本文關(guān)鍵詞：量子光通信望遠(yuǎn)鏡跟蹤控制技術(shù)研究

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【摘要】：作為中科院星地面望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)項(xiàng)目的關(guān)鍵技術(shù)之一,量子光通信望遠(yuǎn)鏡跟蹤控制系統(tǒng)跟蹤精度和速度平穩(wěn)性技術(shù)決定了星地量子通信鏈路的穩(wěn)定性。將中科院光電所自主研發(fā)的1.2米量子光通信望遠(yuǎn)鏡作為研究對(duì)象,分析了影響望遠(yuǎn)鏡跟蹤控制系統(tǒng)速度平穩(wěn)性的主要因素,提出相應(yīng)的補(bǔ)償方法及控制策略。探討了量子通信鏈路的建立過(guò)程,詳細(xì)分析了量子光通信望遠(yuǎn)鏡粗跟蹤控制系統(tǒng)的組成單元與各單元的工作原理及其在控制系統(tǒng)中的作用。介紹了望遠(yuǎn)鏡粗跟蹤控制器的硬件平臺(tái)搭建,給出了粗跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖及粗跟蹤控制系統(tǒng)被控對(duì)象模型的測(cè)量方法。從擾動(dòng)成因、已有擾動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)、現(xiàn)有補(bǔ)償技術(shù)存在的不足及擾動(dòng)對(duì)量子光通信望遠(yuǎn)鏡速度平穩(wěn)性的影響,分別對(duì)光電編碼器細(xì)分誤差擾動(dòng)及摩擦力矩?cái)_動(dòng)進(jìn)行了分析。針對(duì)非線性光電編碼器細(xì)分誤差直接影響望遠(yuǎn)鏡跟蹤控制精度及速度平穩(wěn)性的問(wèn)題,提出一種基于編碼器細(xì)分信號(hào)誤差補(bǔ)償?shù)母呔任恢脺y(cè)量方法。對(duì)編碼器進(jìn)行了比較和分析,選擇合適的編碼器,探討了光柵莫爾條紋技術(shù)測(cè)角原理和細(xì)分技術(shù)。對(duì)細(xì)分信號(hào)進(jìn)行數(shù)理分析,結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn),歸納出光電編碼器細(xì)分誤差主要存在的6類(lèi)細(xì)分誤差源。進(jìn)一步對(duì)細(xì)分誤差源進(jìn)行數(shù)理分析,得到了細(xì)分誤差源與細(xì)分信號(hào)空間角周期存在比例關(guān)系的結(jié)論,并將此結(jié)論用作誤差源的判定依據(jù)。分析了細(xì)分誤差對(duì)望遠(yuǎn)鏡跟蹤控制系統(tǒng)的影響,提出了一種基于跟蹤控制系統(tǒng)位置量的細(xì)分誤差補(bǔ)償算法。結(jié)合該細(xì)分誤差補(bǔ)償算法,設(shè)計(jì)了兩種望遠(yuǎn)鏡粗跟蹤控制系統(tǒng)模型,模型I:將細(xì)分誤差補(bǔ)償算法僅應(yīng)用于望遠(yuǎn)鏡粗跟蹤速度環(huán);模型II:將細(xì)分誤差補(bǔ)償算法同時(shí)應(yīng)用于速度環(huán)和位置環(huán),并對(duì)二者進(jìn)行了分析和比較。在實(shí)際工程中,望遠(yuǎn)鏡伺服轉(zhuǎn)臺(tái)存在角秒量級(jí)抖動(dòng)的問(wèn)題。對(duì)該抖動(dòng)問(wèn)題分別從時(shí)域、頻域和空域進(jìn)行了分析,并找出了該擾動(dòng)的特性。結(jié)合已推算出的細(xì)分誤差源判定依據(jù),給出對(duì)直流細(xì)分誤差進(jìn)行補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)論。將控制模型II應(yīng)用于望遠(yuǎn)鏡高低軸跟蹤控制系統(tǒng)中,進(jìn)行了編碼器細(xì)分誤差補(bǔ)償,位置誤差最大值減小至未補(bǔ)償前的50%。針對(duì)非線性摩擦力矩降低了量子光通信望遠(yuǎn)鏡速度平穩(wěn)性這一問(wèn)題,提出了一種高精度粒子群LuGre摩擦模型參數(shù)辨識(shí)方法,并給出應(yīng)用模型。首先,對(duì)摩擦現(xiàn)象和摩擦模型進(jìn)行了分析,對(duì)比選用LuGre模型作為摩擦補(bǔ)償模型,提出了一種干擾觀測(cè)器高精度測(cè)量摩擦力矩方法。然后,詳述了粒子群算法,給出了粒子群辨識(shí)LuGre摩擦模型參數(shù)的方法。最后,結(jié)合LuGre摩擦模型、干擾觀測(cè)器高精度測(cè)量摩擦力矩和粒子群摩擦模型參數(shù)辨識(shí)算法,提出一種新的摩擦補(bǔ)償方法并設(shè)計(jì)相應(yīng)的摩擦力矩補(bǔ)償控制器。將摩擦力矩補(bǔ)償控制器應(yīng)用于望遠(yuǎn)鏡方位軸控制中,零速附近反向運(yùn)動(dòng)跟蹤誤差最大值僅為補(bǔ)償前的40.6%,正向運(yùn)動(dòng)跟蹤誤差最大值僅為補(bǔ)償前的34.5%。為增強(qiáng)量子光通信望遠(yuǎn)鏡對(duì)控制系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)攝動(dòng)、復(fù)雜力矩?cái)_動(dòng),如摩擦力矩,電機(jī)力矩波動(dòng)及風(fēng)阻力矩等的抵抗能力和魯棒性,提高跟蹤控制系統(tǒng)速度平穩(wěn)性,提出一種應(yīng)用于望遠(yuǎn)鏡的新的模糊滑模變結(jié)構(gòu)控制策略。首先,對(duì)滑模變結(jié)構(gòu)控制理論及對(duì)擾動(dòng)的不變性給出了論述及證明,提供了針對(duì)滑�？刂贫墩駟�(wèn)題的主要解決方案。然后,研究了模糊控制系統(tǒng)的控制思想及組成模塊,以望遠(yuǎn)鏡粗跟蹤高低軸和方位軸伺服平臺(tái)作為控制對(duì)象,設(shè)計(jì)了滑模變結(jié)構(gòu)控制器。最后,給出了一種基于模糊控制器切換增益調(diào)節(jié)的滑�？刂破髟O(shè)計(jì)方法。以望遠(yuǎn)鏡方位軸作為被控對(duì)象,實(shí)測(cè)所得細(xì)分誤差和摩擦力矩疊加到被控對(duì)象上作為擾動(dòng)輸入,將設(shè)計(jì)出的模糊滑模變結(jié)構(gòu)控制器應(yīng)用于方位軸控制系統(tǒng)中。經(jīng)仿真,文中設(shè)計(jì)的模糊變結(jié)構(gòu)控制器可以用于增強(qiáng)系統(tǒng)抗擾能力和抑制抖振。經(jīng)實(shí)際測(cè)試與仿真,文中提出的2種擾動(dòng)補(bǔ)償方法及1種控制策略有效提升了量子光通信望遠(yuǎn)鏡跟蹤控制系統(tǒng)的抗干擾能力與速度平穩(wěn)性,對(duì)其它跟蹤控制平臺(tái)具有普適性。
【關(guān)鍵詞】：空間量子通信 光電編碼器細(xì)分誤差 LuGre摩擦模型 摩擦力矩補(bǔ)償 粒子群算法 模糊控制 滑模變結(jié)構(gòu)控制
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院研究生院(光電技術(shù)研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：TP273;TH743
【目錄】：

