1 中国科学院自适应光学重点实验室，四川 成都 610209
2 中国科学院光电技术研究所，四川 成都 610209
3 中国科学院大学电子电气与通信工程学院，北京 100049
4 中国科学院大学，北京 100049
为提高自适应光学（AO）系统中倾斜镜（TTM）的控制性能，提出了一种基于滤波的线性自抗扰预估控制（FLADRC-Smith）方法。该方法利用Smith预估器提升了系统误差抑制带宽，同时设计滤波环节修正TTM控制量，保证系统对高频扰动信号的抑制性能。仿真建立AO倾斜校正模型对该方法进行验证，结果表明，所提方法能有效提高系统带宽和TTM动态响应性能。在纯时滞系统中，该方法相较于比例-积分（PI）控制将系统的误差抑制带宽提升了4.56倍；在同等误差抑制带宽条件下，将该方法在纯时滞系统和二阶振荡时滞系统中与比例积分预估（PI-Smith）控制方法对比，系统抑制内外部扰动能力更强，TTM的动态响应性能提升了20%以上。
自适应光学 倾斜镜 时滞系统 自抗扰 中国激光
2023, 50(13): 1305001
1 长春理工大学 电子信息工程学院，长春 130022
2 长春理工大学 空地激光通信国防重点学科实验室，长春 130022
3 长春理工大学 光电工程学院，长春 130022
为解决在外部扰动情况下自适应光学中倾斜镜的控制问题，提出了一种基于扰动观测器的滑模控制方法来抑制结构振动。在倾斜镜控制系统中，将新的扰动观测器加入到传统滑模控制方法中，设计新的滑模控制率来抑制抖振。改进后的扰动观测器不受精确模型的限制，仿真结果证明了该方法能够比较准确的跟踪系统状态，抑制扰动效果明显，降低了系统误差，输出曲线更接近给定的输入信号。实验结果表明，所设计的方法与传统滑模控制方法相比，方位轴控制误差由1.637 μrad降低到1.083 μrad，精度提高约51.2%，俯仰轴控制误差由1.966 μrad降低到1.614 μrad，精度提高约21.8%。该方法可大幅削弱由滑模控制方法造成的抖振及外部扰动，提高倾斜镜控制系统的稳定性。
自适应光学 倾斜镜 滑模控制 扰动观测器 抖振 Adaptive optics Tip-tilt mirror Sliding mode control Disturbance observer Chattering
1 宜宾学院智能制造学部，四川 宜宾 644000
2 盲信号处理国家级重点实验室，四川 成都 610000
针对压电快速倾斜镜（PFSM）堆叠式压电陶瓷（PZT）（Pb（Zr， Ti）O3）驱动器伸长和弯曲变形的应力集中问题，依据Timoshenko模型，分析了堆叠式PZT驱动器的伸长弯曲变形模型。基于压电耦合理论分析了堆叠式PZT驱动器动态应力与驱动电压幅值、驱动电压频率和PZT驱动器顶部柔性铰链抗弯刚度的关系。采用响应曲面法获得了300 mm口径PFSM的优化设计和工作参数。研究方法和分析结果可以为优化PFSM关键元件参数，降低堆叠式PZT驱动器应力集中，提高PFSM的耐久性和可靠性提供参考和借鉴。
压电倾斜镜 堆叠式PZT驱动器 应力集中 压电耦合 响应曲面 激光与光电子学进展
2022, 59(5): 0523001
1 中国民用航空飞行学院，四川 广汉618307
2 中国科学院自适应光学重点实验室，四川 成都 610209
3 中国科学院光电技术研究所，四川 成都 610209
在光束传输系统中，通常存在由于传输介质引起的能量与频率成反比的宽带扰动和平台振动引起的在某个特定频率点的窄带扰动，使得光束发生抖动或漂移，造成光斑能量下降。为了解决光束传输系统中由大幅度、高频率窄带扰动和宽带扰动引起光束抖动，设计了基于高速倾斜反射镜谐振补偿的混合自适应滤波器的光束抖动控制方法。该方法采用最小均方（LMS）自适应滤波器与经典的比例-积分控制器并行工作的控制结构，分别利用LMS自适应滤波器对高频率、大幅度的窄带扰动进行抑制，比例-积分控制器对宽带扰动进行抑制，从而实现了对大幅度、高频率窄带扰动和宽带扰动的同时抑制。实验结果表明，本文提出的系统结构和控制方法能够有效地抑制光束传输系统中的光束抖动。
激光光学 光束抖动 高速倾斜镜 窄带扰动 宽带扰动 自适应滤波器 比例-积分控制器 激光与光电子学进展
2021, 58(13): 1314004
1 中国科学院光电技术研究所，四川 成都 610209
2 中国科学院光束控制重点实验室，四川 成都 610209
3 中国科学院大学，北京 100049
在基于图像传感器的倾斜镜控制系统中，由于传感器采样频率和系统延时的影响，限制了系统的闭环性能和控制带宽。在有限带宽的条件下，本文提出利用光栅尺测量位置，差分得到速度，实现基于图像传感器系统的速度-位置反馈控制，从而提升倾斜镜控制系统的误差抑制能力。速度反馈环节的引入，使控制系统呈微分特性，当速度反馈闭环完成后，图像位置回路具有积分特性，此时使用PI控制器稳定系统，从而使得系统从零型上升为二型系统，提升系统的误差抑制能力。仿真和实验都证明这种方法可以有效地提高跟踪控制系统的闭环性能。
倾斜镜 光栅尺 图像传感器 时延 速度-位置控制 误差抑制 tip-tilt mirror linear encoder image sensor time delay position-rate control error attenuation
