卫星星间激光通信粗跟踪转台控制系统设计

王文杰; 徐伟; 朴永杰; 冯汝鹏; 周美丽

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

卫星星间激光通信粗跟踪转台控制系统设计

更新时间：2021-11-29

- 卫星星间激光通信粗跟踪转台控制系统设计
- Design of the control system for the coarse tracking turntable of the laser communication between satellite
- 光学精密工程 2021年页码：1-9
- 作者机构：
  
  1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春 130033
  2.中国科学院大学，北京 100049
  3.中国科学院天基动态快速光学成像技术重点实验室，吉林长春 130033
- 作者简介：
  
  [ "王文杰（1996-），男，山东潍坊人，硕士研究生，2003年于郑州大学获得学士学位，主要从事电机伺服控制研究。E-mail： wjw371617@163.com" ]
  [ "徐　伟（1981-），男，黑龙江大庆人，博士，研究员，2003年于吉林大学获得学士学位，2008年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获得博士学位。主要从事航天光学遥感和新体制光学成像技术。E-mail： xwciomp@126.com" ]
- 基金信息：
  
  钱学森空间技术实验室创新工作站开放基金(GZZKFJJ2020003)
- DOI：
  中图分类号： TP394.1;TH691.9
- 收稿日期：2021-03-29，
  
  修回日期：2021-07-21，
- 稿件说明：
移动端阅览
王文杰,徐伟,朴永杰等.卫星星间激光通信粗跟踪转台控制系统设计[J].光学精密工程,

WANG Wen-jie,XU Wei,PIAO Yong-jie,et al.Design of the control system for the coarse tracking turntable of the laser communication between satellite[J].Optics and Precision Engineering,
王文杰,徐伟,朴永杰等.卫星星间激光通信粗跟踪转台控制系统设计[J].光学精密工程, DOI：10.37188/OPE.XXXXXXXX.0001

WANG Wen-jie,XU Wei,PIAO Yong-jie,et al.Design of the control system for the coarse tracking turntable of the laser communication between satellite[J].Optics and Precision Engineering, DOI：10.37188/OPE.XXXXXXXX.0001

摘要

为了满足卫星星间激光通信粗跟踪系统高的动态性能和稳态性能，针对普通PID控制存在阶跃响应超调量大，调节时间过长等问题而无法满足工程需要，本文以永磁同步电动机（PMSM）为控制对象建立粗跟踪系统的三环控制模型，并进行matlab仿真分析。在普通PI控制的基础上提出一种自适应增益控制，并进行了理论证明和仿真，为跟踪系统缩短调节时间改善超调等动态性能提供新的方法，在基于FPGA主控单元的控制下，地面试验表明，在500码（187.25 μrad）阶跃信号激励下，改进的自适应增益控制策略较普通PI控制，超调量由25.7%下降到10.5%，调节时间由95 ms缩短到70 ms，稳态精度保持在±3码（2.247 μrad），控制性能改善显著。在轨工况下，自适应增益控制策略也表现出良好的控制性能，满足星间激光通信跟踪转台高精度的要求，同时对其他高精度伺服系统设计具有参考借鉴意义。

Abstract

In order to meet the high dynamic performance and steady-state performance of the coarse tracking system used for laser communication on the satellite， under the action of the step signal， ordinary PID control has the problem of large step response overshoot and too long adjustment time to meet the engineering requirements. If necessary， this article uses permanent magnet synchronous motor （PMSM） as the control object to establish a three-loop control model of the coarse tracking system， and perform matlab simulation analysis. An adaptive gain control is proposed on the basis of ordinary PI control， and theoretical proof and simulation are carried out. It provides a new method for the tracking system to shorten the adjustment time and reduce the overshoot. The tracking system is controlled under the control of the FPGA main control unit. In ground test， under the excitation of 500 yards （187.25 urad） step signal， the improved adaptive gain control strategy is better than ordinary PI control， the overshoot is reduced from 25.7% to 10.5%， and the adjustment time of the system is shortened from 95ms to 70ms. The state accuracy is maintained at±3 yards （2.247urad）， and the control performance is significantly improved. Under orbital conditions， the adaptive gain control strategy also shows good control performance， meeting the high precision requirements of the tracking turntable used for inter-satellite laser communication， and at the same time has reference significance for the design of other high-precision servo systems.

