快速控制反射鏡FASTSTEERINGMIRROR，也稱為快速傾斜鏡是光電精密跟蹤系統(tǒng)中必不可少的一部分，是采用反射鏡面在光源和接收器之間精確控制光束方向的一種裝置?？焖俜瓷溏R是自適應(yīng)光學(xué)中重要的能動光學(xué)元件，它既可以用來在自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中校正光路中的傾斜誤差，也可以用來穩(wěn)定光束線的指向，同時還可以用來在光學(xué)精密儀器中作為快速跟蹤的關(guān)鍵器件。它與大慣量機(jī)架結(jié)構(gòu)的主系統(tǒng)共同構(gòu)成復(fù)合軸跟蹤系統(tǒng)，在各種光學(xué)系統(tǒng)中用于對準(zhǔn)和穩(wěn)定光束。在天文望遠(yuǎn)鏡、激光通訊、圖像穩(wěn)定系統(tǒng)、自適應(yīng)系統(tǒng)、跟蹤瞄準(zhǔn)和激光發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)中廣為應(yīng)用。近些年國內(nèi)外都在不斷地研制和發(fā)展這種裝置。由于具有響應(yīng)速度快和控制精度高等特點，快速控制反射鏡FSM已經(jīng)成為光學(xué)系統(tǒng)中穩(wěn)定和校正光束的關(guān)鍵部分，在工業(yè)設(shè)備、激光通訊、成像系統(tǒng)等多個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,隨著大口徑望遠(yuǎn)鏡技術(shù)的發(fā)展，F(xiàn)SM不僅應(yīng)用于精密跟蹤系統(tǒng)，而且應(yīng)用于自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)以校正大氣擾動引起的低頻誤差?？刂茙捲礁撸瑢Ω蓴_的抑制能力越強，系統(tǒng)反應(yīng)速度越快，從而可以提高系統(tǒng)的跟蹤精度。因此，根據(jù)系統(tǒng)需求設(shè)計出精度高、響應(yīng)頻率快、穩(wěn)定性好的FSM系統(tǒng)十分必要?？焖俜瓷溏R是光學(xué)系統(tǒng)中對光束實現(xiàn)快速微小角度偏轉(zhuǎn)的微位移機(jī)構(gòu)。主要功能是通過反射鏡鏡面的快速、高頻轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)光束的高速精確指向、穩(wěn)定和跟蹤。其工作原理為在驅(qū)動元件（壓電器件或音圈電機(jī)等）的作用下，實現(xiàn)平面反射鏡德小角度偏轉(zhuǎn)。本質(zhì)是利用電壓來控制快反鏡的偏轉(zhuǎn)。大口徑望遠(yuǎn)鏡直接進(jìn)行高精度跟蹤是困難的，單獨轉(zhuǎn)動反射鏡視場受限制，如果將兩種結(jié)構(gòu)方式結(jié)合起來構(gòu)成復(fù)合軸系統(tǒng)。由FSM反射鏡組成的子系統(tǒng)和大慣量機(jī)架結(jié)構(gòu)的主系統(tǒng)共同構(gòu)成粗精復(fù)合跟蹤系統(tǒng)，在各種光學(xué)系統(tǒng)中用于驅(qū)動和穩(wěn)定光束。由于子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有諧振頻率高、響應(yīng)速度快、動態(tài)滯后誤差小等優(yōu)點，彌補了主軸系統(tǒng)的不足，而其工作范圍小的缺點有主軸系統(tǒng)予以補償，兩者作用合成，便可實現(xiàn)大范圍的快速高精度跟蹤。