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滑模控制对激光通信程序完善

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空间激光通信是以激光束作为信息载体,在空间进行数据传输的一种通信方式,其通信终端主要由激光通信系统和捕获、跟踪、对准(acquisitiontrackingandpointing,ATP)系统两大部分组成[1-3].在空间激光通信中,不仅要求ATP系统能稳定、快速地跟踪对方终端发射的目标光束,还必须将目标光束控制在激光通信链路信号传输误码率要求的范围内,因此要求ATP系统具有快速的跟踪能力和非常高的控制精度[4].而快速跟踪意味着ATP系统应具有快速的响应和较宽的控制带宽;控制精度高意味着ATP系统的跟踪误差小,二者之间相互矛盾.为解决这一问题,本文中将滑模控制用于ATP系统复合控制结构的精跟踪系统中,既增加了ATP精跟踪系统的控制带宽,又提高了系统的控制精度,使系统具有较好的稳态性能和动态性能.

1ATP系统跟踪控制模型

空间激光通信ATP系统中的捕获、跟踪和对准功能是以跟踪控制回路为中心,由粗跟踪系统和精跟踪系统完成的.粗、精跟踪系统主要由光电跟踪传感器单元、信号处理控制单元和跟踪伺服机构组成.在粗精复合控制系统中,粗跟踪控制系统的跟踪误差大于精跟踪传感器探测视场时,精跟踪控制系统不起作用;粗跟踪控制系统的跟踪误差小于精跟踪传感器探测视场时,精跟踪控制系统进入跟踪状态,通过精跟踪传感器构成光闭环,进一步校正粗跟踪残余误差.图1为双探测器粗精复合跟踪控制模型[5].图中Ects(s)和Efps(s)分别为粗、精跟踪系统光电跟踪探测单元传递函数,Dctc(s)和Dfpc(s)分别为粗、精跟踪控制器传递函数,Gctp(s)和Gfpp(s)分别为粗、精跟踪系统的伺服机构和被控对象传递函数;θt和θo分别是粗精复合轴跟踪系统期望的视轴角和实际输出角;θc和θf分别是粗、精跟踪控制回路的输出角;ec和ef分别为粗、精跟踪系统的跟踪误差.图1ATP系统粗精复合跟踪控制模型Fig.1ModelofcoarseandfinetrackingcontrolofATPsystem由图1可分别得出粗、精跟踪控制回路闭环等效传递函数为Gct(s)=Gcto(s)1+Gcto(s),(1)Gfp(s)=Gfpo(s)1+Gfpo(s).(2)式中:Gcto(s)为粗跟踪控制回路开环传递函数,Gcto(s)=Ects(s)Dctc(s)Gctp(s);Gfpo为精跟踪控制回路开环传递函数,Gfpo(s)=Efps(s)Dfpc(s)Gfpp(s).复合跟踪控制系统的闭环传递函数为Gclose(s)=θo(s)θt(s)=Gcto(s)+Gfpo(s)+Gcto(s)Gfpo(s)[1+Gcto(s)][1+Gfpo(s)].(3)由式(3)可得系统等效开环传递函数为Gopen(s)=Gcto(s)+Gfpo(s)+Gcto(s)Gfpo(s).(4)由式(4)可知,所研究的ATP系统粗、精复合控制跟踪精度由精跟踪系统控制精度决定[6],因此,精跟踪控制回路控制器的设计是改善ATP系统跟踪性能的关键.考虑粗、精跟踪系统的控制是独立的,本文中仅讨论精跟踪系统控制器的设计对ATP系统跟踪性能的影响.

2精跟踪控制器设计

一个快速高精度跟踪系统,既需要有高带宽、高精度的执行机构,又需要有响应快速、定位精度高的位置探测器件[7].图2为设计的精跟踪伺服系统控制回路.它由高精度四象限探测器、信标光斑位置解算处理单元、精跟踪控制器、压电陶瓷驱动器(PZT)和快速控制反射镜组成.小惯量的反射镜黏合在压电陶瓷上,可实现反射镜倾角的快速高精度调整.根据实验系统所选的压电陶瓷驱动器及实测输出的频率响应数据(输入电压幅值为10V),经曲线拟合得驱动器在方位(俯仰与方位相似)方向上的频率特性曲线如图3所示.由此可得压电陶瓷驱动的快速反射镜的模型为Gfpp(s)=θf(s)U(s)=KPZTω2n(τs+1)s2+2ζωns+ω2n.(5)式中:等效阻尼比ζ=0.7;等效振荡频率ωn=750Hz;压电陶瓷驱动器放大倍数KPZT=10.令Efps(s)=1,采用频域法设计精跟踪控制器的等效开环传递函数为滑模控制特性是一种使系统结构随时间变化的开关特性.从理论上分析可知,采用滑模控制,通过调节参数能够控制系统的增益、积分、微分常数实时地变化.

3精跟踪控制实验分析

ATP系统跟踪的目的在于稳定通信终端系统视轴,使主从激光通信终端之间存在相对运动时[9],系统视轴在跟踪过程中的角速度和角加速度对于位置伺服单元将引起动态滞后跟踪误差小于期望的数值.精跟踪系统能够完全校正粗跟踪系统的系统误差,因此ATP系统最终跟踪精度取决于精跟踪系统对粗跟踪系统产生的随机误差的校正能力.精跟踪系统控制带宽越宽,抑制粗跟踪系统产生随机误差的能力就越强.为研究滑模控制对ATP系统跟踪性能的影响,图4给出了用频域法和滑模控制方法设计的精跟踪控制误差抑制函数频率响应曲线.从图4可看出,用频域法控制时,误差频率响应曲线相对较陡,当其频率大于290Hz时,系统对误差没有校正能力,且0dB以上曲线凸起部分对系统随机误差起放大作用,放大倍数可达到1.5倍.而用滑模控制,在整个工作频率范围内,系统对误差都有校正能力,可见,滑模控制增加了系统中频段的控制带宽.从图4中还可看出,当粗跟踪系统随机误差频率为3.7Hz,频域法和滑模控制具有相同的抑制比,为-43dB.如果粗跟踪系统随机误差最大幅值为150μrad,为使跟踪系统的跟踪误差小于2μrad,误差抑制比应小于-37dB,此时若采用频域法,粗跟踪系统随机误差频率小于5.5Hz,而用滑模控制,粗跟踪系统随机误差频率小于8Hz.这说明滑模控制对误差的校正能力在中频段优于频域法设计的结果.图5给出了频率为8Hz时,模拟相对运动引起的动态滞后跟踪误差仿真结果,此时频域法和滑模控制的调节时间相同.滑模控制是根据误差和误差变化率的大小来改变精跟踪控制器输出的,从而达到改善精跟踪系统的过渡过程,提高跟踪系统控制精度的目的.

4结论

设计了滑模控制律精跟踪控制器,并将其用到空间激光通信ATP系统跟踪控制的仿真分析和模拟实验系统研究中.通过与频域设计方法对比,证明指数趋近率滑模控制方法的有效性和对动态滞后跟踪误差的抑制能力.

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