双自由曲面光束整形系统的虚拟面迭代设计法

双自由曲面光束整形系统可在不改变光束相位分布的情况下实现光束空间光强分布的按需调控,然而其需要设置虚拟平面来进行双自由曲面面形的求解。研究发现,传统单一虚拟面法在应用于结构紧凑和扩束倍率较大的系统时,存在设计不精准、整形效果差等缺陷,为此,提出了一种基于虚拟面迭代策略的双自由曲面光束整形系统设计方法。基于不同参数的同轴透射式和离轴反射式光束整形系统的数值仿真研究结果,表明该方法可有效规避传统虚拟面法的局限性。以将束腰半径为5 mm的高斯光束整形为半径30 mm的准直平顶光束的透射式双自由曲面光束整形系统为例,虚拟面迭代法所设计的光束整形系统将光强分布均匀性和能量利用率相对于单一虚拟面法而言分别提升了2.93%和8.93%。

抑制光束抖动的快速反射镜复合控制

提出了改进的抑制光束抖动的快速反射镜控制算法,用于提高卫星平台捕获跟瞄(ATP)系统的瞄准精度。根据自适应前馈控制和经典PID控制算法的特点,分析了两种算法复合控制的优势。探讨了现有直接复合控制算法中自适应算法不收敛的原因,并依据解耦理论引入了解耦的复合控制算法,解决了现有直接复合算法不收敛的问题。最后,对经典PID控制,自适应前馈控制和解耦复合控制算法进行了实验比较。实验结果表明,在给定实验条件下,解耦复合控制算法的控制精度相对于经典PID反馈算法提高了近10倍;相对于自适应前馈算法提高了约3倍。结果显示,提出的解耦复合控制的算法结合了两种算法的优点,对抑制光束抖动更有效。

基于混合逆变器的开绕组永磁同步电机驱动系统简化模型预测控制

为了解决混合逆变器开绕组永磁同步电机(OW-PMSM)系统传统控制策略将电源与电容电压之比控制为某一固定比值的问题,提出一种简化模型预测控制(MPC)策略。根据电机运行需求动态调节两侧逆变器直流母线的电压比值,从而提升电机在不同运行工况下的性能,并拓展OW-PMSM的使用场景。但在电容侧直流母线电压不固定的情况下,传统MPC算法造成的计算负担较大,因而提出简化MPC策略。对两组逆变器精简后的7种待选矢量进行轮流遍历计算,选取最优电压矢量输出,能够在减小计算量、降低开关频率的同时,最大限度地提升d-q轴电流及电容电压控制精度。最后,实验验证了所提出控制策略在电流控制、电容电压控制以及开关频率降低方面均具备有效性。

双三相永磁同步电机驱动系统简易容错控制方法研究

针对双三相电机驱动系统开路故障容错控制问题,依据双三相电机空间矢量解耦理论,提出一种简易的容错控制方法,即虚拟健全系统。研究了双三相永磁同步电机驱动系统单相缺相和开关管故障,给出了基于电流补偿的容错控制和最小铜耗容错控制的参考电流,其中以绕组总铜耗最小为优化目标得到的容错参考电流为全局最优铜耗解。采用重复控制器实现非常规容错控制参考电流的有效精确跟踪。提出的容错控制方法可确保系统容错切换过程中,整体控制框架、数学模型、调制策略均保持不变,仅需改变参考电流,降低了容错控制的复杂度。同时,提出的容错方法也可以扩展到其他相数多相电机的容错控制。

基于模糊算法的自适应忆阻PI控制系统设计

为了解决传统模拟PI控制器参数不易整定以及面对被控对象发生变化时无法在线进行参数调整的问题,引入了忆阻器件实现了控制器参数可在线调整。同时针对忆阻器阻值大小不易确定的问题,引入了模糊算法,将模糊算法与忆阻PI控制器进行结合,设计了一种模糊忆阻PI控制系统,实现了控制器参数的自适应调整。在理论推导的基础上,进行了Multisim仿真与电路实验。结果表明,基于模糊算法的自适应忆阻PI控制系统与传统模拟PI控制器相比,参数可以进行在线调整,具有较强的自适应能力,且基于模糊算法的自适应忆阻PI控制系统可以将系统的超调量降低66.27%,具有更好的跟踪性能。

