文献综述-激光通信系统精跟踪pid控制算法研究及实现

文献综述激光通信系统精跟踪PID控制算法研究及实现专业机械工程一、激光通信概述随着通信基础设施的不断完善，当前通信所采用的微波技术已经不能满足人们对信息传输速率的要求，另外，部分地区由于地貌，地势等原因不宜铺设光缆，这就需要一种可靠的无线通信技术来解决困难，基于此，激光通信技术应运而生。激光通信是指两个或多个终端之间，利用激光束作为信息载体，以空间环境作为通信信道的一种通信技术。与无线电通信相比，大气激光通信具有通信通量大、保密性高、抗电磁干扰能力强等优点；与光纤通信相比，大气激光通信具有不用铺设光缆、机动性强、建造和维护经费低等优点。另外，激光通信所能提供的高达TBPS量级的通信容量和新的通信谱段，是彻底解决目前宽带不足和频带拥挤等瓶颈问题的希望所在。这项技术可以为无延迟网页浏览、数据库访问、电子商务、实时音频和视频、视频会议、实时医学图像传输和企业网络提供广阔的前景。激光通信技术以其具有的种种优点被认为是未来实现高速大容量通信的最佳方案。实现终端间的精确对准，是建立稳定的光通信链路的关键，也是实现高精度激光通信的前提，捕获、跟踪和瞄准ACQUISITION，TRACKINGANDPOINTING，简称ATP系统是实现激光通信终端之间精确对准的核心技术，其性能指标很大程度上决定了整个通信系统的性能，已成为激光通信领域一个热门的研究重点。二、激光通信高精度ATP技术1激光通信中的高精度ATP技术实现过程激光通信ATP技术主要分为四个过程提前量控制光通信中，相距较远的两个终端进行通信时，由于激光传输需要一定的时间，如果双方在此期间发生了相对位移，则接收光与发射光会产生一个偏差角。若接收终端沿对方信光束的方向返回，就不能准确对准对方，这就需要对发射光束进行提前量控制。捕获信标光的捕获，是指两机光端机搜索不确定区域彼此互相寻找对方发射光束的过程。目标捕获要求在尽可能短的时间内以较高的捕获概率将端机调整到对方终端最可能出现的位置，并将对方发送的激光束锁定在探测器视场中。跟踪信标光的跟踪，是指两机载光端机将捕获到的信标光向各自探测器视场中心移动。当探测器视场接收到对方终端发出的光信号时，两终端会根据探测器提供的视轴偏差，控制跟踪机构，使其视轴跟随入射光信号的视轴发生变化，两者正确指向对方视轴后，表明光通信链路已建立。双方进行通信的同时，跟踪系统为抑制外界扰动维持通信链路稳定，需要进行复合轴控制，保持较高的光斑跟踪精度，维持激光通信链路的稳定。瞄准瞄准过程，即根据接收到的光束到达方向，将本地终端的发射光束对准远端终端的过程。该过程通过探测器对光斑位置的反馈信息，对粗跟踪进行光路闭合，将粗跟踪残差控制在精跟踪视场范围内，利用快速反射镜进行精跟踪，将目标稳定在视场内。2影响高精度ATP技术的主要因素在星地、星间、舰船、舰岸等激光通信过程中，ATP过程受到作用距离、大气扰动、外界干扰、环境影响等众多因素的影响，很难实现快速、高精度的跟踪捕获及激光通信的链路建立。这些因素主要有以下影响1）作用距离由于气体分子和大气气溶胶分子的“散射”“吸收”，激光在大气中传输时强度衰减很快。据统计，传输损耗大气衰减系数在极晴朗时为05DB/KM，雨天是38DBKM，雾天是310DBKM，雪天是320DBKM。通信距离越长，大气衰减系数的影响就越大。2）大气扰动大气作用是大气光通信及星地光通信面临的最大问题，大气中存在着各种微粒，如尘埃、烟、雾、小水滴等；还可能要发生各种复杂的气象现象，如雨、雾、雪、霜等因素，在进行信号传输特别是长距离通信时，激光信号的传输不可避免地会受到大气环境的影响。