快速反射鏡是用于控制目標(biāo)光源到接收器之間光束傳播方向的小型精密光學(xué)儀器。隨著技術(shù)的發(fā)展,各領(lǐng)域?qū)π阅苤笜?biāo)的要求越來(lái)越高,所以高性能的快速反射鏡系統(tǒng)變得越發(fā)重要。本文以某快速反射鏡控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及性能提升研究為主要工作。具體研究思路是:首先,設(shè)計(jì)出滿足系統(tǒng)期望性能指標(biāo)的控制器;接著,探索一種容易改變系統(tǒng)指標(biāo)的控制器設(shè)計(jì)方法;最后,如何進(jìn)一步提升系統(tǒng)性能指標(biāo)。主要工作有以下幾點(diǎn):第一是建模,建立了一個(gè)簡(jiǎn)化且能夠全工況描述系統(tǒng)的非線性模型,即噪聲+物理上下界+線性模型的本質(zhì)非線性模型。具體建模思路是:首先采用理論建模與實(shí)驗(yàn)測(cè)試相結(jié)合的方式,建立系統(tǒng)的線性模型,并進(jìn)行參數(shù)校正;接著,將物理上下界簡(jiǎn)化為多個(gè)飽和限及死區(qū)限,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試與理論推導(dǎo)驗(yàn)證確定,同時(shí)通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得實(shí)際噪聲模型,最終得到簡(jiǎn)化且在全工況描述系統(tǒng)的非線性模型。第二是控制器的設(shè)計(jì)與性能分析。采用古典頻域法對(duì)設(shè)計(jì)了超前滯后、積分陷波等控制器,對(duì)于系統(tǒng)的一次諧振以及精度問(wèn)題,古典控制器的設(shè)計(jì)展現(xiàn)出了調(diào)試?yán)щy,控制性能不夠高等問(wèn)題。采用現(xiàn)代控制理論設(shè)計(jì)了積分增廣狀態(tài)反饋控制器,狀態(tài)反饋有著調(diào)節(jié)簡(jiǎn)便,控制效果良好等優(yōu)勢(shì),但也暴露出其實(shí)現(xiàn)難度大、成本高的問(wèn)題。同時(shí),對(duì)不同控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)、魯棒性進(jìn)行了分析。最終得到的閉環(huán)系統(tǒng),線性帶寬均可做到期望帶寬的500Hz,但由于電壓飽和限的限制,系統(tǒng)的實(shí)際線性運(yùn)行范圍會(huì)有所下降。得出了系統(tǒng)本身的物理極限是限制系統(tǒng)線性工作范圍的主要因素。第三提出了采用現(xiàn)代控制理論對(duì)系統(tǒng)分析設(shè)計(jì),等價(jià)為古典控制器實(shí)現(xiàn)的控制器設(shè)計(jì)方法。該方法結(jié)合了古典與現(xiàn)代控制理論設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn),調(diào)試方便,實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。采用該法,將積分增廣狀態(tài)反饋等價(jià)降階為積分+超前+零極點(diǎn)陷波形式的古典控制器,明確了狀態(tài)反饋的實(shí)質(zhì),簡(jiǎn)化了控制器的實(shí)現(xiàn)難度與成本。對(duì)等價(jià)降階后的控制器給出了數(shù)字控制器的迭代公式;同時(shí)采用Mulitism軟件設(shè)計(jì)了模擬電路,并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。最后對(duì)采用模擬控制器的實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行了閉環(huán)驗(yàn)證,證明了仿真的準(zhǔn)確性。第四就進(jìn)一步提升系統(tǒng)性能指標(biāo),對(duì)耦合問(wèn)題進(jìn)行了分析討論。通過(guò)辨識(shí)與耦合機(jī)理的分析,建立了耦合模型。設(shè)計(jì)了古典解耦控制器和MIMO的積分增廣狀態(tài)反饋控制器。經(jīng)驗(yàn)證,以上兩種控制器均可有效壓制耦合影響。最后,對(duì)兩種控制器進(jìn)行了單變量的魯棒性分析。
【學(xué)位單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類(lèi)】：TH74;TP273
【部分圖文】：

第一章 緒論第一章 緒論1.1 研究背景快速反射鏡（Fast Steering Mirror,FSM）是用于控制目標(biāo)光源到接收器束傳播方向的小型精密光學(xué)儀器。作為光電跟蹤系統(tǒng)的重要組成部分，憑借其大帶寬，響應(yīng)速度快，分辨率高的特點(diǎn)，被廣泛用于航天航空相機(jī)、激光通信跟蹤、視軸穩(wěn)定等領(lǐng)域[1][2][3]。為了保證 FSM 的高精度、高響應(yīng)頻率等特點(diǎn)，對(duì)驅(qū)動(dòng)器的精度、分辨率、響應(yīng)速度等提出了極高的要求[2]。根據(jù)驅(qū)動(dòng)器的不同統(tǒng)可以分為音圈電機(jī)（VCA）驅(qū)動(dòng)及壓電陶瓷（PZT）驅(qū)動(dòng)兩種類(lèi)型。

西安電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文外研究現(xiàn)狀研究起步于上世紀(jì) 80 年代[5]，近年來(lái)，受助于結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展，相關(guān)研究已經(jīng)趨近成熟化和商業(yè)化。希德馬丁航天系統(tǒng)公司（LMSC）設(shè)計(jì)研發(fā)了一款高帶統(tǒng)，該系統(tǒng)采用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)，反射鏡直徑為 5cm，

該系統(tǒng)采用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)，反射鏡直徑美國(guó) LMSC 公司研發(fā)的 FSM 結(jié)構(gòu)圖IT 林肯實(shí)驗(yàn)室的 Daniel J.Kluk, Michael T.通道模擬控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)驗(yàn)證了一款 FSM 系統(tǒng)為±3.5mrad，角加速度為5 21 10 rad / s[6]。
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