留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

快速反射镜的复合快速非奇异终端滑模控制

李智斌 李亮 张建强

李智斌, 李亮, 张建强. 快速反射镜的复合快速非奇异终端滑模控制[J]. 中国光学(中英文). doi: 10.37188/CO.2023-0203
引用本文: 李智斌, 李亮, 张建强. 快速反射镜的复合快速非奇异终端滑模控制[J]. 中国光学(中英文). doi: 10.37188/CO.2023-0203
LI Zhi-bin, LI Liang, ZHANG Jian-qiang. Composite fast nonsingular terminal sliding mode control of fast steering mirror[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2023-0203
Citation: LI Zhi-bin, LI Liang, ZHANG Jian-qiang. Composite fast nonsingular terminal sliding mode control of fast steering mirror[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2023-0203

快速反射镜的复合快速非奇异终端滑模控制

doi: 10.37188/CO.2023-0203
基金项目: 国家自然科学基金项目(No. 52227811,No. 61733017);山东省自然科学基金项目(No. ZR2021QF117,No. ZR2021QF140)
详细信息
    作者简介:

    李智斌(1965—),男,四川巴中人,博士,教授,博士生导师,2003年于清华大学获得博士学位,主要从事复杂系统动力学建模与控制等方面的研究。E-mail:zhibin.li@sdust.edu.cn

    李 亮(2000—),男,山东滕州人,硕士研究生,2022年于山东科技大学获得学士学位,主要从事系统辨识、模型降阶、滑模控制等方面的研究。E-mail:lil_sdust@163.com

    张建强(1992—),男,山东青州人,博士后,助理教授,2020年于中国科学院大学长春光学精密机械与物理研究所获得博士学位,主要从事激光通信伺服系统、鲁棒控制、模型辨识等方面的研究。E-mail:zhangjg7170@163.com

  • 中图分类号: TP394.1;TH691.9

Composite fast nonsingular terminal sliding mode control of fast steering mirror

Funds: Supported by National Natural Science Foundation of China (No. 52227811, No. 61733017); National Natural Science Foundation of Shandong Province (No. ZR2021QF117, No. ZR2021QF140)
More Information
  • 摘要:

    为进一步提升激光通信精跟踪系统的控制性能,本文对音圈电机驱动的快速反射镜(Fast Steering Mirror,FSM)控制方法进行了研究。针对FSM中存在的强轴间耦合与外部扰动问题,提出了融合前馈解耦补偿与固定时间扩张状态观测器的复合快速非奇异终端滑模控制策略。首先,采用系统辨识方法建立FSM的双输入双输出耦合传递函数矩阵模型,并设计前馈解耦补偿器补偿耦合分量,以实现X轴和Y轴之间的运动解耦。其次,针对解耦后的各单轴模型,设计固定时间扩张状态观测器,同时实现对角速度和外部干扰的固定时间估计。随后,构建快速非奇异终端滑模面,并在控制律设计中采用指数幂函数取代符号函数,以提高系统收敛速度并抑制控制抖振,基于Lyapunov方法证明所提控制系统的稳定性和跟踪误差有限时间内收敛。最后,通过对比实验,验证提出的复合控制策略的有效性。实验结果表明,FSM在100 Hz强扰动存在的情况下,跟踪60 Hz和120 Hz圆形轨迹,其轨迹跟踪误差的平均绝对值分别为0.0036°和0.0131°,系统能够保持良好的跟踪性能,验证了所提复合控制策略是有效的,满足激光通信FSM的高精度和强抗扰等要求。

     

  • 图 1  快速反射镜实物

    Figure 1.  Physical picture of the FSM

    图 2  实验平台

    Figure 2.  Experimental platform

    图 3  快速反射镜耦合模型

    Figure 3.  Coupling model of the FSM

    图 4  开环阶跃响应(解耦前)

    Figure 4.  Open-loop step responses (before decoupling)

    图 5  前馈解耦控制系统方框图

    Figure 5.  Feedforward decoupling control system block diagram

    图 6  开环阶跃响应(解耦后)

    Figure 6.  Open-loop step responses (after decoupling)

    图 7  复合滑模控制结构框图

    Figure 7.  Composite sliding mode control structure diagram

    图 8  不同σ值时的控制量

    Figure 8.  The control voltage for different values of σ

    图 9  解耦和未解耦条件下的响应曲线

    Figure 9.  Response curves under decoupling and un-decoupling

    图 10  扰动估计

    Figure 10.  The estimated disturbance

    图 11  外部干扰作用下的X轴响应

    Figure 11.  X-axis responses under external disturbance

    图 12  X轴偏转角度

    Figure 12.  X-axis deflection angles

    图 13  60 Hz圆轨迹跟踪结果

    Figure 13.  60 Hz circular trajectory tracking result

    图 14  120 Hz圆轨迹跟踪结果

    Figure 14.  120 Hz circular trajectory tracking result

  • [1] 高世杰, 吴佳彬, 刘永凯, 等. 微小卫星激光通信系统发展现状与趋势[J]. 中国光学,2020,13(6):1171-1181. doi: 10.37188/CO.2020-0033

