CN110068977A - 一种基于史密斯预估控制的液晶光束偏转方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于史密斯预估控制的液晶光束偏转方法。针对当前液晶器件响应速度慢及液晶光束控制系统延时较长导致系统稳定性降低，动态性能变差等问题，提出并实现该方法。与传统液晶光束控制系统相比，采用史密斯(Smith)预估控制方法对液晶和传感器产生的时间延迟进行补偿，该方法引入一个和被控对象并联的补偿器对纯滞后进行削弱和消除。经过史密斯预估控制器的补偿，纯滞后环节被转移到闭环控制回路之外，提高了系统的稳定性和动态性能，提高液晶对目标的跟踪性能，对于液晶光束控制系统的实际应用具有重要意义。

Description

一种基于史密斯预估控制的液晶光束偏转方法

技术领域

本发明涉及液晶光束控制的技术领域，具体涉及一种基于史密斯预估控制的液晶光束偏转方法，补偿液晶光束控制系统的纯滞后特性，提高系统的稳定性和动态性能。

背景技术

在空间激光通信系统中，经典的ATP系统在重量、体积和功耗上具有一定的局限性，所以急需实现更为灵巧、便捷微机械式或非机械式的新型光束偏转技术。在现有的非机械光束偏转控制器中，液晶器件采用电场进行驱动，功耗较低；可以对电极进行独立控制；光束偏转精度可以达到微弧度级，成为空间激光通信光束偏转的研究热点。

但是由于液晶器件的粘滞特性和弛豫问题导致其响应速度慢，降低系统带宽；在液晶光束控制系统中，数据采集(例如CCD)过程也会产生一定的延时，降低控制系统的跟踪能力。针对以上问题，本发明提出了一种基于史密斯预估控制的液晶光束偏转方法。通过引入一个和被控对象并联的史密斯预估器对纯滞后进行削弱和消除。该方法很好的补偿液晶系统的纯滞后特性，提高系统的稳定性和动态性能，实现光束的快速控制和跟踪。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：针对当前液晶器件响应速度慢及液晶空间光束控制系统滞后性导致系统稳定性降低，动态性能变差等问题，采用史密斯(Smith)预估控制方法对液晶产生的时间延迟进行补偿。

本发明采用的技术方案为：一种基于史密斯预估控制的液晶光束偏转方法，该方法包括如下步骤：

步骤一、建立液晶相控阵模型，根据液晶电控双折射理论推导液晶器件的相位调制特性；

步骤二、分析和测量液晶光学相控阵系统，建立液晶的对象特性模型；

步骤三、建立液晶光束闭环跟踪系统。利用快速反射镜模拟目标运动，使用CCD或PSD等反馈元件获取光束偏转角度信息，并反馈到控制器中组建液晶光束偏转系统来实现闭环控制；

步骤四、搭建史密斯预测补偿控制系统，引入一个和被控对象并联的补偿器对纯滞后进行削弱和消除。

进一步地，建立液晶相控阵模型：

(11)根据液晶的电控双折射理论推导液晶调制相位远场光强的关系，得到第0级衍射的归一化光强表达式如公式(1)所示，建立起液晶相位调制量与远场光强的关系：

式中，E₀为入射光波振幅，为液晶的调制相位；将远场光强映射到液晶驱动电压，得到液晶调制相位与驱动电压的对应关系，即液晶的相位调制特性；

(12)测量出液晶相位调制特性后，根据光束偏转模型对液晶电极施加电压，把液晶驱动成光学相控阵。

进一步地，对液晶光学相控阵的系统模型进行分析和测量：

(21)对液晶相控阵光束偏转器的对象特性定量测试。处理器将激励信号数据发送至液晶驱动电路，液晶驱动电路通过接收到的数据控制驱动电压，实现光束的偏转，CCD检测到偏转的激光光束，并将光束偏转的角度(即CCD脱靶量)数据返回至处理器；

(22)处理器将采集到的CCD脱靶量数据与激励信号进行分析解算，即可得到平台的对象特性为一个惯性环节和一个积分环节。设计中假设处理器延迟为T₀，其特性为处理器发出激励数据U₁的通信延迟为T₀₁，处理器接收反馈数据U₂的通信延迟为T₀₂，被控对象液晶偏转器的模型为G(s)，传感器模型为H(s)。实际系统中T₀、T₀₁和T₀₂均较小，可以忽略不计，如下式所示：

