空间大口径快摆镜机构非线性补偿及闭环控制技术研究

论文摘要

随着我国宇宙探索和深空探测工程的不断推进,亟需研制高分辨率、大视场的空间天文望远镜。空间天文望远镜在轨工作环境复杂,探测精度会受航天器姿态变化和望远镜内外部的振动等多种因素影响,而光电复合轴控制是实现空间望远镜高精度跟踪和高质量成像的重要手段。快摆镜（Fast Steering Mirror,FSM）机构作为空间望远镜复合轴控制系统的执行器单元,其补偿精度直接决定着精密稳像系统的性能。本文从空间望远镜对精密稳像系统性能的需求出发,在调研国内外快摆镜机构基础上,提出了一套压电动态迟滞补偿,压电蠕变抑制和快摆镜跟踪控制相结合的大口径快摆镜机构闭环控制方案,并搭建实验系统进行控制系统性能验证,具体研究内容如下:（1）针对当前天文观测需求和空间望远镜精密稳像系统性能要求,在分析大口径快摆镜机构控制系统技术参数的基础上,确定了大口径快摆镜机构系统方案和结构模型,提出了大口径快摆镜机构闭环控制方案。（2）针对基于广义Play算子Prandtl–Ishlinskii（PI）模型的求逆复杂性和求逆过程误差累加的问题,直接构造一种基于广义Stop算子的非对称PI逆迟滞模型。在此模型基础上建立了Hammerstein动态迟滞前馈补偿器来消除压电执行器（Piezoelectric Actuators,PZT）动态迟滞非线性,并采用线性二次高斯最优控制算法（Linear Quadratic Gaussian,LQG）来进一步提高压电执行器定位精度,建模和控制器设计过程中利用混沌自适应差分进化算法（Chaotic adaptive differential evolution,CADE）辨识和整定模型及控制器参数。仿真和实验结果表明,基于广义Stop算子的PI逆迟滞模型和LQG控制算法相结合的复合控制策略的优越性和有效性。（3）从压电执行器蠕变特性出发,针对已有的蠕变特性数学模型的局限性,构建了径向基函数（Radial Basis Function,RBF）压电蠕变预测网络,并采用CADE算法来确定RBF神经网络的学习速率、动量因子和结构参数初值从而提高收敛速度。模型比较结果表明,提出的CADERBF网络蠕变模型对压电执行器蠕变预测效果明显。（4）根据系统的输入和输出数据,采用方差比率检验法（F检验）和递推最小二乘法建立了大口径快摆镜机构开环系统模型,并基于此模型设计了常规内模（Internal Model Control,IMC）闭环控制器,并利用“支持型”间接模糊控制思想对IMC控制器参数进行自适应整定。仿真和实验验证结果表明,该控制算法具有优越的抗干扰和鲁棒性能。（5）根据大口径快摆镜机构控制系统技术参数要求,设计并搭建了大口径快摆镜机构闭环控制系统验证平台。该系统实时跟踪转角范围为-35"35",频率范围为120Hz的变频、变幅值目标输入信号,x轴的跟踪精度可以达到0.089",y轴的跟踪精度可以达到0.085";实时跟踪经过隔振系统的航天器平台扰动信号,x轴跟踪精度为0.047",y轴跟踪精度为0.049",取得了算法的预期实验效果。（6）完成了大口径快摆镜机构闭环控制系统在空间望远镜精密稳像光闭环实验系统中的应用。在对最大频率为6.25Hz的变频、变幅值模拟星点的二维扰动进行补偿后,精细导星仪检测星点在x轴和y轴方向上的扰动程度分别降低了71.81%和73.82%,模拟天文观测的CCD长曝光相机所成星斑图像相比于未补偿前的弥散星斑,能量集中度提高了53.3%。实验结果验证了本文设计的大口径快摆镜机构闭环控制系统对空间望远镜视轴偏差补偿能力。