    GAO SH J, WU J B, LIU Y K, et al. Development status and trend of micro-satellite laser communication systems[J]. Chinese Optics, 2020, 13(6): 1171-1181. (in Chinese). doi: 10.37188/CO.2020-0033
    [2] 王文杰, 徐伟, 朴永杰, 等. 卫星星间激光通信粗跟踪转台控制系统[J]. 光学 精密工程,2021,29(12):2797-2805. doi: 10.37188/OPE.20212912.2797

    WANG W J, XU W, PIAO Y J, et al. Control system for coarse tracking turntable of laser communication between satellites[J]. Optics and Precision Engineering, 2021, 29(12): 2797-2805. (in Chinese). doi: 10.37188/OPE.20212912.2797
    [3] 白凡. 机载激光通信APT系统的仿真研究[D]. 西安: 西安理工大学, 2022.

    BAI F. Simulation of APT system for airborne laser communication[D]. Xi’an: Xi’an University of Technology, 2022. (in Chinese).
    [4] 董全睿, 陈涛, 高世杰, 等. 光电精跟踪系统的改进差分进化算法研究[J]. 中国光学,2020,13(6):1314-1323. doi: 10.37188/CO.2020-0021

    DONG Q R, CHEN T, GAO SH J, et al. Identification of opto-electronic fine tracking systems based on an improved differential evolution algorithm[J]. Chinese Optics, 2020, 13(6): 1314-1323. (in Chinese). doi: 10.37188/CO.2020-0021
    [5] 朱伟鸿, 汪洋, 王栎皓, 等. 卫星激光通信MEMS快速反射镜可靠性研究进展[J]. 红外与激光工程,2023,52(9):20230179. doi: 10.3788/IRLA20230179

    ZHU W H, WANG Y, WANG L H, et al. Research progress of reliability of MEMS fast steering mirror for satellite laser communication[J]. Infrared and Laser Engineering, 2023, 52(9): 20230179. (in Chinese). doi: 10.3788/IRLA20230179
    [6] XIAO R J, XU M L, SHAO SH B, et al. Design and wide-bandwidth control of large aperture fast steering mirror with integrated-sensing unit[J]. Mechanical Systems and Signal Processing, 2019, 126: 211-226. doi: 10.1016/j.ymssp.2019.02.028
    [7] 刘永凯, 吕福睿, 高世杰, 等. 地基大口径望远镜动态目标跟踪中压电式快速反射镜迟滞效应的补偿[J]. 光学 精密工程,2022,30(23):3081-3089. doi: 10.37188/OPE.20223023.3081

    LIU Y K, LÜ F R, GAO SH J, et al. Compensation of hysteresis effect of piezoelectric fast steering mirror in dynamic target tracking of ground-based large aperture telescope system[J]. Optics and Precision Engineering, 2022, 30(23): 3081-3089. (in Chinese). doi: 10.37188/OPE.20223023.3081
    [8] 蔡玉生, 朱军, 石磊, 等. 大口径快速反射镜的模糊自适应PID控制[J]. 红外技术,2021,43(6):523-531.

    CAI Y SH, ZHU J, SHI L, et al. Fuzzy adaptive PID control of large aperture fast steering mirror[J]. Infrared Technology, 2021, 43(6): 523-531. (in Chinese).
    [9] LI ZH B, WEN J CH, SUN CH SH, et al. Motion profile and control design of fast steering mirror for backscanning step and stare imaging[J]. Review of Scientific Instruments, 2023, 94(1): 014501. doi: 10.1063/5.0134112
    [10] 殷宗迪, 高志远, 朱猛, 等. 机载激光武器高精度跟踪控制技术研究[J]. 红外与激光工程,2021,50(8):20200391. doi: 10.3788/IRLA20200391

    YIN Z D, GAO ZH Y, ZHU M, et al. Research on high precision tracking control technology of airborne laser weapon[J]. Infrared and Laser Engineering, 2021, 50(8): 20200391. (in Chinese). doi: 10.3788/IRLA20200391
    [11] 王正玺, 张葆, 李贤涛. 基于自适应鲁棒控制提升快速反射镜的抗扰能力[J]. 中国激光,2019,46(9):0905002. doi: 10.3788/CJL201946.0905002

    WANG ZH X, ZHANG B, LI X T. Improving anti-disturbance capability of fast steering mirror by adaptive robust control[J]. Chinese Journal of Lasers, 2019, 46(9): 0905002. (in Chinese). doi: 10.3788/CJL201946.0905002
    [12] LI ZH B, LI L, ZHANG J Q, et al. Nonsingular terminal sliding mode control of voice coil actuator fast steering mirror based on tracking differentiator[C]. Proceedings of the IEEE 18th Conference on Industrial Electronics and Applications, IEEE, 2023: 1099-1105.
    [13] 宋晓莉, 张驰, 郭亚伟. 一种双永磁同步电机滑模同步驱动控制方法[J]. 中国光学(中英文),2023,16(6):1482-1492. doi: 10.37188/CO.EN-2022-0026