光电跟踪系统的区间2型模糊滑模控制方法

为了提升高精度光电跟踪系统(ETS)的跟踪精度和其处理不确定性的能力,设计了一种1型模糊滑模控制方法,模糊控制用于在线自适应调整滑模控制(SMC)切换项参数;并采用区间2型模糊滑模控制(IT2FSMC)方法来提高系统处理不确定性的能力,进而提升跟踪精度,同时降低SMC抖振;此外,用粒子群优化算法来保证选取的SMC参数相对最优,并对提出的各种控制方法进行了理论分析和实验对比。结果表明,IT2FSMC能在降低SMC抖振的同时将SMC的稳态误差降低54.43%。仿真和实验分析验证了所提出控制方法在ETS中的有效性。

基于FPGA高速浮点控制算法的设计架构与应用

为满足控制系统对高速处理、高精度运算的需求,提出一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的高速浮点控制算法的设计架构。利用System Generator工具设计浮点控制算法并生成其IP核;VHDL编写模/数(A/D)、数/模(D/A)转换芯片的驱动逻辑;而后顶层中按照时序逻辑关系连接各模块;最终在FPGA中实现硬件控制。将算法设计架构应用在快速反射镜的闭环控制中,实验结果表明:单精度浮点格式的PID算法执行时间为2~3个采样周期,整个控制算法最快执行仅需10个时钟周期,闭环控制周期为6.55μs。实验验证了提出的算法设计架构具有可行性;该架构设计的控制器具有高速的处理性能和高精度的控制效果。

惯性稳定万向架中基于SBG惯导的捷联控制技术

轻小型SBG惯性导航系统具有体积小重量轻的特点,可以用于光电跟踪系统的直接及捷联位置稳定。本文研究了万向架中基于轻小型SBG惯导的五种惯性稳定控制方法,并进行了理论分析及实验验证。经典位置捷联稳定技术由于位置带宽的限制扰动抑制能力有限,难以满足高精度稳定要求。本文提出了一种基于SBG的位置速度双扰动前馈的稳定方法,并通过引入高通滤波器实现扰动前馈的解耦,可以进一步提升系统扰动抑制带宽以及稳定能力。理论分析和实验结果表明:在不考虑应用条件的限制时,虽然受到带宽的限制,基于SBG的陀螺直接稳定控制方法扰动抑制效果较好;而在平台体积重量受到限制的情况下,所提出的基于SBG的双扰动捷联稳定可以进一步提升系统扰动抑制能力,获得更好的稳定精度。

光电跟踪系统非均匀受力摩擦补偿研究

为了解决光电跟踪系统中摩擦扰动问题、进一步提高视轴稳定精度,采用了LuGre模型和终端滑模观测器(TSMO)融合的补偿方法(LuGre-TSMO),即在LuGre模型的基础上设计一种基于新型趋近率的终端滑模观测器,实现对系统摩擦的2次补偿。结果表明,相比于未补偿情况,LuGre-TSMO方法的速度跟踪均方根误差平均下降了65.38%,有效提高了实验平台视轴稳定精度;相比于LuGre模型方法和终端滑模观测器方法,LuGre-TSMO方法摩擦补偿效果最好。该方法在光电跟踪系统中是可行且有效的。

基于语义一致性约束与局部-全局感知的多模态3D视觉定位

3D多模态数据稀缺,使得传统方法进行监督训练时文本与视觉特征缺乏语义一致性。同时传统方法还易忽视局部关系与全局信息,从而导致性能不佳。针对上述问题,提出了一种基于语义一致性约束与局部-全局感知的多模态3D视觉定位方法。首先,该方法通过蒸馏2D预训练视觉语言模型知识,帮助3D模型提取到点云-文本语义一致性特征;其次设计了局部-全局感知模块,不断补充增强候选目标特征,以更精确匹配目标。在现有的3D视觉定位数据集ScanRefer上进行的实验表明,该方法在Acc@0.25 IoU和Acc@0.5 IoU两个指标上分别达到了50.53%和37.67%,超越了现有大多数3D视觉定位算法,证实了该方法的有效性。

