滑模控制對(duì)激光通信程序完善

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空間激光通信是以激光束作為信息載體，在空間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N通信方式，其通信終端主要由激光通信系統(tǒng)和捕獲、跟蹤、對(duì)準(zhǔn)（acquisitiontrackingandpointing，ATP）系統(tǒng)兩大部分組成［1－3］．在空間激光通信中，不僅要求ATP系統(tǒng)能穩(wěn)定、快速地跟蹤對(duì)方終端發(fā)射的目標(biāo)光束，還必須將目標(biāo)光束控制在激光通信鏈路信號(hào)傳輸誤碼率要求的范圍內(nèi)，因此要求ATP系統(tǒng)具有快速的跟蹤能力和非常高的控制精度［4］．而快速跟蹤意味著ATP系統(tǒng)應(yīng)具有快速的響應(yīng)和較寬的控制帶寬；控制精度高意味著ATP系統(tǒng)的跟蹤誤差小，二者之間相互矛盾．為解決這一問(wèn)題，本文中將滑模控制用于ATP系統(tǒng)復(fù)合控制結(jié)構(gòu)的精跟蹤系統(tǒng)中，既增加了ATP精跟蹤系統(tǒng)的控制帶寬，又提高了系統(tǒng)的控制精度，使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能．

1ATP系統(tǒng)跟蹤控制模型

空間激光通信ATP系統(tǒng)中的捕獲、跟蹤和對(duì)準(zhǔn)功能是以跟蹤控制回路為中心，由粗跟蹤系統(tǒng)和精跟蹤系統(tǒng)完成的．粗、精跟蹤系統(tǒng)主要由光電跟蹤傳感器單元、信號(hào)處理控制單元和跟蹤伺服機(jī)構(gòu)組成．在粗精復(fù)合控制系統(tǒng)中，粗跟蹤控制系統(tǒng)的跟蹤誤差大于精跟蹤傳感器探測(cè)視場(chǎng)時(shí)，精跟蹤控制系統(tǒng)不起作用；粗跟蹤控制系統(tǒng)的跟蹤誤差小于精跟蹤傳感器探測(cè)視場(chǎng)時(shí)，精跟蹤控制系統(tǒng)進(jìn)入跟蹤狀態(tài)，通過(guò)精跟蹤傳感器構(gòu)成光閉環(huán)，進(jìn)一步校正粗跟蹤殘余誤差．圖1為雙探測(cè)器粗精復(fù)合跟蹤控制模型［5］．圖中Ects（s）和Efps（s）分別為粗、精跟蹤系統(tǒng)光電跟蹤探測(cè)單元傳遞函數(shù)，Dctc（s）和Dfpc（s）分別為粗、精跟蹤控制器傳遞函數(shù)，Gctp（s）和Gfpp（s）分別為粗、精跟蹤系統(tǒng)的伺服機(jī)構(gòu)和被控對(duì)象傳遞函數(shù)；θt和θo分別是粗精復(fù)合軸跟蹤系統(tǒng)期望的視軸角和實(shí)際輸出角；θc和θf(wàn)分別是粗、精跟蹤控制回路的輸出角；ec和ef分別為粗、精跟蹤系統(tǒng)的跟蹤誤差．圖1ATP系統(tǒng)粗精復(fù)合跟蹤控制模型Fig．1ModelofcoarseandfinetrackingcontrolofATPsystem由圖1可分別得出粗、精跟蹤控制回路閉環(huán)等效傳遞函數(shù)為Gct（s）＝Gcto（s）1＋Gcto（s），（1）Gfp（s）＝Gfpo（s）1＋Gfpo（s）．（2）式中：Gcto（s）為粗跟蹤控制回路開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)，Gcto（s）＝Ects（s）Dctc（s）Gctp（s）；Gfpo為精跟蹤控制回路開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)，Gfpo（s）＝Efps（s）Dfpc（s）Gfpp（s）．復(fù)合跟蹤控制系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為Gclose（s）＝θo（s）θt（s）＝Gcto（s）＋Gfpo（s）＋Gcto（s）Gfpo（s）［1＋Gcto（s）］［1＋Gfpo（s）］．（3）由式（3）可得系統(tǒng)等效開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為Gopen（s）＝Gcto（s）＋Gfpo（s）＋Gcto（s）Gfpo（s）．（4）由式（4）可知，所研究的ATP系統(tǒng)粗、精復(fù)合控制跟蹤精度由精跟蹤系統(tǒng)控制精度決定［6］，因此，精跟蹤控制回路控制器的設(shè)計(jì)是改善ATP系統(tǒng)跟蹤性能的關(guān)鍵．考慮粗、精跟蹤系統(tǒng)的控制是獨(dú)立的，本文中僅討論精跟蹤系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)對(duì)ATP系統(tǒng)跟蹤性能的影響．

2精跟蹤控制器設(shè)計(jì)

