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两轴水平框架式粗跟踪结构及其控制系统设计

康永斌 艾志伟 陈振荣 李静

康永斌, 艾志伟, 陈振荣, 李静. 两轴水平框架式粗跟踪结构及其控制系统设计[J]. 红外技术, 2022, 44(7): 732-740.
引用本文: 康永斌, 艾志伟, 陈振荣, 李静. 两轴水平框架式粗跟踪结构及其控制系统设计[J]. 红外技术, 2022, 44(7): 732-740.
KANG Yongbin, AI Zhiwei, CHEN Zhenrong, LI Jing. Structure and Control System Design for Two Axes Horizontal Coarse Tracking Frame[J]. Infrared Technology , 2022, 44(7): 732-740.
Citation: KANG Yongbin, AI Zhiwei, CHEN Zhenrong, LI Jing. Structure and Control System Design for Two Axes Horizontal Coarse Tracking Frame[J]. Infrared Technology , 2022, 44(7): 732-740.

两轴水平框架式粗跟踪结构及其控制系统设计

基金项目: 

广西大学生创新创业训练计划项目 202111825089

详细信息
    作者简介:

    康永斌(2000-),男,本科生,主要研究内容为光学精密仪器控制。E-mail:1277639381@qq.com

    通讯作者:

    李静(1983-),女,副教授,主要研究方向为机器人技术、机械电子技术应用。E-mail:jinglijl@126.com

  • 中图分类号: TH74

Structure and Control System Design for Two Axes Horizontal Coarse Tracking Frame

  • 摘要: 根据天基平台激光辐照空间碎片捕获系统的应用需求,设计了一种两轴水平框架式粗跟踪结构,提出了一种基于加速度闭环的PI速度环控制方法用于实现跟踪系统的闭环高带宽控制和高精度跟踪。首先,根据光束传播路径和负载几何尺寸要求设计了水平式粗跟踪框架的经纬轴结构,并对单轴结构进行了模型简化,建立了单轴二质阻尼刚度简化模型的动力学方程;对系统进行了振动分析,根据系统的谐振频率和电机锁定转动频率确定了跟踪架主要结构参数;设计了一种速度加速度双闭环控制系统,确定了系统控制器和控制参数;最后对控制系统进行了性能测试。测试结果显示,控制系统满足性能指标要求,相较于带有结构滤波器的PI速度环控制系统,带宽提升了28.2%;基于加速度闭环的PI速度环控制系统在调节时间上提升了78.6%,超调量降低了94.08%;基于加速度闭环的PI位置环控制系统的调节时间为0.085 s,超调量为11.66%,具备较小的跟踪误差和较强的抗干扰能力。
  • 图  1  两轴水平框架式粗跟踪装置

    Figure  1.  Two-axis horizontal frame coarse tracking device

    图  2  二质刚度阻尼系统

    Figure  2.  Two mass stiffness damping system

    图  3  不同γ值角速度模型对比

    Figure  3.  Comparison of angular velocity models with different values

    图  4  角速度模型传递函数伯德图

    Figure  4.  Bode diagram of transfer function of angular velocity mode

    图  5  带有结构滤波器的PI速度环控制系统

    Figure  5.  PI speed control system with structured filter

    图  6  结构滤波器频率特性曲线

    Figure  6.  Frequency characteristic curve of structure filter

    图  7  PI速度环控制系统开环频率特性曲线

    Figure  7.  Open loop frequency characteristic curve of PI control system

    图  8  不完全微分PID速度环控制系统

    Figure  8.  Incomplete differential PID speed loop control system

    图  9  不完全微分PID速度环控制系统的开环频率特性曲线

    Figure  9.  Open loop frequency characteristic curve of incomplete differential PID speed loop control system

    图  10  基于加速度闭环的PI速度环控制系统

    Figure  10.  PI velocity loop control system based on acceleration closed loop

    图  11  基于加速度闭环的PI速度环控制系统的开环频率特性曲线

    Figure  11.  The open loop frequency characteristic curve of PI speed loop control system based on acceleration closed loop

    图  12  基于加速度闭环的PI位置环控制系统

    Figure  12.  PI position loop control system based on acceleration closed loop

    图  13  带有结构滤波器的PI速度环控制系统闭环频率特性

    Figure  13.  Closed-loop frequency characteristics of PI speed loop control system with structured filter

    图  14  不完全微分PID速度环控制系统闭环频率特性

    Figure  14.  Closed-loop frequency characteristics of incomplete differential PID speed loop control system

    图  15  基于加速度闭环的PI速度环控制系统闭环频率特性

    Figure  15.  Closed-loop frequency characteristics of PI speed loop control system based on acceleration closed-loop

    图  16  单位阶跃响应曲线

    Figure  16.  Unit step response curve

    图  17  基于加速度闭环的PI位置环控制系统闭环频率特性

    Figure  17.  Closed-loop frequency characteristics of PI position loop control system based on acceleration closed-loop

    图  18  基于加速度闭环的PI位置环控制系统单位阶跃响应曲线

    Figure  18.  Unit step response curve of PI position loop control system based on acceleration closed loop

