一種提高快速反射鏡控制帶寬的模擬控制電路的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及光電跟蹤領域，具體涉及復合軸系統中快速反射鏡的高帶寬控制。
【背景技術】
[0002] 快速反射鏡（Fast Steering Mirror, FSM)是光電復合軸控制系統中的核心器件， 具有響應快、精度高、分辨力大等顯著優點。在光電復合軸控制中，快速反射鏡作為精跟蹤 鏡，對粗跟蹤修正完后留下的殘差進行補償以完成精跟蹤。快速反射鏡在精跟蹤部分完成 位置跟蹤必須要有足夠高的響應速度和控制帶寬，才能有效抑制粗跟蹤的殘余高頻誤差， 所以研究如何提高FSM系統位置跟蹤的控制帶寬十分必要。
[0003] FSM的控制帶寬主要受到FSM的結構諧振、控制器及傳感器延遲等因素影響。目 前FSM系統中廣為使用的是數字控制電路，其控制框圖如圖1所示。數字控制器能實現復 雜的控制規律，控制參數易于修改調整，但對數字控制系統來說，系統的控制帶寬受到采樣 頻率、系統延遲、連續傳遞函數離散化等因素影響。光電技術研究所的丁科分析得出，系統 延遲為3幀的時候，開環剪切帶寬只能為系統采樣頻率的1/24,閉環帶寬約為采樣頻率的 1/12。理論上數字控制器可以無限提高采樣頻率從而提高系統的控制帶寬，但是采樣頻率 的提高極易造成較大的量化噪聲湮沒有用信號，最終降低系統的跟蹤精度。數字控制器在 天基環境中容易出現單粒子效應，造成系統無法正常工作，而天基環境中的模擬電路則不 會出現單粒子效應。
[0004] 由于模擬控制在提高控制帶寬、縮小系統體積以及適應天基環境性等方面的優 勢，使得模擬控制一直以來被廣泛研究。光電技術研究所的李新陽運用模擬網絡濾波電路 成功消除快速反射鏡的結構諧振。哈爾濱工業大學的唐學軍將模擬PID算法用于音圈電機 的電流環控制，取得了一定成果。
[0005] 由上可知，在快速反射鏡穩定控制系統中采用模擬控制電路可達到提高系統控制 帶寬和精簡系統體積的目的。模擬控制的難點在于消除快速反射鏡在結構諧振處的高峰， 常見的方法有低通濾波器和不完全微分控制方法。但低通濾波器會增大相位滯后，使穩定 帶寬得不到有效的提高。通過不完全微分控制方法來搭建一個二階振蕩環節，使之與快速 反射鏡系統的二階振蕩環節互為倒數關系，兩者構成一個整體以消除快速反射鏡結構諧振 處的高峰，但是硬件電路設計十分復雜，實現較困難。所以在快速反射鏡穩定控制系統中需 要一種容易實現的模擬控制方法來提高系統的控制帶寬。
【發明內容】
[0006] 本發明解決的技術問題是：針對快速反射鏡系統中因數字控制器采樣等造成的系 統延遲對系統控制帶寬的限制，以及克服目前模擬控制技術上的不足，提出了一種能提高 快速反射鏡控制帶寬的模擬控制電路，該電路能夠實時補償快速反射鏡的結構諧振，改善 快速反射鏡的幅頻特性，且能實現簡單的控制算法。
[0007] 本發明的技術解決方案是：一種提高快速反射鏡控制帶寬的模擬控制電路，包括 模擬信號接口電路、模擬控制器、減法器、快速反射鏡、微分電路、檢測元件。由于快速反射 鏡系統存在結構諧振，極大地限制了快速反射鏡的控制帶寬，必須進行處理。快速反射鏡系 統的輸出信號經過微分電路進行微分運算后，反饋到快速反射鏡系統的輸入端，有利于降 低快速反射鏡系統的阻尼系數，從而降低快速反射鏡系統在結構諧振處的峰值，可實現快 反鏡系統頻率響應的調整。同時模擬補償電路對調整后的快速反射鏡系統進行頻率補償。
[0008] 此時，由模擬補償電路、減法器、快速反射鏡系統、微分電路構成的整體，即調整、 補償后的快速反射鏡系統，作為控制算法電路的控制對象。模擬信號接口電路接收輸入參 考電壓信號和檢測元件輸出的反饋電壓信號，將兩者進行處理后得到誤差電壓信號，經過 控制算法電路轉化成具有控制策略的模擬控制信號，對調整、補償后的快速反射鏡系統進 行控制。
[0009] 所述的模擬補償電路（3)通過對消快速反射鏡傳遞函數的零極點來實現。進一步 的，模擬補償電路的參數可由對調整后的快速反射鏡系統的傳遞函數求倒數得到。調整后 的快速反射鏡系統的傳遞函數由頻率響應測量得到。
[0010] 所述的控制算法電路（2)可實現PID等簡單控制算法。
[0011] 所述的檢測元件為電渦流、PSD或QD。
[0012] 本發明的原理是：本發明中模擬補償的原理是：首先將減法器、快速反射鏡系統、 微分電路作為一個整體測其頻率特性，調節微分電路的參數，使得這一整體的幅頻特性在 快速反射鏡的結構諧振頻率處的高峰變得平坦。接著對調整后的快速反射鏡系統的傳遞函 數求倒數，得到模擬補償電路的傳遞函數。因此，在正常頻率范圍內，調整后的快速反射鏡 與模擬補償電路構成一個新的整體，其幅頻響應變得平坦，有利于控制算法電路在更寬頻 帶進行處理，從而提高快速反射鏡系統的控制帶寬。
[0013] 本發明與現有技術相比，具有如下優點：
[0014] (1)本發明提供了一種能提高快速反射鏡控制帶寬的模擬控制電路，在進行系統 控制時僅需要將控制參數調節交給電路實現，省去了數字控制器的采樣處理時間，有利于 提高系統控制帶寬和運行速率，同時簡化系統結構。
[0015] (2)本發明中該模擬控制電路能夠實時補償快速反射鏡的結構諧振，改善快速反 射鏡的頻率特性，而且能實現簡單的控制算法。
[0016] (3)本發明中頻率補償方法通過計算得到。通過微分電路反饋構成閉環，來改善快 速反射鏡系統的幅頻響應，接著對調整后的快速反射鏡系統的傳遞函數進行求倒數，得出 模擬補償電路的傳遞函數。因此，該方法適用于其他不同諧振頻率的不同快速反射鏡系統， 具有較強的工程實用特性。
【附圖說明】
[0017] 圖1為目前廣泛使用的數字控制電路的控制框圖