CN105045141A - 一种提高快速反射镜控制带宽的模拟控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高快速反射镜控制带宽的模拟控制电路，适用于光电复合轴跟踪系统中快速反射镜的高带宽控制。该模拟控制电路包括模拟信号接口电路(1)、控制算法电路(2)、模拟补偿电路(3)、减法器(4)、快速反射镜系统(5)、微分电路(6)、检测元件(7)，快速反射镜系统(5)的输出信号经过微分电路(6)后，反馈到快速反射镜系统(5)的输入端，可实现快速反射镜频率响应的调整，模拟补偿电路(3)对调整后的快速反射镜系统进行频率补偿。控制算法电路(2)将输入信号转化成具有控制策略的模拟控制信号，实现对补偿后的快速反射镜系统的控制。该模拟控制电路能够实时补偿快速反射镜的结构谐振，改善快速反射镜的频率响应，实现简单的控制算法。

Description

一种提高快速反射镜控制带宽的模拟控制电路

技术领域

本发明涉及光电跟踪领域，具体涉及复合轴系统中快速反射镜的高带宽控制。

背景技术

快速反射镜(FastSteeringMirror,FSM)是光电复合轴控制系统中的核心器件，具有响应快、精度高、分辨力大等显著优点。在光电复合轴控制中，快速反射镜作为精跟踪镜，对粗跟踪修正完后留下的残差进行补偿以完成精跟踪。快速反射镜在精跟踪部分完成位置跟踪必须要有足够高的响应速度和控制带宽，才能有效抑制粗跟踪的残余高频误差，所以研究如何提高FSM系统位置跟踪的控制带宽十分必要。

FSM的控制带宽主要受到FSM的结构谐振、控制器及传感器延迟等因素影响。目前FSM系统中广为使用的是数字控制电路，其控制框图如图1所示。数字控制器能实现复杂的控制规律，控制参数易于修改调整，但对数字控制系统来说，系统的控制带宽受到采样频率、系统延迟、连续传递函数离散化等因素影响。光电技术研究所的丁科分析得出，系统延迟为3帧的时候，开环剪切带宽只能为系统采样频率的1/24，闭环带宽约为采样频率的1/12。理论上数字控制器可以无限提高采样频率从而提高系统的控制带宽，但是采样频率的提高极易造成较大的量化噪声湮没有用信号，最终降低系统的跟踪精度。数字控制器在天基环境中容易出现单粒子效应，造成系统无法正常工作，而天基环境中的模拟电路则不会出现单粒子效应。

由于模拟控制在提高控制带宽、缩小系统体积以及适应天基环境性等方面的优势，使得模拟控制一直以来被广泛研究。光电技术研究所的李新阳运用模拟网络滤波电路成功消除快速反射镜的结构谐振。哈尔滨工业大学的唐学军将模拟PID算法用于音圈电机的电流环控制，取得了一定成果。

由上可知，在快速反射镜稳定控制系统中采用模拟控制电路可达到提高系统控制带宽和精简系统体积的目的。模拟控制的难点在于消除快速反射镜在结构谐振处的高峰，常见的方法有低通滤波器和不完全微分控制方法。但低通滤波器会增大相位滞后，使稳定带宽得不到有效的提高。通过不完全微分控制方法来搭建一个二阶振荡环节，使之与快速反射镜系统的二阶振荡环节互为倒数关系，两者构成一个整体以消除快速反射镜结构谐振处的高峰，但是硬件电路设计十分复杂，实现较困难。所以在快速反射镜稳定控制系统中需要一种容易实现的模拟控制方法来提高系统的控制带宽。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对快速反射镜系统中因数字控制器采样等造成的系统延迟对系统控制带宽的限制，以及克服目前模拟控制技术上的不足，提出了一种能提高快速反射镜控制带宽的模拟控制电路，该电路能够实时补偿快速反射镜的结构谐振，改善快速反射镜的幅频特性，且能实现简单的控制算法。

本发明的技术解决方案是：一种提高快速反射镜控制带宽的模拟控制电路，包括模拟信号接口电路、模拟控制器、减法器、快速反射镜、微分电路、检测元件。由于快速反射镜系统存在结构谐振，极大地限制了快速反射镜的控制带宽，必须进行处理。快速反射镜系统的输出信号经过微分电路进行微分运算后，反馈到快速反射镜系统的输入端，有利于降低快速反射镜系统的阻尼系数，从而降低快速反射镜系统在结构谐振处的峰值，可实现快反镜系统频率响应的调整。同时模拟补偿电路对调整后的快速反射镜系统进行频率补偿。

