一種快速控制反射鏡的自適應容錯控制系統及方法技術方案

本發明專利技術公開了一種快速控制反射鏡的自適應容錯控制系統，包括機械部分和電氣控制部分，機械部分包括基座、反射鏡、電渦流傳感器和柔性鉸鏈，以及由音圈電機線圈和音圈電機磁鋼組成的音圈電機，音圈電機有六個，均勻設置在反射鏡背面的XY平面內的圓周上；還公開其控制方法；本發明專利技術采用具有六點并聯驅動結構的音圈電機快反鏡機械設計，以及基于補償和切換的雙模式的自適應容錯控制，實現故障狀況下快反鏡穩瞄穩像、精密跟蹤。精密跟蹤。精密跟蹤。

【技術實現步驟摘要】
一種快速控制反射鏡的自適應容錯控制系統及方法


[0001]本專利技術屬于快速控制反射鏡控制
，具體涉及一種基于音圈電機切換策略的快速控制反射鏡的自適應容錯控制系統，以及其控制方法。

技術介紹

[0002]快速控制反射鏡簡稱快反鏡，是通過控制反射鏡的轉動來實現光束快速精準指向的裝置，具有高帶寬、高精度、無摩擦、無空回、無噪聲和結構緊湊等特點，已經廣泛應用于光電偵察、光電對抗、激光制導、激光通信、空間探測等領域以實現系統的穩瞄穩像、精密跟蹤等。用于驅動快反鏡系統的執行元件主要分為壓電陶瓷和音圈電機。在國防軍工領域，音圈電機憑借自身運動行程大、驅動電壓低、環境適應性好等特點更適用于驅動快反鏡系統。
[0003]鑒于音圈電機快反鏡的重要作用，工程師們對其運行的可靠性與性能提出了日益嚴苛的要求。在高溫高濕、電磁、振動等復雜環境下，這類精密光學系統易受各類影響，不可避免會遇到各種不確定因素甚至故障，包括外部干擾、模型參數變化、電渦流傳感器故障和音圈電機故障等。這些問題如果得不到及時在線處理和控制，可能會降低系統指向精度等性能，甚至無法正常運轉，從而造成巨大的損失。例如，在空間光通信中，通信雙方的距離通常都在1000km以上，激光發射器的一個極其微小的偏角都會在接收器的位置形成很大的誤差，從而導致通信失敗。
[0004]國內外現有的絕大多數兩軸快反鏡系統的驅動組件由四個均勻分布音圈電機組成，每一對音圈電機采用兩兩推拉的方式進行單軸控制，具有受力平衡、控制簡單的優點。但當其中一個音圈電機故障時，由于沒有硬件冗余，其對應軸系的控制精度會嚴重退化，甚至導致系統不穩定。國內外研究人員對于快反鏡可靠性與容錯控制方面的研究成果較少，特別是鮮有考慮在音圈電機故障情況下如何保持系統穩定性與一定的控制精度。

