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题名:
加速度反馈在高精度跟踪控制系统中的应用研究
作者: 唐涛
学位类别: 博士
答辩日期: 2009-06-01
授予单位: 中国科学院光电技术研究所
授予地点: 光电技术研究所
导师: 付承毓
关键词: 加速度反馈,多闭环,快速反射镜,机械谐振,跟踪控制,低速摩擦,Kalman滤波器,脱靶量延迟,前馈控制
学位专业: 信号与信息处理
中文摘要: 为提高跟踪控制系统性能,本文重点研究和探讨了复合轴控制系统的机械谐振、脱靶量延迟、摩擦力矩、低采样频率下快速反射镜控制等几个关键技术问题,旨在提出一些有效的技术路线和方法,满足当前工程中的需要。提出采用以加速度反馈为基础多闭环的控制技术,深入地研究了上述几个关键问题的难点和工程中解决的途径,提高复合轴控制系统的精度。 首先阐述了基于电流反馈、加速度反馈、速度反馈、位置反馈的多闭环控制模式的普遍意义,只要加速度反馈的增益足够高,完全能够消除系统的干扰。在此基础上研究前馈控制器,既可以实现更高精度的跟踪,又可以提高对快速目标的跟踪能力。分析了电流环、加速度环、速度环之间的关系和设计方法,并利用霍洛维茨方法分析了系统的鲁棒性能。 提高速度回路带宽和扰动抑制能力非常重要,尤其对于在外界干扰力矩严重下工作的大负载跟踪控制系统,由于其谐振频率很低并且谐振峰也高,对谐振的补偿非常关键。建立弹性模型描述粗跟踪系统的特性,分析了谐振与反谐振的原因,并指出反谐振在谐振之前。分析了当前几种谐振补偿方法后,提出了采用加速度反馈控制方法,实验结果表明加速度反馈能够很好地减小谐振峰,提高速度闭环带宽,增加系统扰动抑制能力。 转台低速性能将受到摩擦干扰力矩的制约,尤其在系统低速运行的时候,会影响系统的跟踪精度,甚至破坏系统的稳定性。摩擦造成转台低速爬行和换向时出现“尖峰”,本文指出低速摩擦的补偿最为重要。采用Lyapronuv定理分析了摩擦对速度环路的影响,只要速度小到一定程度,摩擦总是破坏速度环路的稳定性。低速爬行最主要的原因就是在摩擦力矩作用下的控制系统中位置控制器采用了积分器。提出了以加速度反馈为内环,编码器测速为速度闭环的控制方式,很好的补偿摩擦,提高了跟踪系统的低速平稳性能。 提高系统对快速目标的跟踪能力,尤其是加速度很大的目标,必须减小速度、加速度滞后误差。由于电视脱靶量延迟的影响,很难通过提高闭环增益来减小滞后误差。前馈控制是提高精度的有利的手段,但是在跟踪系统中传感器不直接提供目标的速度、加速度信息,必须通过滤波合成得到。Kalman滤波器是光电跟踪中成功应用的一种滤波器,本文深入地分析了Kalman滤波器的频率特性,指出了过程噪声、测量噪声、采样时间同滤波器带宽的关系。Kalman滤波算法的延迟对前馈控制也有很大的影响。提出了采用高阶前馈控制补偿系统的延迟,提高系统对大速度、大加速度的跟踪能力。 快速反射镜控制系统通常只采用电视闭环,脱靶量的延迟使得不能单纯地依赖提高闭环系统带宽来提高跟踪精度。为提高延迟下反射镜闭环精度,研究了2种有效的控制算法:1)提出了基于电涡流闭环的前馈控制,首先利用电涡流为系统提供一个高带宽内环,由此可以得到一个近似的线性系统,然后将电涡流信号和脱靶量合成作为目标信号前馈到系统中,提高反射镜闭环精度。2)快速反射镜位置开环特性是零型系统,误差抑制能力有限。提出了基于加速度传感器的在快速反射镜控制,一方面补偿谐振;另外一方面,加速度反馈可以将位置开环特性提高到2型,因此可以提高误差抑制能力,尤其提高低频的抑制能力。本文就加速度传感器在快速反射镜中的应用做了详细的分析和实验。
语种: 中文
内容类型: 学位论文
URI标识: http://ir.ioe.ac.cn/handle/181551/355
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唐涛. 加速度反馈在高精度跟踪控制系统中的应用研究[D]. 光电技术研究所. 中国科学院光电技术研究所. 2009.
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