• 致謝4-6
• 摘要6-8
• ABSTRACT8-14
• 1 緒論14-29
• 1.1 課題背景14-20
• 1.1.1 自由空間量子通信望遠(yuǎn)鏡14-18
• 1.1.2 課題意義18-20
• 1.2 望遠(yuǎn)鏡速度平穩(wěn)性與影響因素20-22
• 1.2.1 速度平穩(wěn)性概況20-22
• 1.2.2 影響速度平穩(wěn)性因素22
• 1.3 伺服系統(tǒng)平穩(wěn)性控制策略研究現(xiàn)狀22-25
• 1.3.1 經(jīng)典控制策略在平穩(wěn)跟蹤控制中的應(yīng)用22-23
• 1.3.2 現(xiàn)代控制策略在平穩(wěn)跟蹤控制中的應(yīng)用23-25
• 1.4 本文主要研究?jī)?nèi)容25-26
• 1.5 本文結(jié)構(gòu)安排26-29
• 2 望遠(yuǎn)鏡粗跟蹤系統(tǒng)及擾動(dòng)分析29-46
• 2.1 引言29-30
• 2.2 量子通信鏈路建立30
• 2.3 粗跟蹤系統(tǒng)需求分析30-31
• 2.4 望遠(yuǎn)鏡粗跟蹤系統(tǒng)構(gòu)成31-34
• 2.4.1 望遠(yuǎn)鏡主光學(xué)系統(tǒng)31-32
• 2.4.2 粗跟蹤成像探測(cè)器32
• 2.4.3 望遠(yuǎn)鏡粗跟蹤伺服平臺(tái)32-33
• 2.4.4 粗跟蹤控制系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)33-34
• 2.5 望遠(yuǎn)鏡粗跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)34-35
• 2.5.1 粗跟蹤控制器設(shè)計(jì)34-35
• 2.5.2 粗跟蹤控制器工作原理35
• 2.6 被控對(duì)象辨識(shí)35-38
• 2.6.1 粗跟蹤伺服平臺(tái)動(dòng)力學(xué)分析35-37
• 2.6.2 粗跟蹤被控對(duì)象辨識(shí)37-38
• 2.7 光電編碼器細(xì)分誤差擾動(dòng)38-41
• 2.7.1 細(xì)分誤差成因38-39
• 2.7.2 細(xì)分誤差補(bǔ)償技術(shù)39-41
• 2.7.3 細(xì)分誤差對(duì)控制系統(tǒng)影響41
• 2.8 摩擦力矩?cái)_動(dòng)41-45
• 2.8.1 摩擦力矩42
• 2.8.2 摩擦力矩補(bǔ)償技術(shù)42-44
• 2.8.3 摩擦力矩對(duì)控制系統(tǒng)影響44-45
• 2.9 本章小結(jié)45-46
• 3 基于控制系統(tǒng)的編碼器細(xì)分信號(hào)誤差補(bǔ)償技術(shù)46-68
• 3.1 引言46
• 3.2 光電編碼器工作原理46-52
• 3.2.1 編碼器組成46-47
• 3.2.2 編碼器分類(lèi)47-48
• 3.2.3 編碼器比較48-49
• 3.2.4 光柵莫爾條紋技術(shù)49-51
• 3.2.5 細(xì)分技術(shù)51-52
• 3.3 細(xì)分誤差源分析52-56
• 3.3.1 編碼器莫爾信號(hào)數(shù)學(xué)模型52-53
• 3.3.2 細(xì)分誤差影響因素?cái)?shù)理分析53-56
• 3.4 細(xì)分誤差源對(duì)系統(tǒng)影響56-58
• 3.5 細(xì)分誤差補(bǔ)償算法58-60
• 3.6 細(xì)分誤差補(bǔ)償控制模型60-61
• 3.7 細(xì)分誤差補(bǔ)償技術(shù)驗(yàn)證61-66
• 3.7.1 工程遇到問(wèn)題61-62
• 3.7.2 細(xì)分誤差源判斷62-64
• 3.7.3 細(xì)分誤差源初始參數(shù)確定64-65
• 3.7.4 細(xì)分誤差補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)65-66
