开题报告-激光通信系统精跟踪pid控制算法研究及实现

,姓 名,导 师,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,本课题来源于所内重大创新项目“激光载波测控与通信技术研究”,目录,1,2,3,4,选题背景及意义,课题主要研究内容,可行性分析,预期目标及创新点,已经完成的研究内容,5,选题背景及意义,背景,1,激光通信以其具有的通信容量大、保密性高、抗电磁干扰能力强、建造和维护经费低等优点被认为是未来实现高速大容量通信的最佳方案。,1,提前量控制：两端机的相对运动导致双方不能准确对准，影响通信链路的建立，需要估算相对运动速度和相对位置，对发射光束进行提前量控制。,捕获：两端机进行空间双向搜索捕获，以实现在较短时间内将端机调整到对方最可能出现的位置，并将对方目标光束锁定在探测器视场中。,瞄准：根据探测器获得的光斑位置反馈信息进行光路闭合，减小跟踪残差，将目标稳定在视场内。,ATP技术四个过程,提前量控制,捕获,瞄准,跟踪,跟踪：两端机分别将探测器目标信号锁定在视场内，控制跟踪机构运动，实现稳定的光斑跟踪，建立稳定的通信链路。,选题背景及意义,捕获、跟踪和瞄准(acquisition，tracking and pointing，简称ATP)系统是实现激光通信终端之间精确对准、建立稳定光通信链路的核心。,2,背景,2,选题背景及意义,背景,3,复合轴精跟踪系统具有谐振频率高、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，而其视场小的缺点由主轴系统予以补偿，两者结合可实现大范围快速高精度跟踪。粗跟踪使用无刷电机进行动作，精跟踪常使用使用快速反射镜以获得更高的控制带宽和精度。,3,选题背景及意义,意义,以往快速反射镜常使用PID控制算法进行控制，不能满足现今高精度的要求，本文以快速反射镜作为被控对象研究自适应PID和模糊PID控制算法，能够弥补传统PID的不足，有效抑制扰动影响，保证链路的快速建立和稳定性，更好的实现高实时快速响应的高精度跟踪，是发展大气激光通信技术不可缺少的，具有重要的研究意义。,课题主要研究内容,复合轴ATP技术,FSM控制算法,DSPbuilder,课题主要研究内容,复合轴ATP技术,影响高精度ATP技术的主要因素,作用距离,大气扰动,外界干扰,粗跟踪残差,课题主要研究内容,FSM控制算法,本文使用PI公司的S330.2SL压电陶瓷驱动的快速反射镜作为被控对象。,快速反射镜（fast-steering-mirrors,简称FSM）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。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。,课题主要研究内容,FSM控制算法,激光通信过程中使用通过CCD构建光闭环，提取脱靶量作为精跟踪的输入信号。现今在快反镜控制领域通常用PID控制对位置偏差进行校正，可以实现比较好的控制效果。 本课题用自适应和模糊分别与PID算法结合的两种控制算法对FSM进行仿真研究，分析各种控制算法模型，实验比较控制效果，最终总结出一种适用于本系统的控制算法。,课题主要研究内容,FSM控制算法,自适应PID,自适应PID仿真框图,建立常规PID控制器系统模型，进行参数整定。确定自适应规律，搭建自适应控制器模型。对系统误差的时间特性进行模式识别，通过控制器进行参数修正。调节参数，使被控过程响应曲线的特征参数满足期望。,课题主要研究内容,FSM控制算法,模糊PID,模糊PID仿真框图,根据工程经验设计模糊整定参数。设计模糊控制器，确定隶属函数，建立控制规则表。进行模糊推理与模糊运算，达到控制效果。,课题主要研究内容,DSPbuilder,DSPbuilder是一个面向DSP类芯片的系统级开发工具，为开发基于FPGA的可靠控制系统芯片提供了便利的条件。,Simulink,DSPbuilder,mdl转成vhdl,综合（Quartus II,Synplify）,HDL仿真（ModelSim）,生成编程文件（.pof , .sof）,下载至硬件,位于FPGA内核中，与FPGA之间不需要通信线路，实时性好。 构建Simulink建模文件，直接生成文件脚本，实现算法。 参数配置和模型搭建较为复杂，参考资料少。,可行性分析,经典PID控制在运动控制中应用广泛，有成熟的技术可以借鉴；,可行性分析,PI公司的快速反镜射已广泛应用于高精度微位移控制领域，实际使用效果较为理想，测得的数据可靠性高，为实验提供了设备元件的精度保障；,已经学习了自适应和模糊控制理论及PID控制，在前人研究的基础上将几者相结合，能够满足项目的需要；,使用DSPbuilder进行控制系统的模型搭建可以十分便捷、迅速的在硬件层面验证控制算法的可行性；,实验室配备齐全，能够搭建完整的激光通信精跟踪回路，对算法有效性进行实验验证。,预期目标及创新点,预期目标,建立自适应PID与模糊PID的控制模型，实现精跟踪控制仿真。为了在外部扰动的条件下保证系统的稳定性和鲁棒性，本课题搭建的精跟踪系统闭环带宽应不低于150Hz。,实现DSP中的控制算法软件设计，通过实际CCD光斑反馈实验，实现2rad的跟踪精度，并总结比较两种跟踪算法的优劣。,在FPGA硬件中使用DSPbuilder对算法进行实现和验证。,预期目标及创新点,在激光通信系统精跟踪中使用自适应PID和模糊PID算法对FSM进行控制实现2rad的跟踪精度,用DSPbuilder在FPGA硬件中实现控制算法，避免软件调试和硬件间的通信环节，缩短算法的响应时间，提高控制性能。,创新点,已经完成的研究内容,