基于模型预测控制的大口径快摆镜随动系统

为了满足地基大口径望远镜精密稳像系统的需求,对大口径快摆镜(FSM)的控制方法进行了研究。为了解决三促动器FSM的运动解耦为系统辨识带来的困难,通过解析法和系统辨识法相结合建立了FSM的传递函数模型。依据该模型,设计了PID控制器与模型预测控制器(MPC),采用仿真和实验两种方式比较了两种控制器的效果。仿真结果表明,在受到阶跃扰动后,MPC控制器的恢复速度是PID控制器的45倍。在50 Hz正弦信号下,由于FSM的大惯量特点,PID控制器有严重的时滞,而MPC控制器能以1.224×10^-6″的误差稳定跟随。在噪声抑制方面,对实时加入10%幅值噪声的随机信号,MPC控制器的噪声抑制效果是PID控制器的13.3倍。实验结果表明,MPC控制器能以0.430″的误差稳定跟随50 Hz正弦信号,其跟踪精度是PID控制器的3.212倍,采用MPC控制器的快摆镜能满足快摆镜高带宽和高精度的需求。

大口径快摆镜机构系统辨识及控制参数优化

为了满足光学精密工程中光束方向控制执行机构-大口径快摆镜机构(LAFSM)高精度的控制要求,对LAFSM结构特性、系统辨识方法以及其实验平台构建、控制器参数优化等进行了研究。首先详细分析了LAFSM系统组成、结构及电学特性,推导出系统模型的结构类型,建立了LAFSM系统辨识方法,搭建了实验平台。此方法剔除了数据采集系统本身对系统辨识的影响,有效减弱了背景噪声的干扰,得出了精确的系统数学模型,在小于40 Hz范围内,幅频特性误差小于0.8 dB,相频误差小于1°。根据精确的数学模型设计了PID控制器,采用广义Hermite-Biehler定理计算出使LAFSM闭环系统稳定的比例、积分、微分系数的取值范围,运用遗传算法对PID参数进行整定和优化,消除系统的振动、超调及稳态误差,使响应时间控制在0.2 s以内,系统稳态误差为0。实验和仿真证明,本系统辨识方法可靠可行,精度高;控制器参数优化方法快速高效,控制效果良好。

大口径快摆镜鲁棒控制器设计

为了满足深空天文观测的高质量成像,对空间望远镜的系统稳像精度提出了很高的要求。大口径快摆镜(LAFSM)的控制是实现天文观测中精密稳像系统的关键,其性能决定了空间望远镜的视轴稳定精度。采用内模控制与H_∞结合的方式,设计了复合精密稳像控制系统,并对其控制性能进行了分析。仿真结果表明,控制器具有较强的稳定性和鲁棒性。

基于柔性铰链结构的大口径压电快摆镜

为了解决压电作动器驱动的快速反射镜因压电作动器伸长量较小,导致快速反射镜偏转角过小的问题,该文提出了一款新型快速反射镜设计方案。采用三级杠杆式柔性铰链放大机构实现压电作动器位移的放大,采用柔性轴承作为快摆镜的运动关节实现快摆镜的大角度定轴偏转。通过理论推导和有限元仿真对快摆镜的最大偏转角度、等效应力、谐振频率以及振型进行分析。实验结果表明,所设计的快摆镜可以实现大于2 mrad的镜面偏转,满足大范围、高精度的光束定位要求。

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%。

空间天文望远镜自适应精密稳像闭环控制

针对空间天文望远镜低频段视轴扰动补偿问题,提出了一种基于主动光学技术的自适应精密稳像闭环控制方法。该方法以精细导星仪(Fine Guide Sensor,FGS)为高精度视轴扰动检测器,以四点支撑压电驱动大口径快摆镜机构(Fast Steering Mirror,FSM)为视轴扰动补偿器。首先,采用位置式PID控制器串联积分环节进行精密稳像闭环控制,得到补偿FGS检测出的二维视轴扰动所需FSM的二维摆动角度,进而根据驱动结构转换为每个支撑点的压电陶瓷执行器(Piezoelectric actuators,PZT)的伸缩量。然后,利用基于广义Bouc-Wen逆模型的压电动态迟滞前馈补偿方法进行高精度的压电陶瓷执行器定位控制。最后,根据有监督的Hebb学习规则,利用具有自学习和自适应能力单神经元对PID控制器参数进行调整,从而得到最优控制器参数。实验结果表明,所提控制方法能够有效地补偿空间天文望远镜的视轴偏差,可以将精细导星仪X方向和Y方向的星点质心位置偏差功率谱密度在0~6 Hz频段内积分值分别抑制了98.54%和98.62%。