光电跟踪系统的视轴稳定控制

论文摘要

本文所提到的光电跟踪系统主要是针对空间光通信跟踪控制系统。空间光通信是极具前景的通信方式。由于空间环境复杂,通信距离遥远,而可靠的光通信对跟瞄精度要求很高,所以,捕获,跟踪和瞄准(ATP)技术成为实现空间光通信的关键和难题。高精度的视轴稳定技术是实现整个ATP功能的核心。因此,对空间光通信ATP中的视轴稳定系统的研究非常必要。本文简要介绍了空间光通信与ATP技术的概念,关键技术,发展现状,以及各子系统组成和相关技术。并分析系统的噪声振动和研究抑制它们的方法,重点采用复合轴控制。为提高系统的视轴稳定精度,本文研究了两种方案。分别是采用模糊PID控制的复合轴系统和基于莫尔条纹检测法的三复合轴伺服系统。在第一个方案中,首先设计出具有参数自整定功能的模糊PID控制器,结合复合轴跟踪子系统和各环路的传递函数,在Matlab环境下进行仿真。通过仿真分析系统的动态响应和稳定性,和传统PID控制系统进行比较。并进一步提出了一种基于小波的模糊PID控制策略,实时在线调整隶属函数的形状。仿真实验验证了算法的有效性,并具有较好的稳定性和动态性能。结果表明,模糊PID控制系统优于传统控制系统,能有效的提高系统的视轴稳定精度和增强系统的稳定性。在第二个方案中,研究出莫尔条纹具有检测微小位移的能力,参照复合轴控制系统的设计理念,设计出一套三复合轴控制系统。理论分析表明,其能提高视轴稳定精度一个数量级。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 空间光通信概述
• 1.2 空间光通信的优点及面临的挑战
• 1.3 国内外空间光通信研究的现状及趋势
• 1.3.1 国外发展情况
• 1.3.2 国内发展情况
• 1.3.3 空间光通信技术发展趋势
• 1.4 本文的研究内容及论文结构
• 第二章 系统振动噪声分析及抑制方法
• 2.1 系统振动噪声分析
• 2.2 振动抑制方法
• 2.3 振动对跟瞄精度的影响
• 第三章 ATP系统跟踪控制环路研究
• 3.1 ATP技术简介
• 3.2 ATP系统结构组成
• 3.3 ATP系统的工作原理
• 3.4 系统各子环节的数学模型
• 3.4.1 速度控制环的传递函数
• 3.4.2 D/A转换器的传递函数
• 3.4.3 粗跟踪、精跟踪CCD的传递函数
• 3.4.4 FSM的传递函数
• 第四章 ATP系统中模糊PID控制的设计与仿真
• 4.1 模糊控制
• 4.1.1 模糊控制的发展及特点
• 4.1.2 模糊控制器的结构和组成
• 4.1.3 模糊控制的局限性及发展
• 4.2 PID控制
• 4.2.1 PID控制原理
• 4.2.2 PID控制器的局限性和发展趋势
• 4.3 模糊PID控制
• 4.3.1 模糊PID控制器的分类
• 4.3.2 模糊PID参数自整定控制器的设计
• 4.4 基于Matlab的模糊PID控制视轴稳定的仿真
• 4.4.1 模糊PID控制器的设计
• 4.4.2 ATP伺服系统视轴稳定的模糊PID控制器的设计
• 4.4.3 系统仿真结果
• 4.4.4 传统的PID控制仿真
• 4.5 基于小波分析的模糊PID控制
• 4.5.1 小波分析原理
• 4.5.2 隶属函数与小波基函数
• 4.5.3 基于小波分析的模糊PID仿真实验
• 4.6 本章总结
• 第五章 基于莫尔条纹检测原理的三复合轴伺服系统研究
• 5.1 莫尔条纹简介
• 5.2 莫尔条纹的特点及应用
• 5.3 莫尔条纹检测微小位移的原理
• 5.3.1 基本原理
• 5.3.2 莫尔条纹与CCD分辨率的比较
• 5.3.3 CCD用于莫尔条纹细分技术
• 5.4 莫尔条纹检测系统构建三复合轴伺服系统
• 5.4.1 现有复合轴系统的不足
• 5.4.2 三复合轴伺服系统
• 5.4.3 该结构存在的不足
• 第六章 总结
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果