目前的光電跟蹤系統(tǒng)廣泛使用的是復(fù)合軸控制方法。粗精復(fù)合裝置的結(jié)構(gòu)原理在主機(jī)架的主光路中插入以高諧振頻率快速反射鏡，構(gòu)成粗精復(fù)合跟蹤方式，主軸對運動目標(biāo)進(jìn)行粗跟蹤，而從軸對主軸的跟蹤殘差進(jìn)行精跟蹤，即對儀器視軸進(jìn)行精調(diào)整。精對準(zhǔn)機(jī)構(gòu)常采用快速反射鏡作為執(zhí)行裝置。在捕獲和粗對準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，快速反射鏡的作用是實現(xiàn)精確對準(zhǔn)的執(zhí)行元件?？焖俜瓷溏R用在精對準(zhǔn)系統(tǒng)中，用來迅速的移動光束，使其對準(zhǔn)目標(biāo)，并穩(wěn)定它。精跟蹤控制回路圖對快速反射鏡的基本技術(shù)要求是1、體積小、質(zhì)量輕、轉(zhuǎn)動慣量??；2、有較大的伺服帶寬。帶寬越大，對高頻干擾的抑制能力就越強；3、結(jié)構(gòu)諧振頻率高。諧振頻率高才能保證系統(tǒng)有足夠的伺服帶寬；4、合理設(shè)計柔性鉸鏈。需要在轉(zhuǎn)角范圍、諧振頻率和壓電陶瓷驅(qū)動能力三者之間做出綜合考慮。驅(qū)動方式國內(nèi)外研究現(xiàn)狀表明,用于精密光路調(diào)整和穩(wěn)定的微定位機(jī)構(gòu)可分為六大類壓電陶瓷驅(qū)動器PIEZOELECTRICTRANSITION,PZT、音圈電機(jī)VOICECOILACTUATOR,VCA、電致伸縮驅(qū)動器、磁致伸縮驅(qū)動器、形狀記憶合金驅(qū)動器、靜電微驅(qū)動器。一般選取驅(qū)動器的種類時，要根據(jù)系統(tǒng)精度和線性度等要求綜合權(quán)衡，自適應(yīng)光學(xué)中的波前校正和ATP系統(tǒng)中的精跟蹤都要求光束束散角范圍在兩三個微弧度以內(nèi)，對系統(tǒng)的精度要求很高，所以一般多采用高精度的壓電型驅(qū)動器，它利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)制成，理論精度可達(dá)無限大?，F(xiàn)在使用的FSM主要利用音圈電機(jī)或分辨率達(dá)到納米量級的壓電陶瓷驅(qū)動器驅(qū)動，其慣性比傳統(tǒng)機(jī)架小很多，可大幅度提高諧振頻率，與高靈敏度、高響應(yīng)速度的傳感器相結(jié)合，就可以構(gòu)成高精度的光學(xué)跟蹤系統(tǒng)，大大提高系統(tǒng)的跟蹤帶寬和響應(yīng)速度，同時又有極高的角度分辨能力。驅(qū)動元件的性能直接關(guān)系到FSM的工作特性及精度。壓電陶瓷體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，諧振頻率較高，但行程小，所需的驅(qū)動電壓高達(dá)幾百伏。與之相對，音圈電機(jī)的驅(qū)動電壓只有十幾伏，行程較大，但音圈電機(jī)慣量大，輸出力小，響應(yīng)頻率較低。對轉(zhuǎn)角范圍較小的采用壓電陶瓷PZT，對轉(zhuǎn)角范圍較大的采用音圈電機(jī)。傾斜反射鏡采用壓電驅(qū)動，其分辨率可達(dá)納米級，可滿足較小角位移要求。傾斜反射鏡的壓電驅(qū)動工作原理是傾斜鏡的軸向伸縮量和施加在壓電陶瓷執(zhí)行器兩端的電壓成近似線性的關(guān)系。壓電執(zhí)行器伸縮時，會推動傾斜鏡轉(zhuǎn)動，從而把其直線運動轉(zhuǎn)化為傾斜反射鏡的角運動，這種轉(zhuǎn)換過程應(yīng)連續(xù)，這樣就可保證兩者轉(zhuǎn)換的線性比例關(guān)系。