CN202815600U - 一种智能结构的实时微位移跟踪控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了精密跟踪和测量技术领域的一种智能结构的实时微位移跟踪控制系统。其技术方案是，所述系统包括嵌入式控制板、电涡流传感器、超磁致伸缩作动器和上位机；所述嵌入式控制板包括OMAP主控芯片、输入通道和输出通道；所述输入通道包括模数转换器和第一低通滤波器；所述输出通道包括数模转换器、第二低通滤波器和压控恒流源。本实用新型的有益效果是，采用嵌入式控制板为主体构成的实时微位移跟踪控制系统，实现了快速、实时和高精度的精密跟踪控制。

Description

一种智能结构的实时微位移跟踪控制系统

技术领域

本实用新型属于精密跟踪和测量技术领域，尤其涉及一种智能结构的实时微位移跟踪控制系统。

背景技术

光学跟踪和测量系统中，对于一类大口径望远镜或类似光学系统，由于其惯量大、频带窄、响应慢，要求直接实现快速高精度跟踪是极其困难的。要保证对加速度目标进行高精度的跟踪和测量，必须有一个精密的跟踪系统。

在精密跟踪控制系统中，对于一类大口径望远镜或类似光学系统，要求有非常高的控制精度和快速的响应能力。但是由于其惯量大、频带窄、响应慢，要求直接实现快速高精度跟踪是极其困难的。快速的响应能力意味着系统对阶跃输入的响应要快，系统带宽要宽；高的控制精度意味着系统稳态误差要小，而两者之间将会产生一些矛盾，快速响应可能引入系统超调，宽带宽势必引入高频噪声，降低系统稳定裕度，从而影响精度。因此寻求一种既能提高快速响应能力又不致于降低控制精度的方法是很有意义的。

发明内容

针对背景技术中所述的现有跟踪控制系统，在控制精度和响应能力方面的不足，本实用新型提出了一种智能结构的实时微位移跟踪控制系统。

其技术方案是，一种智能结构的实时微位移跟踪控制系统，其特征在于，所述系统包括嵌入式控制板、电涡流传感器、超磁致伸缩作动器和上位机；所述嵌入式控制板包括OMAP主控芯片、输入通道和输出通道；所述输入通道包括模数转换器和第一低通滤波器；所述输出通道包括数模转换器、第二低通滤波器和压控恒流源；

其中，所述OMAP主控芯片分别与所述模数转换器和数模转换器连接；

所述电涡流传感器、第一低通滤波器和模数转换器顺次连接；

所述数模转换器、第二低通滤波器、压控恒流源和超磁致伸缩作动器顺次连接；

所述电涡流传感器安装在超磁致伸缩作动器上；

所述OMAP主控芯片通过USB接口与上位机连接。

本实用新型的有益效果是，采用嵌入式控制板为主体构成的实时微位移跟踪控制系统，实现了快速、实时和高精度的精密跟踪控制。本实用新型具有体积小、集成化程度高和扩展性强的特点，系统的抗干扰能力强，工作稳定。

附图说明

图1是本实用新型提供的一种智能结构的实时微位移跟踪控制系统的结构框图；

图2是本实用新型提供的基于逆补偿的前馈+PID反馈跟踪控制系统框图；

图3是本实用新型提供的智能结构建模、逆补偿的前馈+PID反馈控制流程图；

图4是本实用新型提供的单频40Hz时开环控制与前馈+PID反馈控制的效果图；其中，（a）为开环控制效果图；（b）为前馈+PID反馈控制效果图；

图5是本实用新型提供的复频30Hz+40Hz+50Hz时开环控制与前馈+PID反馈控制的效果图；其中，（a）为开环控制效果图；（b）为前馈+PID反馈控制效果图。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本实用新型的范围及其应用。

图1是本实用新型提供的一种智能结构的实时微位移跟踪控制系统的结构框图。图1中，一种智能结构的实时微位移跟踪控制系统，其特征在于，所述系统包括嵌入式控制板、电涡流传感器、超磁致伸缩作动器和上位机；所述嵌入式控制板包括OMAP主控芯片、输入通道和输出通道；所述输入通道包括模数转换器和第一低通滤波器；所述输出通道包括数模转换器、第二低通滤波器和压控恒流源；