激光通过大气时，会受到云层、大气湍流、大气散射等影响，导致其相干性能下降，出现到达角起伏、光斑抖动、光强闪烁、光束漂移等现象,会使接收光信号受到严重干扰,通信误码率上升,甚至出现短时间通信中断,严重影响通信质量，例如对083M的激光，在10KM等能见度的晴天，大气引起的衰减达到11DB/KM以上，这对光通信的稳定性和可靠性产生严重的不良影响。3）外界干扰相对于地基平台上的光电跟踪系统，安装在动基座上的跟踪系统会受到载体运动、振动等影响，造成系统视轴晃动、抖动、成像模糊，严重影响跟瞄精度。在运动状态下，载体运动以及其他干扰力矩使得光电系统视轴偏离跟踪目标，甚至丢失目标。同时，载体的振动也会通过机械耦合到光电跟踪系统上，造成视轴抖动，引起成像模糊。这不仅影响成像质量，还使得目标提取困难，脱靶量提取精度降低，从而导致跟踪精度下降。例如在舰载光电系统中，由于海浪、风矩等的影响，造成安装在甲板上的仪器视轴产生低频大幅度的晃动，如果不对视轴进行稳定控制，严重时目标将偏出视场范围，无法达到精确跟踪的目的；在坦克、装甲战车等车载平台上，需要频繁机动、停止等运动，必须具有高精度的视轴稳定控制系统来隔离载体扰动、获取稳定视场，保证光电系统能够在高度机动环境下仍然具有高精度的跟踪能力。4）粗跟踪残差粗跟踪系统通过编码器和探测器得到视轴误差，具有较大的跟踪范围但跟踪精度不高，其跟踪精度不仅依赖于系统自身特性，还与外界激励和噪声源特性有关，粗跟踪残差主要有四种来源。1）动态滞后误差由于两个端机间存在相对运动，跟踪过程中视轴的角速度和角加速度相对于位置伺服单元将产生动态滞后误差。2平台振动残差由于卫星平台会存在较强烈的随机振动，其通过伺服转台作用于视轴，将引起视轴的随机抖动，它是影响跟踪精度最主要的误差来源；3CCD光斑质心检测误差由于光斑大小、光斑功率空间分布、图像信噪比和光斑检测算法的不同，将使光斑质心检测精度存在误差。4各种力矩干扰误差包括线扰力矩、不平衡力矩和摩擦力矩等引起的误差。粗跟踪残差的存在也会对激光通信的精度产生一定的负面影响。三、国内外激光通信ATP技术发展现状现今各激光通信设备参数汇总项目名称国家时间传输距离跟踪精度捕获时间光束波长LASERCOM美国2005150KM2MRAD/720800JUCE日本/30000KM2URAD360S797808LCE日本/40000KM2URAD720S830/510STRV2美国/2000KM2URAD100S810/852SILEX欧洲/45000KM2URAD240S797853激光通信的前提条件就是要保证通信链路的持续可靠维持，而窄束散角的激光发射光束，以及远距离的可靠、安全传输又给通信链路的长时间建立提出了挑战。为了满足这一要求并且达到更高的跟踪精度，当前空间激光通信系统多采用粗精复合轴结构。精跟踪系统结构有谐振频率高、响应速度快、动态滞后误差小等优点，弥补了主轴系统的不足，而其工作范围小的缺点有主轴系统予以补偿，两者作用合成，便可实现大范围的快速高精度跟踪。复合轴系统中，粗跟踪子系统通过编码器和探测器得到视轴误差，调节视轴指向，实现粗跟踪，并将目标引入精跟踪视场；精跟踪单元具有较高的采样速率、宽带大、高精度特性。可减小因视轴误差引起的光能量损失，并有效抑制因平台及其它干扰引起的误差，且响应速度快。但由于各种外部扰动的存在，很难使跟瞄精度达到几微弧度量级，这就需要引进控制带宽更高的二级控制系统（快反镜系统），采用传统的一级跟踪加二级精跟踪共同参与的复合轴控制结构，当一级控制系统控制精度达到精控制系统要求时启动二级精控制系统，两者相结合实现对目标的高精度跟踪。