    SONG X L, ZHANG CH, GUO Y W. A sliding-mode control of a Dual-PMSMs synchronization driving method[J]. Chinese Optics, 2023, 16(6): 1482-1492. (in Chinese). doi: 10.37188/CO.EN-2022-0026
    [14] 王瑞, 苏秀琴, 乔永明, 等. 基于双前馈+双神经网络自适应快速反射镜的解耦控制[J]. 红外与激光工程,2021,50(11):20210194. doi: 10.3788/IRLA20210194

    WANG R, SU X Q, QIAO Y M, et al. Decoupling control of fast steering mirror based on dual feedforward + dual neural network adaptive[J]. Infrared and Laser Engineering, 2021, 50(11): 20210194. (in Chinese). doi: 10.3788/IRLA20210194
    [15] 张智鑫, 刘旭东. 基于ESO的永磁同步电机伺服系统快速终端滑模控制[J]. 控制理论与应用,2023,40(7):1233-1242.

    ZHANG ZH X, LIU X D. Fast terminal sliding mode control of permanent magnet synchronous motor servo system with ESO[J]. Control Theory & Applications, 2023, 40(7): 1233-1242. (in Chinese).
    [16] 张振, 郭一楠, 巩敦卫, 等. 基于改进扩展状态观测器的液压锚杆钻机滑模摆角控制[J]. 自动化学报,2023,49(6):1256-1271.

    ZHANG ZH, GUO Y N, GONG D W, et al. Sliding mode swing angle control for a hydraulic roofbolter based on improved extended state observer[J]. Acta Automatica Sinica, 2023, 49(6): 1256-1271. (in Chinese).
    [17] CHEN G ZH, LIU P K, DING H. Structural parameter design method for a fast-steering mirror based on a closed-loop bandwidth[J]. Frontiers of Mechanical Engineering, 2020, 15(1): 55-65. doi: 10.1007/s11465-019-0545-y
    [18] 朱志远, 朱紫辉, 周晓勤, 等. 三轴电磁-压电混合驱动快速刀具伺服的轨迹跟踪控制[J]. 光学 精密工程,2023,31(15):2236-2247. doi: 10.37188/OPE.20233115.2236

    ZHU ZH Y, ZHU Z H, ZHOU X Q, et al. Trajectory tracking control for tri-axial fast tool servo using hybrid electromagnetic-piezoelectric actuation[J]. Optics and Precision Engineering, 2023, 31(15): 2236-2247. (in Chinese). doi: 10.37188/OPE.20233115.2236
    [19] 景亮, 张忠阳, 崔乃刚, 等. 固定时间收敛扰动观测终端滑模制导律设计[J]. 系统工程与电子技术,2019,41(8):1820-1826. doi: 10.3969/j.issn.1001-506X.2019.08.20

    JING L, ZHANG ZH Y, CUI N G, et al. Fixed time disturbance observer based terminal sliding mode guidance law[J]. Systems Engineering and Electronics, 2019, 41(8): 1820-1826. (in Chinese). doi: 10.3969/j.issn.1001-506X.2019.08.20
    [20] MÉNARD T, MOULAY E, PERRUQUETTI W. Fixed-time observer with simple gains for uncertain systems[J]. Automatica, 2017, 81: 438-446. doi: 10.1016/j.automatica.2017.04.009
    [21] 李亚苹, 王芳, 周超. 全状态受限的高超声速飞行器的预定性能滤波反步控制[J]. 航空学报,2020,41(11):623857.

    LI Y P, WANG F, ZHOU CH. Prescribed performance filter backstepping control of hypersonic vehicle with full state constraints[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2020, 41(11): 623857. (in Chinese).
    [22] 冯建鑫, 王雅雷, 王强, 等. 基于改进粒子群算法的快速反射镜自抗扰控制[J]. 系统工程与电子技术,2021,43(12):3675-3682.

    FENG J X, WANG Y L, WANG Q, et al. Fast steering mirror ADRC based on improved particle swarm optimizer[J]. Systems Engineering and Electronics, 2021, 43(12): 3675-3682. (in Chinese).
  • 加载中
图(14)
计量
  • 文章访问数:  84
  • HTML全文浏览量:  37
  • PDF下载量:  12
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2023-11-11
  • 录用日期:  2024-01-17
  • 网络出版日期:  2024-01-31

目录

    /

    返回文章
    返回

    重要通知

    2024年2月16日科睿唯安通过Blog宣布,2024年将要发布的JCR2023中,229个自然科学和社会科学学科将SCI/SSCI和ESCI期刊一起进行排名!《中国光学(中英文)》作为ESCI期刊将与全球SCI期刊共同排名!