• 3.8 本章小結(jié)66-68
• 4 基于Lu Gre模型的摩擦力矩補(bǔ)償技術(shù)68-88
• 4.1 引言68
• 4.2 摩擦現(xiàn)象分析68-72
• 4.2.1 幾種典型摩擦現(xiàn)象68-69
• 4.2.2 摩擦模型比較與選擇69-72
• 4.3 摩擦力矩測(cè)量72-77
• 4.3.1 力矩反饋技術(shù)73
• 4.3.2 干擾觀測(cè)器技術(shù)73-76
• 4.3.3 干擾觀測(cè)器高精度摩擦測(cè)量76-77
• 4.4 粒子群算法77-79
• 4.4.1 粒子群算法原理77-78
• 4.4.2 算法實(shí)現(xiàn)78-79
• 4.5 Lu Gre模型參數(shù)辨識(shí)79-80
• 4.6 摩擦補(bǔ)償控制器設(shè)計(jì)80
• 4.7 摩擦補(bǔ)償技術(shù)驗(yàn)證80-86
• 4.7.1 摩擦力矩測(cè)量81-82
• 4.7.2 粒子群摩擦參數(shù)辨識(shí)實(shí)驗(yàn)82-85
• 4.7.3 粒子群Lu Gre模型摩擦補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)85-86
• 4.8 本章小結(jié)86-88
• 5 模糊滑模變結(jié)構(gòu)控制器抗擾研究88-107
• 5.1 引言88
• 5.2 滑模控制基本原理88-94
• 5.2.1 滑動(dòng)模態(tài)88-89
• 5.2.2 滑模變結(jié)構(gòu)控制函數(shù)89-90
• 5.2.3 滑模面參數(shù)設(shè)計(jì)90
• 5.2.4 滑動(dòng)模態(tài)不變性90-91
• 5.2.5 存在的問(wèn)題及解決方案91-94
• 5.3 模糊控制94-98
• 5.3.1 模糊系統(tǒng)95-96
• 5.3.2 模糊控制系統(tǒng)組成96-98
• 5.4 滑模變結(jié)構(gòu)控制器設(shè)計(jì)98-99
• 5.4.1 被控對(duì)象確定98
• 5.4.2 滑模面設(shè)計(jì)98-99
• 5.4.3 滑模變結(jié)構(gòu)控制律設(shè)計(jì)99
• 5.5 滑�？刂破髑袚Q增益的模糊調(diào)節(jié)99-102
• 5.5.1 模糊控制器結(jié)構(gòu)確定100
• 5.5.2 模糊控制模糊集確定100
• 5.5.3 確定隸屬函數(shù)100-101
• 5.5.4 模糊推理規(guī)則建立101
• 5.5.5 去模糊化101-102
• 5.6 模糊滑模變結(jié)構(gòu)控制器驗(yàn)證與仿真102-105
• 5.7 幾種平穩(wěn)跟蹤控制技術(shù)比較105
• 5.8 本章小結(jié)105-107
• 6 量子光通信望遠(yuǎn)鏡外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)107-113
• 6.1 引言107
• 6.2 望遠(yuǎn)鏡測(cè)量元件校驗(yàn)107-108
• 6.3 第三鏡重復(fù)定位實(shí)驗(yàn)108-109
• 6.4 興隆 1m望遠(yuǎn)鏡109-110
• 6.5 南山 1.2m望遠(yuǎn)鏡110-112
• 6.6 本章小結(jié)112-113
• 7 總結(jié)與展望113-116
• 7.1 主要研究工作113-115
• 7.2 論文主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)115
• 7.3 后續(xù)工作展望115-116
• 參考文獻(xiàn)116-124
• 作者簡(jiǎn)介及在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與研究成果124-125