快速反射镜（FASTSTEERINGMIRRORS,简称FSM）是近几年发展起来的一种用于精密稳定跟踪的技术手段，是一种采用压电陶瓷等驱动元件驱动反射镜面在光源和接收器之间精确控制光束方向的装置。由于其谐振频率高、转动惯量小、响应速度快、动态滞后误差小等优点，可达到很高的定位精度和跟踪精度，在高精度光通信中得到广泛使用，发挥了重要的作用。四、FSM控制算法的发展1快速反射镜简介现今，生产快反镜的企业主要有德国PI公司、美国NEWPORT公司等，两家公司的主要FSM产品参数如下NEWPORT公司FSM30001快反镜PI公司S3002SL参数对比MIRRORASSEMBLYFSM30001S3002SLNUMBEROFAXES22ANGULARRANGEFROM10262MRAD15,MECHANICAL135MRADREPEATABILITY3RADRMS,MECHANICAL11RADRMS,MECHANICALLINEARITY1001工作温度0TO50C32TO122F20TO80C质量045KG02KG反射镜直径254MM254MM镜子厚度60MM60MM2控制算法快速倾斜镜广泛应用在精密校正系统中，如自由空间通信，视轴稳定等。通常使用CCD传感器来检测目标，为控制系统提供位置偏差。该偏差作为快速反射镜的输入信号，由此形成闭环系统。时间延迟是控制性能最大限制，它严重限制了闭环性能。如何在延迟系统中，提高闭环性能一直是一个技术难题。有很多文献研究了具有CCD闭环的FSM控制系统。提高硬件和软件水平，减小延迟时间是许多研究者优先考虑的方法。但一味的减小CCD的积分时间，其探测性能会受到很大的影响。有人提出采用预测控制，补偿时间延迟，然而预测控制容易导致系统的不稳定。并且预测控制很难预测白噪声，尤其在测量噪声很大的情况下，系统的性能会受到很大的限制。现今在快反镜控制领域比较常用的是PID控制，可以很好的对位置偏差进行校正，实现满意的控制效果。PID控制是自动控制中产生最早的一种控制方法,可追溯到我国北宋年间发明的闭环调节系统水运仪象台；理论上最早提出是在上世纪20年代，MINORSKY在对船舶自动导航的研究中,提出了基于输出反馈的PID控制器的设计方法，基本思想是将偏差的比例P、积分I和微分D通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。PID理论自提出之日起就成为控制领域的热点，目前PID控制器已在过程控制中得到了广泛的应用，数据表明PID控制在实际控制工程中所占的比例在90以上，由于PID控制的简便易懂加之良好的控制效果，人们不断加深对其的研究，各种新型的控制算法不断涌现。上世纪五十年代人们提出的自适应控制理论，在七八十年代取得了突破性进展，1973年ASTROM成功将自校正调节应用在造纸厂中。1974年吉尔巴特和温斯顿GILBARTNADWINSTON在24英寸的光学跟踪望远镜中利用模型参考自适应控制把跟踪精度提高了五倍以上。八十年代至今，自适应控制技术得到进一步推广，更具有实用性的新自适应方法和算法大量出现如，全系数自适应控制方法，自适应PID等。自适应PID控制系统是一个具有一定适应能力的系统，被控对象为时变系统或其精确数学模型不确定的时候，它能够认识环境的变化，并自动校正控制动作，使系统达到最优或次优的控制效果。自适应控制系统仿真框图如下自适应规律的推导对给定的单输入单输出的被控对象，给出卡尔曼模型为AYKBUKCK111式中A，B，C分别为输出变量，控制变量，噪声的加权多项式，并111且满足A、C稳定。11A1A1A2AN112BB0B1B2BNB00112C1C1C2CE112YK是输出量，UK是控制量，K为零均值，方差为的白噪声序列，是单位21后移算子。