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1、西安电子科技大学硕士学位论文自由空间光通信系统的关键技术研究姓名：王远亮申请学位级别：硕士专业：通信与信息系统指导教师：文爱军20070101摘要自由空间光通信(F S O)是一种可行且非常具有吸引力的通信技术。它以激光为载波，以大气为传输媒质。由于其成本低、容量大、设计简单、接入方便，故可广泛应用于智能建筑、军事等方面。然而传统F S O 系统只能实现定点通信，并不具备“动中通 的能力。为了克服传统F S O 定点通信的缺点，实现“动中通，本文对F S O 的移动终端作了研究设计。文中首先介绍了空间光通信，研究空间光通信的意义以及各国的研究现状，并就空间光通信的应用前景及发展趋势进行了概括性
2、的论述，阐述了开展光通信研究的必要性和重要性。其次阐述了系统的整个方案设计，分析了其中的关键技术。对系统的各个部分的功能、特点都进行了分析。接下来对系统的整个框架进行了初步的设计，考虑系统的要求并选择了一些器件。最后论述了模糊控制的基本原理、模糊控制器的设计，并与传统的P I D控制算法进行了仿真对比研究。验证了模糊控制理论的优势，对系统的性能有了改进。关键词：光通信F s 0P I D 模糊控制A b s t r a c tF r e es p a c eo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n(F S O)i saf e a s i b l ea n d
3、a t t r a c t i v et e c h n o l o g ya tp r e s e n tT h eF S Oi sac o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yi nw h i c hi sp r o m u l g a t e dt h r o u g ha t m o s p h e r ea n dt h el a s e ri su s e da sC a t T i e rw a v e I th a sl o wc o s tb u tg r e a tc a p a c i t gi ti sd e s i g n
4、e dt ob es i m p l ea n de x p e d i e n t l ya c c e s s e d，S Ot h eF S Ot e c h n o l o g yc a nb ew i d e l ya p p l i e di nt h ef i e l d so fi n t e l l i g e n c eb u i l d i n ga n dm i l i t a r y B u tt h et r a d i t i o n a lF S Oj u s tc a np r o v i d ed i r e c t i o n a lc o m m u n
5、 i c a t i o na n dc a nn o tc o m m u n i c a t ew h e ni ti Sm o v i n g I no r d e rt oo v e r c o m et h i sd i s a d v a n t a g e，t h ep r e l i m i n a r yd e s i g no fs p a c el a s e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi sg i v e n F i r s t l y t h ea r t i c l ei n t r o d u c e st h eF
6、 S Os y s t e m，t h em e a n i n go fr e s e a r c ho nF S Oa n dt h er e s e a r c h i n gs t a t eo fo t h e rc o u n t r i e s I ts y n o p t i c a l l yd i s c u s s e st h ea p p l i c a t i o na n dt h ed e v e l o p m e n tt r e n do fo p t i c a lc o m m n i c a t i o n，e x p a t i a t e st
7、h en e c e s s a r ya n di m p o r t a n c eo ft h es t u d y S e c o n d l y,t h em a i ns t r u c t u r ea n di n t e g r a lp a r t so ft h eF S Os y s t e ma r ed e s c r i b e di n t h i st h e s i s I td i s c u s s e st h ef u n c t i o na n dc h a r a c t e r i s t i co ft h ek e yt e c h n
8、o l o g i e so ft h eo p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m T h i r d l y,t h ep r e l i m i n a r yd e s i g no fs p a c el a s e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi sg i v e na n dd i s c u s s e d C o m b i n i n gt h er e q u i r e m e n to ft h es y s t e m，w es e l e c ts o m ei
