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%。

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。

对乒乓球接发球快摆短技术的认识和运用

随着现代乒乓球技术的不断发展进步和赛制的改革,对接发球技术环节提出了更高要求。能否处理好接发球技术环节对提高运动成绩至关重要,仅就接发球快摆短技术的运用和练习要点加以论述,以供同行参考。

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%。

基于自适应LMS算法的空间光束快速精扫描跟踪控制方法

针对空间精密光学领域与国防应用对高精度快速光束控制的需求,给出自适应最小均方(LMS)算法对压电快摆镜进行光束扫描跟踪控制。首先描述了自适应LMS控制算法及快摆镜模型辨识方法,随后仿真分析了不同频率及迭代步长对自适应LMS算法跟踪控制的影响,最后采用自适应LMS算法进行了压电快摆镜辨识及扫描跟踪控制实验。实验结果表明,自适应LMS算法对2 Hz、10 Hz及其复合谐波信号扫描的跟踪误差分别为2.5%(3σ)、1.9%(3σ)和2.4%(3σ),控制效果均优于PI控制算法。这种自适应LMS算法能有效跟踪多频扫描信号,为高精度空间光束快速扫描跟踪提供了一种可靠的技术手段。

结合面阵成像的摆镜扫描系统设计研究

为实现低轨卫星对地面热点区域快速、大范围的成像侦查,对面阵成像摆镜扫描系统的设计进行了研究。基于反射镜摆动扫描展宽相机视场的原理,根据卫星轨道高度、地面分辨率,确定扫描系统采用阶梯式的步进扫描,要求摆镜快速摆动快速稳定。给出了摆镜扫描系统的组成、技术指标和构型,采用TRUM-60旋转行波超声电机作为驱动电机。对设计的摆镜系统建立虚拟样机模型进行仿真,设计的摆镜模态满足系统使用要求。用ADAMS软件对摆镜系统进行动力学仿真分析,摆镜单步运动满足50ms快速摆动、50ms快速停止稳定成像的要求;1个运动周期内摆镜的运动状况与设计要求一致,前1 000 ms内完成10次快摆快稳的步进扫描,回程用时少于200ms,完成1行扫描的时间充裕。设计的摆镜扫描系统能完成面阵扫描,实现宽幅成像。

空间望远镜中快摆镜摆动引起的投影畸变效应

为了提高大口径大视场空间望远镜中精密稳像系统在稳像过程中的稳像精度,本文对精密稳像系统中快摆镜(FSM)摆动引起的投影畸变效应进行了理论分析。从几何光学角度,采用光线追迹法建立了FSM摆动引起的像移计算模型,并从不同视场像点的位移中解析出投影畸变效应;以我国正在建设中的巡天空间望远镜为例,采用CODE V中的光线追迹结果进行交叉验证;根据这一模型,分析了对投影畸变效应可能产生影响的视场大小、FSM行程、FSM到焦面视场中心的距离等因素。结果表明:像移模型的计算精度很高,其计算结果与光线追迹计算结果误差不超过0.01μm;视场大小、FSM行程和中心视场主光线的入射角是影响投影畸变大小的主要因素。本文建立的像移计算模型能够满足实际应用需求,对投影畸变影响因素的分析结果可以为精密稳像系统的设计提供参考依据。