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        基于快速反射鏡的精跟蹤控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

        2016-12-31 00:00:00胡丹
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2016年12期

        摘 要:文章建立了一套基于PSD的高精度二維快速反射鏡(FSM)精跟蹤系統(tǒng)。通過對(duì)快速反射鏡基本原理的分析,建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型,最終搭建出控制系統(tǒng)的模型,在Matlab中對(duì)模型進(jìn)行仿真,整定出適合的PID參數(shù),使得最后的定位精度小于5?滋rad。

        關(guān)鍵詞:快速反射鏡;精跟蹤系統(tǒng);Matlab;PID

        1 概述

        文章建立了一套基于PSD的高精度二維快速反射鏡(FSM)精跟蹤系統(tǒng)[1]。位置敏感探測(cè)器(PSD)作為傳感器用來測(cè)量相應(yīng)的脫靶量,PSD將位置信息傳遞給PC104,PC104根據(jù)XY的位置信息來控制快速反射鏡的偏轉(zhuǎn),從而構(gòu)成了精跟蹤系統(tǒng)。

        2 快速反射鏡精跟蹤系統(tǒng)

        2.1 快速反射鏡(FSM)的基本原理

        快速反射鏡系統(tǒng)(Fast Steering Mirror system,F(xiàn)SM)[3]是一種通過調(diào)整反射光源與接收端之間光束的裝置,歸于光學(xué)掃描器件一類。作為精確周密的光學(xué)儀器,它控制著發(fā)射光源與接收端之間的光束傳播方向,將光、機(jī)、電技術(shù)結(jié)合在一起,具有體積小、結(jié)構(gòu)之間連接很緊,沒有空隙、速度快、精度高、固定時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)所能正常處理的數(shù)據(jù)流量較多等優(yōu)點(diǎn)[2-3]。文章所采用的快速反射鏡是PI公司的是S-340.ASD/.ASL型號(hào),其采用的是壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器。

        2.2 精跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

        系統(tǒng)示意圖如圖1所示。系統(tǒng)工作原理是:激光束經(jīng)FSM反射后照射在PSD上,PSD對(duì)光束進(jìn)行探測(cè),并輸出二維脫靶量信息,果檢測(cè)出的脫靶量為零,說明無跟蹤誤差,不需要校正;如果檢測(cè)到的脫靶量不為零,說明存在跟蹤誤差,需要校正。因此,根據(jù)脫靶量偏差信號(hào)控制驅(qū)動(dòng)單元,控制快速反射鏡實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向的偏轉(zhuǎn),使光束經(jīng)FSM反射后照射在PSD的中心,從而實(shí)現(xiàn)光束對(duì)目標(biāo)快速、精確的跟蹤[4]。

        3 仿真實(shí)驗(yàn)

        仿真過程中壓電陶瓷涉及到的參數(shù)m=10g,Kf=10,Kg=5979,Ku=42930,Kh=42930。

        此處所用的參數(shù)整定方法為臨界比例度法。臨界比例度法分為以下幾個(gè)步驟:

        (1)將Ti放到最大,Td放到最大,比例度放到適當(dāng)數(shù)值。

        (2)逐漸減小比例度到等幅振蕩,此時(shí)的比例度值稱為臨界比例度Pk,從記錄曲線中測(cè)出等幅振蕩周期Tk,然后按經(jīng)驗(yàn)設(shè)置調(diào)節(jié)器參數(shù)值。

        將等幅振蕩時(shí)的Kp值以及Tk值帶入到經(jīng)驗(yàn)公式可得:Kp=1.6967,Ti=0.00396,Td=0.0009。由圖3可得應(yīng)當(dāng)減小Kp,減少震蕩,減小積分時(shí)間,增強(qiáng)積分作用,此時(shí)Kp=0.7,Ti=0.002,Td=0.0009,波形圖如圖4所示。

        4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

        文章所用到的快速反射鏡的偏轉(zhuǎn)范圍為0~1.25mrad,由圖4可知,最后仿真的精度小于快速反射鏡的最大偏轉(zhuǎn)范圍,且最后的定位精度小于5urad。

        參考文獻(xiàn)

        [1]萬敏,張家如,聶文杰,等.快速傾斜反射鏡精跟蹤系統(tǒng)[J].激光與紅外,1999,29(3):145-147.

        [2]楊雪鋒,李威,王禹橋.壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展[J].儀表技術(shù)與傳感器,2009 (11):109-112.

        [3]王廣志,丁海曙,丁輝.位置敏感器件(PSD)的雜光干擾研究[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),1997(37):61-64.

        [4]胡壽松.自動(dòng)控制原理[M].北京:科學(xué)出版社,2007.

        作者簡(jiǎn)介:胡丹(1990-),女,安徽安慶人,碩士學(xué)位,從事隨動(dòng)控制系統(tǒng)的研究。

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