论文目录

摘要

Abstract

符号说明表

第1章绪论

1.1 课题研究背景与意义

1.2 空间望远镜及其稳像系统国外发展现状

1.2.1 哈勃空间望远镜

1.2.2 詹姆斯.韦伯空间望远镜

1.2.3 Soar-B太阳望远镜

1.3 快摆镜执行机构相关研究现状

1.3.1 压电驱动快摆镜研究现状

1.3.2 音圈电机驱动快摆镜研究现状

1.4 压电执行器特性及控制相关研究现状

1.4.1 压电执行器特性分析

1.4.2 压电执行器迟滞非线性建模与补偿

1.4.3 压电执行器蠕变特性分析与抑制

1.5 系统辨识相关研究现状

1.5.1 系统辨识原理

1.5.2 系统辨识方法

1.5.2.1 线性系统辨识方法

1.5.2.2 非线性系统辨识方法

1.6 论文主要内容和章节安排

1.6.1 论文主要内容

1.6.2 论文各章节安排

第2章空间大口径快摆镜机构闭环控制系统方案研究

2.1 空间望远镜精密稳像系统结构

2.2 大口径快摆镜机构闭环控制系统技术参数分析

2.3 系统方案确定

2.3.1 促动器的选择

2.3.2 微位移传感器的选择

2.3.3 压电执行器驱动方式的选择

2.4 大口径快摆镜机构结构模型

2.4.1 柔性支撑微位移放大机构

2.4.2 大口径快摆镜机构驱动结构

2.5 大口径快摆镜机构闭环控制方案

2.6 本章小结

第3章压电执行器动态迟滞建模方法与控制策略

3.1 广义PI迟滞模型

3.1.1 基于广义Play算子的PI模型

3.1.2 基于广义Stop算子的PI逆模型

3.2 Hammerstein动态迟滞模型

3.3 基于混沌自适应差分进化算法的参数辨识

3.3.1 自适应差分进化算法

3.3.2 混沌自适应差分进化算法

3.4 压电执行器LQG控制算法

3.5 模型效果比较与分析

3.5.1 压电动态逆迟滞模型建立

3.5.2 压电执行器复合控制算法仿真与分析

3.5.2.1 闭环控制系统性能参数

3.5.2.2 LQG控制算法仿真结果分析

3.6 本章小结

第4章压电执行器蠕变特性及动态预测方法

4.1 压电执行器蠕变特性分析

4.2 径向基神经网络简介

RBF网络的压电执行器动态蠕变预测'> 4.3 基于CADE_RBF网络的压电执行器动态蠕变预测

4.3.1 RBF蠕变预测网络的建立

4.3.2 基于CADE算法的RBF神经网络

4.4 模型效果分析

4.4.1 隐含层神经元数确定

4.4.2 不同预测算法对比

4.5 本章小结

第5章大口径快摆镜机构系统辨识与控制方法

5.1 大口径快摆镜机构系统辨识原理

5.2 大口径快摆镜机构系统辨识

5.2.1 大口径快摆镜机构信号采集系统

5.2.2 数据采集与预处理

5.2.3 基于F检验法的系统模型阶次确定

5.2.4 系统离散模型参数辨识

5.3 自适应大口径快摆镜机构闭环控制方法

5.3.1 模糊控制系统

5.3.1.1 模糊理论

5.3.1.2 模糊控制系统组成

5.3.2 常规IMC控制方法

5.3.3 自适应模糊IMC控制方法

5.4 控制算法仿真与比较

5.4.1 最优PID控制器设计

5.4.2 不同控制算法对比

5.5 本章小结

第6章大口径快摆镜机构闭环控制系统验证平台搭建及实验

6.1 压电驱动放大电路设计

6.1.1 驱动电压放大原理

6.1.2 压电驱动放大电路实现

6.1.3 测试结果分析

6.2 SGS微位移检测信号调理电路设计

6.2.1 压电执行器微位移信号检测原理

6.2.2 SGS微位移信号调理电路实现

6.2.3 测试结果分析

6.3 压电执行器复合控制系统验证平台搭建与实验

6.3.1 压电执行器复合控制系统验证平台

6.3.2 压电执行器复合控制系统跟踪试验

6.4 大口径快摆镜机构闭环控制系统验证平台搭建与实验

6.4.1 大口径快摆镜机构闭环控制系统验证平台

6.4.2 大口快摆镜机构闭环控制系统实验结果分析

6.4.2.1 输入信号为变频和变幅值正弦位移信号

6.4.2.2 输入信号为航天器平台扰动量

6.5 空间望远镜精密稳像光闭环系统实验验证

6.5.1 精密稳像光闭环实验系统

6.5.1.1 精细导星仪

6.5.1.2 CCD长曝光相机

6.5.1.3 模拟星源

6.5.1.4 星源扰动模拟装置

6.5.2 精密稳像光闭环实验系统性能评估方法

6.5.3 精密稳像光闭环系统实验结果分析

6.6 本章小结

第7章总结与展望

7.1 工作总结

7.1.1 主要工作

7.1.2 论文创新点

7.2 研究展望

参考文献

致谢

作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 张泉

导师: 尹达一

关键词: 空间望远镜,精密稳像系统,大口径快摆镜机构,压电动态迟滞非线性补偿,压电蠕变预测,系统辨识,自适应控制

来源: 中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所)

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 天文学,自动化技术

单位: 中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所)

分类号: P111;TP273

DOI: 10.27581/d.cnki.gksjw.2019.000015

总页数: 148

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