基于自适应鲁棒控制提升快速反射镜的抗扰能力

王正玺; 张葆; 李贤涛

doi:doi:10.3788/CJL201946.0905002

中国激光, 2019, 46 (9): 0905002, 网络出版: 2019-09-10

基于自适应鲁棒控制提升快速反射镜的抗扰能力下载： 725次

Improving Anti-Disturbance Capability of Fast Steering Mirror by Adaptive Robust Control

王正玺 ^1,2张葆 ^1,*李贤涛 ¹

作者单位

¹ 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所航空光学成像与测量重点实验室, 吉林长春 130033

² 中国科学院大学, 北京 100049

图 & 表

图 1. 带有扰动的快速反射镜控制系统结构图

Fig. 1. Structural diagram of FSM control system with disturbance

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图 2. 干扰观测器原理框图

Fig. 2. Principle diagram of disturbance observer

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图 3. ARC原理框图

Fig. 3. Principle diagram of ARC

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图 4. 基于FSM的二级稳定系统示意图

Fig. 4. Diagram of secondary stabilization system based on FSM

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图 5. 快速反射镜的模型原理图

Fig. 5. FSM model diagram

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图 6. FSM模型扫频及拟合曲线对比图

Fig. 6. Comparison of scanning and fitting curves of FSM model

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图 7. 引入速度反馈抑制谐振的原理框图

Fig. 7. Principle diagram of resonance suppression by introducing velocity feedback

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图 8. 引入速率反馈前后快速反射镜的开环频率响应

Fig. 8. Open-loop frequency responses of FSM with and without rate feedback

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图 9. ARC系统Simulink仿真图

Fig. 9. Simulink simulation diagram of ARC system

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图 10. 仿真结果对比曲线。(a)阶跃响应曲线;(b)稳态误差曲线

Fig. 10. Comparison of simulation results. (a) Step response curve; (b) steady-state error curve

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图 11. 无振动扰动条件下FSM的稳定误差曲线。 (a) PID;(b) PID+DOB;(c) PID+ARC

Fig. 11. FSM stability error curves without vibration disturbance. (a) PID; (b) PID+DOB; (c) PID+ARC

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图 12. 振动扰动条件下FSM的稳定误差曲线。(a) PID;(b) PID+DOB;(c) PID+ARC

Fig. 12. FSM stability error curves under vibration disturbance. (a) PID; (b) PID+DOB; (c) PID+ARC

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图 13. 振动扰动条件下FSM的稳定误差频谱图。(a) PID;(b) PID+DOB;(c) PID+ARC

Fig. 13. FSM stability error spectra under vibration disturbance. (a) PID; (b) PID+DOB; (c) PID+ARC

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表 1无振动扰动条件下快速反射镜的稳态误差最大值、平均值和均方根误差对比

Table1. Comparison of maximal and average steady-state errors and RMSE of fast FSM without vibrationdisturbance μrad

Controlmethod	Maximalsteady-state error	Averagesteady-state error	RMSE
PID	8.1872	1.0041	1.6938
DOB	67.8370	27.2953	33.4699
ARC	9.3568	1.9641	2.8877

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表 2振动扰动条件下快速反射镜的稳态误差最大值、平均值和均方根误差对比

Table2. Comparison of maximal and average steady-state errors and RMSE of fast FSM with vibration disturbance μrad

Controlmethod	Maximalsteady-state error	Averagesteady-state error	RMSE
PID	190.0618	67.3275	82.4228
DOB	163.1598	34.4581	43.2125
ARC	59.6498	13.4877	17.0788

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王正玺, 张葆, 李贤涛. 基于自适应鲁棒控制提升快速反射镜的抗扰能力[J]. 中国激光, 2019, 46(9): 0905002. Wang Zhengxi, Zhang Bao, Li Xiantao. Improving Anti-Disturbance Capability of Fast Steering Mirror by Adaptive Robust Control[J]. Chinese Journal of Lasers, 2019, 46(9): 0905002.

