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量子光通信望远镜跟踪控制技术研究
苏艳蕊
Subtype硕士
Thesis Advisor黄永梅
2016-05
Degree Grantor中国科学院研究生院
Place of Conferral北京
Keyword空间量子通信 光电编码器细分误差 Lugre摩擦模型 摩擦力矩补偿 粒子群算法 模糊控制 滑模变结构控制
Abstract

作为中科院星地面望远镜系统项目的关键技术之一,量子光通信望远镜跟踪控制系统跟踪精度和速度平稳性技术决定了星地量子通信链路的稳定性。将中科院光电所自主研发的1.2米量子光通信望远镜作为研究对象,分析了影响望远镜跟踪控制系统速度平稳性的主要因素,提出相应的补偿方法及控制策略。

探讨了量子通信链路的建立过程,详细分析了量子光通信望远镜粗跟踪控制系统的组成单元与各单元的工作原理及其在控制系统中的作用。介绍了望远镜粗跟踪控制器的硬件平台搭建,给出了粗跟踪控制系统设计框图及粗跟踪控制系统被控对象模型的测量方法。从扰动成因、已有扰动补偿技术、现有补偿技术存在的不足及扰动对量子光通信望远镜速度平稳性的影响,分别对光电编码器细分误差扰动及摩擦力矩扰动进行了分析。

针对非线性光电编码器细分误差直接影响望远镜跟踪控制精度及速度平稳性的问题,提出一种基于编码器细分信号误差补偿的高精度位置测量方法。对编码器进行了比较和分析,选择合适的编码器,探讨了光栅莫尔条纹技术测角原理和细分技术。对细分信号进行数理分析,结合实际工程经验,归纳出光电编码器细分误差主要存在的6类细分误差源。进一步对细分误差源进行数理分析,得到了细分误差源与细分信号空间角周期存在比例关系的结论,并将此结论用作误差源的判定依据。分析了细分误差对望远镜跟踪控制系统的影响,提出了一种基于跟踪控制系统位置量的细分误差补偿算法。结合该细分误差补偿算法,设计了两种望远镜粗跟踪控制系统模型,模型I:将细分误差补偿算法仅应用于望远镜粗跟踪速度环;模型II:将细分误差补偿算法同时应用于速度环和位置环,并对二者进行了分析和比较。在实际工程中,望远镜伺服转台存在角秒量级抖动的问题。对该抖动问题分别从时域、频域和空域进行了分析,并找出了该扰动的特性。结合已推算出的细分误差源判定依据,给出对直流细分误差进行补偿的结论。将控制模型II应用于望远镜高低轴跟踪控制系统中,进行了编码器细分误差补偿,位置误差最大值减小至未补偿前的50%。

针对非线性摩擦力矩降低了量子光通信望远镜速度平稳性这一问题,提出了一种高精度粒子群LuGre摩擦模型参数辨识方法,并给出应用模型。首先,对摩擦现象和摩擦模型进行了分析,对比选用LuGre模型作为摩擦补偿模型,提出了一种干扰观测器高精度测量摩擦力矩方法。然后,详述了粒子群算法,给出了粒子群辨识LuGre摩擦模型参数的方法。最后,结合LuGre摩擦模型、干扰观测器高精度测量摩擦力矩和粒子群摩擦模型参数辨识算法,提出一种新的摩擦补偿方法并设计相应的摩擦力矩补偿控制器。将摩擦力矩补偿控制器应用于望远镜方位轴控制中,零速附近反向运动跟踪误差最大值仅为补偿前的40.6%,正向运动跟踪误差最大值仅为补偿前的34.5%。

为增强量子光通信望远镜对控制系统内部参数摄动、复杂力矩扰动,如摩擦力矩,电机力矩波动及风阻力矩等的抵抗能力和鲁棒性,提高跟踪控制系统速度平稳性,提出一种应用于望远镜的新的模糊滑模变结构控制策略。首先,对滑模变结构控制理论及对扰动的不变性给出了论述及证明,提供了针对滑模控制抖振问题的主要解决方案。然后,研究了模糊控制系统的控制思想及组成模块,以望远镜粗跟踪高低轴和方位轴伺服平台作为控制对象,设计了滑模变结构控制器。最后,给出了一种基于模糊控制器切换增益调节的滑模控制器设计方法。以望远镜方位轴作为被控对象,实测所得细分误差和摩擦力矩叠加到被控对象上作为扰动输入,将设计出的模糊滑模变结构控制器应用于方位轴控制系统中。经仿真,文中设计的模糊变结构控制器可以用于增强系统抗扰能力和抑制抖振。

经实际测试与仿真,文中提出的2种扰动补偿方法及1种控制策略有效提升了量子光通信望远镜跟踪控制系统的抗干扰能力与速度平稳性,对其它跟踪控制平台具有普适性。

Subject Area信号与信息处理
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://ir.ioe.ac.cn/handle/181551/7989
Collection光电技术研究所博硕士论文
Affiliation中国科学院光电技术研究所
Recommended Citation
GB/T 7714
苏艳蕊. 量子光通信望远镜跟踪控制技术研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院,2016.
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