CN110361827B - 一种降低两轴快速反射镜中x轴和y轴耦合的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种降低两轴快速反射镜中X轴和Y轴耦合的控制方法。该方法在没有提高加工和装配要求的技术上，使X轴和Y轴的耦合度从2％以上降低至0.1％以内，有效提高了反射镜系统中X轴和Y轴控制稳定性、干抗扰能力和定位精度。【1】获取传递函数G_x、G_y以及耦合传递函数G_xy、G_yx；【2】应用MATALB软件设计满足指标要求的校正传递函数G_xc、G_yc；【3】设计补偿传递函数G_xyc、G_yxc；【4】搭建模拟/数字控制器；【5】利用模拟/数字控制器，对两轴快速反射镜进行控制。

Description

一种降低两轴快速反射镜中X轴和Y轴耦合的控制方法

技术领域

本发明涉及降低两轴耦合的控制方法，尤其涉及一种降低两轴快速反射镜中X轴和Y轴耦合的控制方法。

背景技术

随着高精尖技术的不断发展，尤其天文探测、医疗和工业等领域发展和需求，光束的精确指向、补偿相移、跟瞄和稳定技术得到了广泛的关注和大量的研究。其中，光束的稳定技术在激光加工、空间激光通信、大口径天文望远镜等方向研究中是核心技术之一。

快速反射镜采用区别于传统轴系的柔性结构，同时采用高带宽响应和纳米级位移响应分辨率的音圈电机或压电陶瓷作为致动器；其次采用高精度的微位移传感器作为测量反馈元件；三者有效的结合在一起构成了谐振频率高、响应速度快和微弧度级甚至亚微弧度级定位精度的快速反射镜，驱动一定口径的反射镜，实现光束的快速高精度指向、跟踪和稳定。

采用柔性结构支撑的快速反射镜，具有无摩擦和无间隙的精密回转的优点；然而由于结构件加工误差、装配误差、制致动器安装误差、测量元件的安装误差和柔性支撑结构自身的变形因素，致使快速反射镜的两个垂直虚拟轴(X轴和Y轴)之间存在互相耦合；首先产生的耦合量会降低两个轴的定位精度，其次可能会引起反射镜振荡、破坏系统的稳定性和降低系统抗干扰能力，这样会显著的影响快速反射镜对光束快速、精密指向和精确定位的性能；因此大幅度降低或者完全消除快速反射镜中X轴和Y轴之间的耦合是研制两轴快速反射镜的难点之一。

目前，降低两轴反射镜X轴和Y轴之间耦合的方法有：

1)提高结构加工精度；

2)减小致动器的安装误差；

3)减小测量元件的安装误差。

上述三种方法，虽然在一定程度上减小了X轴和Y轴之间的耦合，但是在实际的工程应用中，存在以下问题：

1)对结构加工、致动器安装和测量元件安装的要求大幅提高，这样就是加工和装配成本成倍增长，这样就大幅度增加两轴快速反射镜研制和生产的成本；

2)柔性支撑结构自身变形引起的X轴和Y轴的耦合依然存在；

3)即使采用以上三种方法X轴和Y轴之间的耦合只能降低到一定程度(0.5％～1％)。

发明内容

针对上述背景中提到的以柔性结构支撑的快速两轴反射镜，由于柔性支承结构自身的变形、加工制造引起的两个旋转轴线的不垂直、致动器安装位置与旋转轴线不共线引起的偏差和测量元件安装位置与旋转轴线的不共线因素引起的X轴和Y轴相互耦合问题，本发明提出了一种能够显著降低两轴快速反射镜中X轴和Y轴耦合的控制方法，在没有提高加工和装配要求的技术上，使X轴和Y轴的耦合度从2％以上降低至0.1％以内，有效提高了反射镜系统中X轴和Y轴控制稳定性、干抗扰能力和定位精度。

本发明的技术方案是：

本发明提供了一种降低两轴快速反射镜X轴和Y轴耦合的控制方法，其具体实现步骤是：

【1】利用频谱仪分别测量出两轴快速反射镜中X轴的开环传递函数G_x和X轴对Y轴的耦合传递函数G_xy，以及Y轴的开环传递函数G_y和Y轴对X轴的耦合传递函数G_yx；

【2】根据X轴的开环传递函数G_x和Y轴的开环传递函数G_y，应用MATALB软件设计满足指标要求的X轴的校正传递函数G_xc和Y轴的校正传递函数G_yc；

【3】根据X轴对Y轴的耦合传递函数G_xy和Y轴对X轴的耦合传递函数G_yx、X轴的开环传递函数G_x和Y轴的开环传递函数G_y、X轴的校正传递函数G_xc和Y轴的校正传递函数G_yc，计算出X轴对Y轴补偿传递函数G_xyc以及Y轴对X轴的补偿传递函数G_yxc；

其中：由补偿传递函数G_xyc/G_yxc产生的控制量主动补偿X轴对Y轴和Y轴对X轴产生的耦合量，且X轴对Y轴和Y轴对X轴主动补偿量与对应的耦合量大小相等、方向相反；即：

