激光通信系统精跟踪pid控制算法研究及实现 (2)

密级硕士学位论文激光通信系统精跟踪PID控制算法研究及实现作者姓名指导教师中国科学院长春光学精密机械与物理研究所学位类别工程硕士学科专业机械工程培养单位中国科学院长春光学精密机械与物理研究所2014年4月激光通信系统精跟踪PID控制算法研究及实现摘要随着通信基础设施的不断完善，通信终端间的信息传输内容越来越丰富，数据量越来越大，由于通信带宽的限制，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。部分地区由于地貌、地势等原因不宜铺设光缆，需要一种可靠的无线通信技术来解决困难，基于这些情况，激光通信技术应运而生。相比于传统的通信技术，自由空间激光通信具有通信容量大、保密性高、机动性好、抗电磁干扰能力强、建造和维护经费低等优势。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。激光链路的快速建立及稳定保持是实现高速率、高可靠性激光通信的保障和前提，这需要由捕获、跟踪、瞄准（ACQUISITION,TRACKINGANDPOINTING，ATP）系统来实现。在星地、星间、舰船、岸舰等激光通信过程中，ATP过程受作用距离、大气湍流扰动及其他外界环境因素的影响，很难实现快速、高精度的跟踪捕获及激光通信的链路建立。为保证通信链路的持续可靠维持并达到更高的跟踪精度，空间激光通信系统多采用一级粗跟踪加二级精跟踪的复合轴结构。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。二级控制系统通常使用快速反射镜（FASTSTEERINGMIRROR，FSM）以获得更高的控制带宽。PID控制是FSM控制最普遍应用的控制方式，其结构简单、参数易于调节能够获得良好的控制效果。但随着系统控制品质要求的不断提高,常规PID控制需要精确数学模型、不适应非线性控制过程等缺点也逐渐显现出来,实际控制过程中，系统具有结构和参数的不确定性，纯滞后或非线性耦合、时变的特点，无法获得精确数学模型，加之各种外部扰动的存在，常规PID控制不能获得理想的控制效果。本文针对激光通信系统对ATP的高精度需求，提出自适应PID和模糊PID两种FSM控制算法，能够克服传统PID控制的响应时间长、超调量大、带宽低等缺点，实现高实时快速响应的高精度精跟踪子系统。本文分别对两种控制算法搭建仿真模型进行分析，并将其转换成CCS程序通过以DSP2812为核心的控制系统进行桌面跟踪实验，并将搭建的系统模型转化为适用于FPGA中的VHDL文件，从硬件层面对所设计的两种控制算法进行验证。实验结果表明，当使用自适应PID控制器时，当外界有较大扰动时系统的抗干扰性能有较大改善；使用模糊PID控制器时，当被控对象发生变化时依然具有较好的鲁棒性。应用两种控制算法均能实现2微弧度的跟踪精度，控制带宽大于150HZ。快速反射镜作为被控对象研究设计控制算法来抑制ATP过程中各种扰动造成的影响，保证链路的快速建立和稳定性，是发展自由空间激光通信技术不可缺少的，高精度快速控制算法的研究及实现为激光通信中进行高精度跟踪提供了理论支持和实际系统应用的经验，可以为激光通信精跟踪技术的发展提供参考，具有重要的研究意义。关键词激光通信；ATP；快速反射镜；PID；自适应；模糊；DSPBUILDERRESEARCHANDIMPLEMENTATIONOFPIDCONTROLALGORITHMFORLASERCOMMUNICATIONFINETRACKINGSYSTEMCAOHONGRUI（MACHINEENGINEERING）DIRECTEDBYPROZHANGSHUMEIABSTRACTWITHTHECONTINUOUSIMPROVEMENTOFCOMMUNICATIONINFRASTRUCTURE,THEINFORMATIONTRANSMISSIONBETWEENCOMMUNICATIONTERMINALSISBECOMINGMOREANDMOREABUNDANT,ANDTHEDATAISBECOMINGLARGERDUETOTHELIMITATIONOFCOMMUNICATIONBANDWIDTH,MICROWAVETECHNOLOGYISUNABLETOMEETTHEREQUIREMENTSOFINFORMATIONTRANSMISSIONRATEINSOMEAREAS,DUETOTHETOPOGRAPHY,TERRAINANDOTHERREASONSITISUNSUITEDTOLAYFIBEROPTICCABLE,THENWENEEDARELIABLEWIRELESSCOMMUNICATIONTECHNOLOGYTOSOLVETHISPROBLEMBASEDONTHESECONDITIONS,LASERCOMMUNICATIONTECHNOLOGYCAMEINTOBEINGCOMPAREDWITHTRADITIONALCOMMUNICATIONTECHNOLOGIES,THEFREESPACELASERCOMMUNICATIONHASTHEADVANTAGESOFLARGECOMMUNICATIONCAPACITY,HIGHSECURITY,WELLMOBILITY,STRONGANTIELECTROMAGNETICINTERFERENCEABILITY,CONSTRUCTIONANDMAINTENANCEFUNDSANDSOONLASERCOMMUNICATIONTECHNOLOGYISCONSIDEREDASTHEBESTSOLUTIONFORTHEFUTURETOACHIEVEHIGHSPEEDANDLARGECAPACITYCOMMUNICATIONINTHEFUTURETHEFASTESTABLISHMENTANDSTABLEMAINTENANCEOFLASERLINKISTHEGUARANTEEANDPREMISEOFREALIZINGHIGHSPEEDANDHIGHRELIABILITYLASERCOMMUNICATIONTHISNEEDTHECAPTURE,TRACKING,TARGETINGTRACKING,AND,POINTING,ACQUISITION,ATPSYSTEMTOREALIZEINTHEPROCESSOFLASERCOMMUNICATION,SUCHASSTARTOSTAR,SHIPTOSHORE,THEATPPROCESSISAFFECTEDBYTHEACTIONDISTANCE,ATMOSPHERICTURBULENCEANDOTHERENVIRONMENTALFACTORSINORDERTOENSURETHECONTINUOUSANDRELIABLECOMMUNICATIONLINKTOMAINTAINANDACHIEVEHIGHERTRACKINGACCURACY,THESPACELASERCOMMUNICATIONSYSTEMUSESCOMPOSITEAXISSTRUCTUREINCLUDINGONELEVELCOARSETRACKINGANDSECONDLEVELFINETRACKINGTHEFINETRACKINGSYSTEMHASTHEADVANTAGESOFHIGHFREQUENCY,HIGHRESPONSESPEED,SMALLDYNAMICLAGERRORANDSOON,MAKINGUPTHESHORTAGESOFTHEMAINSHAFTSYSTEM,ANDTHEDISADVANTAGESOFSMALLWORKINGRANGEARECOMPENSATEDBYTHEMAINSHAFTSYSTEMTOOBTAINAHIGHERCONTROLBANDWIDTHTHESECONDLEVELCONTROLSYSTEMUSUALLYUSEDFASTSTEERINGMIRRORFSMPIDCONTROLISTHEMOSTWIDELYUSEDFSMCONTROLMODE,ITSSTRUCTUREISSIMPLE,ISEASYTOADJUSTTHEPARAMETERSTOGETAGOODCONTROLEFFECTHOWEVER,WITHTHECONTINUOUSIMPROVEMENTREQUIREMENTSOFCONTROLSYSTEMSQUALITY,THECONVENTIONALPIDCONTROLSSHORTCOMINGSUCHASNEEDACCURATEMATHEMATICALMODELANDIMPROPERTONONLINEARCONTROLPROCESSTHEPRACTICALSYSTEMHASTHECHARACTERISTICSOFTHESTRUCTUREANDPARAMETERSUNCERTAINTY,THEPUREDELAY,NONLINEARCOUPLING,TIMEVARYING,ANDVARIOUSEXTERNALDISTURBANCES,THECONVENTIONALPIDCONTROLCANTGETIDEALCONTROLEFFECTINORDERTOMEETTHEHIGHACCURACYREQUIREMENTOFATP,THISPAPERPROPOSESTHEADAPTIVEPIDANDFUZZYPIDCONTROLALGORITHMTHETWOFSMCONTROLALGORITHMSAREABLETOOVERCOMETHEDISADVANTAGESOFTHETRADITIONALPIDCONTROLSYSTEM,SUCHASCOULDNTADJUSTTHEPARAMETERS,USEDINNONLINEARSYSTEMSWEANALYSEDTWOKINDSOFCONTROLALGORITHMS,BUILTTHESIMULATIONMODELANDCONVERTEDITINTOCCSPROGRAM,ANDTHEDSP2812ISUSEDASTHECOREOFTHEDESKTOPTRACKINGEXPERIMENTS,TRANSFORMEDTHESYSTEMMODELINTOVHDLFILEINFPGA,ANDVERIFIEDTHETWOCONTROLALGORITHMSINHARDWARELAYERTHEEXPERIMENTALRESULTSSHOWTHATWHENTHEDISTURBANCEISLARGE,THEANTIDISTURBANCEPERFORMANCEOFTHESYSTEMISGREATLYIMPROVEDWHENUSEDTHEADAPTIVEPIDCONTROLLERWHENUSINGFUZZYPIDCONTROLLER,ITSTILLHASGOODROBUSTNESSWHENTHEOBJECTISCHANGEDTWOCONTROLALGORITHMSAREAPPLIEDTOACHIEVETHETRACKINGACCURACYOF2MICRORADIAN,THECONTROLBANDWIDTHISGREATERTHAN150HZASTHEOBJECTOFTHERESEARCHANDDESIGNOFTHECONTROLLEDOBJECT,FASTMIRRORISUSEDTOSUPPRESSTHEINFLUENCEOFVARIOUSDISTURBANCESINTHEPROCESSOFATPTHERESEARCHANDIMPLEMENTATIONOFHIGHPRECISIONANDFASTCONTROLALGORITHMCANPROVIDETHEORETICALSUPPORTANDPRACTICALEXPERIENCEFORHIGHPRECISIONTRACKINGINLASERCOMMUNICATIONITCANPROVIDEREFERENCEFORTHEDEVELOPMENTOFLASERCOMMUNICATIONANDTRACKINGTECHNOLOGYKEYWORDSLASERCOMMUNICATIONATPFASTSTEERINGMIRRORPIDADAPTIVEFUZZYDSPBUILDER目录摘要IABSTRACTIII目录V第1章绪论111研究背景及意义1111激光通信ATP的特点和关键技术1112研究目的及意义112国内外研究现状113本文的主要研究内容14第2章压电陶瓷快速反射镜经典控制方法概述1721快速反射镜简介17211工作原理27212数学模型27213快速反射镜特性分析2722经典控制方法概述3223本章小结33第3章参考模型自适应PID控制器3531概述3532自适应算法设计3833控制器SIMULINK仿真4134本章小结43第4章模糊PID控制器4741概述4742模糊控制器的设计5343控制器SIMULINK仿真5544本章小结61第5章控制系统设计及实验6751实验系统组成6751TMS320F2812概述6752控制系统整体结构7953硬件概述8054软件设计8354DSPBUILDER8355实验结果分析86第6章结论与展望8761全文总结8762工作展望88参考文献89在学期间学术成果情况99指导教师及作者简介101致谢103第1章绪论11研究背景及意义111激光通信ATP的特点和关键技术随着通信设备和激光技术的快速发展，人们对通信距离、质量的要求不断提高，自由空间激光通信技术以其独特的优势得到了越来越广泛的应用，实现了飞速发展。自由空间激光通信是以激光束作为载波经空间媒介实现信息传输，光束束散角约为几十个微弧度量级。相比于微波通信技术，激光通信在通信容量上具有较大的优势，但不足之处在于其束散角要比微波低大约3至4个数量级12。