傾斜鏡工作時，施加在兩個壓電執(zhí)行器上的電壓會導(dǎo)致兩個方向上的執(zhí)行器產(chǎn)生相應(yīng)的伸縮量，從而推動傾斜鏡繞中間軸轉(zhuǎn)動，在空間上呈現(xiàn)不同的方位角，想要調(diào)整傾斜鏡的傾斜角度只需調(diào)整施加在執(zhí)行器上的電壓即可。壓電執(zhí)行器不需添加任何機(jī)械裝置，只要給執(zhí)行器施加電壓就可產(chǎn)生位移，從而推動傾斜鏡在正負(fù)兩個方向上偏轉(zhuǎn)。壓電陶瓷驅(qū)動器利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)來實現(xiàn)微位移,通過改變輸入電壓的大小即可得到不同的微位移,從而避免了機(jī)械結(jié)構(gòu)造成的誤差,從控制精度和可操作性分析,壓電陶瓷驅(qū)動器具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)快、分辨率高、推力大、發(fā)熱少、無雜散電磁場和便于遙控等優(yōu)點。單個壓電陶瓷單元片的最大變形量在1UM以下,為獲得較大的位移輸出,通常將層狀的壓電材料疊放在一筒內(nèi),使位移疊加輸出但即便如此,位移輸出也只有幾到幾十個微米,不能滿足一些需要相對較大范圍內(nèi)工作的微位移系統(tǒng)的要求。并且壓電陶瓷驅(qū)動電壓較高,達(dá)到了幾百伏到幾千伏,控制和驅(qū)動都不方便,另外壓電陶瓷具有較大的滯后特性。驅(qū)動器控制反射鏡運動，需要具有高剛度、大行程、強負(fù)載能力等特點。常用驅(qū)動器有音圈電機(jī)和PZT。PZT具有定位精度高、驅(qū)動力大、響應(yīng)速度快等優(yōu)點，是目前微位移技術(shù)中比較理想的驅(qū)動元件。壓電陶瓷是一種特殊的功能陶瓷材料，它可產(chǎn)生微小形變，實現(xiàn)電能和機(jī)械能之間的能量轉(zhuǎn)化。壓電陶瓷特性1、遲滯特性壓電陶瓷的極化狀態(tài)會隨著輸入的控制電壓變化，但是控制電壓增加時和減少時壓電陶瓷的位移量會不同。具體表現(xiàn)為控制電壓增加時的位移曲線和減少時的位移曲線不同，而是存在位移差，這種現(xiàn)象稱為壓電陶瓷的滯后性。滯后性對系統(tǒng)的精度有很大影響，但可通過閉環(huán)控制來消弱。2、蠕變特性蠕變是指壓電陶瓷執(zhí)行器位移變化時相對于時間的滯后效應(yīng)，即當(dāng)給壓電陶瓷執(zhí)行器兩端輸入某一固定電壓時，壓電陶瓷執(zhí)行器的位移量不是迅速完成的，而是經(jīng)過一段時間的緩慢變化才達(dá)到穩(wěn)定值3、非線性特性在理想情況下，壓電陶瓷晶體位移量和外加電壓是成正比的，但由于壓電陶瓷本身的固有特性和制作工藝的不同，其位移量不可能和外加電壓成線性關(guān)系，實際的位移量和理論上的實際量總存在一個誤差。4、溫度特性溫度對壓電陶瓷的形變量是有影響的，主要表現(xiàn)在壓電陶瓷的輸出位移隨溫度的升高而減小。一般情況下，在050的范圍內(nèi)減少58。此外，壓電陶瓷的遲滯性也會受溫度影響?？偠灾?，壓電陶瓷在電場中的正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)導(dǎo)致了壓電陶瓷的遲滯性和非線性特征，而壓電陶瓷本身就具有遲滯、蠕變和非線性等特點。采用開環(huán)控制雖可以使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低，但是壓電陶瓷的特征決定了其建模困難，并在實際應(yīng)用中存在難以預(yù)測的環(huán)境因素影響，因此不能實現(xiàn)精確控制。