基于加速度计信息的光束稳定控制技术研究

• 作 者: 郭瑞鹃
• 机 构: 中国科学院大学
• 出 处: 中国科学院研究生院 中国科学院大学
• 发表日期: 2012年期
• 关键词: 三环控制系统 复合控制 模型参考自适应控制 LuGre摩擦模型 电机力矩波动

随着对航空、航天、天文观测需求的不断提高,各国光电对抗技术、激光通讯技术及军事领域技术的飞速发展,光束稳定跟踪在高精度机械结构的设计、制造和装配技术、多种传感器信号的实时准确处理和融合技术以及高性能的伺服控制技术等方面的要求也越来越严苛,其中稳定、快速、灵活而精度高的伺服系统是非常关键的部分。　　
考虑到光束跟踪伺服系统中存在的干扰、噪声因素多,在低速运行时受这些因素影响相对更大,因此易发生光束抖动、速度不平稳性的现象,此时需特殊注意系统跟踪的快速性、稳定性及控制精度问题。因此光束跟踪伺服系统的低速问题和低速性能值得研究。从成本、灵活性、有效性等角度考虑,以控制方法抑制干扰、噪声问题比从机械和硬件角度来克服这些问题合适的多。　　
本文首先分析、讨论了低速时影响光束跟踪伺服系统控制性能的各种内部和外部的非线性干扰因素。在低速情况下,引起光束抖动的外部扰动主要有摩擦力矩干扰和电机力矩波动干扰。若要抑制这些不利因素,可以有两大类方法:一类是不必了解扰动机理,直接构造鲁棒控制器,这种控制器可以使得控制环内所有的扰动因素都得到抑制;第二大类是对扰动进行确切、详细的分析、了解,再据此一一进行定量补偿。本中主要进行两种抑制光束抖动的方法研究。　　
第一种方法是改变控制系统的结构,在一般跟踪伺服控制系统位置、速度双环的基础之上添加一个加速度负反馈环节,此时系统为多环控制结构,抗扰动能力强,系统稳定性好。文中从理论分析、仿真结果都验证了引入加速度负反馈的必要性。为了兼顾系统的动态性能和跟踪精度,引入两个前馈调节器形成复合控制系统分别用于补偿位置、速度输入误差。且加速度环的引入,不仅可将机械谐振频率向高处推移,此外还使得前馈调节器可以完全补偿输入误差。此时光束跟踪可以获得较高的精确性和稳定性。　　
第二种方法针对主要影响低速跟踪性能的非线性摩擦、电机力矩波动及系统的不确定性,采用模型参考自适应控制方法进行了专门的补偿,并构造Lyapunov函数保证了自适应控制系统的稳定性和各参数的收敛性。在补偿过程中考虑了LuGre摩擦模型及其参数变化的一致性和非一致性两种变化的情况。并根据实际伺服系统在顺时针、逆时针两个转动方向上摩擦模型的不对称性,提出了一个不对称LuGre摩擦模型。　　
最后引入等效正弦、斜坡等信号对所设计控制方案进行了仿真实验测试,结果证实了本文偿方法的可行性和有效性。