此时，由模拟补偿电路、减法器、快速反射镜系统、微分电路构成的整体，即调整、补偿后的快速反射镜系统，作为控制算法电路的控制对象。模拟信号接口电路接收输入参考电压信号和检测元件输出的反馈电压信号，将两者进行处理后得到误差电压信号，经过控制算法电路转化成具有控制策略的模拟控制信号，对调整、补偿后的快速反射镜系统进行控制。

所述的模拟补偿电路(3)通过对消快速反射镜传递函数的零极点来实现。进一步的，模拟补偿电路的参数可由对调整后的快速反射镜系统的传递函数求倒数得到。调整后的快速反射镜系统的传递函数由频率响应测量得到。

所述的控制算法电路(2)可实现PID等简单控制算法。

所述的检测元件为电涡流、PSD或QD。

本发明的原理是：本发明中模拟补偿的原理是：首先将减法器、快速反射镜系统、微分电路作为一个整体测其频率特性，调节微分电路的参数，使得这一整体的幅频特性在快速反射镜的结构谐振频率处的高峰变得平坦。接着对调整后的快速反射镜系统的传递函数求倒数，得到模拟补偿电路的传递函数。因此，在正常频率范围内，调整后的快速反射镜与模拟补偿电路构成一个新的整体，其幅频响应变得平坦，有利于控制算法电路在更宽频带进行处理，从而提高快速反射镜系统的控制带宽。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

(1)本发明提供了一种能提高快速反射镜控制带宽的模拟控制电路，在进行系统控制时仅需要将控制参数调节交给电路实现，省去了数字控制器的采样处理时间，有利于提高系统控制带宽和运行速率，同时简化系统结构。

(2)本发明中该模拟控制电路能够实时补偿快速反射镜的结构谐振，改善快速反射镜的频率特性，而且能实现简单的控制算法。

(3)本发明中频率补偿方法通过计算得到。通过微分电路反馈构成闭环，来改善快速反射镜系统的幅频响应，接着对调整后的快速反射镜系统的传递函数进行求倒数，得出模拟补偿电路的传递函数。因此，该方法适用于其他不同谐振频率的不同快速反射镜系统，具有较强的工程实用特性。

附图说明

图1为目前广泛使用的数字控制电路的控制框图；

图2为本发明所采用的模拟控制电路的控制框图；

图3为本发明采用的模拟控制电路的控制示意图。其中，G_ctl(s)代表控制算法电路的传递函数，G_comp(s)代表模拟补偿电路的传递函数，G_FSM(s)代表快速反射镜系统的传递函数；

图4为实现有零极点的传递函数的模拟电路图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明。

本发明提出的模拟控制电路的控制框图如图2所示,包括模拟信号接口电路(1)、控制算法电路(2)、模拟补偿电路(3)、减法器(4)、快速反射镜系统(5)、微分电路(6)、检测元件(7)。其中减法器(4)、快速反射镜系统(5)、微分电路(6)构成一个整体，对快速反射镜的结构谐振处的高峰进行平坦化处理，模拟补偿电路(3)对调整后的快反镜系统进行频率补偿。控制算法电路(2)对补偿调整后的快速反射镜系统采用控制算法进行控制。

本实施方式中，首先采用动态信号分析仪，通过正弦波扫描的电路得到快速反射镜系统的幅频特性。快速反射镜系统通常被认为是一个三阶系统，其分子是常数，分母是一个三阶环节。由多项式公理可知，三阶多项式总是有一个实数根，所以快速反射镜系统的传递函数可以分解成一个二阶振荡环节以及一个惯性环节的串联组合：

$G_{\mathrm{FSM}}\left(s\right)=\frac{1}{m_2{s}^2+m_{3}s+1}\·\frac{m_1}{m_{4}s+1}$

其中，s为拉普拉斯算子，m_i为待辨识的参数，不同的快速反射镜系统对应的参数m_i不同。

对快速反射镜系统进行频率补偿，消除谐振峰的影响，主要是需要消除上述式子中的二阶振荡环节，本模拟控制电路的控制示意图如图3所示。根据控制原理的等效变换原则，进行调整后的快速反射镜系统，其传递函数为：