要求当前控制量UK使过程在噪声干扰下的输出YK跟踪设定信号YK，同时使得下式的指标函数极小化。JEP1YKDR1YK21UK2式中、为的有限多项式。为首一化的。E为数学期P11R111望算符。在受控对象为已知的情况下。利用DIOPHANTINE方程能解出满足上述条件的控制规律。自适应控制器的工作过程是在闭环系统受到扰动时对系统误差E的时间特性进行模式识别，分别识别出该过程响应曲线的多个特征参数如超调量、阻尼比、衰减震荡周期、上升时间等。将所测出的特征参数值与事先设定好的特征参数值进行比较，其偏离量送入自适应系统，自适应系统在线推断出为消除各特征量的偏离而控制器各参数所应有的校正量，再将它们送入常规的PID控制器，以修正PID控制器各个参数。同时，控制器根据系统误差E以及所整定的参数进行运算，输出控制信号U对被控对象进行控制。直到被控过程响应曲线的特征参数满足期望的要求。加拿大宇航局的朱文红等提出通过直接测量负载单元的输出力实现液压缸输出力自适应控制的策略。输出力误差不仅用于反馈控制，而且用于动态更新摩擦模型的参数，这样可保证缸内压力误差和输出力误差的稳定。试验结果表明自适应摩擦补偿比固定参数摩擦补偿效果更好。液压缸输出力控制的优异性能使其动态性能在预定的带宽内与电驱动马达相当，从而可以用一个液压机器人仿效电驱动机器人。自适应PID与常规PID的比较算法响应速度超调量实际系统平稳性控制精度对象变化时参数是否需要重新整定结构复杂程度算法实现计算量对外界干扰是否有抑制能力稳态误差自适应PID快小系统故障时可能产生误操作高否复杂大无较小PID一般较大好一般是简单小无一般自抗扰控制是中国科学院韩京清教授提出的一种新型的反馈线性化控制器。该控制方法由九十年代初提出的非线性PID控制策略演化而来，该技术使用跟踪微分器对给定进行平滑跟踪并且给出其微分信号，使用扩展状态观测器将输出的及其微分进行平滑估计，得到总扰动的估计值，减小误差的积分，有利于增强系统的暂态稳定性和抗扰动能力，现广泛应用于电机、船舶控制领域。自抗扰PID控制的结构图如下安排过渡过程非线性反馈1/BB扩张状态观测器对象E1E2V1V2U0UZ3YZ1Z2V对一个给定值为RT，系统的控制量为UT，系统输出为YT，外扰为WT的二阶控制系统，其自抗扰控制算法为跟踪微分器TD12FST,RT,R,H212扩张状态观测器ESOTYT2FAL,BUT120111Z3FAL,BUT20221FAL,30331非线性反馈NLSEF111222FAL,FAL,011422252U030其离散算法的实现为1、跟踪一微分器TDK1KHK112K1KHFSTKK,K,R,221020适当选择参数,就能安排对象可期望的过渡过程并给出微分信号1,22、估计状态和总扰动ESO方程KYK11K1KHK112011K1KHKFAL,UK22302110K1KHFAL,330312式中SIGNE|E|0|E|FALE,A,|E|1适当选择，就能很好地估计出被控量Y和Y的微分，1201020312则3可以估计出扰动。3、控制量的形成KK111KK222FAL,FAL,011102220UKK030其中，是安排的过渡过程和系统的估计之间的误差及其微分。适当选择参数1211，构造控制输入分量。,这是对系统实现一种非线性配置,1212000而实际的控制量为U，其中K/为补偿对象模型和外扰作用的分量。这个控制器的30算法只需对象的输入输出数据UK和YK。过渡过程由跟踪微分器实现，其作用是给出不可微输入信号的跟踪信号及其微分信号。