桂林航天工业学院电子信息与自动化学院，广西 桂林 541004
为了进一步抑制装配误差扰动对快速反射镜控制系统输出性能的影响，提升系统的跟踪精度，基于干扰观测原理，提出了一种具有内、外双干扰观测环节的扰动抑制方法。分析了快速反射镜组件装配误差对控制系统精度的影响，建立了不平衡力矩扰动的等效数学模型；利用内环干扰观测环节实现对中高频扰动的抑制，应用外环干扰观测环节补偿内环干扰观测环节的中低频扰动放大作用并提供中低频扰动抑制；分析了提出方法的输入和误差信号传递过程，设计了扰动抑制系统各控制器的控制参数；搭建了虚拟样机仿真测试平台，对控制系统的性能进行了测试。结果显示，加入双干扰观测环节前后，虚拟样机系统的调节时间误差为0.54%，对于15 Hz等效扰动，扰动抑制能力提升了25.23%。理论和实验结果表明，双干扰观测环节的引入可以有效抑制装配误差的扰动。
仪器，测量与计量 快速反射镜 扰动抑制 干扰观测器 装配误差 激光与光电子学进展
2024, 61(5): 0512008
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
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
针对某红外搜索系统快速反射镜设计需求，研究基于十字簧片传动结构与音圈致动器的快速反射镜机电联合仿真技术。建立快速反射镜的机电参数化模型，采用有限元分析法构建柔性结构传动刚度模型，同时建立音圈制动器的电磁驱动模型，并进行关键参数的迭代设计确定最优参数；以Matlab/Simulink 为联合仿真平台，建立反射镜动力学仿真接口与电磁驱动仿真接口，结合经典控制模型实现对反射镜机构的联合仿真，并获得系统动态响应的仿真结果。最后通过实验测试验证50 Hz 成像周期下回扫补偿残差与相位滞后，其中实测回扫补偿残差0.0365 mrad，相位滞后2.6 ms，虽然高于仿真分析结果但能够满足工程应用的需求；并对系统的开环频响曲线进行对比，中低频幅值响应误差不超过10%。仿真和实验结果表明，该联合仿真技术对于快速反射镜的设计与优化具有重要的理论指导意义。
快速反射镜 音圈电机 联合仿真 结构分析 fast steering mirror, voice coil motor, co-simulat
北京信息科技大学 仪器科学与光电工程学院，北京 100192
为了改善光电精跟踪系统的动态响应特性，采用预先修正方法对快速执行器件音圈电机快反镜进行优化控制。在快反镜的闭环控制回路中增设前馈环节，根据目标探测与识别环节给出的脱靶量实施预测式调节控制，以加快执行速度;介绍了基于快反镜的光电精跟踪系统的一般构成与工作原理，给出了音圈电机快反镜的闭环控制模型，并执行了前馈-反馈控制方法; 搭建了包括目标模拟、目标成像探测与识别、目标快速跟踪等功能部件的实验系统，对上述方法进行了实验测试。结果表明，系统延迟由2.9 ms缩短至0.8 ms，系统带宽由20 Hz提高至45 Hz。该方法可以大幅压缩光电精跟踪系统的时间延迟，提高系统带宽。
激光技术 音圈电机 快反镜 前馈-反馈控制 laser technique voice coil actuator fast steering mirror feedforward-feedback control
1 东南大学 仪器科学与工程学院, 江苏 南京 210096
2 南京先进激光技术研究院, 江苏 南京 210038
由压电陶瓷驱动的快速反射镜(FSM)现已被广泛用于自适应光学系统的执行环节, 为了对其迟滞效应精确建模, 该文提出了一种针对FSM的IDE-BPNN建模方法。基于Madelung法则以最小二乘法构建称迟滞算子作为迟滞运动的基本描述, 扩展训练用的数据集, 并采用改进的差分进化算法(IDE)对BP神经网络(BPNN)进行训练。实验表明, 当输入30 Hz衰减的正弦信号时, IDE-BPNN模型的单轴最大误差为0.745 μrad, 归一化最大误差为0.87%, 归一化均方根误差为0.36%。相较于最小二乘建模法, 相对于最小二乘模型误差大幅缩小, 有较好的使用价值。
快速反射镜 压电陶瓷 迟滞效应 差分进化 神经网络 fast steering mirror piezoelectric ceramics hysteresis differential evolution neural network
红外与激光工程
2023, 52(9): 20230179
1 中国科学院上海微系统与信息技术研究所传感技术国家重点实验室，上海 200050
2 中国科学院大学，北京 100049
3 上海微技术工业研究院，上海 201800
4 上海大学微电子学院，上海 200444
快速反射镜（FSM）具有响应快、精度高、分辨率高等优势，被广泛应用于卫星激光通信、激光**、自适应光学成像、高精度激光瞄准等领域，是捕获、跟踪和瞄准（ATP）系统中的核心部件。本文介绍了ATP系统和FSM的工作原理，并从驱动方式、FSM的面形、工作带宽、扫描角度范围、控制精度、体积重量及功耗等性能指标及在卫星激光通信的应用等方面，详细介绍了国内外研究机构的多款FSM器件，从音圈电机、压电陶瓷和微机电系统（MEMS）三种驱动结构上对FSM进行了分类，并阐述了不同驱动结构FSM的工作方式及性能差异，分析了影响FSM在ATP系统中应用的关键参数，展望了FSM在激光通信中的关键技术，指出了高精度、数字化、小型化是FSM的发展趋势。
光通信 卫星激光通信 快速反射镜 压电陶瓷 音圈电机 微机电系统 激光与光电子学进展
2023, 60(15): 1500003
北京工业大学材料与制造学部数控精密加工技术研究所，北京 100124
激光具备优异的相干性、方向性和高能量，被广泛应用于激光通信、激光制导、高能**和精密加工等领域。然而，激光器本身和外部环境等因素会造成光束指向不稳定，严重降低了通信、制导和加工的精度。因此，构建了一种基于快速反射镜的光束指向性偏差矫正系统，并对光束指向性偏差矫正过程进行建模。重点构建了由位置敏感探测器的位置偏差信号到快速反射镜的矫正角度的控制模型。建立的控制模型可以实现对光束指向性偏差的检测和预测，并调整快速反射镜的姿态，以矫正光束指向性偏差，提高光束指向稳定性。通过实验验证了构建的系统和模型的性能。结果表明，依据构建的系统和模型校正后的光束在X方向和Y方向上的指向性偏差分别减少了78.08%和70.28%，光束指向稳定性显著提升。