光电跟踪系统中精密控制技术研究进展

精密控制技术离不开光机电结构配置、电机驱动、传感器、控制算法以及载荷平台的发展,它是实现高精度光电跟踪的必要手段。无论固定地基平台还是运动平台,扰动抑制、目标跟踪以及分布式智能协同的三大关键技术始终是光电跟踪控制系统面临的技术难点。本文综述了针对上述几大关键问题的精密控制技术,展示了一些先进和前沿控制技术的研究成果,同时指出未来重点研究方向的主要思路。根据扰动影响的不同机理,从精密驱动、惯性稳定、振动控制三个方面介绍了相应扰动抑制技术的研究进展以及热点,并强调基于Stewart平台的振动与指向一体化技术是空间光电跟踪系统的重要技术方向。复合轴控制系统仍然是提高目标跟踪最有效的根本方式,最基本的技术问题是提高精跟踪倾斜镜跟踪系统的性能。观测器控制尤其是仅有误差测量的观测器技术特别适用于复合轴光电跟踪系统,发展三级或者更高级的复合轴系统应该特别注意高性能电机的应用。最后,提出多智能协同光电系统是光电跟踪领域未来重点的发展方向,需要研究多智能体的协同定位、编队控制以及载荷平台一体化等精密控制技术。

运动平台上光电跟踪系统的自抗扰控制器设计

针对运动平台上光电跟踪系统既要有很强的抗扰动性能,又要能快速跟踪运动目标的特点,设计了稳定平台的自抗扰控制器.通过对闭环带宽的分析,改进了自抗扰控制器的结构,使闭环系统有较高的带宽.设计了扩张状态观测器对平台的扰动进行观测、补偿,并分析了系统鲁棒稳定性对扩张状态观测器的限制条件.实验结果显示,与采用PI控制相比,自抗扰控制器的稳定跟踪能力和扰动抑制能力都有一定的提高.其中,对阶跃信号的稳态跟踪误差不到PI的一半,而在2Hz附近扰动抑制比有6dB的提高.

基于Zynq的光电跟踪系统在线辨识方法设计

本文提出一种基于Zynq平台的光电跟踪系统在线辨识方法,解决了传统辨识方法繁琐低效的问题。通过设计A/D与D/A模块的数据采集与驱动程序,实现了实时采集与控制,并在Zynq上运行VxWorks操作系统。利用FFT技术实现了频率特性在线测量,并采用带自然选择的混合改进的量子行为粒子群优化算法进行系统辨识。实验结果表明,该方法具有高精度的频率特性测量和准确的系统辨识能力,为光电跟踪系统提供了有效的实时控制与优化手段。

高反镜表面颗粒物在连续激光辐照下的吸收特性

光学元件表面吸收损耗是衡量光学元件光学性能的重要指标,颗粒污染物附着通常会引起光学元件表面吸收损耗大幅增加。基于红外热像仪温升检测方法,研究了几种典型颗粒污染物对高反镜表面吸收损耗的影响,并根据颗粒污染物分布特点建立阶梯式分布吸收和离散分布吸收模型。考虑测温精度受红外热像仪空间分辨率的影响,提取单像素点内温升数据进行有限元分析,获取精度与单像素点相当的镀膜元件表面局部吸收损耗,结合显微镜下扫描结果进一步优化仿真模型,从而获得了薄膜元件表面颗粒污染物的吸收损耗。

100km量子纠缠分发实验捕获跟踪技术

介绍了100km量子纠缠分发实验中的捕获跟踪瞄准(ATP)技术。以Alice接收端的700mm望远镜为例分析了ATP系统的技术指标、光路布局和高带宽跟踪精度的实现方法。为了抑制近地面水平大气湍流引起的量子信息传输光束和信标光束的到达角起伏,在经典复合轴跟踪模式的基础上,设计了具有粗跟踪、精跟踪和超精跟踪功能的双重复合轴跟踪系统和双快速控制反射镜融合的跟踪算法,用高帧频CMOS探测器和压电快速控制反射镜构建了超精跟踪回路。采用这些方法有效解决了跟踪动态范围和跟踪精度之间的矛盾,更好地发挥了高帧频探测器的性能,提高了抑制带宽和跟踪精度。将该双重复合轴跟踪系统成功应用于100km量子纠缠分发实验,结果显示捕获跟踪系统的跟踪精度为4μrad,抑制带宽达到了70Hz。

