山东科技大学 电气与自动化工程学院，山东青岛266590
快速反射镜（Fast Steering Mirror，FSM）是高精密光学系统中的关键仪器，基于音圈电机（Voice Coil Actuator，VCA）驱动的柔性支撑FSM存在复杂耦合特性，导致系统模型复杂并严重影响系统的控制性能，对于该问题，本文提出了一种基于系统辨识与模型降阶的双轴积分增广滑模控制方法。首先，采用基于脉冲响应的Hankel矩阵系统辨识方法建立VCA-FSM的精确耦合模型；随后，基于平衡实现与平衡截断，在保证模型精度的前提下对所建立的高阶模型进行降阶；其次，基于降阶模型，采用现代控制理论方法设计积分增广滑模控制器，通过设计状态观测器构造滑模切换函数与控制律，并在控制设计中改进符号函数以消除滑模抖振；最后，基于VCA-FSM伺服控制系统实验平台，开展频域与时域性能测试实验。实验结果表明：本文所提控制方法相较于单轴滑模、PID控制方法，系统的闭环跟踪带宽分别提高了约50.3%，251.3%，扰动抑制带宽分别提高了约39.9%，451.9%，阶跃响应调节时间分别缩短了约29.7%，97.7%，螺旋线跟踪精度分别提高了约48.5%，97.8%，且实现了对存在强耦合特性VCA-FSM的解耦控制。本文所提控制方法充分提高了VCA-FSM的控制性能。
快速反射镜 音圈电机 系统辨识 模型降阶 滑模控制 Fast Steering Mirror（FSM） Voice Coil Actuator（VCA） system identification model reduction sliding mode control 光学 精密工程
2023, 31(24): 3580
中国电子科技集团公司光电研究院, 天津 300308
构建了快速反射镜静动态性能测试系统, 对系统组成和测试方法进行了描述。对系统的重要组成部分扰动快反镜进行了较详细的设计, 并对其非线性误差修正方法加以说明。定量分析了系统误差的来源, 通过系统设计可消除系统误差的影响。
快速反射镜 非线性误差 系统误差 fast steering mirror (FSM) nonlinear error system error
中国电子科技集团公司光电研究院, 天津 300308
快速反射镜是复合轴精密跟瞄系统的核心之一。为研究解耦快速反射镜旋转引起的光束偏转, 将快速反射镜的转动分解为纵轴和横轴的运动, 并建立空间直角坐标系。分别进行快速反射镜纵轴、横轴转动, 通过理论分析, 确立光束偏转与快速反射镜转动在空间直角坐标系内基本关系。针对典型情况, 分析出上述关系的简化模型, 便于工程简化运算, 并通过仿真进行了验证。
反射镜坐标系 变换矩阵 耦合补偿 fast steering mirror (FSM) coordinate system transformation matrix coupling compensation
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
设计了一款紧凑型刚性支撑式快速控制反射镜(FSM),以适应机载运动平台的高振动、大冲击和高低温等恶劣工作环境。考虑机载FSM的工作需求, 分别对FSM的支撑轴系、驱动元件和测角元件等进行设计与选择。针对刚性支撑轴系设计了轴系间隙调整机构, 提高了FSM系统的轴系精度, 进一步增大了FSM的承载能力; 针对机载FSM研制了专用小尺寸微位移测量传感器, 通过将4个传感器非轴线对称布置, 并利用二次差分的方式实现反射镜位置的实时监测, 进一步减小了FSM系统的体积, 提高了它的测量精度。最后, 对机载FSM的控制带宽和指向精度进行了实验检测。结果显示: 所设计的FSM系统控制带宽约为110 Hz, 方位指向误差不超过3.4″, 俯仰指向误差不超过3.8″, 表明所设计的FSM控制系统稳定、响应速度快、指向精度高, 满足机载运动平台的应用要求。
快速控制反射镜 刚性支撑 差分测量 控制带宽 指向精度 Fast Steering Mirror(FSM) rigid support difference measurement control bandwidth pointing precision
1 重庆大学 光电技术及系统教育部重点实验室, 重庆 400044
2 重庆大学 光电工程学院, 精密与智能实验室, 重庆 400044
针对现有的基于压电陶瓷叠堆执行器的快速控制反射镜偏转角度较小的问题, 提出了一种大角度定轴偏转压电式快速控制反射镜。采用基于柔性铰链的桥式位移放大机构将压电陶瓷叠堆执行器的输出位移放大, 并将其作用到反射镜面上实现大角度定轴偏转。在此基础上, 建立了压电式快速控制反射镜的结构和偏转角度输出方程, 并通过理论推导和仿真对其工作时的最大偏转角度、最大应力和自然频率特性进行了分析。最后, 通过实验测试对建立的压电式快速控制反射镜的工作原理和特性分析结果进行了验证。结果表明, 建立的偏转角度输出方程能够根据压电陶瓷叠堆执行器的输出位移准确估计压电式快速控制反射镜的机械偏转角度, 从而大大提高设计的效率; 建立的压电式快速控制反射镜可以实现大于3°的镜面机械偏转, 其固有频率为180 Hz, 能够满足高速稳像系统的偏转角度大、响应速度快的要求。
快速控制反射镜 压电陶瓷叠堆执行器 倾斜镜 自适应光学 图像稳定 Fast Steering Mirror (FSM) Piezoelectric Ceramic Stack Actuator (PCSA) tilt mirror adaptive optics image stabilization
1 重庆大学 光电技术及系统教育部重点实验室, 重庆 400044