由式(1-1)化简得G_xyc/G_yxc如式(1-2)所示：

【4】利用步骤【1】-【3】设计的校正传递函数和补偿传递函数搭建模拟/数字控制器；所述模拟/数字控制器包括X轴校正控制器、Y轴校正控制器、X轴对Y轴的补偿控制器以及Y轴对X轴的补偿控制器；

【5】利用【4】中搭建的模拟/数字控制器，对两轴快速反射镜进行控制。

进一步地，上述步骤【1】具体过程为：

【1.1】当Y轴处于自由状态，给X轴施加控制信号，利用频谱仪测量出X轴的开环传递函数G_x和X轴对Y轴的耦合传递函数G_xy；

【1.2】当X轴处于自由状态，给Y轴施加控制信号，利用频谱仪测量出Y轴的开环传递函数G_y和Y轴对X轴的耦合传递函数G_yx。

本发明的有益效果：

本发明采用实测X轴对Y轴/Y轴对X轴的耦合频谱特性，设计对应的补偿耦合的模拟/数字控制器，当对X轴/Y轴的输入施加一定特性的信号时，通过模拟/数字控制器产生的控制量主动去补偿对Y轴/X轴产生的耦合量，且主动补偿量与对应的耦合量大小相等、方向相反，虽然主动补偿的量反过来会二次耦合到本轴上，但是二次耦合度是X轴对Y轴和Y轴对X轴耦合度的积，二次耦合数量级为万分之几，因此可以忽略不计；因此在没有增加加工和装配要求的基础上，采用本发明的控制方法，使两轴快速反射镜X轴和Y轴的耦合度从大于2％降低至0.1％以内，不仅没有增加反射镜的研制和生产成本，而且显著提高了两轴快速反射镜的稳定性、抗干扰能力和定位精度。

附图说明

图1为两轴快速反射镜示意图；

图2为本发明模拟/数字控制器框图；

图3a为没有采用本发明控制方法，当Y轴自由态状时，X轴输入施加幅值为1mrad、频率为300HZ正弦信号，X轴和Y轴输出响应曲线；

图3b为没有采用本发明控制方法，当Y轴自由状态时，X轴输入施加1mrad阶跃信号，X轴和Y轴输出响应曲线；

图4a为没有采用本发明控制方法，当X轴自由状态时，Y轴输入施加幅值为1mrad、频率为300HZ正弦信号，X轴和Y轴输出响应曲线；

图4b为没有采用本发明控制方法，当X轴自由状态时，Y轴输入施加1mrad阶跃信号，X轴和Y轴输出响应曲线；

图5a为采用本发明控制方法，当Y轴自由状态时，X轴输入施加幅值为1mrad、频率为300HZ正弦信号，X轴和Y轴输出响应曲线；

图5b为采用本发明控制方法，当Y轴自由状态时，X轴输入施加1mrad阶跃信号，X轴和Y轴输出响应曲线；

图6a为采用本发明控制方法，当X轴自由状态时，Y轴输入施加幅值为1mrad、频率为300HZ正弦信号，X轴和Y轴输出响应曲线；

图6b为采用本发明控制方法，当X轴自由状态时，Y轴输入施加1mrad阶跃信号，X轴和Y轴输出响应曲线；

其中：

1-反射镜，2-镜座，3-柔性支撑结构，4-致动器，5-微位移测量元件，6-底座，7-控制器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

如图1所示，一个两轴快速反射镜，其包括反射镜1、镜座2、柔性支撑结构3、致动器4以及底座6；

反射镜1(反射镜的平面具有两个虚拟的X轴和Y轴)安装在镜座2上，镜座2和底座6之间安装柔性支撑结构3和致动器4，镜座2和底座6之间沿X轴方向对称安装两个致动器4，同时沿Y轴方向对称安装两个致动器4，X轴方向和Y轴方向分别安装一个微位移测量元件5；控制器7对两轴快速反射镜进行控制。

步骤【1】当Y轴处于自由状态，给X轴施加控制信号，利用频谱仪测量出X轴的开环传递函数G_x和X轴对Y轴的耦合传递函数G_xy；当X轴处于自由状态，给Y轴施加控制信号，利用频谱仪测量出Y轴的开环传递函数G_y和Y轴对X轴的耦合传递函数G_yx。

步骤【2】根据X轴的开环传递函数G_x和Y轴的开环传递函数G_y，应用MATALB软件设计满足指标要求的X轴的校正传递函数G_xc和Y轴的校正传递函数G_yc；

步骤【3】根据X轴对Y轴的耦合传递函数G_xy和Y轴对X轴的耦合传递函数G_yx，应用MATALB软件设计满足系统指标要求的X轴对Y轴补偿控制传递函数G_xyc以及Y轴对X轴的补偿控制传递函数G_yxc；

步骤【3】根据X轴对Y轴的耦合传递函数G_xy和Y轴对X轴的耦合传递函数G_yx，应用MATALB软件设计满足系统指标要求的X轴对Y轴补偿控制传递函数G_xyc以及Y轴对X轴的补偿控制传递函数G_yxc；