光电经纬仪中双电机同步控制技术

在光电经纬仪设备的水平轴系中实现了双电机的直接驱动控制。建立刚性连接下双电机的直接驱动模型,与单电机驱动相比:双电机与单电机的控制特性的谐振频率几乎是一致的,而双电机反谐振频率是单电机驱动的1.414倍,因此双电机具有比单电机驱动良好的控制对象特性。由于双电机采用了刚性连接,其速度已经同步了。提出了电流跟随控制方法实现力矩同步的控制算法。具体就是以其中任何一个电机作为主电机,另外一个电机作为从电机跟踪主电机的反馈电流,而速度反馈直接到主电机上。实验结果表明理论分析的有效性,在跟踪轨迹为0.01°/s的直线,位置随机误差为0.011 9″。

惯性平台稳定回路多闭环串级控制

针对惯性平台稳定回路中采用速率陀螺构成单速度环伺服控制系统的不足,本文提出采用直流测速机为电机转速测量反馈元件构成数字速度内环,采用陀螺为载体转速测量元件构成数字稳定外环组成双速度闭环串级控制结构。在常规的跟踪系统PI控制方式中,实现了由电流环,速度环,稳定环构成的三闭环控制模式,并和电流环、单速度稳定环构成的双闭环控制方式进行比较。实验结果表明:在扰动频率较高环境下,采用单速度环即可获得较好的稳定精度。而采用双速度环提高了系统对低频的抑制能力,并且对摩擦等非线性因素有更好的抑制作用。

具有延迟特性的FSM系统中PI-PI控制器

在利用CCD闭环的快速倾斜镜(FSM)控制系统中,延迟是控制性能最大的限制,严重制约了闭环性能和控制带宽。本文在PID控制器的基础上串联一个积分器,利用PI-PI控制器提高CCD闭环的FSM控制系统的性能。建立了一套详细的控制模型,给出了控制器参数整定的公式。理论和实验表明,采用PI-PI控制器的误差抑制带宽要窄一点,高频段抑制能力同积分控制器相当,但是对低频的误差抑制能力要强的多。

基于相控阵雷达模型的液晶光束偏转波控方法研究

针对闪耀光栅模型光束偏转角度数量分布有限的缺点,提出一种基于相控阵雷达模型的液晶光束偏转波控方法。该方法控制液晶电极间相位差,通过改变液晶电极间相位差控制出射光波束方向。使用傅里叶光学方法推导该模型最大偏转角度、光束偏转角度与电极间调制相位关系以及衍射效率和偏转角度的关系。实验证明该方法可实现任意分辨角的光波束扫描,在0.15°光束扫描范围内实现优于20μrad的连续光束偏转。

量子光通信中位置修正单检测控制方法

量子通信光学地面站光学系统中,采用精、高精跟踪两个快速控制反射镜组成单检测模式闭环。为保证系统控制精度和稳定性,控制过程中必须考虑解耦。然而在目标信噪比较低情况下,难以实现精、高精跟踪回路的准确解耦。本文提出在精跟踪、高精跟踪内部增加位置传感器,一方面采用位置传感器闭环提高内环控制对象确定性,便于参数整定,另一方面,位置传感器偏差量反映了电视脱靶量的偏差,精跟踪采用修正位置传感器偏差量进行闭环从而避免了系统解耦。本文分析了基于该方法实现的复合轴控制结构的对象特性,控制系统设计方法及鲁棒性。理论和实验结果表明:目标特性较差的情况下,特别是滞后变化较大的情况下,本文提出的方法不需要进行解耦控制,具有更好的鲁棒性、更高的精度。