4二、压电陶瓷快速反射镜经典控制方法概述

二、压电陶瓷快速反射镜经典控制方法概述1快速反射镜简介11工作原理快速控制反射镜FASTSTEERINGMIRROR，也称为快速倾斜镜是光电精密跟踪系统中必不可少的一部分，是采用反射镜面在光源和接收器之间精确控制光束方向的一种装置。快速反射镜是自适应光学中重要的能动光学元件，它既可以用来在自适应光学系统中校正光路中的倾斜误差，也可以用来稳定光束线的指向，同时还可以用来在光学精密仪器中作为快速跟踪的关键器件。它与大惯量机架结构的主系统共同构成复合轴跟踪系统，在各种光学系统中用于对准和稳定光束。在天文望远镜、激光通讯、图像稳定系统、自适应系统、跟踪瞄准和激光发射光学系统中广为应用。近些年国内外都在不断地研制和发展这种装置。由于具有响应速度快和控制精度高等特点，快速控制反射镜FSM已经成为光学系统中稳定和校正光束的关键部分，在工业设备、激光通讯、成像系统等多个领域得到了广泛应用,随着大口径望远镜技术的发展，FSM不仅应用于精密跟踪系统，而且应用于自适应光学系统以校正大气扰动引起的低频误差。控制带宽越高，对干扰的抑制能力越强，系统反应速度越快，从而可以提高系统的跟踪精度。因此，根据系统需求设计出精度高、响应频率快、稳定性好的FSM系统十分必要。快速反射镜是光学系统中对光束实现快速微小角度偏转的微位移机构。主要功能是通过反射镜镜面的快速、高频转动，实现光束的高速精确指向、稳定和跟踪。其工作原理为在驱动元件（压电器件或音圈电机等）的作用下，实现平面反射镜德小角度偏转。本质是利用电压来控制快反镜的偏转。用于精密光路调整和稳定的微定位机构可分为六大类压电陶瓷驱动器PIEZOELECTRICTRANSITION,PZT、音圈电机VOICECOILACTUATOR,VCA、电致伸缩驱动器、磁致伸缩驱动器、形状记忆合金驱动器、静电微驱动器。快速反射镜通常采用分辨率达到纳米量级的压电陶瓷驱动器或音圈电机作为驱动装置。其惯性比传统机架小很多，可大幅度提高谐振频率，与高灵敏度、高响应速度的传感器相结合，就可以构成高精度的光学跟踪系统，大大提高系统的跟踪带宽和响应速度，同时又有极高的角度分辨能力。驱动元件的性能直接关系到FSM的工作特性及精度。压电陶瓷体积小，结构紧凑，谐振频率较高，但行程小，所需的驱动电压高达几百伏。与之相对，音圈电机的驱动电压只有十几伏，行程较大，但音圈电机惯量大，输出力小，响应频率较低。ATP系统中的精跟踪要求光束束散角范围在两三个微弧度以内，对系统的精度要求很高，为了使快速反射镜获得较高的响应频率和工作带宽，根据压电陶瓷的特点，所以一般选用高精度的压电型陶瓷驱动器，它利用压电材料的逆压电效应制成，理论精度可达无限大。压电陶瓷驱动器是一种利用压电陶瓷的压电效应制作的微米纳米级的超精密驱动装置。压电陶瓷驱动器的响应频率能够达到上千赫兹，可驱动负载带宽能够达到几百赫兹。压电陶瓷驱动器一般是将层叠的压电材料封装在钢管内，通过改变驱动电压，产生逆压电效应，从而使机械结构结构发生形变，产生伸缩变化。通常所说的压电效应是指正压电效应和逆压电效应，正压电效应是指由于材料发生了形变，从而引起材料产生束缚电荷的现象，其本质是晶体的机械形变作用而引起介质的极化，导致晶体内部正负电荷的中心发生了偏移，电偶极矩发生变化，因此在晶体表面出现了相反极性的束缚电荷；逆压电效应是指由于作用于晶体内部的电势发生了变化从而引起材料产生形变的现象，它是由于压电材料中的正负离子在电场库仑力的作用下，导致晶体产生内应力，通过它的作用最终使晶体产生宏观形变，在这里，正是利用了压电陶瓷的逆压电效应这一特性。因为具有高刚度、响应频率高、体积小、质量轻、电压控制和对温度变化不敏感等优点，已被广泛应用于超精密加工、振动控制、超声马达、生物医学工程、微动工作台、纳米技术等领域，但是压电陶瓷又具有迟滞性、蠕变性等缺点，在一定程度上会影响到工作平台的线性度和精度。在激光通信精跟踪系统中使用的快速反射镜选用德国PI公司的S3302SL型号的压电陶瓷驱动器作为驱动装置，图示为实物图与装置尺寸图图8FSM实物图其开环行程为35MRAD，闭环行程为2MRAD，分辨率为002URAD，空载机械谐振频率为26KHZ，实测的带载机械谐振频率为13KHZ，重复定位精度为015URAD，压电陶瓷控制器的输出电压范围为1010V，线性对应快速反射镜的1MRAD偏转量。12数学模型控制对象测试编写目的测试被控对象的参数特性，以便于对控制对象的建模与仿真。