关键词

Keywords

references

郭超勇，刘继奎，程俊波，等 . 卫星激光通信粗跟踪系统复合控制策略［J］. 光学精密工程， 2020 ， 28 （ 4 ）： 946 - 953 . doi: 10.1109/cac51589.2020.9327221 http://dx.doi.org/10.1109/cac51589.2020.9327221

GUO CH Y ， LIU J K ， CHENG J B ， et al . Compound control strategy of satellite laser communication coarse tracking system ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2020 ， 28 （ 4 ）： 946 - 953 . （in Chinese） . doi: 10.1109/cac51589.2020.9327221 http://dx.doi.org/10.1109/cac51589.2020.9327221

韩京清 . 从PID技术到“自抗扰控制”技术［J］. 控制工程， 2002 ， 9 （ 3 ）： 13 - 18 .

HAN J Q . From PID technique to active disturbances rejection control technique ［J］. Basic Automation ， 2002 ， 9 （ 3 ）： 13 - 18 . （in Chinese）

雷阳，徐静，郝强，等 . 基于带宽的永磁同步电机伺服控制器设计［J］. 南京理工大学学报， 2019 ， 43 （ 6 ）： 677 - 683 .

LEI Y ， XU J ， HAO Q ， et al . Design of permanent magnet synchronous motor servo controller based on bandwidth ［J］. Journal of Nanjing University of Science and Technology ， 2019 ， 43 （ 6 ）： 677 - 683 . （in Chinese）

林贻翔 . 神经网络非线性智能控制在光电跟踪系统中的应用［J］. 光学精密工程， 2018 ， 26 （ 12 ）： 2949 - 2955 . doi: 10.3788/ope.20182612.2949 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20182612.2949

LIN Y X . Application of neural network-based nonlinear intelligent control in electro-optical tracking systems ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2018 ， 26 （ 12 ）： 2949 - 2955 . （in Chinese） . doi: 10.3788/ope.20182612.2949 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20182612.2949

李争，安金峰，肖宇，等 . 基于自适应观测器的永磁同步直线电机模型预测控制系统设计［J］. 电工技术学报， 2021 ， 36 （ 6 ）： 1190 - 1200 .

LI ZH ， AN J F ， XIAO Y ， et al . Design of model predictive control system for permanent magnet synchronous linear motor based on adaptive observer ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2021 ， 36 （ 6 ）： 1190 - 1200 . （in Chinese）

蒋祺，崔英英，于金鹏，等 . 基于状态约束的PMSM随机系统模糊自适应控制［J］. 控制工程， 2021 ， 28 （ 2 ）： 222 - 228 . doi: 10.1016/j.ins.2021.02.050 http://dx.doi.org/10.1016/j.ins.2021.02.050

JIANG Q ， CUI Y Y ， YU J P ， et al . Fuzzy adaptive control of PMSM stochastic system based on state constraints ［J］. Control Engineering of China ， 2021 ， 28 （ 2 ）： 222 - 228 . （in Chinese） . doi: 10.1016/j.ins.2021.02.050 http://dx.doi.org/10.1016/j.ins.2021.02.050

朱熀秋，顾志伟 . 基于模糊神经网络逆系统的五自由度无轴承永磁同步电机自抗扰控制［J］. 电机与控制学报， 2021 ， 25 （ 2 ）： 72 - 81 . doi: 10.15938/j.emc.2021.02.009 http://dx.doi.org/10.15938/j.emc.2021.02.009

ZHU H Q ， GU ZH W . Active disturbance rejection control for 5-degree-of-freedom bearingless permanent magnet synchronous motor based on inverse system using the fuzzy neural network ［J］. Electric Machines and Control ， 2021 ， 25 （ 2 ）： 72 - 81 . （in Chinese） . doi: 10.15938/j.emc.2021.02.009 http://dx.doi.org/10.15938/j.emc.2021.02.009

