于其他光电设备摩擦力矩测量。

光电探测系统通讯控制卡设计

为了实现对各个光电探测分系统之间通讯的集成控制,基于PCI总线设计开发了通讯控制卡。首先,介绍了硬件电路的设计,包括各模块组成和现场可编程门阵列(FPGA)电路和PCI9054电路的设计。然后,阐述了PCI本地总线控制器,讨论了围绕PCI9054开发PCI系统硬件的注意事项和软件设计方法,并且介绍了通讯卡的各个功能模块。验证了通讯控制卡的各项指标,结果显示,PCI总线传输率可以达到26.3MByte/s,最小计时为1ms,精度为0.1ms,8路RS-422同时工作时通讯速率为230.4kbit/s。设计开发的通讯控制卡稳定可靠、精度高、抗干扰能力强,已经在多个重要项目中应用。