所以在實際應(yīng)用中，如果要取得準(zhǔn)確的定位，就是采用合適的控制算法和閉環(huán)控制來保證壓電陶瓷微位移的輸出精度。壓電陶瓷的基本使用特點壓電陶瓷的理論精度可達(dá)無限高，所以常被作為感測器、微位移器和換能器等需要微位移控制的場合，其具有以下優(yōu)點1、壓電陶瓷作為微位移執(zhí)行器時，分辨率可達(dá)納米級，但是受其固有蠕變和遲滯等特性影響，其控制的精度不可能無限高。2、壓電陶瓷執(zhí)行器可在幾微秒內(nèi)完成響應(yīng)，常用在需快速定位的系統(tǒng)中，像快速傾斜反射鏡驅(qū)動。3、壓電陶瓷抗電磁干擾能力強，電磁干擾對電壓控制型驅(qū)動不起作用。4、壓電陶瓷可實現(xiàn)電能和機(jī)械能的轉(zhuǎn)化，外部表現(xiàn)為壓電晶體的位移伸縮。5、環(huán)境適應(yīng)性強，可在惡劣的情況下工作。壓電驅(qū)動電源的研究現(xiàn)狀隨著科技的快速發(fā)展，精密技術(shù)和微細(xì)工程的研究越來越受到重視，亞毫米級和納米級的微控技術(shù)已成為光電子學(xué)、精密加工等先進(jìn)學(xué)科的關(guān)鍵技術(shù)。壓電陶瓷從理論上講可獲得無限小的位移分辨率，所以成為理想的微位移元件，但其固有的遲滯和蠕變等特性給壓電陶瓷的控制帶來很大的困難。各國都投入大量人力物力，研制了各種壓電陶瓷微位移驅(qū)動器，但基本的控制方法有兩種電壓控制型和電流控制型，電壓控制型以壓電陶瓷兩端的電壓控制壓電執(zhí)行器的位移量，而電流控制型則通過控制壓電陶瓷兩端電荷量來控制壓電執(zhí)行器的位移量。由于電壓控制型較好的低紋波性和寬頻響范圍等優(yōu)點，所以是市場上的主流產(chǎn)品，而電流控制型由于其良好的靜態(tài)性能也越來越受到重視。電壓控制型驅(qū)動器有五種常見結(jié)構(gòu)，分別是直流放大式、電壓跟隨式、誤差放大式、開關(guān)式和高壓運放式。1、直流放大式直流放大式直接采用集成高壓運算放大器作為驅(qū)動的核心器件。這種方式的驅(qū)動器集成度高，結(jié)構(gòu)簡單，動態(tài)性能由于高壓芯片的輸出低電流受到限制，適合在低頻和靜態(tài)環(huán)境下工作。2、電壓跟隨式電壓跟隨式驅(qū)動最大的特點是將放大部分分為電壓放大和功率放大兩級放大。這種驅(qū)動器的優(yōu)點是可提供較高的驅(qū)動電流，在靜態(tài)時輸出功率較大，缺點是沒有直接從輸出的電壓信號取得采樣，誤差信號也會跟隨被放大，精度不高。3、誤差放大式誤差放大式驅(qū)動和電壓跟隨式很像，不過它沒有將電壓放大和功率放大分離，而是輸入端直接從輸出端取得反饋，可實時監(jiān)控電路中的電流值和電壓值，保證電路在正常范圍內(nèi)工作。4、開關(guān)式開關(guān)式驅(qū)動器基于直流變換器原理。這種驅(qū)動方式的輸出級只工作在開關(guān)兩種狀態(tài)，因而效率很高，發(fā)熱小。但目前基于這種原理研制的驅(qū)動器的靜態(tài)輸出紋波電壓較大，頻率特性較差，電路實現(xiàn)也較復(fù)雜，在實際中較少適用。5、高壓運放式高壓運放式是將以往簡單的串聯(lián)電路改進(jìn)，使其可提供正負(fù)輸出，大大擴(kuò)展了驅(qū)動器的應(yīng)用范圍。這種驅(qū)動方式多以一個高壓放算放大器芯片為核心，這種高壓運放芯片很多，像美國APEX公司的PA系列，這種驅(qū)動方式結(jié)構(gòu)簡單，集成度高，大大增強了驅(qū)動器的可靠性，減少了自激現(xiàn)象。