这种情况下为保证通信链路的长期稳定性对于高精度远距离的捕获、跟踪、瞄准技术提出了较高的要求。自由空间激光通信技术的优点主要有以下几个方面1频带宽，容量大激光传播速度、波长、频率三者间的关系式如式（11）所示（11）CF式中C是光速，是波长，F是频率3。激光束波长较短，具有很高的频率，其频带范围很宽，通信容量很大。随着技术的发展激光通信必将成为未来大容量通信的主要技术手段4。2抗干扰、防截获能力强、安全可靠性高激光通信的天线系统口径远比微波通信的小，其受到的诸如背景光造成的自然干扰就小，加之激光波段远离电磁波段，受各种人工电磁干扰比较小。由于本身特点，激光束的传播具有很强的定向性，加上本身近衍射极限角的发射，使得传输更加安全。激光传输的另一特点是传播速率快，被截获的可能性小5。激光通信能够顺利进行的前提是建立通信链路，建立过程分为以下四个过程1提前量控制激光光通信中，相距较远的两个终端进行通信时，两者间的相对位移会使接收光与发射光会产生一个偏差角，导致不能精确对准目标，这就需要对发射光束进行提前量控制，通过提前量伺服单元修正发射视轴与接收视轴间的偏差，此偏差为动态跟踪的误差源之一。2捕获在不确定区域内对目标进行判断和识别，捕获过程包括前期的数据导引和视轴初始指向，两侧端机在不确定区域内搜索，彼此互相寻找对方发射光束，要实现在较短时间内将端机调整到对方终端最可能出现的位置，并将信标光斑锁定在探测器视场中为后续的跟踪奠定基础。3瞄准根据接收到的光束到达方向，将发射光束对准远端终端，过程中根据探测器获得的光斑位置的反馈信息进行光路闭合，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。4跟踪在可靠捕获基础上，开展跟踪过程。空间激光通信系统中的跟踪的实质是对激光光束实现主动光电跟踪，端机将捕获到的信标光向各自探测器视场中心移动，终端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，进而克服相对运动和平台振动对视轴晃动，跟踪的目的是将跟踪视轴稳定在允许的误差范围之内。对于高精度跟踪，通常需要粗精复合轴跟踪。在进入光斑稳定跟踪后，通信链路建立，以上过程称为捕获（ACQUISITION）、瞄准（POINTING）、跟踪（TRACKING）过程，简称“ATP”技术69。在进行远距离激光通信时，接收到的光斑能量较弱，需要非常稳定的通信链路才能进行高带宽的激光通信，这就要求ATP系统具有很高的跟踪精度及稳定性。112研究目的及意义在星地、星间、舰船、岸舰等激光通信过程中，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10131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。通信距离越长，大气衰减系数的影响就越大。2大气扰动大气中存在着各种微粒，如尘埃、烟、雾、小水滴等，加之雨、雪、霜等气象现象，在进行长距离信号传输时，激光会受到云层、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，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。3外界干扰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，使光电系统视轴偏离跟踪目标，严重影响跟瞄精度。同时，载体的振动也会通过机械耦合到光电跟踪系统上，引起成像模糊，使得目标提取困难，脱靶量提取精度降低。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，其跟踪残差主要有四个来源1）动态滞后误差端机间的相对运动会使视轴的角速度和角加速度相对于位置伺服单元产生动态滞后误差。2）平台振动残差平台的随机振动会通过伺服转台作用于视轴，引起视轴的随机抖动，是影响跟踪精度最主要的误差来源；3）CCD光斑质心检测误差光斑大小、光斑功率空间分布、图像信噪比等会造成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。为保证通信链路的持续可靠维持并达到更高的跟踪精度，空间激光通信系统多采用一级粗跟踪加二级精跟踪的复合轴结构。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。二级控制系统通常使用快速反射镜以获得更高的控制带宽。