程序功能A）设置PXI4461的工作模式及其他参数；B）设置被测对象的起始电压及运动后的目标电压；C）自动将电压置为起始电压，50MS后输出目标电压；D）实时显示测试对象的输入波形图表；E）存储测试过程中被测对象反馈的20K个采样数据点。硬件连接AO（0）1X_IN；AI（0）1X_MONITOR；AO（1）1Y_IN；AI（1）1Y_MONITOR。前面板介绍BELOW所示，该程序的前面板主要分为以下几个区域DAQ卡参数设置区；反馈输入波形图表显示区；测试区间参数设置区；数据存储控制区。控制对象测试程序前面板后台程序介绍BELOW所示，该程序的前面板主要分为以下几个区域AI通道参数初始化；AO通道参数初始化；初始电压设置及发送；延时等待；目标电压设置及发送；数据采集、计算与显示；数据存储；停止及DAQ卡关闭。控制对象程序后台经实验，最终得到的被控快速反射镜的参考进行算法研究首先需要确定被控对象的参考数学模型，本文以快速反射镜作为被控对象，由被控对象本身特点决定，输入量和输出量之间必然存在某种函数关系，首先给被控快速反射镜一个阶跃输入信号，记录反馈信息，然后改变输入信号的幅值，记录不同输入信号下相应的反馈数据，根据数据绘出曲线，对曲线进行平滑处理和多项式拟合，得到连续完整的曲线，据此求出被控对象的参量，代入经验公式，最终得到的被控对象表达式为100011采用传递函数形式表示快反镜的数学模型，式中S为拉普拉斯变换因子。13快反镜特性分析2经典控制方法概述21常规PID在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例（P）、积分（I）、微分控制（D），简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年的历史，它以结构简单、稳定性好、工作可靠、参数调节方便而成为工业控制的主要技术之一。比例（P）控制比例控制是一种最为简单的控制方式，其控制器的输出与输入误差信号成比例关系、当仅有比例作用时，系统输出存在稳态误差。积分（I）控制在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入积分项。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。即使误差很小，积分项也会随着时间的增大而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到误差为零。微分（D）控制在微分控制时，控制器的输出与输入误差信号的微分（误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中有可能出现振荡导致系统不稳定，其原因通常是存在有较大惯性环节或有滞后组件，其具有抑制误差的作用，变化率总落后于误差的变化。为解决这一问题，使得系统对误差的抑制作用能够提前进行，即在误差接近零时，使对误差的抑制作用为零，需要在系统中引入微分项，它能预测误差变化的趋势，提前使抑制误差的作用为零，甚至是负值，从而避免了发生严重超调，导致系统振荡。22自适应控制自适应自适应控制的研究对象是具有一定程度不确定性的系统，这里所谓的“不确定性”是指描述被控对象及其环境的数学模型不是完全确定的，其中包含一些未知因素和随机因素。任何一个实际系统都具有不同程度的不确定性，这些不确定性有时表现在系统内部，有时表现在系统的外部。从系统内部来讲，描述被控对象的数学模型的结构和参数，设计者事先并不一定能准确知道。作为外部环境对系统的影响，可以等效地用许多扰动来表示。这些扰动通常是不可预测的。此外，还有一些测量时产生的不确定因素进入系统。面对这些客观存在的各式各样的不确定性，如何设计适当的控制作用，使得某一指定的性能指标达到并保持最优或者近似最优，这就是自适应控制所要研究解决的问题。自适应控制和常规的反馈控制和最优控制一样，也是一种基于数学模型的控制方法，所不同的只是自适应控制所依据的关于模型和扰动的先验知识比较少，需要在系统的运行过程中去不断提取有关模型的信息，使模型逐步完善。具体地说，可以依据对象的输入输出数据，不断地辨识模型参数，这个过程称为系统的在线辩识。随着生产过程的不断进行，通过在线辩识，模型会变得越来越准确，越来越接近于实际。既然模型在不断的改进，显然，基于这种模型综合出来的控制作用也将随之不断的改进。在这个意义下，控制系统具有一定的适应能力。