To solve the rate-dependent hysteresis compensation problem in fast steering mirror (FSM) systems, an improved Prandtl-Ishlinskii (P-I) model is proposed in this paper. The proposed model is formulated by employing a linear density function into the STOP operator. By this way, the proposed model has a relatively simple mathematic format, which can be applied to compensate the rate-dependent hysteresis directly. Adaptive differential evolution algorithm is utilized to obtain the accurate parameters of the proposed model. A fast steering mirror control system is established to demonstrate the validity and feasibility of the improved P-I model. Comparative experiments with different input signals are performed and analyzed, and the results show that the proposed model not only suppresses the rate-dependent hysteresis effectively, but also obtains high tracking precision.

A novel design of a two-axis fast steering mirror (FSM) with piezoelectric actuators is proposed for incoherent laser beam combination. The mechanical performance of the FSM is tested. The results show that the tilting range of the mirror is about 4 mrad, and the 1st-order resonance frequency is about 250 Hz. A self-designed grating encoder is taken as the sensor, which ensures the optimal precision of 10 μrad. The novel mechanical design can meet the requirement of engineering in incoherent laser beam combination.

为了有效补偿压电陶瓷的迟滞非线性, 提出了基于STOP算子的改进PI模型以改善传统基于PLAY算子的PI模型解析求逆的复杂过程以及通过插值算法求逆的大量耗时。介绍了传统的基于PLAY算子和基于STOP算子的PI模型, 然后基于STOP算子的叠加形式建立了以预期位移为输入, 以控制电压为输出的PI模型, 并将这一模型直接作为前馈控制器补偿压电陶瓷的迟滞效应。为了更好地平衡全局寻优与局部寻优能力, 对粒子群优化算法进行了改进, 利用其辨识出各算子的权值。最后, 利用实验的方法验证了改进的PI模型对迟滞非线性的补偿效果。进行了两组实验测试, 结果显示: 无论对于规律变化还是随机变化的输入, 提出的改进PI模型都可以很好补偿迟滞非线性, 跟踪误差可控制在1%以内。因此, 基于STOP算子的改进PI模型在压电陶瓷控制领域中具有很好的实用价值。

为了增加压电陶瓷驱动快速反射镜的偏摆范围, 对菱形微位移放大机构进行了研究设计。首先介绍了菱形结构的放大原理并利用变形能法分析了影响菱形结构性能的关键参数, 然后建立了快速反射镜系统要求与菱形结构设计要求之间的联系, 并根据自行设计的快速反射镜系统选择了菱形结构的关键参数, 最后通过有限元仿真对菱形结构和快速反射镜系统进行了模态分析并对快速反射镜的偏摆范围进行了实验测试。仿真与实验结果表明, 快速反射镜的偏摆范围大于 6′, 低阶谐振频率约为400 Hz, 满足了快速反射镜的系统要求。文中研究得出, 菱形结构的位移放大倍率与最大驱动力是此消彼长的两个性能, 可以通过合理调整菱形长轴与菱形边夹角以及菱形边宽度使两个性能同时满足系统设计要求。

为了有效吸收反射镜偏转造成驱动点的横向位置偏差，保护压电陶瓷驱动器，抑制反射镜在非工作方向上的自由度，提高系统谐振频率，设计了基于压电陶瓷驱动的快速反射镜三自由度柔性支撑。首先根据压电陶瓷驱动的快速反射镜对柔性支撑的设计要求确定了由支撑杆与支撑片组成的三自由度四周式柔性支撑方案，再利用压杆稳定性理论与变形能法对支撑杆与支撑片进行参数设计，最后利用workbench对设计结果进行分析。有限元分析结果表明，直径1 mm、长度8 mm的柔性支撑杆的应用可以使压电陶瓷的剪切位移减少86.7%，柔性支撑片的应用使反射镜一阶模态为轴向平移振动，谐振频率为360 Hz，二三阶模态为反射镜两轴偏摆振动，谐振频率为420 Hz，而高阶模态在1 000 Hz以上。三自由度柔性支撑可以有效防止压电陶瓷受到剪切破坏，提高快速反射镜结构谐振频率，有利于提高系统闭环带宽。