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1415。PID控制是FSM控制最普遍应用的控制方式。其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控制结构简单、参数易于调节加之良好的控制效果。但随着科技不断进步和对控制品质要求的不断提高，经典PID控制的缺点也逐渐显现出来，主要表现为以下四点16191系统的输入一般为突变量，而输出是一个不可能发生突变的缓变量。直接提取误差，会使系统出现超调，影响稳定性。2传统PID控制中，通常采用近似的微分器来实现微分，过程中会放大噪声，降低准确性。3传统PID控制是误差的积分过去、误差现在、误差的微分将来三者的线性加权和来产生控制量的。工程实践表明，三者组合在线性系统中效果较好，但在非线性领域有时却不尽如人意。4PID中的误差积分的反馈，对抑制扰动效果明显。但会使闭环的动态特性变差，积分饱和易导致控制量饱和，微分作用强弱的选定比较复杂。针对传统PID控制的不足，很多诸如自适应控制、模糊控制、自抗扰控制等新型控制算法不断提出，与PID控制相互结合使用，各有侧重的对传统PID进行改善，不仅可以缩短系统响应时间、减小超调量而且能够获得更高的跟踪精度和稳定性并可以实时在线调节参数，对各种外部扰动具有很好的抑制作用。本文针对激光通信系统对ATP的高精度要求，研究自适应PID和模糊PID控制等FSM控制算法，能够弥补传统PID控制不能在线自整定参数及在非线性系统中效果不佳的缺点，实现高实时快速响应的高精度精跟踪子系统。以快速反射镜作为被控对象研究设计控制算法来抑制ATP过程中各种扰动造成的影响，保证链路的快速建立和稳定性，是发展大气激光通信技术不可缺少的，高精度快速控制算法的研究及实现对激光通信中进行高精度跟踪提供了理论支持和实际系统应用的经验，可以为激光通信精跟踪技术的发展提供参考价值，具有重要的研究意义。12国内外研究现状精跟踪伺服控制技术2023由于ATP系统中存在各种误差，包括光斑检测误差、动态滞后误差、平台振动抑制残差、以及各种干扰引起的误差。为了减小动态滞后误差、平台振动抑制残差、以及各种干扰引起的误差，必须尽量增大精跟踪系统带宽，但这就与光斑检测误差随系统带宽的增大而逐渐增大相互矛盾，因此必须选用合适的伺服控制技术，对精跟踪系统带宽进行优化设计。目前主要的伺服控制技术有以下几种1超前滞后校正技术超前校正可以减少系统的上升时间和和超调，但会增大系统的带宽，使系统易受噪声影响；滞后校正能够降低系统的超调从而提高稳定性，但会造成频带变窄，响应时间延长。为获得良好的控制效果，兼顾上述两种方法的优点，使用超前滞后校正方式，综合应用了超前和滞后校正的各自特点，利用超前部分来增大系统的相位裕度，改善动态性能；利用滞后部分改善系统的静态性能，两者互相配合相辅相成。超前滞后校正网络及其BODE图分别如图11和图12所示R1C1R2C2U1U2图11滞后超前校正网络图12滞后超前网络BODE图2前馈控制技术前馈控制是在闭环控制系统中增加一个开环控制支路，加入输入信号的一阶、二阶导数。原理框图如图13所示。G1SG2SRTCTGFSRSCS图13前馈控制原理框图由图可见，当G1SG2S1时，RSCS，即输入等于输出，实现了不变性。使用前馈控制器可以提高系统控制精度，又不会对原闭环部分的稳定性造成不良影响，较好地解决了精度与稳定性之间的矛盾。前馈控制主要用于计算机引导及瞄准控制，相关技术已经十分成熟。目前许多高精度望远镜对轨道固定的目标如卫星的跟踪均采用前馈控制，即由计算机输出目标的位置和速度信息、引导随动系统。3动态高型控制技术动态高型控制方法是在原有控制系统的基础上动态地并入一个或多个积分环节，从而构成高阶系统，能够减小系统跟踪误差提高伺服系统无差度。但跟踪误差较大时加入积分环节易造成积分饱和现象，会增大跟踪误差甚至造成系统不稳定。因此，需要用计算机实时监控控制系统，根据系统跟踪误差改变增加积分的策略，使系统既稳定又能最大程度地减小跟踪误差，如图14所示。1/SRTCTK/SRSCSG2SG1S图14动态高型控制原理框图其中G1S是位置校正环节，G2S是速度环传递函数，1/S是积分环节，K是动态积分环节的增益。动态高型无差系统，需要对积分环节的引入与脱离条件进行研究，不同对象采用控制策略不同，缺乏普遍性。3复合轴控制技术当前复合轴跟踪控制技术已广泛应用于光电测量系统上，并获得了角秒级或更高的跟踪精度。