比如说，当系统在设计阶段，由于对象特性的初始信息比较缺乏，系统在刚开始投入运行时可能性能不理想，但是只要经过一段时间的运行，通过在线辩识和控制以后，控制系统逐渐适应，最终将自身调整到一个满意的工作状态。再比如某些控制对象，其特性可能在运行过程中要发生较大的变化，但通过在线辩识和改变控制器参数，系统也能逐渐适应。常规的反馈控制系统对于系统内部特性的变化和外部扰动的影响都具有一定的抑制能力，但是由于控制器参数是固定的，所以当系统内部特性变化或者外部扰动的变化幅度很大时，系统的性能常常会大幅度下降，甚至是不稳定。所以对那些对象特性或扰动特性变化范围很大，同时又要求经常保持高性能指标的一类系统，采取自适应控制是合适的。但是同时也应当指出，自适应控制比常规反馈控制要复杂的多，成本也高的多，因此只是在用常规反馈达不到所期望的性能时，才会考虑采用。自适应系统能够辨识环境条件变化，并自动进行控制器参数的在线调节，使系统达到最优或者次优的控制效果。自适应理论与传统PID相结合的自适应PID控制器既具有自动整定控制器参数，适应被控过程变化等优点，又具有常规PID控制器结构简单、鲁棒性好、可靠性高的优点。23模糊控制在传统的控制领域里，控制系统动态模式的精确与否是影响控制优劣的最主要关键，系统动态的信息越详细，则越能达到精确控制的目的。然而，对于复杂的系统，由于变量太多，往往难以正确的描述系统的动态，于是工程师便利用各种方法来简化系统动态，以达成控制的目的，但却不尽理想。换言之，传统的控制理论对于明确系统有强而有力的控制能力，但对于过于复杂或难以精确描述的系统，则显得无能为力了。因此便尝试着以模糊数学来处理这些控制问题。“模糊”是人类感知万物，获取知识，思维推理，决策实施的重要特征。“模糊”比“清晰”所拥有的信息容量更大，内涵更丰富，更符合客观世界。模糊逻辑控制FUZZYLOGICCONTROL简称模糊控制FUZZYCONTROL，是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制技术。1965年，美国的LAZADEH创立了模糊集合论；1973年他给出了模糊逻辑控制的定义和相关的定理。1974年，英国的EHMAMDANI首次根据模糊控制语句组成模糊控制器，并将它应用于锅炉和蒸汽机的控制，获得了实验室的成功。这一开拓性的工作标志着模糊控制论的诞生。模糊控制实质上是一种非线性控制，从属于智能控制的范畴。模糊控制的一大特点是既有系统化的理论，又有大量的实际应用背景。模糊控制的发展最初在西方遇到了较大的阻力；然而在东方尤其是日本，得到了迅速而广泛的推广应用。近20多年来，模糊控制不论在理论上还是技术上都有了长足的进步，成为自动控制领域一个非常活跃而又硕果累累的分支。其典型应用涉及生产和生活的许多方面，例如在家用电器设备中有模糊洗衣机、空调、微波炉、吸尘器、照相机和摄录机等；在工业控制领域中有水净化处理、发酵过程、化学反应釜、水泥窑炉等；在专用系统和其它方面有地铁靠站停车、汽车驾驶、电梯、自动扶梯、蒸汽引擎以及机器人的模糊控制。模糊控制具有的突出特点1模糊控制是一种基于规则的控制，它直接采用语言型控制规则，出发点是现场操作人员的控制经验或相关专家的知识，在设计中不需要建立被控对象的精确的数学模型，因而使得控制机理和策略易于接受与理解，设计简单，便于应用。2由工业过程的定性认识出发，比较容易建立语言控制规则，因而模糊控制对那些数学模型难以获取，动态特性不易掌握或变化非常显著的对象非常适用。3基于模型的控制算法及系统设计方法，由于出发点和性能指标的不同，容易导致较大差异；但一个系统语言控制规则却具有相对的独立性，利用这些控制规律间的模糊连接，容易找到折中的选择，使控制效果优于常规控制器。4模糊控制是基于启发性的知识及语言决策规则设计的，这有利于模拟人工控制的过程和方法，增强控制系统的适应能力，使之具有一定的智能水平。5模糊控制系统的鲁棒性强，干扰和参数变化对控制效果的影响被大大减弱，尤其适合于非线性、时变及纯滞后系统的控制。由于上述优点，模糊控制理论在控制领域得到了广泛应用。24算法优缺点比较对于可建立精确数学模型的控制系统，其具有算法简单、精度高、可靠性强的优点。但对于激光通信精跟踪系统，由于被控过程中环境的复杂性，被控对象和控制过程的数学模型事先难以确定，即使在一定条件下确定了数学模型，在工况和条件改变以后，其动态特性和结构模型都会发生变化，系统表现出了非线性、强耦合以及时变的特点，难于精确建模，使得控