電流型驅(qū)動器常用結(jié)構(gòu)電壓陶瓷執(zhí)行器兩端的電荷量與其位移量成正比，電流控制器驅(qū)動器就是基于這個原理控制壓電執(zhí)行器的充放電時間，即控制執(zhí)行器兩端的電荷量，進(jìn)而控制壓電執(zhí)行器的位移量。電流控制型驅(qū)動器的優(yōu)點是能改善壓電陶瓷遲滯和蠕變帶來的影響，缺點是阻值很高，充電電流較小，響應(yīng)需要很長的時間，動態(tài)性能差，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在實際中較少適用，適合靜態(tài)和低頻響的環(huán)境中適用。各種驅(qū)動方式對比驅(qū)動方式優(yōu)點缺點直流放大式驅(qū)動器集成度高，結(jié)構(gòu)簡單動態(tài)性能差電壓跟隨式輸出功率大精度低誤差放大式輸出功率大、精度高動態(tài)性能差開關(guān)式效率高、發(fā)熱小紋波大、頻率特性差、電路復(fù)雜高壓運放式機(jī)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好動態(tài)性能不是很好電流控制型線性度好動態(tài)性能差，結(jié)構(gòu)復(fù)雜在給定結(jié)構(gòu)中驅(qū)動器的最小輸出位移決定系統(tǒng)的分辨力，而其與驅(qū)動器的類型和控制系統(tǒng)有關(guān)。快速轉(zhuǎn)向反射鏡主要性能指標(biāo)包括諧振頻率、反射鏡轉(zhuǎn)角范圍、有效通光口徑、響應(yīng)速度和掃描線性度等。轉(zhuǎn)角范圍即反射鏡偏轉(zhuǎn)的最大范圍，確定了能補償?shù)男Ｕ秶浔仨毟采w所要補償校正的范圍；響應(yīng)速度直接影響著系統(tǒng)的跟瞄能力與結(jié)構(gòu)的諧振頻率；掃描線性度主要反射鏡掃描視場的均勻穩(wěn)定性；有效通光口徑反映了系統(tǒng)的光束校正范圍同時決定著系統(tǒng)的負(fù)載，口徑越大，為了滿足反射鏡的面型要求其厚度也相應(yīng)增加，從而限制了結(jié)構(gòu)諧振頻率的提高；諧振頻率直接決定了控制系統(tǒng)帶寬和響應(yīng)速度，是制約快反鏡性能改善的重要因素。影響快反鏡諧振頻率提高的主要因素包括以下幾個方面驅(qū)動元件剛度、驅(qū)動器布置形式及反射鏡結(jié)構(gòu)尺寸。此外，由于快速轉(zhuǎn)向反射鏡是由許多元件構(gòu)成的光學(xué)器件，各個部件之間的連接環(huán)節(jié)也會對整體結(jié)構(gòu)的諧振頻率產(chǎn)生影響。快速控制反射鏡的基本框圖概括地說,快速反射鏡的工作原理主要是根據(jù)位移驅(qū)動信號,來使其偏轉(zhuǎn)一定的角度。而驅(qū)動信號是由驅(qū)動器根據(jù)輸入信號來產(chǎn)生的。目前FSM主要的結(jié)構(gòu)形式分為兩種,一種是XY軸框架形式,也稱有軸系結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)如圖所示。另一種稱為柔性軸形式,也稱為無軸系形式。其特點是沒有機(jī)械軸承,限制運動物體6個自由度中的位移自由度,但使某幾個角度具有很好的柔性,相對于傳統(tǒng)的軸承有許多優(yōu)點,例如沒有摩擦、無需潤滑、精度更高、諧振頻率更高。目前在高頻快反鏡系統(tǒng)中一般采用無軸系結(jié)構(gòu)。柔性軸系快反鏡主要有兩種運動方式一維單軸驅(qū)動運動方式和二維雙軸驅(qū)動運動方式。