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图 1. 带有扰动的快速反射镜控制系统结构图

Fig. 1. Structural diagram of FSM control system with disturbance

图 2. 干扰观测器原理框图

Fig. 2. Principle diagram of disturbance observer

图 3. ARC原理框图

Fig. 3. Principle diagram of ARC

图 4. 基于FSM的二级稳定系统示意图

Fig. 4. Diagram of secondary stabilization system based on FSM

图 5. 快速反射镜的模型原理图

Fig. 5. FSM model diagram

图 6. FSM模型扫频及拟合曲线对比图

Fig. 6. Comparison of scanning and fitting curves of FSM model

图 7. 引入速度反馈抑制谐振的原理框图

Fig. 7. Principle diagram of resonance suppression by introducing velocity feedback

图 8. 引入速率反馈前后快速反射镜的开环频率响应

Fig. 8. Open-loop frequency responses of FSM with and without rate feedback

图 9. ARC系统Simulink仿真图

Fig. 9. Simulink simulation diagram of ARC system

图 10. 仿真结果对比曲线。(a)阶跃响应曲线;(b)稳态误差曲线

Fig. 10. Comparison of simulation results. (a) Step response curve; (b) steady-state error curve

图 11. 无振动扰动条件下FSM的稳定误差曲线。 (a) PID;(b) PID+DOB;(c) PID+ARC

Fig. 11. FSM stability error curves without vibration disturbance. (a) PID; (b) PID+DOB; (c) PID+ARC

图 12. 振动扰动条件下FSM的稳定误差曲线。(a) PID;(b) PID+DOB;(c) PID+ARC

Fig. 12. FSM stability error curves under vibration disturbance. (a) PID; (b) PID+DOB; (c) PID+ARC

图 13. 振动扰动条件下FSM的稳定误差频谱图。(a) PID;(b) PID+DOB;(c) PID+ARC

Fig. 13. FSM stability error spectra under vibration disturbance. (a) PID; (b) PID+DOB; (c) PID+ARC

表 1无振动扰动条件下快速反射镜的稳态误差最大值、平均值和均方根误差对比

Table1. Comparison of maximal and average steady-state errors and RMSE of fast FSM without vibrationdisturbance μrad

表 2振动扰动条件下快速反射镜的稳态误差最大值、平均值和均方根误差对比

Table2. Comparison of maximal and average steady-state errors and RMSE of fast FSM with vibration disturbance μrad

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图 1. 带有扰动的快速反射镜控制系统结构图

Fig. 1. Structural diagram of FSM control system with disturbance

图 2. 干扰观测器原理框图

Fig. 2. Principle diagram of disturbance observer

图 3. ARC原理框图

Fig. 3. Principle diagram of ARC

图 4. 基于FSM的二级稳定系统示意图

Fig. 4. Diagram of secondary stabilization system based on FSM

图 5. 快速反射镜的模型原理图

Fig. 5. FSM model diagram

图 6. FSM模型扫频及拟合曲线对比图

Fig. 6. Comparison of scanning and fitting curves of FSM model

图 7. 引入速度反馈抑制谐振的原理框图

Fig. 7. Principle diagram of resonance suppression by introducing velocity feedback

图 8. 引入速率反馈前后快速反射镜的开环频率响应

Fig. 8. Open-loop frequency responses of FSM with and without rate feedback

图 9. ARC系统Simulink仿真图

Fig. 9. Simulink simulation diagram of ARC system

图 10. 仿真结果对比曲线。(a)阶跃响应曲线;(b)稳态误差曲线

Fig. 10. Comparison of simulation results. (a) Step response curve; (b) steady-state error curve

图 11. 无振动扰动条件下FSM的稳定误差曲线。 (a) PID;(b) PID+DOB;(c) PID+ARC

Fig. 11. FSM stability error curves without vibration disturbance. (a) PID; (b) PID+DOB; (c) PID+ARC

图 12. 振动扰动条件下FSM的稳定误差曲线。(a) PID;(b) PID+DOB;(c) PID+ARC

Fig. 12. FSM stability error curves under vibration disturbance. (a) PID; (b) PID+DOB; (c) PID+ARC

图 13. 振动扰动条件下FSM的稳定误差频谱图。(a) PID;(b) PID+DOB;(c) PID+ARC

Fig. 13. FSM stability error spectra under vibration disturbance. (a) PID; (b) PID+DOB; (c) PID+ARC

表 1无振动扰动条件下快速反射镜的稳态误差最大值、平均值和均方根误差对比

Table1. Comparison of maximal and average steady-state errors and RMSE of fast FSM without vibrationdisturbance μrad

表 2振动扰动条件下快速反射镜的稳态误差最大值、平均值和均方根误差对比

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