谭华军，和阳，赵文祥，等 . 双三相永磁同步电机位置伺服前馈反馈复合控制［J］. 电机与控制应用， 2021 ， 48 （ 2 ）： 22 - 30 . doi: 10.12177/emca.2020.204 http://dx.doi.org/10.12177/emca.2020.204

TAN H J ， HE Y ， ZHAO W X ， et al . Compound position servo control for dual three-phase permanent magnet synchronous motor by using feedforward and feedback ［J］. Electric Machines & Control Application ， 2021 ， 48 （ 2 ）： 22 - 30 . （in Chinese） . doi: 10.12177/emca.2020.204 http://dx.doi.org/10.12177/emca.2020.204

刘国海，曹彦琳，周华伟，等 . 基于新型开关表的五相永磁同步电机容错直接转矩控制［J］. 中国电机工程学报， 2021 ， 41 （ 18 ）： 6399 - 6408 .

LIU G H ， CAO Y L ， ZHOU H W ， et al . Novel switching-table based fault tolerant DTC for five-phase PMSM ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2021 ， 41 （ 18 ）： 6399 - 6408 . （in Chinese）

孙恺英，李冬辉，姚乐乐，等 . 基于新型超螺旋滑模自适应观测器的永磁同步电机转速估计策略［J］. 高电压技术， 2020 ， 46 （ 11 ）： 3771 - 3781 .

SUN K Y ， LI D H ， YAO L L ， et al . Speed estimation algorithm for permanent magnet synchronous motor based on novel super-twisting adaptive observer ［J］. High Voltage Engineering ， 2020 ， 46 （ 11 ）： 3771 - 3781 . （in Chinese）

袁登科，徐延东，李秀涛 . 永磁同步电动机变频调速系统及其控制［M］. 北京：机械工业出版社， 2015 . doi: 10.1109/intmag.2015.7157203 http://dx.doi.org/10.1109/intmag.2015.7157203

YUAN D K ， XU Y D ， LI X T . Permanent magnet synchronous motor variable frequency speed regulation system and its control ［M］. Beijing ： China Machine Press ， 2015 . （in Chinese） . doi: 10.1109/intmag.2015.7157203 http://dx.doi.org/10.1109/intmag.2015.7157203

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 - 661 . doi: 10.3788/OPE.20182603.0654 http://dx.doi.org/10.3788/OPE.20182603.0654

DENG Y T ， LI H W ， CHEN T . Dynamic analysis of two meters telescope mount control system ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2018 ， 26 （ 3 ）： 654 - 661 . （in Chinese） . doi: 10.3788/OPE.20182603.0654 http://dx.doi.org/10.3788/OPE.20182603.0654

王莉娜，朱鸿悦，杨宗军 . 永磁同步电动机调速系统PI控制器参数整定方法［J］. 电工技术学报， 2014 ， 29 （ 5 ）： 104 - 117 . doi: 10.3969/j.issn.1000-6753.2014.05.014 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1000-6753.2014.05.014

WANG L N ， ZHU H Y ， YANG Z J . Tuning method for PI controllers of PMSM driving system ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2014 ， 29 （ 5 ）： 104 - 117 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1000-6753.2014.05.014 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1000-6753.2014.05.014

薛定宇 . 控制系统计算机辅助设计： MATLAB语言与应用［M］. 3版 . 北京：清华大学出版社， 2012 .

XUE D Y . Computer aided control systems design using MATLAB language Computer aided control systems design using MATLAB language ［M］. Beijing ： Tsinghua University Press ， 2012 . （in Chinese）

浏览量

993

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

卫星星间激光通信粗跟踪转台控制系统

周视扫描成像系统的转台转速高精度控制

基于扩张状态观测器的永磁同步电机低速滑模控制

空间光学遥感器扫描控制系统设计

车载光电跟踪系统跟踪转台的初始标定