本文關(guān)鍵詞：激光通信系統(tǒng)精跟蹤PID控制算法研究及實現(xiàn)

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【摘要】：隨著通信技術(shù)的發(fā)展和通信傳輸數(shù)據(jù)量的不斷增加,當(dāng)前軍事領(lǐng)域主要采用的微波技術(shù)已經(jīng)不能滿足人們對信息傳輸速率和帶寬的要求,光纖通信技術(shù)成為人們的首選。但部分地區(qū)由于地貌、地勢等原因不宜鋪設(shè)光纜,需要一種可靠的無線通信技術(shù)來解決困難,基于這些情況激光通信技術(shù)應(yīng)運而生。相比于傳統(tǒng)的通信技術(shù),自由空間激光通信具有通信容量大、保密性高、機動性好、抗電磁干擾能力強、建造和維護經(jīng)費低等優(yōu)勢。激光通信技術(shù)以其具有的種種優(yōu)點被認(rèn)為是未來實現(xiàn)高速大容量通信的最佳方案。激光鏈路的快速建立及穩(wěn)定保持是實現(xiàn)高速率、高可靠性激光通信的保障和前提,這需要由捕獲、跟蹤、瞄準(zhǔn)(Acquisition, Tracking and Pointing, ATP)系統(tǒng)來實現(xiàn)。在星地、星間、艦船、岸艦等激光通信過程中,ATP過程受作用距離、大氣湍流擾動及其他外界環(huán)境因素的影響,很難實現(xiàn)快速、高精度的跟蹤捕獲及激光通信的鏈路建立。為保證通信鏈路的持續(xù)可靠維持并達到更高的跟蹤精度,空間激光通信系統(tǒng)多采用一級粗跟蹤加二級精跟蹤的復(fù)合軸結(jié)構(gòu)形式。精跟蹤系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快、諧振頻率高、動態(tài)滯后小等特點,其較小的工作范圍由主軸系統(tǒng)予以補償,兩者相結(jié)合可實現(xiàn)快速大范圍高精度跟蹤。二級控制系統(tǒng)通常使用FSM(Fast Steering Mirror, FSM)以獲得更高的控制帶寬。PID控制是FSM控制最普遍應(yīng)用的控制方式,其結(jié)構(gòu)簡單、參數(shù)易于調(diào)節(jié),能夠獲得良好的控制效果。但隨著系統(tǒng)控制品質(zhì)要求的不斷提高,常規(guī)PID控制需要精確數(shù)學(xué)模型、不適應(yīng)非線性控制過程等缺點也逐漸顯現(xiàn)出來,實際控制過程中,系統(tǒng)具有的純滯后或非線性耦合、時變的特點導(dǎo)致結(jié)構(gòu)和參數(shù)出現(xiàn)不確定性,無法獲得精確數(shù)學(xué)模型,加之各種外部擾動的存在,常規(guī)PID控制不能獲得理想的控制效果。本文針對激光通信系統(tǒng)對ATP的高精度需求,提出自適應(yīng)PID和模糊PID兩種FSM控制算法,能夠克服傳統(tǒng)PID控制的響應(yīng)時間長、超調(diào)量大、帶寬低等缺點,實現(xiàn)快速響應(yīng)的高精度精跟蹤子系統(tǒng)。本文分別對兩種控制算法搭建仿真模型進行分析,并將其轉(zhuǎn)換成CCS程序通過以DSP2812為核心的控制系統(tǒng)進行桌面跟蹤實驗,并將搭建的系統(tǒng)模型轉(zhuǎn)化為適用于FPGA中的VHDL文件,從硬件層面對所設(shè)計的兩種控制算法進行驗證。實驗結(jié)果表明,當(dāng)使用自適應(yīng)PID控制器時,當(dāng)外界有較大擾動時系統(tǒng)的抗干擾性能有較大改善；使用模糊PID控制器時,當(dāng)被控對象發(fā)生變化時依然具有較好的魯棒性。應(yīng)用兩種控制算法均能實現(xiàn)2微弧度的跟蹤精度。用FSM作為被控對象研究設(shè)計控制算法來抑制ATP過程中各種擾動造成的影響,保證鏈路的快速建立和穩(wěn)定性,是發(fā)展自由空間激光通信技術(shù)不可缺少的,高精度快速控制算法的研究及實現(xiàn)為激光通信中進行高精度跟蹤提供了理論支持和實際系統(tǒng)應(yīng)用的經(jīng)驗,可以為激光通信精跟蹤技術(shù)的發(fā)展提供參考,具有重要的研究意義。
【關(guān)鍵詞】：激光通信 ATP FSM PID 自適應(yīng) 模糊 DSP Builder
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院(長春光學(xué)精密機械與物理研究所)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN929.1
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第1章 緒論12-20
• 1.1 研究背景及意義12-15
• 1.1.1 激光通信ATP的特點和關(guān)鍵技術(shù)12-13
• 1.1.2 研究目的及意義13-15
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀15-17
• 1.3 本文的主要研究內(nèi)容17-20
• 第2章 FSM經(jīng)典控制方法概述20-28
• 2.1 FSM簡介20-24
• 2.1.1 工作原理20-22
• 2.1.2 數(shù)學(xué)模型22-23
• 2.1.3 影響FSM性能的因素23-24
• 2.2 經(jīng)典控制方法概述24-26
• 2.3 本章小結(jié)26-28
• 第3章 參考模型自適應(yīng)PID控制器28-40
• 3.1 概述28-29
• 3.2 自適應(yīng)算法設(shè)計29-34
• 3.3 控制器Simulink仿真34-38
• 3.4 本章小結(jié)38-40
• 第4章 模糊PID控制器40-54
• 4.1 概述40-45
• 4.2 模糊控制器的設(shè)計45-49
• 4.2.1 輸入輸出變量的確定45-46
• 4.2.2 變量論域及隸屬度函數(shù)的選擇46
• 4.2.3 模糊控制規(guī)則表的建立46-48
• 4.2.4 模糊推理運算及清晰化48
• 4.2.5 參數(shù)自整定設(shè)計過程48-49
• 4.3 控制器Simulink仿真49-52
• 4.4 本章小結(jié)52-54
• 第5章 控制系統(tǒng)設(shè)計及實驗54-66
• 5.1 實驗系統(tǒng)54-56
• 5.2 控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)56-57
• 5.3 硬件概述57-59
• 5.3.1 DSP芯片57-58
• 5.3.2 FPGA電路設(shè)計58-59
• 5.4 DSP軟件設(shè)計59
• 5.5 FPGA中DSP Builder軟件設(shè)計59-63
• 5.6 實驗結(jié)果分析63-66
• 第6章 總結(jié)與展望66-68
• 6.1 全文總結(jié)66
• 6.2 工作展望66-68
• 參考文獻68-74
• 在學(xué)期間學(xué)術(shù)成果情況74-75
• 指導(dǎo)教師及作者簡介75-76
• 致謝76

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本文編號：634021