扩张状态观测器可实时估测出被控对象的状态变量和系统的未知扰动信号,并予以补偿。非线性反馈控制器将微分器的输出信号与观测器观测到的相对应的状态变量作差值,经非线性组合产生不包含扰动的控制量,以提高系统响应速度,减小超调量。哈尔滨工程大学在自治式水下机器人航向控制中引入自抗扰控制,提高了航向控制的精确性、鲁棒性和稳定性，其设计的无人水下航行器UUV垂直面自抗扰控制器能够有效抑制海浪的干扰，具有较好的控制效果和抗扰能力。自抗扰PID与常规PID的比较算法响应速度超调量实际系统平稳性控制精度对象变化时参数是否需要重新整定结构复杂程度算法实现计算量对外界干扰是否有抑制能力稳态误差自抗扰PID快小好高是复杂大有有些情况下会增大系统的稳态误差PID一般较大一般一般是简单小无较小模糊PID是近年来发展起来的新型控制策略，其优点是不要求掌握被控对象的精确数学模型，而根据人工控制规则组织控制决策表，由该表决定控制量的大小。模糊PID着眼于控制的过程（在PID控制范围内）、系统的动态特性及非线性（包括负载的改变），通过向PID运算器内输入假定设定值使系统运行起来，可以有效地提高系统的反应速度和控制精度，当前在热处理设备控制技术中得到广泛关注。模糊PID控制的仿真框图入下模糊控制算法的实现方法1）精确量的模糊化将精确量X的实际变化范围A,B转换到区间N,N,这种转换过程我们称之为精确量的量化。量化过程采用如下公式Y2NXAB/2/BA模糊化一般是把论域中某一精确点模糊化为在论域上占据一定宽度的模糊子集。将原区间变化的离散化了的精确量与表示模糊语言的模糊量建立关系，用模糊量Z来表示区间内的任意精确量。2模糊控制规则的设计模糊控制规则的设计是设计模糊控制的关键，一般包括三部分设计内容选择描述输入输出变量的词集，定义各模糊变量的模糊子集和建立模糊控制器的控制规则。A选择描述输入输出变量的词集模糊控制规则表现为一组模糊条件语句。在条件语句中描述输入输出变量状态的一些词汇（如在“正大”、“负小”等）的集合，称为这些变量的词集。一般选用“大、中、小”三个词汇来描述模糊控制器的输入、输出变量的状态。由于人的行为在正、负两个方向的判断基本上是对称的。将大、中、小再加上正、负两个方向并考虑变量为零的状态。共有七个词汇，即负大，负中，负小，零，正小，正中，正大用英文字母首个字母缩写为NB,NM,NS,O,PS,PM,PB其中NNEGATIVE,PPOSITIVE,BBIG,MMEDIUM,SSMALL,OZERO。选择较多的词汇描述输入、输出变量，可以使制定的控制规则更加具体，但是控制规则相应变得复杂；选择词汇过少，使得描述变量变得粗造，导致控制器的性能变坏。一般情况下，选择上述七个词汇，也可以根据系统需要选择三个或五个语言变量。描述输入、输出变量的词汇都具有模糊特性，可用模糊集合来表示。因此，模糊概念的确定性问题就直接转化为求取模糊集合隶属函数的问题。B定义各模糊变量的模糊子集定义一个模糊子集，实际上就是要确定模糊子集的隶属函数。将确定的隶属函数曲线离散化，就得到了有限各点上的隶属度，便构成了一个相应的模糊变量的模糊子集。常用的隶属函数有三角形型隶属度函数这种隶属函数的形状和分布由三个参数表示一般可描述为FX,A,B,C0,，0，高斯型隶属度函数它用两个参数来描述，其中参数C决定了函数的中心点,的大小影响函数曲线的宽度，而隶属函数曲线的形状不同会导致不同的控制特性。表述为FX,C,，这种函数的特点是连续且处处可导，适合于自适应、自学习模糊控制的隶属22度函数修正。模糊PID系统包括一个常规PID控制器和一个模糊控制器。