[发明专利]一种光电系统中快速反射镜的分数阶控制方法

说明书

本发明公开了一种光电系统中快速反射镜的分数阶控制方法，控制系统中积分环节的个数代表了系统的型别，型别越高，其扰动抑制能力越强，但型别会降低的系统稳定裕度，针对光电系统中快速反射镜控制系统中型别与稳定裕度之间的矛盾，本方法将快速反射镜控制系统由现有整数阶型别调整为阶次在1到2之间的分数阶型别。系统实现过程中，本方法对型别与稳定裕度要求进行折中，在提高系统型别的同时仍然保障系统具有合适的相位裕度储备，从而使系统具有理想的误差抑制特性和良好的稳定性。与现有的快速反射镜控制系统相比，本发明解决了当前快速反射镜控制系统的设计难点，并且只需从软件上对现有控制器进行改动，具有效果明显、便于工程化应用等优点。

技术领域

本发明涉及光电系统控制领域，具体涉及一种光电系统中快速反射镜的分数阶控制方法，适用于光电系统中对扰动抑制能力及稳定裕度都有较高要求的快速反射镜控制系统。

背景技术

在光电测量、天文观测、武器控制及激光通信等领域中，为保证系统能快速准确地发现并跟踪目标，光电系统发挥了重要作用。近些年来，随着精度要求的提高、工作环境的愈加苛刻，人们对光电系统的扰动抑制能力和稳定性提出了更高的要求。快速反射镜作为光电系统中具有高频响应能力的关键部件，需要具有更强的扰动抑制能力和足够的相位裕度储备。

从控制的角度，提升快速反射镜的扰动抑制能力最有效的方法是提升快速反射镜控制系统的型别。型别是指控制系统中纯积分环节的个数(也称阶次)，型别越高，系统扰动抑制能力越强。目前的快速反射镜控制系统通常采用整数型别，即系统具有整数个积分环节。

整数型别的控制系统，通常分为低型别和高型别两种系统：低型别的控制系统，如0型、I型；高型别的控制系统如：II型、Ⅲ型等。快速反射镜的控制系统通常使用低型别的I型系统或高型别的II型系统。低型别的I型系统，例如纯积分控制或PI控制，但其抑制能力有限。高型别的II型控制系统，如唐涛等人发表的论文《PID-I controller of chargecoupled device-based tracking loop for fast-steering mirror》(OpticalEngineering，2011年第4期)提出的采用PID-I控制器的快速反射镜控制系统，在同等工作带宽情形下，具有较高的扰动抑制能力。还比如纯积分的II型系统，因其带宽极其有限，故需在截止频率前通过引入零点来使得系统以-20dB/dec斜率过0dB线，从而生成系统为条件稳定系统。采用II型系统的案例非常少，是因为相比于I型系统，II型控制系统在实质上相当于增加了一个积分器，系统的相位就损失了90°，降低了系统的稳定裕度。系统正常工作时，其增益和带宽等技术指标均受限于系统的稳定裕度要求。因此，系统型别和系统稳定裕度之间存在一定的矛盾，而该矛盾是目前快速反射镜控制系统设计的瓶颈之一。