美国林肯实验室设计的“火池”激光雷达系统，采用了串联型复合轴伺服控制技术，对飞机的跟踪精度达到了103206“。在复合轴控制系统中，根据探测器数量，通常可以分为单探测器型和双探测器型两种结构RTCTGMSDMSADASGAS图15双探测器型复合控制系统图15为双探测器跟踪型的复合轴跟踪平台，其中A和B为探测器的输出因子，DMS、GMS、DAS、GAS分别为主/子控制器和被控对象传递函数。双探测器型系统首先通过粗跟踪探测器对目标信号进行检测，然后经控制回路对目标进行跟踪。当目标进入精跟踪探测器视场范围时，系统进入精跟踪阶段，通过精跟踪探测器得到的目标信号控制子轴进行目标跟踪。在工程设计中，双探测器型跟踪系统具有运行稳定，便于实现等特点，本文主要讨论双探测器型的复合轴跟踪系统。国内方面，中科院光电技术研究所在复合轴跟踪技术应用方面己经趋于成熟。在该所承担的国家有关项目课题中，其设计研制的ATP系统对空间飞行目标的跟踪精度达到了10URAD。其设计的针对慢变化的点目标信号ATP实验系统的跟踪精度达到5URAD。13本文的主要研究内容本文研究内容是在某重大创新课题的支持下展开的，目的是为弥补自由空间激光通信中，由于各种外界干扰所造成的光斑抖动对通信链路的建立和信息传输质量造成的影响。本文首先对自由空间激光通信伺服跟踪系统控制方法的国内外的研究状况进行总结和分析，从精跟踪系统的关键技术入手，对精跟踪系统中所使用的压电陶瓷快速反射镜的控制策略和和嵌入式精跟踪控制系统的开发设计两个方面进行详细的论述。后续章节内容安排如下第二章对压电陶瓷快速反射镜经典控制方法进行介绍，首先对本课题所使用某型号压电陶瓷快速反射镜进行介绍，分析其工作原理，并通过桌面实验确定其近似的数学模型传递函数表达形式，通过所得到的被控对象模型进行特性分析；其次，结合相关文献资料，论述现今快速反射镜的主要控制方法，对几种主流方法进行介绍，并对其优缺点进行比较，提出本文所使用的控制算法的优越性，为后续工作提纲理论基础。第三章首先对参考模型自适应控制方法进行阐述，说明自适应控制器的设计流程和设计思想，结合被控快速反射镜的特点进行自适应控制规律的理论推导，在此基础上设计控制器的仿真模型，仿真结果表明所设计的控制器相比于常规PID控制具有明显的优势，动态特性和系统的稳定性均有较大的改善。第四章首先介绍了模糊控制的基本术语和基础理论，在此基础上论述了模糊控制器的基本结构和设计过程。然后详细介绍了模糊控制器的设计方法，对模糊控制在精跟踪系统中的仿真表明，模糊PID控制比传统模糊PID控制具有更好的稳态性能，并且能够更快地适应被控对象参数的变化，是一种非常理想的控制策略。第五章详细论述了开发的以DSPFPGA为核心的嵌入式精跟踪控制系统，在DSP中将所设计的两种控制器转换成CCS工程文件，并且通过使用DSPBUILDER模块将控制器转换为能在FPGA中直接使用的VHDL文件，便捷的实现硬件层面上对控制算法的验证。实验结果表明，系统抗干扰能力强，跟踪精度高，可以满足自由空间激光通信系统的需求。第六章对所设计的桌面实验系统进行介绍，并对所得到的实验结果进行分析，实验表明，使用两种控制器的快速反射镜系统在动态特性、跟踪精度和稳定性方面相比于常规PID控制算法均有所改善，可以很好的补偿由于光斑抖动对激光通信链路造成的影响，体现的本课题的研究意义。第2章快速反射镜经典控制方法概述21快速反射镜简介211工作原理快速控制反射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。快速反射镜是光学系统中对光束实现快速微小角度偏转的微位移机构，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进行快速跟踪。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24。由于具有响应速度快和控制精度高等特点，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26。FSM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27。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28。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29。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。