变参数线性跟踪微分器及其在地平式大视场望远镜中的应用

杨晓霞; 邓永停; 赵金宇; 张斌

doi:10.37188/OPE.20223023.3045

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变参数线性跟踪微分器及其在地平式大视场望远镜中的应用

更新时间：2026-09-12

- 变参数线性跟踪微分器及其在地平式大视场望远镜中的应用
- Variable parameter linear tracking differentiator and its application in altazimuth large area telescope
- 光学精密工程 2022年30卷第23期页码：3045-3057
- 作者机构：
  
  中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春 130033
- 作者简介：
  
  杨晓霞（1984-），女，山东德州人，博士，副研究员，2005年于山东大学获得学士学位，2010年于中国科学院数学与系统科学研究院获得博士学位，主要从事大型光电望远镜先进控制方法的研究。E-mail：yxxair@163.com
  邓永停（1987-），男，山东潍坊人，博士，研究员，2015年于中科院长春光机所获得博士学位，主要从事望远镜精密跟踪控制术的研究及电子学设计方面的研究。E-mail： dyt0612@163.com
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金资助项目(12122304;11973041);中科院青年创新促进会会员资助项目(2019218)
- DOI：10.37188/OPE.20223023.3045
  中图分类号： TP273
- 收稿：2022-09-30，
  
  修回：2022-11-26，
  
  纸质出版：2022-12-10
- 稿件说明：
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杨晓霞,邓永停,赵金宇等.变参数线性跟踪微分器及其在地平式大视场望远镜中的应用[J].光学精密工程,2022,30(23):3045-3057.

YANG Xiaoxia,DENG Yongting,ZHAOJinyu ,et al.Variable parameter linear tracking differentiator and its application in altazimuth large area telescope[J].Optics and Precision Engineering,2022,30(23):3045-3057.
杨晓霞,邓永停,赵金宇等.变参数线性跟踪微分器及其在地平式大视场望远镜中的应用[J].光学精密工程,2022,30(23):3045-3057. DOI： 10.37188/OPE.20223023.3045.

YANG Xiaoxia,DENG Yongting,ZHAOJinyu ,et al.Variable parameter linear tracking differentiator and its application in altazimuth large area telescope[J].Optics and Precision Engineering,2022,30(23):3045-3057. DOI： 10.37188/OPE.20223023.3045.

摘要

为了对具有速度和加速度限制的物理信号安排合理的过渡过程，提出了一种带有速度和加速度饱和限制的变参数线性跟踪微分器。将跟踪微分器的快速因子设计为跟踪误差减函数的形式，即使在初始跟踪误差非常大的时候也不会产生非常大的加速度，同时结合速度和加速度饱和的限制，使用同一组参数就可以对大范围的阶跃信号给出与物理系统反馈能力相匹配的过渡过程信号。仿真计算表明，所设计的跟踪微分器的跟踪效果与经典的非线性跟踪微分器几乎相同，计算复杂度却明显降低。将所设计的跟踪微分器应用于地平式大视场望远镜的快速调转定位中，与工程中常用的位置分段方式进行对比，响应时间缩短了大约15%~37%，有效提高了望远镜的搜索效率。变参数跟踪微分器不但能够起到过渡作用，还能最大限度地激发物理系统的反馈能力。该方法参数设置简单，易于工程中的调试和实现。

Abstract

To develop a reasonable transition process for physical signals with speed and acceleration limits， we propose a variable parameter linear tracking differentiator with speed and acceleration saturations. The parameter of the tracking differentiator is designed as a decreasing function of the tracking error， which avoids large acceleration shock in the initial stage when the tracking error is relatively large. Using the same set of parameters， the designed tracking differentiator can give reasonable transition signals that match the feedback capabilities of physical systems for a wide range of step signals. Simulation results show that the proposed tracking differentiator can produce nearly the same tracking effect as that of the classical nonlinear tracking differentiator and with reduced computational complexity. We applied the designed tracking differentiator to the rapid positioning of an altazimuth large area telescope. Compared with the commonly used position segmentation method， the response time was reduced by 15%–37%， thereby improving the search efficiency of the telescope. The proposed variable parameter tracking differentiator can not only play a transitional role but can also maximize the feedback capabilities of physical systems. The parameter setting of the proposed method is simple as well as easy to debug and implement in engineering practice.

关键词

Keywords

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韩京清 . 自抗扰控制器及其应用［J］. 控制与决策， 1998 ， 13 （ 1 ）： 19 - 23 . doi: 10.3321/j.issn:1001-0920.1998.01.005 http://dx.doi.org/10.3321/j.issn:1001-0920.1998.01.005

HAN J Q . Auto-disturbances-rejection controller and its applications ［J］. Control and Decision ， 1998 ， 13 （ 1 ）： 19 - 23 . （in Chinese） . doi: 10.3321/j.issn:1001-0920.1998.01.005 http://dx.doi.org/10.3321/j.issn:1001-0920.1998.01.005

HAN J Q . From PID to active disturbance rejection control ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2009 ， 56 （ 3 ）： 900 - 906 . doi: 10.1109/tie.2008.2011621 http://dx.doi.org/10.1109/tie.2008.2011621

ZHANG D Y ， YAO X L ， WU Q H ， et al . ADRC based control for a class of input time delay systems ［J］. Journal of Systems Engineering and Electronics ， 2017 ， 28 （ 6 ）： 1210 - 1220 . doi: 10.21629/jsee.2017.06.19 http://dx.doi.org/10.21629/jsee.2017.06.19

赵希梅，吴岑 . 基于滑模自抗扰的PMLSM电流偏差解耦控制［J］. 光学精密工程， 2022 ， 30 （ 4 ）： 431 - 441 . doi: 10.37188/OPE.20223004.0431 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20223004.0431