目前二維驅(qū)動型FSM在結(jié)構(gòu)形式上主要采取四驅(qū)動器對稱分布的布置形式，該布置形式既不會產(chǎn)生二驅(qū)動器形式高頻運動時的高頻耦合現(xiàn)象，同時也可以避免三驅(qū)動器形式運動過程中的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。柔性軸結(jié)構(gòu)如圖所示。單驅(qū)動軸單驅(qū)動器反射鏡雙驅(qū)動器單驅(qū)動軸反射鏡快速反射鏡閉環(huán)控制系統(tǒng)基本采用的是基于經(jīng)典PID控制思想的滯后超前控制,只取快反鏡位置信息而形成的閉環(huán),雖然在大多數(shù)情況下能夠基本滿足控制性能和指標(biāo)的要求快速反射鏡控制算法的優(yōu)劣直接影響快速反射鏡的跟蹤精度與響應(yīng)速度。PID控制算法使快反鏡控制系統(tǒng)具有足夠高的低頻增益，對大氣干擾、平臺振動的低頻擾動確實具有良好的抑制作用。且PID控制算法簡單易行。所以目前通常采用PID控制算法或者PI控制算法等經(jīng)典控制算法來控制快速反射鏡。PID或者PI控制算法的目標(biāo)是盡量提高系統(tǒng)的控制帶寬與穩(wěn)定性。然而系統(tǒng)控制帶寬不是越大越好的，而是必須根據(jù)傳感器的噪聲大小和大氣干擾以及平臺振動的時間特性等實際工作情況來合理調(diào)整。這樣才能最大限度的抑制噪聲與擾動，達(dá)到最優(yōu)控制。遺憾的是，PID或者PI等經(jīng)典控制算法不能夠完成這項最優(yōu)控制工作。幸運的是自適應(yīng)控制方法能夠完成這項最優(yōu)控制工作。傳統(tǒng)PID控制不足之處控制理論發(fā)展到現(xiàn)在,盡管各式各樣的新理論與新方法層出不窮,終究不能撼動經(jīng)典的PID控制技術(shù)占據(jù)的主導(dǎo)地位。目前,PID控制器在運動控制、航天控制及其他過程控制的應(yīng)用中占據(jù)了95以上究其原因,主要是由于這個寶貴理念根據(jù)控制目標(biāo)與實際行為之間的誤差來確定消除此誤差的控制策略。但隨著科技不斷進(jìn)步和對控制品質(zhì)要求的不斷提高,經(jīng)典PID控制的缺點也逐漸顯現(xiàn)出來,主要表現(xiàn)為以下四點1誤差的取法。系統(tǒng)的輸入一般為突變量,而輸出是一個不可能發(fā)生突變的緩變量。直接取這種誤差,往往使初始控制力太大而使系統(tǒng)的行為出現(xiàn)超調(diào)。這也是系統(tǒng)響應(yīng)的快速性和超調(diào)之間矛盾的主要原因。2微分器的物理不可實現(xiàn)。傳統(tǒng)PID控制中,通常采用近似的微分器來實現(xiàn)微分,這個過程放大了噪聲,準(zhǔn)確性很低。如果只用PI控制率,又限制了PID的控制能力。3非線性領(lǐng)域的探索。傳統(tǒng)FED控制是誤差的積分誤差的過去、誤差誤差的現(xiàn)在、誤差的微分誤差的將來三者的線性加權(quán)和來產(chǎn)生控制量的。大量的工程實踐表明,三者的線性組合不一定是最好的組合方式。在非線性領(lǐng)域存在著相比于線性加權(quán)和更有效率更合適的組合方式。4誤差積分的引入。PID中的誤差積分的反饋,對抑制常值擾動效果明顯。但同時,也會使閉環(huán)的動態(tài)特性變差,積分飽和也容易導(dǎo)致控制量飽和,而對隨時變化的擾動來說,積分反饋的抑制能力又不顯著。因此,誤差積分反饋的必要性是值得商榷的。