[发明专利]一种压电陶瓷驱动的二维快摆镜物理仿真系统

说明书

一种压电陶瓷驱动的二维快摆镜物理仿真系统属于光电望远镜快摆镜系统模型辨识和伺服控制领域，主要包括压电陶功率模拟模块、AD采集电路、快摆镜数学模型仿真模块、DA输出模块。通过搭建压电陶瓷功率模拟模块实现对压电陶瓷执行器的物理特性和功率的仿真，通过AD采集电路采集压电陶功率模拟模块两端电压，作为二维快摆镜和压电陶瓷迟滞特性数据模型的输入，利用该模型计算得到压电陶瓷执行器伸缩量，将该伸缩量转为仿真电阻应变式位移传感器(SGS)的电压信号量，通过DA输出模块输出，模拟伸缩量输出由快摆镜控制器采集，从而完成闭环控制仿真。本发明实现控制器闭环控制链路和控制算法的闭环调试，为正式联调缩短时间。

技术领域

本发明属于光电望远镜快摆镜系统模型辨识和伺服控制领域，具体涉及一种压电陶瓷驱动元件的二维快摆镜物理仿真系统。

背景技术

对有高精度跟瞄要求的光电望远镜，如天文望远镜、激光跟瞄系统等，为提高跟瞄精度，光电望远镜采用多级跟瞄方式提高跟瞄精度，其中最后一级跟瞄系统主要采用二维快摆镜系统。二维快摆镜具有摆动速度快、定位精度高的特点。目前快摆镜驱动元件主要有压电陶瓷和音圈电机，采用电阻应变式位移传感器(SGS)、电容位移传感器进行压电陶瓷形变和快摆镜摆动测量，采用闭环控制实现快速、精确定位。

为实现二维快摆镜的镜面绕平面上的任意轴转动，简化驱动结构，通常将二维快摆镜运动分解为绕X轴和Y轴转动的合成。单个压电陶瓷驱动器的驱动能力有限，二维快摆镜通常采用多点并联差动驱动结构，例如在平面内成90°均匀分布的4点并联驱动结构。多点并联的差动驱动方式有效减小温漂等对系统的影响，通过控制压电驱动器的伸缩量实现二维快摆镜的偏摆控制。压电陶瓷执行器位移量有限，通过柔性铰链完成压电陶瓷执行器伸缩量的放大，从而使二维快摆镜的摆动量达到设计要求。在压电陶瓷执行器的一端安装电阻应变式位移传感器用于压电执行器应变量测试，进而计算得到快摆镜摆动量。根据需要还可以通过电容传感器直接测量快摆镜摆动量。二维快摆镜主要组成如图1所示。

压电陶瓷利用逆压电效应在外电场作用下产生位移，由于复杂的作用机理，压电陶瓷具有非线性、迟滞和蠕变等特性，导致其逆压电应变与外电场强度为非线性关系，其中迟滞非线性影响最大，是目前压电陶瓷控制学术界亟需解决的难题。

目前常用的压电陶瓷数学模型有Bouc-Wen模型和Duhem模型等。其中Duhem模型是由科学家P.Duhem经过不断地分析改进后得到的一种微分方程形式的迟滞模型。该模型的特点是数学公式清晰，通过调整表达式中各个模型参数，就可以精确的表达出各种迟滞特性。该模型是一种动态迟滞模型，因此适用于压电陶瓷执行器系统动态迟滞的特性。Duhem模型参数通过系统辨识获取。通过改变模型参数也就功能改变模型动态特性。Duhem模型可以通过公开文献得到。

光电望远镜属于研制型产品，难以定型生产。二维快摆镜研制过程中，通常步骤是快摆镜完成组装后进行模型参数测试，基于该参数进行控制系统调试，控制精度达到设计则完成研制工作。同时实际工程应用中存在大量因为结构组件加工、组装、调试周期过程过长，导致快摆镜控制系统调试前期无法开展工作，后期时间严重不足，从而影响系统周期的问题，这对快摆镜控制模型的研究和工程研制度非常不利。

发明内容

本发明目的是提出一种压电陶瓷驱动的二维快摆镜物理仿真系统，该系统通过搭建压电陶瓷等效仿真电路实现对压电陶瓷执行器的物理特性和功率的仿真，通过AD采集卡采集压电陶瓷等效仿真电路两端电压，作为二维快摆镜和压电陶瓷迟滞特性数据模型的输入，利用该模型计算得到压电陶瓷执行器伸缩量，将该伸缩量转为仿真电阻应变式位移传感器(SGS)的电压信号量，通过高精度DA输出电路输出。模拟伸缩量输出由快摆镜控制器通过SGS采集电路采集，构成闭环控制仿真。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：