压电效应包括正压电效应和逆压电效应30，正压电效应指由于材料发生形变，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，压电陶瓷驱动器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31。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21和图22为实物图与装置驱动原理图图21FSM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。CH2CH1CH3PZTPZTPZTPZTX轴Y轴Y轴输入X轴输入固定输入010V010V10VX1X2Y1Y2图22FSM驱动原理图S330驱动装置使用4个压电陶瓷，每个轴上分布2个，两两推拉驱动，其驱动原理如图所示，X轴和Y轴上的2个压电陶瓷串联起来工作，以X轴为例，压电陶瓷的正端接固定的10V电压，负端接地，的负端和的正端相连，1212接入010V可变电压。实际工作时，当可变端输入电压为5V时，每个压电陶瓷上的压降均为5V，和的位移量相同，驱动器处于平衡状态，当可变端输12入电压大于5V时，上的压降小于5V，上的压降大于5V，端位移量减小，121端位移量增大，实现了X轴的左向倾斜。2S330虽然有4个压电陶瓷，但因为2个轴可以共用1个固定电压输入端，因此只需要3个高压放大器。使用高压放大器的原因在于由于压电陶瓷本身的特性决定其需要在较大电压下发生伸缩形变，并且能够获得较高的精度。212数学模型压电驱动系统具有多场耦合的特性3233，并且动力学复杂包含迟滞效应、蠕变效应、机电动力学等3435。迟滞效应是一种静态非线性效应，具有全局记忆效应，可采用PREISACH积分模型表示3637（2UTD（，）（）1）式中，为密度函数，表示点（）的切换值。,蠕变效应是一种低频效应，响应时间在分钟量级，可以采用如下模型描述（2C01GIISKCSK2）式中，为静态弹性系数，和是描述动态特性的阻尼和刚度。0压电系统的机电动力学电阻电容和振动动力学响应快，常以MS为单位，本文采用如下传递函数描述（23）EV1GEVSKS式中，为增益，为时间常数。压电偏摆镜迟滞动力学是一种多尺度耦合动力学，并且各部分动力学时间尺度不一致，迟滞效应是一种非时间尺度非线性效应，蠕变效应是一种慢尺度效应，而机电动力学是一种快尺度效应，因此基于精确模型的控制比较复杂。实验发现压电偏摆镜开环工作带宽高，可达KHZ量级，但是由于受到磁滞效应、蠕变效应和机电动力学的影响，开环扫描跟踪精度不够，对极低频信号的开环跟踪误差仍可达10，为实现快速精确控制，需要研究控制效果显著的控制算法。为了有明确的快反镜控制器设计思路，需要确定快速反射镜的近似数学模型。则需要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。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，给被控快速反射镜一个输入信号，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，即可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，最终就可以得到被控对象表达式。进行测试时首先设置PXI4461的工作模式及其他参数，设置被测对象的起始电压及运动后的目标电压，自动将电压置为起始电压，50MS后输出目标电压，然后实时显示测试对象的输入波形图表，并将测试过程中被测对象反馈的20K个采样数据点存储起来，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，即可以得到被控对象的数学表达式。经实验，最终得到的被控快速反射镜的数学模型表达式为（2R1G02SS4）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。213快速反射镜特性分析光电跟踪系统的实际工作环境较为复杂，因此对于复合轴控制系统中的精跟踪快反镜，影响其性能的主要因素有如下几点1传感器性能。传感器对快反镜性能有很大的影响，若位置反馈闭环回路元件的分辨率较差，则经过位置差分测速后的结果会引入大量误差，使得到的速度信息失去意义，为速度闭环的实现带来很大的困难。2非线性影响。