偏差和偏差的变化率作为模糊系统的输入，三个PID参数的变化值作为输出，在运行中通过不断检测E和EC，根据事先确定好打模糊控制规则作出模糊推理在线改变PID参数的值，以满足不同E和EC时对PID控制器参数的不同要求，从而实现PID参数的自整定。模糊控制可以用来设计节电控制器，日光灯以220V电压输出，运行稳定后再降到200V，190V或180V低电压输出。系统通过不断检测在线电压值来获取其与标准电压值的差E，偏差变化CE以及控制量变化U进行模糊化，进而通过查量化因子及比例因子修正表对E和CE进行重新量化，然后查模糊控制规则表，对输出量电压进行处理。实验证明，该节电照明控制系统的节电效率为25左右。该系统仅具有节电、延长灯泡寿命的功能，而且能使日光灯在电压波动较大范围内稳定运行。模糊PID与常规PID的比较算法响应速度超调量实际系统平稳性控制精度对象变化时参数是否需要重新整定结构复杂程度算法实现计算量对外界干扰是否有抑制能力对复杂系统的控制能力模糊PID快小系统故障时可能产高是复杂需要借助工程人员无好生误操作的工程经验PID一般较大一般一般是简单小无差五、总结随着智能控制理论的不断发展，智能PID算法也在不断涌现，当前PID控制及其控制器或智能PID控制器（仪表）已经十分成熟，部分产品已在工程实际中得到了广泛的应用，各大公司都在积极开发具有PID参数自整定功能的智能调节器INTELLIGENTREGULATOR），其中PID控制器参数的自动调整通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制器，能实现PID控制功能的可编程控制器PLC），还有可实现PID控制的PC系统等等。数据表明PID控制在实际控制工程中所占的比例在90以上，由于PID控制的简便易懂加之良好的控制效果，各种新型的控制算法不断涌现，这种经典的控制算法会以各种新形势，继续在工业自动化中发挥作用。主要参考文献1徐飞飞,纪明,解静,牛静,高瑜,胥青青FSM在高精度瞄准线稳定系统中的应用研究J应用光学,2012,019132付强,姜会林,王晓曼,刘智,佟首峰,张立中空间激光通信研究现状及发展趋势J中国光学,2012,021161253韩帮华PID控制器参数整定方法及应用研究D青岛科技大学,20094柳宗安XY轴型跟瞄装置粗精复合控制系统建模与仿真D西安电子科技大学,20055冯艳平星间光通信ATP跟踪控制环路研究及FPGA实现D电子科技大学,20066林浩模糊PID控制器仿真研究D贵州大学,20067刘敏快速倾斜镜的建模与模型参考自适应控制技术研究J光学技术,2008,011081128武琳,应家驹,耿彪大气湍流对激光传输的影响J激光与红外,2008,109749779崔雅静,杜艳丽,王晓雷自适应模糊PID控制器的设计J控制工程,2008,S212812915710马佳光,唐涛复合轴精密跟踪技术的应用与发展J红外与激光工程,2013,0121822711陈修涛,侯再红,谭逢富一种基于压电陶瓷的目标精跟踪系统J微计算机信息,2010,22323312312卢亚平基于C语言的数字PID控制算法及实现J科技创新导报,2010,30242513林伟,冯海,张南纶压电陶瓷致动器的动态控制模型及逻辑规则控制J纳米技术与精密工程,2007,01606314欧林林,顾诞英,张卫东基于幅值裕度和相位裕度的PID参数最优整定方法J控制理论与应用,2007,0583784015白金,韩俊伟基于MATLAB/SIMULINK环境下的PID参数整定J哈尔滨商业大学学报自然科学版,2007,0667367668116王述彦,师宇,冯忠绪基于模糊PID控制器的控制方法研究J机械科学与技术,2011,0116617217胡