技術實現思路

[0005]本專利技術的目的之一是針對傳統音圈電機快反鏡控制系統無硬件冗余的缺點，提出一種具有六點并聯、正反驅動結合的快速控制反射鏡的自適應容錯控制系統。
[0006]本專利技術解決其技術問題所采用的技術方案是：一種快速控制反射鏡的自適應容錯控制系統，包括機械部分和電氣控制部分，所述的機械部分包括基座、采用微晶玻璃材料的圓形結構反射鏡、連接在反射鏡和基座之間的電渦流傳感器和用于支撐的柔性鉸鏈，還包括由音圈電機線圈和音圈電機磁鋼組成的用于驅動的音圈電機，所述的音圈電機有六個，均勻設置在反射鏡背面的XY平面內的圓周上；所述的電氣控制部分包括通信接口電路和電源電路，通信接口電路連接信息管理及主控電路，所述的信息管理及主控電路分別通過數模轉換電路和模數轉換電路連接功率驅動電路和放大及濾波電路，功率驅動電路通過指令切換模塊連接音圈電機，放大及濾波電路通過激勵及解耦電路連接電渦流傳感器，信息管理及主控電路上還連接有溫度傳感器。
[0007]本專利技術的目的之二是提供一種快速控制反射鏡的自適應容錯控制方法，包括如下
步驟：
[0008]步驟S1，為六個音圈電機依次設置標號為ABCDEF，設定第一組音圈電機Group1＝{A,B,C}為默認工作組，設定第二組音圈電機Group2＝{D,E,F}為備份工作組；
[0009]步驟S2，通信接口電路接收偏轉角度、脫靶量信息等后輸入信息管理及主控電路分別輸出切換指令和控制指令到指令切換模塊和數模轉換電路，數模轉換電路將轉換后指令經功率驅動電路輸入至指令切換模塊，指令切換模塊集合輸出切換指令選擇切換對應的音圈電機；激勵及解耦電路將電渦流傳感器的信息經放大及濾波電路和模數轉換電路傳回信息管理及主控電路，信息管理及主控電路結合溫度傳感器的信息一并輸送至通信接口電路，通信接口電路發送出狀態機監測信息；
[0010]步驟S3，選擇Group1或Group2的三個音圈電機，通過三點驅動形式獨立完成反射鏡繞XY兩軸偏轉：位于正三角形一個頂點上的音圈電機不動，另外兩個音圈電機通過柔性鉸鏈一伸一縮即可以實現反射鏡繞所述頂點所在軸的偏轉；
[0011]步驟S4，信息管理及主控電路選擇自適應補償模式或切換模式對兩組音圈電機進行故障診斷：自適應補償模式是其中一組音圈電機出現輕微故障時進行內部自適應補償，備份工作組處于隨動狀態；切換模式是監控到其中一組音圈電機失效時指令切換模塊切換至備份工作組，默認工作組退出工作處于隨動狀態。
[0012]所述的一種快速控制反射鏡自適應容錯控制系統的控制方法，所述Group1中三個音圈電機的音圈電機磁鋼與反射鏡背面的上板連接是反驅動方式，采用反驅動方式能夠消除音圈電機線擾以及線圈發熱對反射鏡面型的影響，防止音圈電機產熱造成平面反射鏡面型變化；處于冷備份狀態的所述Group2中三個音圈電機的音圈電機線圈與反射鏡背面的上板連接是正驅動方式，采用正驅動方式來減小運動部分的轉動慣量；該正反結合的驅動組件安裝方式是平衡利弊后的最優硬件冗余結構。
[0013]進一步，在一組音圈電機存在故障切換到另一組音圈電機工作時，對控制方法的有效性的仿真測試包括如下步驟：
[0014]步驟S51，建立包含外部擾動的快反鏡動力學模型
[0015]在忽略兩軸耦合運動的前提下，反射鏡單軸動力學模型(以X軸為例)可表述為其中J
x
為運動部分轉動慣量，c
x
為等效阻尼系數，k
x
為柔性機構轉動剛度，θ
x
和M
x
分別為轉角與轉矩，d
x
＝d
·
f(t)為外部擾動，這里f(t)為已知函數，d為未知常數，令狀態變量x1＝θ
x
，輸出變量則y＝x1，控制輸入u＝M
x
，則系統的狀態方程可寫為：
[0016][0017]系統可通過電渦流傳感器進行差動測量獲取反射鏡的轉角，繼而將相鄰時刻轉角值差分并低通濾波后得到反射鏡的角速度，以上便建立了面向本技術方案實施所提出的快反鏡動力學模型；