    图  19  基于加速度闭环的PI位置环控制系统的simulink仿真模型

    Figure  19.  Simulink simulation model of PI position loop control system based on acceleration closed loop

    图  20  正弦干扰信号输出曲线

    Figure  20.  Sinusoidal interference signal output curve

    图  21  稳态跟踪误差输出曲线

    Figure  21.  Steady state tracking error output curve

    表  1  跟踪架设计指标要求

    Table  1.   Tracking frame design index requirements

    Index Parameters
    Weft axle load /kg 50
    Weft bandwidth/Hz 10
    Beam load/kg 100
    Beam bandwidth/Hz 8
    下载: 导出CSV

    表  2  跟踪架参数指标

    Table  2.   Tracking frame parameter index

    Symbolic
    parameter
    Parameter
    values
    Parameter meaning
    J1 0.39 Motor moment of inertia
    J2 18 Minimum moment of inertia of load
    k 3017.7 Motor and load connection stiffness
    c 0.707 Motor and load connection damping coefficient
    下载: 导出CSV
  • [1] 洪延姬, 金星, 常浩. 天基平台激光清除厘米级空间碎片关键问题探讨[J]. 红外与激光工程, 2016, 45(2): 9-14. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HWYJ201602001.htm

    HONG Yanji, JIN Xing, CHANG Hao. Discussion of key problems in space based laser centimeter orbital debris removal[J]. Infrared and Laser Engineering, 2016, 45(2): 9-14. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HWYJ201602001.htm
    [2] 邓永停, 李洪文, 陈涛. 2 m级望远镜跟踪架控制系统动态性能分析[J]. 光学精密工程, 2018, 26(3): 654-61. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GXJM201803018.htm

    DENG Yongting, LI Hongwen, CHEN Tao. Dynamic analysis of two meters telescope mount control system[J]. Optics and Precision Engineering, 2018, 26(3): 654-61. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GXJM201803018.htm
    [3] 罗勇. 基于信息融合的运动平台光电跟踪控制技术研究[D]. 北京: 中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所), 2019.

    LUO Yong. Information fusion based research on opto-electronical tracking control on moving platform[D]. Beijing: University of Chinese Academy of Sciences (Institute of Optics and Electronics, Chinese Academy of Sciences), 2019.
    [4] 马佳光, 唐涛. 复合轴精密跟踪技术的应用与发展[J]. 红外与激光工程, 2013, 42(1): 218-227. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HWYJ201301053.htm

    MA Jiaguang, TANG Tao. Review of compound axis servomechanism tracking control technology[J]. Infrared and Laser Engineering, 2013, 42(1): 218-227. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HWYJ201301053.htm
    [5] 唐涛, 马佳光, 陈洪斌, 等. 光电跟踪系统中精密控制技术研究进展[J]. 光电工程, 2020, 47(10): 3-31. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GDGC202010001.htm

    TANG T, MA J G, CHEN H B, et al. A review on precision control methodologies for optical-electric tracking control system[J]. Opto-Electronic Engineering, 2020, 47(10): 200315. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GDGC202010001.htm
    [6] ZHENG S, HAN B. Investigations of an integrated angular velocity measurement and attitude control system for spacecraft using magnetically suspended double-gimbal CMGs[J]. Advances in Space Research, 2013, 51(12): 2216-28. doi:  10.1016/j.asr.2013.01.015
    [7] 王艺. 基于激光技术空间碎片的主动移除[D]. 南昌: 南昌航空大学, 2015.

    WANG Yi. Active space debris removal based on laser technology [D]. Nanchang: Nanchang Hangkong University, 2015
    [8] 王卫兵, 王挺峰, 郭劲. 星载光电捕获跟踪瞄准控制技术分析[J]. 中国光学, 2014, 7(6): 879-888. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZGGA201406001.htm

    WANG Weibing, WANG Tingfeng, GUO Jin. Analysis of aperture photoelectric acquisition tracking aiming control[J]. China Optics, 2014, 7(6): 879-888. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZGGA201406001.htm
    [9] 邓永停, 李洪文, 王建立. 提高大口径望远镜控制系统闭环带宽的方法[J]. 红外与激光工程, 2018, 47(12): 1237001. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HWYJ201812054.htm

    DENG Yongting, LI Hongwen, WANG Jianli. Methods of improving closed-loop bandwidth for large telescope control systems[J]. Infrared and Laser Engineering, 2018, 47(12): 1237001. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HWYJ201812054.htm
    [10] 汪奎, 辛宏伟, 曹乃亮, 等. 空间相机快速反射镜的两轴柔性支撑结构设计[J]. 红外与激光工程, 2019, 48(12): 233-40. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HWYJ201912031.htm

    WANG Kui, XIN Hongwei, CAO Nailiang, et al. Design of two-axis flexible support structure for fast steering mirror in space cameras[J]. Infrared and Laser Engineering, 2019, 48(12): 233-240. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HWYJ201912031.htm
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-06-29
  • 修回日期:  2021-08-06
  • 刊出日期:  2022-07-20

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