比例常數(shù)加大時，系統(tǒng)的放大倍數(shù)增加，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差將減小，控制的精度會提高，但太大會使系統(tǒng)不穩(wěn)定，所以要根據(jù)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差的要求來權(quán)衡選擇；積分控制主要消除比例調(diào)節(jié)中殘余的穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制系統(tǒng)的控制精度，代價是降低了系統(tǒng)的快速性；微分控制的作用是預(yù)見系統(tǒng)偏差的方向，產(chǎn)生越前的矯正作用，將這個偏差消滅在萌芽階段，微分作用可減小系統(tǒng)的超調(diào)，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。最后，根據(jù)奈奎斯特采樣定理，采樣頻率至少為有效信號最高頻率的兩倍，一般實際應(yīng)用中取信號最高頻率的1015倍。PID控制器的控制質(zhì)量主要看比例、積分和微分三個參數(shù)的選擇是否合理，一般的選取順序是先定比例系數(shù)，其次定積分，最后是微分。具體確定步驟是首先只調(diào)整比例系數(shù)，將比例系數(shù)由小變大，使系統(tǒng)的輸出響應(yīng)曲線略有超調(diào)，如果這時的系統(tǒng)靜差在允許范圍內(nèi)，那么已經(jīng)確定好比例系數(shù)；其次，如果比例系數(shù)調(diào)節(jié)的靜差太大，則需加入積分環(huán)節(jié)。這時先將比例系數(shù)略微減小，再將積分時間常數(shù)由某一個較大值連續(xù)減小，使在保證系統(tǒng)良好的動態(tài)特性的前提下消除靜差，這一步可以反復(fù)調(diào)試；然后，經(jīng)過上述兩個步驟調(diào)節(jié)以后，若動態(tài)過程始終不能令人滿意，可加入微分環(huán)節(jié)，從而按比例積分微分調(diào)節(jié)，整定時先將微分時間常數(shù)設(shè)為零，再增加微分時間常數(shù)，同時相應(yīng)的進(jìn)行前述兩步的調(diào)整，反復(fù)調(diào)節(jié)直至滿意。壓電陶瓷驅(qū)動系統(tǒng)的PID閉環(huán)控制如圖所示UIN為要求輸出位移XIN對應(yīng)的電壓信號，XOUT為平臺的輸出位移，E為要求輸出位移對應(yīng)的電壓信號和實際輸出位移對應(yīng)的電壓信號的差值。影響快速反射鏡性能的因素由于光電跟蹤系統(tǒng)在執(zhí)行任務(wù)時外場工作條件復(fù)雜,因此在復(fù)合軸控制系統(tǒng)中,快速反射鏡閉環(huán)系統(tǒng)工作環(huán)境比較惡劣。對于快反鏡而言,影響其性能的主要因素有以下幾點1傳感器性能。傳感器性能的低下對快反鏡性能有很大的影響,位置反饋元件分辨率差,在考慮速度閉環(huán)時,經(jīng)過位置差分測速的結(jié)果引入了大量誤差,使得得到的速度信息不可用。為速度閉環(huán)的實現(xiàn)帶來了巨大困難。2非線性影響?？焖俜瓷溏R閉環(huán)控制系統(tǒng)中不可避免的存在非線性摩擦以及一些力矩波動等干擾,這些都使得實現(xiàn)控制的難度加大。由控制原理可知,抗擾能力的強弱主要取決于擾動作用點之前的系統(tǒng)前向通道增益。負(fù)反饋對擾動雖然有一定的抑制作用,但由于對擾動進(jìn)行估計和補償,并不能完全消除擾動的影響,擾動殘差較大。3當(dāng)前控制方法存在的問題。從控制策略上看,控制校正環(huán)節(jié)一般采經(jīng)典的滯后超前控制,PID控制,控制率比較單一,策略較為簡單。