[0018]步驟S52，構建基于性能約束函數的監控函數，運用誤差變換技術在跟蹤誤差與監
控函數之間搭建仿射關系，并基于轉換后的模型設計自適應控制律
[0019]令跟蹤指令信號為y
r
，首先定義光滑性能約束函數η(t)＝(η0?
η
∞
)e
?
at
+η
∞
，其中a,η0,η
∞
為正常數且滿足η0＞η
∞
，然后令觀測量ε＝y
?
y
r
滿足條件其中0≤δ,為規定的常數，則δη(t)和即為監控函數，令z1為轉換后的誤差，為光滑嚴格遞增函數且定義跟蹤誤差與轉換后的誤差之間的關系為ε＝ηS(z1)，則原系統狀態方程可改寫為
[0020][0021]這里定義李雅普諾夫函數參數估計誤差虛擬控制律若令自適應律和控制器分別為
[0022][0023]則李雅普諾夫函數導數滿足由此可推導出閉環系統所有信號有界，且跟蹤誤差收斂至零；由監控函數可知本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
1.一種快速控制反射鏡的自適應容錯控制系統，包括機械部分和電氣控制部分，其特征在于：所述的機械部分包括基座(2)、采用微晶玻璃材料的圓形結構反射鏡(1)、連接在反射鏡(1)和基座(2)之間的電渦流傳感器(5)和柔性鉸鏈(6)，還包括由音圈電機線圈(3)和音圈電機磁鋼(4)組成的音圈電機，所述的音圈電機有六個，均勻設置在反射鏡(1)背面的圓周上；所述的電氣控制部分包括通信接口電路(71)和電源電路(79)，通信接口電路(71)連接信息管理及主控電路(72)，所述的信息管理及主控電路(72)分別通過數模轉換電路(73)和模數轉換電路(76)連接功率驅動電路(74)和放大及濾波電路(77)，功率驅動電路(74)通過指令切換模塊(75)連接音圈電機，放大及濾波電路(77)通過激勵及解耦電路(78)連接電渦流傳感器(5)，信息管理及主控電路(72)上還連接有溫度傳感器(8)。2.一種如權利要求1所述自適應容錯控制系統的控制方法，其特征在于，包括如下步驟：步驟S1，為六個音圈電機依次設置標號為ABCDEF，設定第一組音圈電機Group1＝{A,B,C}為默認工作組，設定第二組音圈電機Group2＝{D,E,F}為備份工作組；步驟S2，通信接口電路(71)接收偏轉角度、脫靶量信息后輸入信息管理及主控電路(72)分別輸出切換指令和控制指令到指令切換模塊(75)和數模轉換電路(73)，數模轉換電路(73)將轉換后指令經功率驅動電路(74)輸入至指令切換模塊(75)，指令切換模塊(75)集合輸出切換指令選擇切換對應的音圈電機；激勵及解耦電路(78)將電渦流傳感器(5)的信息經放大及濾波電路(77)和模數轉換電路(76)傳回信息管理及主控電路(72)，信息管理及主控電路(72)結合溫度傳感器(8)的信息一并輸送至通信接口電路(71)，通信接口電路(71)發送出狀態機監測信息；步驟S3，選擇Group1或Group2的三個音圈電機，完成反射鏡(1)偏轉：位于正三角形一個頂點上的音圈電機不動，另外兩個音圈電機通過柔性鉸鏈(6)一伸一縮即可以實現反射鏡(1)繞所述頂點所在軸的偏轉；步驟S4，信息管理及主控電路(72)選擇自適應補償模式或切換模式對兩組音圈電機進行故障診斷：其中一組音圈電機出現輕微故障時進行內部自適應補償，備份工作組處于隨動狀態；監控到其中一組音圈電機失效時指令切換模塊(75)切換至備份工作組，默認工作組退出工作處于隨動狀態。3.根據權利要求2所述的一種快速控制反射鏡的自適應容錯控制方法，其特征在于，所述Group1中三個音圈電機的音...

【專利技術屬性】
技術研發人員：歐陽胡坡，方昉，吳海濤，王傳清，
申請(專利權)人：武漢華中天經通視科技有限公司，
類型：發明
國別省市：