光学设计 激光束传输 光路建模 光束指向性偏差 快速反射镜 位置敏感探测器 中国激光
2023, 50(14): 1405003
1 南京信息工程大学自动化学院，江苏 南京 210044
2 中国科学院光电技术研究所，四川 成都 610209
3 中国船舶重工集团公司第七一九研究所，湖北 武汉 430064
4 东北大学信息科学与工程学院，辽宁 沈阳 110167
Overview: The fast steering mirror is an important component of a high-precision photoelectric tracking system. Fast steering mirrors are generally driven by voice coil motors with high linearity, high sensitivity, and high bandwidth to ensure adequate tracking and anti-interference accuracy of the whole system. In recent years, with the expansion of applications, the photoelectric tracking system has expanded from a fixed platform mounted on a foundation to a moving platform. However, the environment in which the motion platform is located is more severe and the internal and external interference caused by the carrier attitude change will be more complex and intense, leading to a serious decrease in the accuracy of the visual axis stabilization, and even make the tracking target out of the field of view and lose the target. In general, for the photoelectric tracking system in a moving platform, the traditional passive interference suppression methods and the active interference suppression methods that treat the interference as lumped interference will not be enough to ensure the high-precision stability of boresight. Therefore, this paper proposes a sliding mode composite layered interference observation and compensation control strategy which combines harmonic interference observation and extended state observation. Firstly, the harmonic disturbance observer is used to observe the harmonic disturbance with a priori frequency information. Then, the extended state observer is used to observe other unknown disturbances. Finally, based on the observed multi-source interference, the sliding mode nonlinear method with anti-interference ability is used to design a composite controller to maximize the suppression of multi-source disturbances suffered by the system. The experiment shows that the sliding mode composite layered interference observation compensation method proposed in this paper can estimate multi-source interference more accurately, has stronger interference suppression ability, and obtains higher boresight stabilization accuracy for the fast steering mirror compared with the traditional single interference observation compensation method.
快反镜 视轴稳定 复合分层 谐波干扰观测器 扩张状态观测器 滑模 fast steering mirror LOS stability composite layered harmonic disturbance observer extended state observer sliding mode