其中：由补偿传递函数G_xyc/G_yxc产生的控制量主动补偿X轴对Y轴和Y轴对X轴产生的耦合量，且X轴对Y轴和Y轴对X轴主动补偿量与对应的耦合量大小相等、方向相反；即：

由式(1-1)化简得G_xyc/G_yxc如式(1-2)所示：

【4】利用步骤【1】-【3】设计的校正传递函数和补偿传递函数搭建模拟/数字控制器；

所述模拟/数字控制器包括X轴校正控制器、Y轴校正控制器、X轴对Y轴的补偿控制器以及Y轴对X轴的补偿控制器；

【5】利用【4】中搭建的模拟/数字控制器，参见图2，对两轴快速反射镜进行控制。

试验验证过程：

在未使用本发明的方法的情况下：

A1、当Y轴在自由状态下时，X轴闭环控制：

I)给X轴输入施加幅值为1mrad、频率为300HZ的正弦信号，同时测量X轴和Y轴的输出响应，X轴和Y轴输出响应曲线如图3a所示；

II)给X轴输入施加1mrad阶跃信号，同时测量X轴和Y轴的输出响应，X轴和Y轴输出响应曲线如图3b所示；

A2、当X轴在自由状态下时，Y轴闭环控制：

I)给Y轴输入施加幅值为1mrad、频率为300HZ的正弦信号，同时测量X轴和Y轴的输出响应，X轴和Y轴输出响应曲线如图4a所示；

II)给Y轴输入施加1mrad阶跃信号，同时测量X轴和Y轴的输出响应，X轴和Y轴输出响应曲线如图4b所示；

在使用本发明的方法的情况下：

B1、X轴闭环控制和对Y轴补偿控制；

I)给X轴输入施加幅值为1mrad、频率为300HZ的正弦信号，同时测量X轴和Y轴的输出响应，X轴和Y轴输出响应曲线如图5a所示；

II)给X轴输入施加1mrad阶跃信号，同时测量X轴和Y轴的输出响应，X轴和Y轴输出响应曲线如图5b所示；

B2、Y轴闭环控制和对X轴补偿控制；

I)给Y轴输入施加幅值为1mrad、频率为300HZ的正弦信号，同时测量X轴和Y轴的输出响应，X轴和Y轴输出响应曲线如图6a所示；

II)给Y轴输入施加1mrad阶跃信号，同时测量X轴和Y轴的输出响应，X轴和Y轴输出响应曲线如图6b所示；

将A1、A2、B1和B2的分别测得的相应曲线进行对比，可得到以下结论：

1)通过图3a与图5a、图3b与图5b对比发现，加入补偿控制器后，X轴对Y轴的耦合从6.0％降低到了0.09％。

2)通过图4a与图6a、图4b与图6b对比发现，加入补偿控制器后，Y轴对X轴的耦合从3.8％降低到了0.08％。

通过X轴对Y轴的补偿控制器以及Y轴对X轴的补偿控制器，使得X轴对Y轴的耦合、以及Y轴对X轴的耦合降低了一个数量级，补偿的效果非常的明显。

Claims (2)

1.一种降低两轴快速反射镜中X轴和Y轴耦合的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

【1】利用频谱仪分别测量出两轴快速反射镜中X轴的开环传递函数G_x和X轴对Y轴的耦合传递函数G_xy，以及Y轴的开环传递函数G_y和Y轴对X轴的耦合传递函数G_yx；

【2】根据X轴的开环传递函数G_x和Y轴的开环传递函数G_y，应用MATALB软件设计满足指标要求的X轴的校正传递函数G_xc和Y轴的校正传递函数G_yc；

【3】根据X轴对Y轴的耦合传递函数G_xy和Y轴对X轴的耦合传递函数G_yx、X轴的开环传递函数G_x和Y轴的开环传递函数G_y、X轴的校正传递函数G_xc和Y轴的校正传递函数G_yc，设计X轴对Y轴补偿传递函数G_xyc以及Y轴对X轴的补偿传递函数G_yxc；

其中：由补偿传递函数G_xyc和G_yxc产生的控制量分别主动补偿X轴对Y轴和Y轴对X轴产生的耦合量，且X轴对Y轴和Y轴对X轴主动补偿量与对应的耦合量大小相等、方向相反；即：

由式(1-1)化简得G_xyc/G_yxc如式(1-2)所示：

【4】利用步骤【1】-【3】设计的校正传递函数和补偿传递函数搭建模拟/数字控制器；所述模拟/数字控制器包括X轴校正控制器、Y轴校正控制器、X轴对Y轴的补偿控制器以及Y轴对X轴的补偿控制器；

【5】利用【4】中搭建的模拟/数字控制器，对两轴快速反射镜进行控制。

2.根据权利要求1所述的一种降低两轴快速反射镜中X轴和Y轴耦合的控制方法，其特征在于：所述步骤【1】具体过程为：

【1.1】当Y轴处于自由状态，给X轴施加控制信号，利用频谱仪测量出X轴的开环传递函数G_x和X轴对Y轴的耦合传递函数G_xy；

【1.2】当X轴处于自由状态，给Y轴施加控制信号，利用频谱仪测量出Y轴的开环传递函数G_y和Y轴对X轴的耦合传递函数G_yx。

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