$G_{\mathrm{FSM}\_\mathrm{adjsut}}\left(s\right)=\frac{G_{\mathrm{FSM}}\left(s\right)}{1+G_{\mathrm{FSM}}\left(s\right)H\left(s\right)}$

若此时调节微分电路的传递函数为：H(s)＝ks，则有：

$G_{\mathrm{FSM}\_\mathrm{adjust}}\left(s\right)=\frac{1}{(m_2{s}^2+m_{3}s+1)(m_{4}s+1)+\mathrm{ks}}$

其中，H(s)为微分电路的传递函数，k为比例系数。

这一过程可以通过调节微分电路的参数k，使二阶振荡环节具有两个实极点，即使得调整后的快速反射镜系统具有三个极点：

$G_{\mathrm{FSM}\_\mathrm{adjust}}\left(s\right)=\frac{p_4}{(p_{1}s+1)(p_{2}s+1)(p_{3}s+1)}$

其中，p_i为调整后的快速反射镜系统辨识的参数。

对上式求倒数即为模拟补偿电路的传递函数：

$G_{\mathrm{comp}}\left(s\right)=\frac{1}{G_{\mathrm{FSM}\_\mathrm{adjust}}\left(s\right)}=\frac{(p_{1}s+1)(p_{2}s+1)(p_{3}s+1)}{p_4}$

将模拟补偿与调整的快速反射镜系统构成一个整体，可以使得快速反射镜系统在谐振频率处幅值变得平坦，从而消除结构谐振的影响。因此，控制算法电路的设计不受结构谐振的影响，有利于控制算法在更宽频带进行处理，从而提高快速反射镜系统的控制带宽。

本实施例中控制算法采用简单的PI算法。控制算法电路和模拟补偿电路级联的传递函数G_ctrl(s)·G_comp(s)通过运算放大器外加电阻电容来实现，如图4所示。图4中电路传递函数为：

$H\left(s\right)=\frac{U_o\left(s\right)}{U_i\left(s\right)}=-\frac{R_3}{R_1}\·\frac{1+R_2\mathrm{Cs}}{1+(R_2+R_3)\mathrm{Cs}}$

其中，U_o(s)为电路的输入信号，U_i(s)为电路的输出信号，R_i为电阻阻值，C为电容容值。

通过调节电阻R₁，R₂的阻值就可以实现参数的调节，多零极点电路可通过多级运算放大器级联实现。

Claims (5)

1.一种提高快速反射镜控制带宽的模拟控制电路，包括模拟信号接口电路(1)、控制算法电路(2)、模拟补偿电路(3)、减法器(4)、快速反射镜系统(5)、微分电路(6)、检测元件(7)；其特征在于：由模拟补偿电路(3)、减法器(4)、快速反射镜系统(5)、微分电路(6)构成的整体作为控制算法电路(2)的控制对象；快速反射镜系统(5)的输出信号经过微分电路(6)后，反馈到快速反射镜系统的输入端，降低快速反射镜的阻尼系数，从而降低快速反射镜系统在结构谐振处的峰值，实现快反镜系统频率响应的调整；模拟补偿电路(3)对调整后的快速反射镜系统进行频率补偿；控制算法电路(2)将输入信号转化成具有控制策略的模拟控制信号，实现对补偿调整后的快速反射镜系统的控制。

2.根据权利要求1所述的一种提高快速反射镜控制带宽的模拟控制电路，其特征在于：所述的模拟补偿电路(3)通过对消快速反射镜系统传递函数的零极点来实现，模拟补偿的参数由对调整后的快速反射镜系统的传递函数求倒数得到。

3.根据权利要求2所述的一种提高快速反射镜控制带宽的模拟控制电路，其特征在于：调整后的快速反射镜系统的传递函数由频率响应测量得到。

4.根据权利要求1或2所述的一种提高快速反射镜控制带宽的模拟控制电路，其特征在于：所述的控制算法电路(2)实现PID控制算法。

5.根据权利要求1所述的一种提高快速反射镜控制带宽的模拟控制电路，其特征在于：所述的检测元件为电涡流、PSD或QD。