快速反射镜闭环控制系统中会存在非线性摩擦以及一些力矩波动等不可避免的干扰，会加大控制难度，控制系统抗干扰能力的强弱主要取决于扰动点之前的系统前向通道增益。虽然负反馈会对扰动起到一定的抑制作用但并不能完全消除扰动的影响。3经典控制方法存在的不足。现今控制校正环节一般采用超前滞后控制、PID控制等经典控制方法，结构较为简单。此外，从快反镜闭环系统的位置闭环来看，控制性能较差的表现主要有在动态响应阶段系统超调量较大、调节时间较长，残差较大。这就需要从控制策略上解决系统响应快速性与超调之间的矛盾，提高系统的动态性能。综上所述，结合精跟踪系统快速反射镜闭环控制特性和实际使用环境因素，需要探索一种新的控制策略，提高控制器对被控对象参数变化的适应能力，增强系统的鲁棒性，尽量减小或消除非线性等因素对系统性能带来的不良影响。22经典控制方法概述在工程实际中，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。比例环节积分环节微分环节被控对象传感器RY图23PID结构图PID控制器结构如图23所示，它根据输入值R与实际输出值Y构成的偏差量进行参数调节，针对控制偏差进行比例、积分、微分调节，其数学表达式为（201UTPDIETTKET5）式中ETRTYT为系统误差，、分别为比例、积分、微分系数。随着计算机技术的发展，数字PID控制器逐渐取代了传统的模拟PID控制器，借助软件实现控制算法，可以利用计算机的逻辑功能，使控制更加灵活。计算机控制是一种采样控制，它根据采样时刻的偏差值计算控制量。因此需要对控制算法进行离散化处理，主要分为位置式和增量式两种。位置式PID按模拟PID控制算法，以一系列采样点K代表连续时间T，以矩形法数值积分近似代替积分，以一阶后向差分近似代替微分，位置式PID表达式为（26）0UK1KPIDJEEK式中，比例系数、为积分系数、为微分系数，K为采样序号，EK为偏差。位置式控制算法采用全量输出，每次输出均与过去状态有关，计算时要对偏差量进行累加，运算量大。出现故障时可能会引起执行机构位置的大幅度变化，造成严重后果。增量式PID所谓的增量式PID是指数字控制器的输出只是控制量的增量UK，表达式为（2DUK1PIEKEK7）增量式控制的主要优点有计算时不需要累加，较容易而获得较好的控制效果，发生故障时影响较小，实际使用时应用较为广泛。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，使得控制系统的鲁棒性不尽人意，同时也很难获得令人满意的控制效果，为克服上述问题，需要对先进控制算法进行研究，本文提出了以常规PID为基础的参考模型自适应和模糊控制器，对FSM进行控制。23本章小结本章对快速反射镜结构、驱动原理及特性进行了分析，通过实验确定了其近似数学模型表达式，然后对目前广泛使用的常规PID控制算法进行介绍，分析了它的不足之处，指出了研究先进控制算法的必要性，为后续工作奠定了理论基础。第3章参考模型自适应PID控制器31概述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3839。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4041。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。参考模型自适应PID控制器的运行机理是将一已知的数学模型作为参考，其输出响应为理想状态，控制过程中参数未知的实际被控对象输出与参考模型输出相比较，两者之差导入自适应控制器，通过自适应律的计算将偏差调至最小4244，即使在控制过程中系统发生较大变化时依然能够获得良好控制品质和稳定性，自适应PID控制兼有自适应控制与常规PID控制两方面的优点首先，可以自动辨识被控过程参数、自动整定控制器参数、很好的适应被控过程参数的变化；其次，具有常规PID调节器结构简单、可靠性高、鲁棒性好等优点。参考模型自适应控制系统框图如图31所示控制器被控对象自适应规律参考模型RUYMEY图31参考模型自适应控制系统框图其主要由参考模型、被控对象、常规PID控制器和自适应控制回路组成。其中被控对象含有未知参数，一般情况下假定被控对象的结构已知。参考模型描述控制系统的期望输出，它能够反应控制系统中制定的性能，需要注意的是其所定义的理想状态应当是自适应控制系统可以达到的，即当给定被控对象模型结构后，对参数模型的结构有诸如阶数等限制。自适应控制系统的关键是自适应控制律和自适应机制。