T₂是液晶相控阵的整体延迟，T₃是CCD延迟。

进一步地，将光源视为跟踪目标，快反镜用于模拟目标运动，CCD探测器用于检测目标运动并提取脱靶量给控制器。控制器根据脱靶量数据对液晶进行驱动，完成目标跟踪：

(31)由于闭环控制设计主要考虑液晶相控阵G_obj(s)和传感器C(s)的影响，液晶光束控制系统闭环传递函数表示如下：

式中，G_obj(s)为液晶相控阵的传递函数，C(s)为传感器的传递函数。

(32)对于闭环系统，传感器与液晶驱动电路延时的影响近似相等，在进行控制器设计时将其看作一个总的延迟。根据测量得到的对象特性模型对控制器进行设计，实现完整的液晶光束闭环控制系统。为了提高控制系统的增益，闭环控制器再增加一个积分环节，则液晶光束偏转系统控制器为：

式中，a、b为控制器参数。

进一步地，搭建史密斯预测补偿控制系统：

(41)史密斯预估控制是一种纯滞后补偿控制，其通过引入一个和被控对象并联的补偿器对纯滞后进行削弱和消除。从现实的操作出发，实际上的史密斯预估器通常不是并联在被控对象上的，而是反向并联在控制器上；

(42)经过史密斯预估器的补偿，纯滞后环节被转移到了闭环控制回路之外，不会对系统产生不利影响。液晶光束控制系统闭环传递函数表示如下：

史密斯预估器的引入很好的补偿了对象的纯滞后特性，提高了系统的稳定性和动态性能。

本发明与现有方法相比具有如下优点：

(1)该方法首次提出采用史密斯预估控制方法对液晶光束偏转系统的时滞延迟进行补偿，有效提高系统的准确性和动态性能。

(2)该方法通过史密斯预估控制方法补偿系统延迟的基础上，在闭环控制器上增加一个积分环节，进一步提高控制系统增益，提高系统的稳定性。

(3)该发明思路清晰，结构简单，工程上易于实现。

附图说明

图1是本发明的液晶光束控制系统示意图。

图2是本发明的液晶光束闭环控制系统原理图。

图3是本发明的液晶光束控制系统结构图。

图4是本发明的液晶光束控制系统对象特性模型测试图。

图5是本发明的基于史密斯预估控制的液晶光束控制系统结构图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。

如图1所示，液晶光束控制系统由以下几部分组成：光源、快反镜、驱动器、液晶相控阵、CCD(包含图像处理部分)。其中光源用于模拟跟踪的目标，快速反射镜用于模拟目标运动。光束经过扰动之后扩束成平行光入射到液晶平面，经过液晶相位调制后进入CCD探测器，CCD探测器用于检测目标运动，并提取脱靶量给控制器。闭环控制系统根据脱靶量对驱动电路进行控制，实现闭环跟踪目的。

如图2所示，液晶光束闭环控制系统组成与传统的光电跟踪系统类似，主要包括传感器、控制器、驱动器和执行机构等几部分，不同之处在于液晶光束闭环控制系统采用液晶代替机架作为执行机构。

如图3所示，系统控制结构中驱动器与液晶联系较为紧密，由于液晶特性难以单独测试，因此将二者结合作为一个被控对象——偏转器G(s)考虑，控制器为传递函数为C(s)，传感器传递函数为H(s)。

如图4所示，对液晶相控阵光束偏转器的对象特性进行定量测试。处理器将激励信号数据发送至液晶驱动电路，液晶驱动电路通过接收到的数据控制驱动电压，实现光束的偏转，CCD检测到偏转的激光光束，并将光束偏转的角度(即CCD脱靶量)数据返回至处理器。处理器将采集到的CCD脱靶量数据与激励信号进行分析解算，得到平台的对象特性为一个惯性环节和一个积分环节。实际系统中处理器延迟、激励数据的通信延迟较小可以忽略不计，主要考虑CCD延迟和液晶相控阵延迟。设被控对象液晶偏转器的模型为G(s)，传感器模型为H(s)。T₂是液晶相控阵的整体延迟，T₃是CCD延迟，如下式所示：