一個(gè)快速高精度跟蹤系統(tǒng)，既需要有高帶寬、高精度的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，又需要有響應(yīng)快速、定位精度高的位置探測(cè)器件［7］．圖2為設(shè)計(jì)的精跟蹤伺服系統(tǒng)控制回路．它由高精度四象限探測(cè)器、信標(biāo)光斑位置解算處理單元、精跟蹤控制器、壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器（PZT）和快速控制反射鏡組成．小慣量的反射鏡黏合在壓電陶瓷上，可實(shí)現(xiàn)反射鏡傾角的快速高精度調(diào)整．根據(jù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)所選的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器及實(shí)測(cè)輸出的頻率響應(yīng)數(shù)據(jù)（輸入電壓幅值為10V），經(jīng)曲線擬合得驅(qū)動(dòng)器在方位（俯仰與方位相似）方向上的頻率特性曲線如圖3所示．由此可得壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的快速反射鏡的模型為Gfpp（s）＝θf(wàn)（s）U（s）＝KPZTω2n（τs＋1）s2＋2ζωns＋ω2n．（5）式中：等效阻尼比ζ＝0．7；等效振蕩頻率ωn＝750Hz；壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器放大倍數(shù)KPZT＝10．令Efps（s）＝1，采用頻域法設(shè)計(jì)精跟蹤控制器的等效開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為滑模控制特性是一種使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)隨時(shí)間變化的開(kāi)關(guān)特性．從理論上分析可知，采用滑模控制，通過(guò)調(diào)節(jié)參數(shù)能夠控制系統(tǒng)的增益、積分、微分常數(shù)實(shí)時(shí)地變化．

3精跟蹤控制實(shí)驗(yàn)分析

ATP系統(tǒng)跟蹤的目的在于穩(wěn)定通信終端系統(tǒng)視軸，使主從激光通信終端之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)［9］，系統(tǒng)視軸在跟蹤過(guò)程中的角速度和角加速度對(duì)于位置伺服單元將引起動(dòng)態(tài)滯后跟蹤誤差小于期望的數(shù)值．精跟蹤系統(tǒng)能夠完全校正粗跟蹤系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差，因此ATP系統(tǒng)最終跟蹤精度取決于精跟蹤系統(tǒng)對(duì)粗跟蹤系統(tǒng)產(chǎn)生的隨機(jī)誤差的校正能力．精跟蹤系統(tǒng)控制帶寬越寬，抑制粗跟蹤系統(tǒng)產(chǎn)生隨機(jī)誤差的能力就越強(qiáng)．為研究滑模控制對(duì)ATP系統(tǒng)跟蹤性能的影響，圖4給出了用頻域法和滑模控制方法設(shè)計(jì)的精跟蹤控制誤差抑制函數(shù)頻率響應(yīng)曲線．從圖4可看出，用頻域法控制時(shí)，誤差頻率響應(yīng)曲線相對(duì)較陡，當(dāng)其頻率大于290Hz時(shí)，系統(tǒng)對(duì)誤差沒(méi)有校正能力，且0dB以上曲線凸起部分對(duì)系統(tǒng)隨機(jī)誤差起放大作用，放大倍數(shù)可達(dá)到1．5倍．而用滑模控制，在整個(gè)工作頻率范圍內(nèi)，系統(tǒng)對(duì)誤差都有校正能力，可見(jiàn)，滑模控制增加了系統(tǒng)中頻段的控制帶寬．從圖4中還可看出，當(dāng)粗跟蹤系統(tǒng)隨機(jī)誤差頻率為3．7Hz，頻域法和滑模控制具有相同的抑制比，為－43dB．如果粗跟蹤系統(tǒng)隨機(jī)誤差最大幅值為150μrad，為使跟蹤系統(tǒng)的跟蹤誤差小于2μrad，誤差抑制比應(yīng)小于－37dB，此時(shí)若采用頻域法，粗跟蹤系統(tǒng)隨機(jī)誤差頻率小于5．5Hz，而用滑模控制，粗跟蹤系統(tǒng)隨機(jī)誤差頻率小于8Hz．這說(shuō)明滑模控制對(duì)誤差的校正能力在中頻段優(yōu)于頻域法設(shè)計(jì)的結(jié)果．圖5給出了頻率為8Hz時(shí)，模擬相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的動(dòng)態(tài)滯后跟蹤誤差仿真結(jié)果，此時(shí)頻域法和滑模控制的調(diào)節(jié)時(shí)間相同．滑模控制是根據(jù)誤差和誤差變化率的大小來(lái)改變精跟蹤控制器輸出的，從而達(dá)到改善精跟蹤系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程，提高跟蹤系統(tǒng)控制精度的目的．

4結(jié)論

設(shè)計(jì)了滑模控制律精跟蹤控制器，并將其用到空間激光通信ATP系統(tǒng)跟蹤控制的仿真分析和模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究中．通過(guò)與頻域設(shè)計(jì)方法對(duì)比，證明指數(shù)趨近率滑模控制方法的有效性和對(duì)動(dòng)態(tài)滯后跟蹤誤差的抑制能力．