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10 司慶丹;傅里葉望遠(yuǎn)鏡成像分析[D];中國(guó)科學(xué)院研究生院（西安光學(xué)精密機(jī)械研究所）;2014年

中國(guó)碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 李明璇;4m望遠(yuǎn)鏡三鏡系統(tǒng)研究設(shè)計(jì)[D];中國(guó)科學(xué)院研究生院(長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所);2015年

2 厲建峰;大型光電陣望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)傳熱分析與設(shè)計(jì)[D];南京理工大學(xué);2007年

3 朱巧根;望遠(yuǎn)鏡遠(yuǎn)程控制和管理系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)[D];電子科技大學(xué);2012年

4 李祝蓮;1.2m地平式望遠(yuǎn)鏡跟蹤性能研究[D];中國(guó)科學(xué)院研究生院（云南天文臺(tái)）;2005年

5 范玉峰;地平式自動(dòng)望遠(yuǎn)鏡控制系統(tǒng)及光子計(jì)數(shù)型光度計(jì)研制[D];中國(guó)科學(xué)院研究生院（云南天文臺(tái)）;2005年

6 楊秀榮;卡塞格林激光發(fā)射望遠(yuǎn)鏡支架的結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化[D];蘇州大學(xué);2011年

7 王心怡;望遠(yuǎn)鏡影像穩(wěn)定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2007年

8 張雅靜;無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)在光學(xué)綜合孔徑望遠(yuǎn)鏡中的應(yīng)用與研究[D];南京航空航天大學(xué);2011年

9 徐軍;Java技術(shù)在小型自動(dòng)望遠(yuǎn)鏡中的應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)[D];中國(guó)科學(xué)院研究生院（云南天文臺(tái)）;2008年

10 蔡燦;小型望遠(yuǎn)鏡防抖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與工程實(shí)現(xiàn)[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2008年

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