如图5所示，史密斯预估控制是一种纯滞后补偿控制，其通过引入一个和被控对象并联的补偿器对纯滞后进行削弱和消除。从现实的操作出发，实际上的史密斯预估器通常不是并联在被控对象上的，而是反向并联在控制器上。经过史密斯预估器的补偿，纯滞后环节被转移到了闭环控制回路之外，不会对系统产生不利影响。

Claims (5)

1.一种基于史密斯预估控制的液晶光束偏转方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

步骤一、建立液晶相控阵模型，根据液晶电控双折射理论推导液晶器件的相位调制特性；

步骤二、分析和测量液晶光学相控阵系统，建立液晶的对象特性模型；

步骤三、建立液晶光束闭环跟踪系统，利用快速反射镜模拟目标运动，使用CCD或PSD反馈元件获取光束偏转角度信息，并反馈到控制器中组建液晶光束偏转系统来实现闭环控制；

步骤四、搭建史密斯预测补偿控制系统，引入一个和被控对象并联的补偿器对纯滞后进行削弱和消除。

2.根据权利要求1所述的一种基于史密斯预估控制的液晶光束偏转方法，其特征在于：建立液晶相控阵模型：

(11)根据液晶的电控双折射理论推导液晶调制相位远场光强的关系，得到第0级衍射的归一化光强表达式如公式(1)所示，建立起液晶相位调制量与远场光强的关系：

式中，E₀为入射光波振幅，为液晶的调制相位；将远场光强映射到液晶驱动电压，得到液晶调制相位与驱动电压的对应关系，即液晶的相位调制特性；

(12)测量出液晶相位调制特性后，根据光束偏转模型对液晶电极施加电压，把液晶驱动成光学相控阵。

3.根据权利要求2所述的一种基于史密斯预估控制的液晶光束偏转方法，其特征在于：对液晶光学相控阵的系统模型进行分析和测量：

(21)对液晶相控阵光束偏转器的对象特性定量测试，处理器将激励信号数据发送至液晶驱动电路，液晶驱动电路通过接收到的数据控制驱动电压，实现光束的偏转，CCD检测到偏转的激光光束，并将光束偏转的角度即CCD脱靶量数据返回至处理器；

(22)处理器将采集到的CCD脱靶量数据与激励信号进行分析解算，即可得到平台的对象特性为一个惯性环节和一个积分环节，设计中假设处理器延迟为T₀，其特性为处理器发出激励数据U₁的通信延迟为T₀₁，处理器接收反馈数据U₂的通信延迟为T₀₂，被控对象液晶偏转器的模型为G(s)，传感器模型为H(s)，实际系统中T₀、T₀₁和T₀₂均较小，可以忽略不计，如下式所示：

其中，T₂是液晶相控阵的整体延迟，T₃是CCD延迟。

4.根据权利要求3所述的一种基于史密斯预估控制的液晶光束偏转方法，其特征在于：将光源视为跟踪目标，快反镜用于模拟目标运动，CCD探测器用于检测目标运动并提取脱靶量给控制器，控制器根据脱靶量数据对液晶进行驱动，完成目标跟踪，

(31)由于闭环控制设计主要考虑液晶相控阵G_obj(s)和传感器C(s)的影响，液晶光束控制系统闭环传递函数表示如下：

式中，G_obj(s)为液晶相控阵的传递函数，C(s)为传感器的传递函数；

(32)对于闭环系统，传感器与液晶驱动电路延时的影响近似相等，在进行控制器设计时将其看作一个总的延迟，根据测量得到的对象特性模型对控制器进行设计，实现完整的液晶光束闭环控制系统，为了提高控制系统的增益，闭环控制器再增加一个积分环节，则液晶光束偏转系统控制器为：

式中，a、b为控制器参数。

5.根据权利要求4所述的一种基于史密斯预估控制的液晶光束偏转方法，其特征在于：搭建史密斯预测补偿控制系统：

(41)史密斯预估控制是一种纯滞后补偿控制，其通过引入一个和被控对象并联的补偿器对纯滞后进行削弱和消除，从现实的操作出发，实际上的史密斯预估器通常不是并联在被控对象上的，而是反向并联在控制器上；

(42)经过史密斯预估器的补偿，纯滞后环节被转移到了闭环控制回路之外，不会对系统产生不利影响，液晶光束控制系统闭环传递函数表示如下：

史密斯预估器的引入很好的补偿了对象的纯滞后特性，提高了系统的稳定性和动态性能。