2 重庆大学 光电工程学院 精密与智能实验室, 重庆 400044
针对压电式快速控制反射镜(Fast Steering Mirror, FSM)的迟滞问题, 分析了压电式FSM的工作原理和迟滞特性, 建立了基于Bouc-Wen算子的压电式FSM的数学模型及其参数辨识方法。通过Bouc-Wen算子模拟压电式FSM输出镜面偏转角度中的迟滞分量, 并根据在两个相位相同的输入驱动电压信号下压电式FSM的输出镜面偏转角度曲线辨识Bouc-Wen算子的全部参数。在此基础上, 提出了压电式FSM的前馈线性化方法。为了验证提出的数学模型和线性化方法的原理, 建立了压电式FSM及其线性化控制器的快速原型系统和Bouc-Wen算子参数辨识实验装置。实验结果表明: 本文提出的参数辨识方法能够准确辨识压电式FSM的Bouc-Wen算子参数, 提出的前馈线性化方法能够将压电式FSM的输出镜面偏转角度与输入控制电压的线性度提高到2.3%, 迟滞误差减小到±0.5%, 满足实际应用对精确控制压电式FSM的要求。
快速控制反射镜 压电陶瓷叠堆执行器 倾斜镜 迟滞 线性化 Fast Steering Mirror (FSM) Piezoelectric Ceramic Stack Actuator (PCSA) tilt mirror hysteresis linearization
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
2 中国科学院大学，北京 100049
为了适应车载平台恶劣的工作环境，设计了一种大口径刚性支撑式快速反射镜。针对车载跟瞄转台对快速反射镜的应用需求选择音圈电机为驱动器，并分别设计了快速反射镜系统的平面反射镜、驱动器、支撑基座、测量元件和机械结构。然后， 应用有限元分析方法，有效地实现了平面反射镜的轻量化及支撑基座的模态分析。快速反射镜通过球型铰链实现其运动部分与不动部分的连接，主要载荷通过铰链由支撑基座间接承载，从而有效地保障了大口径快速反射镜的承载能力和环境适应性。最后，组建了伺服控制系统，并对控制带宽和指向精度进行了测试。结果显示: 所设计的车载大口径快速反射镜带宽达67 Hz，方位指向精度为1.0″、俯仰指向精度为1.1″，表明控制系统稳定实用，满足车载平台的应用要求。
快速反射镜 刚性支撑 控制带宽 指向精度 Fast Steering Mirror(FSM) rigid support control bandwidth pointing precision
为了对控制系统稳定性能和扰动隔离能力进行分析，对二级稳定系统进行了建模和控制器设计，仿真结果显示，系统速率稳定回路带宽提升至200 Hz，1 Hz位置隔离度提升至-901 dB。在实际系统中，采用位置敏感探测器(PSD)测量瞄准线的运动，隔离度测试实验结果显示1 Hz位置隔离度提升至-731 dB，提升约20 dB，测试结果证明:二级稳定技术能够显著提高系统的稳定精度。
自动控制技术 稳瞄 二级稳定 快速反射镜 automatic control technology stabilized-aimed two-level stabilization fast steering mirror(FSM)
1 长春理工大学 光电工程学院, 吉林 长春 130022
2 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
设计了一种适于车载等运动环境下的快速控制反射镜, 用于在具有振动和冲击的工作环境下控制激光发射系统的激光光束稳定及其精确校准。根据某光学系统的性能指标要求, 阐述了用于高能激光的平面反射镜的物理性能以及控制反射镜负载应有的机械特性。采用大行程的音圈电机作为控制反射镜的驱动器, 并设计了精度高、抗干扰能力强的角位移测量装置作为控制反射镜的位置传感器。对所采用的4个音圈电机和4个角位移测量装置进行了合理布局, 既降低了系统的转动惯量又提高了系统的可靠性和环境适应性。实验结果表明: 该快速控制反射镜的定位精度优于1.4″, 满足高能激光发射系统对控制反射镜的精度要求。
光束控制 快速控制反射镜 激光发射系统 动载体 音圈电机 beam control Fast Steering Mirror (FSM) laser projecting system motion carrier voice coil actuator
1 长春理工大学 光电工程学院, 吉林 长春 130022
2 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
为了使快速控制反射镜(FSM)能在车载、舰载等运动环境下稳定工作, 并具有很高的控制精度, 研制了一套高精度角位移测量装置, 该装置通过精确地提供反射镜摆角信息作为系统的反馈信号来实现伺服闭环控制。针对传统快速控制反射镜位置信息反馈传感器的精度低以及不适于动载环境等缺点, 采用田字裂相信号提取方法设计了基于莫尔条纹计数测量原理的精密光栅, 并通过计算机进行仿真分析设计了具有抗干扰能力和耐高低温变化的绝对零位信号, 其对比度达0.25。对信号处理电路进行高度集成, 实现了小型化。实验结果表明, 反射镜角位移测量装置测量的反射镜角分辨率为0.15″, 测角精度优于0.4″, 完全能满足机动式条件下, 高能激光发射系统对FSM控制精度的要求。
车载激光** 快速控制反射镜 光栅 光束控制 角位移测量 vehicle-borne laser weapon Fast Steering Mirror (FSM) grating beam control angle displacement measurement
