星间光通信终端粗瞄系统控制方法研究

论文摘要

星间激光通信是自由空间激光通信的方式之一,是构建未来天地一体化通信网络的基础。为了成功建立通信链路,终端天线通常采用复合轴控制方法,即粗瞄系统和精瞄系统配合控制。本文主要研究对象是粗瞄系统,为了实现粗瞄系统高精度强鲁棒性的位置伺服运动,克服干扰和参数摄动的影响,设计了基于神经网络的变结构控制器,并对粗瞄控制单元进行了软硬件设计。首先,介绍了星间激光通信的捕获瞄准跟踪过程,分析了粗瞄系统的组成,对粗瞄系统的被控对象直流无刷电机建立了数学模型,并对太空中星上环境对系统模型参数摄动和外干扰的影响,重点分析了温度变化导致阻值的摄动和摩擦力对高精度伺服系统的影响。其次,为了保证系统的控制精度和鲁棒稳定性,设计了滑模变结构控制器,并与PD控制进行仿真图比较。为了减小抖振,使用饱和函数代替符号函数的准滑模控制,验证了变结构控制对参数摄动和外部干扰的强鲁棒性。再次,为了减少趋近运动阶段时间,提高位置跟踪精度,使用积分滑模面。使用自适应算法和RBF神经网络估计参数变化和干扰的联合上界,使用估计值设计积分滑模控制器,利用Lyapunov方法对系统进行了稳定性分析,并进行了仿真分析。为了进一步减小滑模控制的抖振,设计了RBF网络变结构控制器,切换函数作为RBF神经网络的输入,变结构控制器作为RBF网络的输出,控制器由连续的高斯基函数取代了不连续的切换控制,消除了抖振。最后,设计了粗瞄控制单元原理样机的硬件电路和软件实现,粗瞄控制单元主要作用是实现主体控制单元与粗瞄驱动控制单元的之间的稳定可靠通信。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.1.1 星间激光通信类型
• 1.1.2 星间与星地激光通信区别
• 1.2 粗瞄系统的作用和意义
• 1.3 粗瞄系统研究现状
• 1.3.1 国外研究现状
• 1.3.2 国内研究现状
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 粗瞄系统分析
• 2.1 引言
• 2.2 捕获瞄准跟踪过程分析
• 2.3 粗瞄系统组成
• 2.3.1 粗瞄系统被控对象分析
• 2.3.2 被控对象数学模型
• 2.4 粗瞄系统参数摄动
• 2.5 粗瞄系统干扰
• 2.5.1 主要干扰类型
• 2.5.2 摩擦干扰分析
• 2.5.3 摩擦力数学模型
• 2.6 本章小结
• 第3章 粗瞄系统变结构控制器设计与仿真
• 3.1 引言
• 3.2 滑模变结构控制基本原理
• 3.2.1 变结构控制基本设计方法
• 3.2.2 变结构控制匹配条件
• 3.3 粗瞄系统变结构控制器设计
• 3.3.1 控制器的设计
• 3.3.2 PD控制仿真分析
• 3.3.3 滑模变结构控制仿真分析
• 3.3.4 准滑模变结构控制仿真分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 粗瞄系统神经网络变结构设计与仿真
• 4.1 引言
• 4.2 自适应积分滑模控制
• 4.2.1 控制器设计
• 4.2.2 稳定性分析
• 4.2.3 仿真分析
• 4.3 RBF积分滑模控制
• 4.3.1 RBF神经网络
• 4.3.2 控制器设计
• 4.3.3 稳定性分析
• 4.3.4 仿真分析
• 4.4 RBF变结构控制器设计
• 4.4.1 控制器设计
• 4.4.2 稳定性分析
• 4.4.3 仿真分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 粗瞄控制单元软硬件实现
• 5.1 引言
• 5.2 粗瞄控制单元硬件设计
• 5.3 粗瞄控制单元软件设计
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