1 中国民用航空飞行学院空中交通管理学院, 四川 广汉 618307
2 中国科学院自适应光学重点实验室, 四川 成都 610209
3 中国科学院光电技术研究所, 四川 成都 610209
针对光轴控制系统中广泛使用的压电倾斜镜,分析了其基本工作原理和数学模型,描述了遗传算法在模型中的辨识过程。针对大口径压电倾斜镜,搭建了频率响应测试系统,实现了对压电倾斜镜传递函数的参数辨识。对比辨识传递函数的频率响应与实际测量数据,并对系统中存在的多个谐振点的辨识精度进行分析。实验结果表明,在各个谐振点处,遗传算法获得的传递函数频率响应与实际测量数据具有较高的一致性,利用该算法得到的传递函数能更为准确地分析光轴控制系统的动态特性,有针对性地设计先进的控制算法,从而达到提高光轴控制系统性能的目的。
激光光学 压电倾斜镜 遗传算法 频率响应 谐振 中国激光
2020, 47(11): 1105002
华中光电技术研究所-武汉光电国家研究中心, 湖北 武汉 430223
分析了PFSM的迟滞非线性特性和蠕变特性对控制精度的影响, 提出将XGBoost模型应用于PFSM的动态迟滞非线性特征建模。通过提取PFSM的加压历史特征, 有效地解决了迟滞非线性中数据一对多的问题, 提取的特征包括电压的电压值、变化频率、变化方向、电压增量、历史局部极大值与局部极小值和时间间隔等。仿真结果表明, 此模型可以对迟滞非线性特性和蠕变特性有较好的拟合效果, 相对于静态PI模型, 拟合精度提高了约40 μrand。同时具有模型参数容易识别、易移植到嵌入式芯片等优点。该动态迟滞非线性特征建模方法有理论意义和实用价值。
压电式快速倾斜镜 XGBoost模型 迟滞特性 蠕变特性 特征提取 piezoelectric fast steering mirror XGBoost model hysteresis nonlinear characteristics creep characteristics feature extraction
1 中国科学院自适应光学重点实验室, 四川 成都 610209
2 中国科学院光电技术研究所, 四川 成都 610209
3 中国科学院大学, 北京 100049
4 宜宾学院物理与电子工程学院, 四川 宜宾 644000
针对压电快速倾斜镜的反作用力对有效光学元件的复杂动态耦合干扰问题,提出了基于多体系统的刚柔耦合和基于压电耦合理论的反作用力分析方法,对压电倾斜镜的反作用力进行了分析和补偿,并获取了中心柔性铰链的热点应力。理论和实验结果表明:压电耦合求解相比于多体系统的刚柔耦合方法更能准确地反映反作用力特性,实验测得反作用力的补偿比例可以达到90.14%,与数值计算的差异为3.96个百分点。所提的反作用力分析方法和动量补偿结构可为计算和消除倾斜镜的反作用力对光学系统的耦合干扰提供借鉴。
激光光学 压电倾斜镜 多体系统刚柔耦合 压电耦合 反作用力 动量补偿
1 中国科学院自适应光学重点实验室，四川 成都 610209
2 中国科学院光电技术研究所，四川 成都 610209
3 中国科学院大学，北京 100049
自适应光学系统中的压电倾斜镜通常是用来实时校正大气湍流引起的波前畸变，但压电倾斜镜的响应都有较大的非线性迟滞效应，大大降低了倾斜镜的到位精度，并且影响系统稳定性，制约了倾斜校正系统的带宽，因此需要对迟滞现象进行建模，通过建立的模型进行补偿。本文通过引入迟滞算子，使用贝叶斯正则化训练算法训练BP神经网络来构建压电倾斜镜迟滞模型，以中国科学院光电技术研究所自主研制的压电倾斜镜为对象开展了实验研究。最后的实验结果表明，通过BP神经网络构建的压电倾斜镜迟滞模型具有较准确的辨识能力，其中，X方向的迟滞大小由6.5%降低到了1.3%，Y方向的迟滞大小由7.1%降低到了1.6%。
自适应光学 压电倾斜镜 迟滞效应 神经网络 迟滞算子 adaptive optics piezoelectric steering mirror hysteresis neural network hysteresis operator
1 哈尔滨工业大学航天学院, 黑龙江 哈尔滨 150001
2 上海机电工程研究所, 上海 200233
3 哈尔滨工业大学可调谐激光(气体)技术国家级重点实验室, 黑龙江 哈尔滨 150001
4 中国科学院沈阳自动化研究所, 辽宁 沈阳 110016
空间激光通信精瞄系统中压电式倾斜镜存在的迟滞非线性特性,不仅降低了精瞄系统定位精度,而且对信标光的捕获以及链路的稳定性造成影响。针对该问题,提出一种基于PLAY迟滞算子改进Prandtl-Ishlinskii(P-I)数学模型及参数辨识方法,利用该模型对迟滞特性进行前馈线性化逆补偿。为进一步提高系统跟踪精度,在线性化的基础上,设计了静态输出反馈控制器,形成复合控制方法,并设计了激光通信终端精瞄系统实验,验证了该复合方法的有效性。通过对系统输入不同频率等幅和减幅正弦控制信号进行测试,结果表明,改进P-I模型最大拟合误差在1%之内,前馈模型逆补偿使压电陶瓷执行器(PEA)的线性度误差由5%减小到1%以内,复合控制方法系统跟踪误差降低了80%。
激光通信 倾斜镜 压电陶瓷执行器 迟滞特性 改进Prandtl-Ishlinskii迟滞模型
