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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)
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  • 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

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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

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