ZHAO X M ， WU C . Current deviation decoupling control based on sliding mode active disturbance rejection for PMLSM ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2022 ， 30 （ 4 ）： 431 - 441 . （in Chinese） . doi: 10.37188/OPE.20223004.0431 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20223004.0431

YUAN Y ， YU Y ， WANG Z D ， et al . A sampled-data approach to nonlinear ESO-based active disturbance rejection control for pneumatic muscle actuator systems with actuator saturations ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2019 ， 66 （ 6 ）： 4608 - 4617 . doi: 10.1109/TIE.2018.2864711 http://dx.doi.org/10.1109/TIE.2018.2864711

黄浦，杨秀丽，修吉宏，等 . 音圈致动快速反射镜的降阶自抗扰控制［J］. 光学精密工程， 2020 ， 28 （ 6 ）： 1365 - 1374 . doi: 10.3788/ope.20202806.1365 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20202806.1365

HUANG P ， YANG X L ， XIU J H ， et al . Reduced-order active disturbance rejection control of fast steering mirror driven by VCA ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2020 ， 28 （ 6 ）： 1365 - 1374 . （in Chinese） . doi: 10.3788/ope.20202806.1365 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20202806.1365

SHI D W ， XUE J ， ZHAO L X ， et al . Event-triggered active disturbance rejection control of DC torque motors ［J］. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics ， 2017 ， 22 （ 5 ）： 2277 - 2287 . doi: 10.1109/tmech.2017.2748887 http://dx.doi.org/10.1109/tmech.2017.2748887

LI X ， ZHOU W L ， LUO J ， et al . A new mechanical resonance suppression method for large optical telescope by using nonlinear active disturbance rejection control ［J］. IEEE Access ， 7 ： 94400 - 94414 . doi: 10.1109/ACCESS.2019.2928050 http://dx.doi.org/10.1109/ACCESS.2019.2928050

韩京清，王伟 . 非线性跟踪-微分器［J］. 系统科学与数学， 1994 ， 14 （ 2 ）： 177 - 183 .

HAN J G ， WANG W . Nonlinear tracking-differentiator ［J］. Journal of Systems Science and Mathematical Sciences ， 1994 ， 14 （ 2 ）： 177 - 183 . （in Chinese）

ZHANG H H ， XIAO G X ， YU X H ， et al . On convergence performance of discrete-time optimal control based tracking differentiator ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2021 ， 68 （ 4 ）： 3359 - 3369 . doi: 10.1109/tie.2020.2979530 http://dx.doi.org/10.1109/tie.2020.2979530

GUO B Z ， ZHAO Z L . Weak convergence of nonlinear high-gain tracking differentiator ［J］. IEEE Transactions on Automatic Control ， 2013 ， 58 （ 4 ）： 1074 - 1080 . doi: 10.1109/TAC.2012.2218153 http://dx.doi.org/10.1109/TAC.2012.2218153

YU J D ， JIN S H . Sliding mode tracking differentiator with adaptive gains for filtering and derivative estimation of noisy signals ［J］. IEEE Access ， 2021 ， 9 ： 86017 - 86024 . doi: 10.1109/access.2021.3088544 http://dx.doi.org/10.1109/access.2021.3088544

GHANES M ， BARBOT J P ， FRIDMAN L ， et al . A second order sliding mode differentiator with a variable exponent ［C］. 2017 American Control Conference （ACC）. May 24 - 26 ， 2017 . Seattle， WA， USA. IEEE ， 2017 ： 3300 - 3305 .

XIE Y D ， ZHANG H H ， SHE L H ， et al . Design and implementation of an efficient tracking differentiator ［J］. IEEE Access ， 7 ： 101941 - 101949 . doi: 10.1109/access.2019.2930963 http://dx.doi.org/10.1109/access.2019.2930963

BU X W ， WU X Y ， CHEN Y X ， et al . Design of a class of new nonlinear disturbance observers based on tracking differentiators for uncertain dynamic systems ［J］. International Journal of Control， Automation and Systems ， 2015 ， 13 （ 3 ）： 595 - 602 . doi: 10.1007/s12555-014-0173-6 http://dx.doi.org/10.1007/s12555-014-0173-6

SHEN W ， LIU X Y ， SU X Y . High-precision position tracking control of electro-hydraulic servo systems based on an improved structure and desired compensation ［J］. International Journal of Control， Automation and Systems ， 2021 ， 19 （ 11 ）： 3622 - 3630 . doi: 10.1007/s12555-020-0705-1 http://dx.doi.org/10.1007/s12555-020-0705-1

ZHANG H H ， XIE Y D ， XIAO G X ， et al . A simple discrete-time tracking differentiator and its application to speed and position detection system for a maglev train ［J］. IEEE Transactions on Control Systems Technology ， 2019 ， 27 （ 4 ）： 1728 - 1734 . doi: 10.1109/tcst.2018.2832139 http://dx.doi.org/10.1109/tcst.2018.2832139

YANG Z B ， JI J L ， SUN X D ， et al . Active disturbance rejection control for bearingless induction motor based on hyperbolic tangent tracking differentiator ［J］. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics ， 2020 ， 8 （ 3 ）： 2623 - 2633 . doi: 10.1109/jestpe.2019.2923793 http://dx.doi.org/10.1109/jestpe.2019.2923793

YANG X X ， DENG Y T ， ZHANG B ， et al . Extended state observer-based control with an adjustable parameter for a large ground-based telescope ［J］. Research in Astronomy and Astrophysics ， 2021 ， 21 （ 12 ）： 316 . doi: 10.1088/1674-4527/21/12/316 http://dx.doi.org/10.1088/1674-4527/21/12/316

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