基于快速反射鏡的精跟蹤控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘 要：文章建立了一套基于PSD的高精度二維快速反射鏡（FSM）精跟蹤系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)快速反射鏡基本原理的分析，建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，最終搭建出控制系統(tǒng)的模型，在Matlab中對(duì)模型進(jìn)行仿真，整定出適合的PID參數(shù)，使得最后的定位精度小于5？滋rad。

關(guān)鍵詞：快速反射鏡；精跟蹤系統(tǒng)；Matlab；PID

1 概述

文章建立了一套基于PSD的高精度二維快速反射鏡（FSM）精跟蹤系統(tǒng)[1]。位置敏感探測(cè)器（PSD）作為傳感器用來(lái)測(cè)量相應(yīng)的脫靶量，PSD將位置信息傳遞給PC104，PC104根據(jù)XY的位置信息來(lái)控制快速反射鏡的偏轉(zhuǎn)，從而構(gòu)成了精跟蹤系統(tǒng)。

2 快速反射鏡精跟蹤系統(tǒng)

2.1 快速反射鏡（FSM）的基本原理

快速反射鏡系統(tǒng)（Fast Steering Mirror system，F(xiàn)SM）[3]是一種通過(guò)調(diào)整反射光源與接收端之間光束的裝置，歸于光學(xué)掃描器件一類。作為精確周密的光學(xué)儀器，它控制著發(fā)射光源與接收端之間的光束傳播方向，將光、機(jī)、電技術(shù)結(jié)合在一起，具有體積小、結(jié)構(gòu)之間連接很緊，沒(méi)有空隙、速度快、精度高、固定時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)所能正常處理的數(shù)據(jù)流量較多等優(yōu)點(diǎn)[2-3]。文章所采用的快速反射鏡是PI公司的是S-340.ASD/.ASL型號(hào)，其采用的是壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器。

2.2 精跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)示意圖如圖1所示。系統(tǒng)工作原理是：激光束經(jīng)FSM反射后照射在PSD上，PSD對(duì)光束進(jìn)行探測(cè)，并輸出二維脫靶量信息，果檢測(cè)出的脫靶量為零，說(shuō)明無(wú)跟蹤誤差，不需要校正；如果檢測(cè)到的脫靶量不為零，說(shuō)明存在跟蹤誤差，需要校正。因此，根據(jù)脫靶量偏差信號(hào)控制驅(qū)動(dòng)單元，控制快速反射鏡實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向的偏轉(zhuǎn)，使光束經(jīng)FSM反射后照射在PSD的中心，從而實(shí)現(xiàn)光束對(duì)目標(biāo)快速、精確的跟蹤[4]。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

仿真過(guò)程中壓電陶瓷涉及到的參數(shù)m=10g，Kf=10，Kg=5979，Ku=42930，Kh=42930。

此處所用的參數(shù)整定方法為臨界比例度法。臨界比例度法分為以下幾個(gè)步驟：

（1）將Ti放到最大，Td放到最大，比例度放到適當(dāng)數(shù)值。

（2）逐漸減小比例度到等幅振蕩，此時(shí)的比例度值稱為臨界比例度Pk，從記錄曲線中測(cè)出等幅振蕩周期Tk，然后按經(jīng)驗(yàn)設(shè)置調(diào)節(jié)器參數(shù)值。

將等幅振蕩時(shí)的Kp值以及Tk值帶入到經(jīng)驗(yàn)公式可得：Kp=1.6967，Ti=0.00396，Td=0.0009。由圖3可得應(yīng)當(dāng)減小Kp，減少震蕩，減小積分時(shí)間，增強(qiáng)積分作用，此時(shí)Kp=0.7，Ti=0.002，Td=0.0009，波形圖如圖4所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

文章所用到的快速反射鏡的偏轉(zhuǎn)范圍為0～1.25mrad，由圖4可知，最后仿真的精度小于快速反射鏡的最大偏轉(zhuǎn)范圍，且最后的定位精度小于5urad。

參考文獻(xiàn)

[1]萬(wàn)敏，張家如，聶文杰，等.快速傾斜反射鏡精跟蹤系統(tǒng)[J].激光與紅外，1999，29（3）：145-147.

[2]楊雪鋒，李威，王禹橋.壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展[J].儀表技術(shù)與傳感器，2009 （11）：109-112.

[3]王廣志，丁海曙，丁輝.位置敏感器件（PSD）的雜光干擾研究[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1997（37）：61-64.

[4]胡壽松.自動(dòng)控制原理[M].北京：科學(xué)出版社，2007.

作者簡(jiǎn)介：胡丹（1990-），女，安徽安慶人，碩士學(xué)位，從事隨動(dòng)控制系統(tǒng)的研究。