其中，所述OMAP主控芯片分别与所述模数转换器和数模转换器连接；所述模数转换器用于将模拟信号转换成数字信号；所述数模转换器用于将数字信号转换成模拟信号；所述电涡流传感器、第一低通滤波器和模数转换器顺次连接；所述电涡流传感器用于检测位移变化；所述第一低通滤波器用于滤掉传感器信号中混杂的高频干扰信号；所述数模转换器、第二低通滤波器、压控恒流源和超磁致伸缩作动器顺次连接；所述第二低通滤波器用于将阶梯状的模拟电压量变成平滑曲线状的模拟电压量；所述压控恒流源用于将模拟电压信号转换成电流信号；所述电涡流传感器安装在超磁致伸缩作动器上；所述超磁致伸缩作动器用于根据电流信号实现作动器的伸长或缩短；所述OMAP主控芯片通过USB接口与上位机连接，用于接收上位机指令及数据交换。

上位机发出位移指令，通过输出通道转换成电流输出至超磁致伸缩作动器，电涡流传感器检测位移变化输出至输入通道，经过OMAP嵌入算法处理后得到的位移值与系统设定值进行比较，计算误差。

如图2为本实用新型的基于逆补偿的前馈+PID反馈跟踪控制系统框图。在前馈+PID反馈跟踪控制系统中，首先给出一个正弦位移值y_r(k)，然后采用基于LS-SVMR的智能结构逆模型得到给定理想位移时所需理想控制电压u_r(k)，在反馈环中，理想位移y_r(k)和被测位移y(k)(由y(t)离散化得到)比较得到误差信号e(k)，e(k)反馈于PID控制，计算出额外的输出电压Δu。Δu与理想控制电压u_r(k)相加得到实际控制电压u(k)，经D/A输出u(t)，通过功率放大器驱动GMA，得到实际输出位移y(t)。k时刻输出到D/A的实际控制电压： $u\left(k\right)=K_{p}e\left(k\right)+K_i\underset{j=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}e\left(k\right)+\frac{K_d}{T}(e\left(k\right)-e(k-1))+u_r\left(k\right).$

图3是本实用新型提供的智能结构建模、逆补偿的前馈+PID反馈控制流程图。图3中，控制算法具体包括以下步骤：

步骤1：变量初始化；

步骤2：判断采样中断是否发生，若是，则OMAP主控芯片控制D/A发出设定的参考电压值，电涡流传感器采集位移变化输出模拟电压量，A/D将来自电涡流传感器、与位移量存在对应关系的模拟电压量转换成数字量，保存二者数据；直至完成设定的采集次数；若否，则继续等待；

步骤3：对采集的输入输出数据，使用LS-SVM建立GMA的逆模型；

步骤4：若采样中断发生，设定的位移值y_r(kT)，根据逆模型算出电压u_r(kT)；

步骤5：对控制方式进行选择，“前馈+PID控制”或“开环控制”；若选择“前馈+PID控制”：u_r(kT)与PID输出Δu相加得到u(kT)，D/A输出至GMA；若选择“开环控制”：u_r(kT)作为u(kT)，D/A输出至GMA；

步骤6：A/D转换器将当前时刻电涡流传感器采集的模拟电压量转换为数字量；

步骤7：若循环控制次数达到，结束循环，保存输入输出数据。

图4是本实用新型提供的单频40Hz时开环控制与前馈+PID反馈控制的效果图；其中，（a）为开环控制效果图；（b）为前馈+PID反馈控制效果图。图4中，开环控制的RMSE为1.6um，前馈+PID反馈控制的RMSE为0.93um。

图5是本实用新型提供的复频30Hz+40Hz+50Hz时开环控制与前馈+PID反馈控制的效果图；其中，（a）为开环控制效果图；（b）为前馈+PID反馈控制效果图。图5中，开环控制的RMSE为2.07um，前馈+PID反馈控制的RMSE为1.23um。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种智能结构的实时微位移跟踪控制系统，其特征在于，所述系统包括嵌入式控制板、电涡流传感器、超磁致伸缩作动器和上位机；所述嵌入式控制板包括OMAP主控芯片、输入通道和输出通道；所述输入通道包括模数转换器和第一低通滤波器；所述输出通道包括数模转换器、第二低通滤波器和压控恒流源；

其中，所述OMAP主控芯片分别与所述模数转换器和数模转换器连接；

所述电涡流传感器、第一低通滤波器和模数转换器顺次连接；

所述数模转换器、第二低通滤波器、压控恒流源和超磁致伸缩作动器顺次连接；

所述电涡流传感器安装在超磁致伸缩作动器上；

所述OMAP主控芯片通过USB接口与上位机连接。

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