另外,從快反鏡閉環(huán)系統(tǒng)單純的位置閉環(huán)來看,位置控制性能較差,主要表現(xiàn)在動態(tài)響應(yīng)階段系統(tǒng)超調(diào)量較大,定位時間較長,定位保持狀態(tài)下系統(tǒng)剛度不夠,導(dǎo)致系統(tǒng)對外部力矩擾動非常敏感,擾動殘差較大。這就要求從控制策略上解決系統(tǒng)響應(yīng)快速性與超調(diào)之間的矛盾,提高系統(tǒng)的抗擾動性能。綜合上述討論,結(jié)合快速反射鏡閉環(huán)控制系統(tǒng)的特性和工作環(huán)境,需要探索一種新的控制策略,設(shè)計合理的控制器,提高控制器對被控對象參數(shù)變化的適應(yīng)能力,增強控制器參數(shù)的魯棒性,盡可能減小或消除非線性等因素對系統(tǒng)性能帶來的影響?？焖俜瓷溏R精跟蹤系統(tǒng)方案該光束指向穩(wěn)定控制系統(tǒng)包括一個激光光源，一部二維快速反射鏡FSM，一個位置敏感探測器PSD，一臺激振器，DSP控制器以及相應(yīng)的處理電路，系統(tǒng)示意圖如圖1所示。在光學(xué)平臺上安裝FSM和激光光源，F(xiàn)SM和激光光源的相對位置固定。將PSD固定在激振器上，置于另一平臺上，模擬振動干擾。激光束經(jīng)FSM反射后照射在PSD上，PSD能夠檢測出光斑相對于PSD中心的脫靶量，如果檢測出的脫靶量為0，說明無跟蹤誤差，不需要校正；如果檢測到的脫靶量不為零，說明存在跟蹤誤差，需要校正。因此，將PSD檢測出的脫靶量經(jīng)過PID控制算法和功率放大后控制FSM的轉(zhuǎn)動，使光束經(jīng)FSM反射后照射在PSD的中心，實現(xiàn)對跟蹤誤差的實時補償。位置敏感探測器PSDPSD是連續(xù)型位置傳感器，具有較高的響應(yīng)速度微秒級、較高的精度微米級，尤其是較高的低頻測試精度，并且可以直接檢測輸出振動對象的位移和速度，克服了加速度傳感器的不足，提高了控制器的實時性，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。閉環(huán)控制器系統(tǒng)要求具有極強的實時性，再則由于相位滯后，控制效果將會受到嚴(yán)重影響。因此在快速反射鏡精跟蹤系統(tǒng)中，單片機(jī)難以達(dá)到實時性要求，選用高速DSP作為系統(tǒng)的處理器。系統(tǒng)閉環(huán)控制器采集由PSD輸出的光電壓信號，該信號為照射在PSD感光面上光斑重心位置坐標(biāo)X，Y的兩路電壓信號此兩路電壓信號經(jīng)ALD轉(zhuǎn)換后即成為代表光斑重心位置坐標(biāo)X，Y的數(shù)字信號，此數(shù)字信號送給DSP，DSP按照PID控制算法解算出對FSM的兩路控制信號并進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，再將D/A轉(zhuǎn)換后的電壓經(jīng)運算放大輸出給快速反射鏡驅(qū)動其繞X和Y兩個軸旋轉(zhuǎn)。系統(tǒng)實時性的好壞主要取決于控制算法的精簡程度。另外，為了減少室內(nèi)環(huán)境光對PSD的照射作用影響，為PSD加裝個與人射波長相匹配的窄帶濾波片。西方發(fā)達(dá)國家現(xiàn)在對于PZT驅(qū)動的FSM的研究已經(jīng)步入了成熟階段,有大量的產(chǎn)品已經(jīng)用于各種應(yīng)用場合。圖15所示FSM是德國PI公司生產(chǎn)的PZT驅(qū)動FSM,有多種型號,多種尺寸,