9、m p l e m e n t s A tl a s t，t h eb a s i ct e n e t so fF u z z yc o n t r o la n dt h ed e s i g no fF u z z yc o n t r o l l e ra t ed e s c r i b e di nt h i sp a p e nW ea l s oc o m p a r et h et r a d i t i o n a lP I Da l g o r i t h ma n dF u z z ya l g o r i t h m，m o r e o v e r,t h ec o
10、n c l u s i o ni st h a tF u z z yc o n t r o li sb e t t e rt h a nt h et r a d i t i o n a lP I Da n di m p r o v i n gt h ep e r f o r m a n c eo fs y s t e m K e y w o r d：O p t i c a lC o m m u n i c a t i o nF S OP I DF u z z yC o n t r o l独创性(或创新性)声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了
11、文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。本人签名：日期：一-幽f-9 f关于论文使用授权的说明本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论
12、文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。(保密的论文在解密后遵守此规定)本人签名：导师签名：日期：z。o 7、；5-第一章绪论第一章绪论1 1 引言人类对光通信的研究起源于1 8 7 0 年。经过1 3 0 多年的发展，光通信已经成为当今社会信息传播的最重要，最常规的手段。按照传输介质的不同，光通信系统可以分为光纤通信，自由空间光通信和水下通信。其中自由空间光通信又成为光无线通信，是以光波为载体在真空和大气中传递信息的通信技术。又可以分为大气光通信，卫星间光通信和星地光通信。激光通信经历了大气通信和光纤通信两个发展阶段。6 0 年代，处于大气窗口的激
13、光通信曾掀起了世界性的研究热潮。与大气激光通信技术基本同时起步的，还有光纤波导通信。光纤通信从8 0 年代起被确认为使地面有线通信最有发展潜力的重要通信手段。然而，大气中的自由空间光通信F S O 技术，由于当时诸多客观因素，特别是大气衰减和大气湍流的不利影响，限制了它的发展。1 2 大气激光通信国内外的研究概况国际上激光大气通信技术【1】【2 l【3 1 1 4】的研究是综合卫星、飞机、地面等方面进行的，从事这方面研究的主要结构在美国，日本、欧洲。美国是世界上开展激光通信技术最早的国家，也是技术最前沿的国家，主要研究部门是美国国家航空和宇宙航行局N A S A 和美国空军。美国宇航局于七十年
14、代初开始激光通信的研究，主要从事G E O G E O 链路高码率通信和低空链路的低码率通信的研究。在低码率通信中涉及到激光器、探测器、定位系统、光信道等技术领域，以后逐步扩展到L E O L E O、L E O G E O、L E O 一地面站和L E O 飞机的光通信链路，又进行了一些其他关键技术和演示系统的研究，其代表性系统激光通信演示系统L C D S 1 a s e r(c o m m u n i c a t i o nd e m o n s t r a t i o ns y s t e m)传输数据率7 5 0 M b p s，空对地演示系统、大气能见度监测计划等。目前正在进行光通
15、信演示系统以及高功率激光器、窄带激光滤波器及地面和空间的激光卫星跟踪网络的研制。此外，美国宇航局还和林肯实验室L i n c o l nl a b o r a t o r y 进行卫星通信计划。如实现图像功能的窄带激光滤波器以及地面和空间的激光卫星通信跟踪网络。美国空军是从七十年代未丌始激光通信研究的，主要研究部门是林肯实验室L i n c o l nl a b o r a t o r y，它在早期完成了1 0 0 M s 的外差接受实验系统，1 9 8 5 年开始L I T E(L a s e rI n t e r s a t e l l i t eT r a n s m i s s i o
16、 nE x p e r i m e n t)系统计划，现已进入工程化阶段。此外，美国空军还进行了预警机与战斗机之间的通信，作用距离8 一“公里，飞行高度7 6 0 0 1 6 0 0 0 米，可同时与5 0 个目标进行通信，传输码率2 M b s。2自由空间光通信系统的关键技术研究日本的主要研究结构是邮政省通信研究室(C T L)、宇宙开发事业团(N A S D A)、高级长途通信研究所(A T R)的光学通信研究室。日本邮电部的C R L 从七十年代初开始空间光通信相关技术的研究工作，主要进行卫星间的空间光束跟踪技术研究，以及地一空激光通信技术的理论和实验研究，取得了满意结果。C R L 从
17、1 9 8 7 年开始空间光通系统的研制。该系统于1 9 9 0 年开始制作工程飞行模型，1 9 9 3 年全部完成，装载于1 9 9 4 年发射的E S T V I 技术实验卫星上，并在1 9 9 4 年1 2 月和1 9 9 6 年7 月期间完成了卫星间光通信的演示和评定实验。虽然该卫星没有被发射到原计划的同步轨道上，但几乎所有计划都基于地面阶段完成的操作方法和硬件得到了完成，获得了大量的实验数据，包括光学终端特性、上行下行链路光束传播特性、通信特性、地球背景光特性等。1 9 9 5 年6 月日本还用“菊花一6”(E S T V I)技术实验卫星与美国的大气观测卫星成功地进行了双向激光数字
18、通信，在相距3 2 万k m 距离上成功地通话8 分钟。同年7 月又实现了卫星与地面站的双向光通信。同年1 1 月至次年5月，E S T V I L C E 还与美国J P L 成功地进行了卫星与地面站间的光通信实验，在3 7 8 0 0 k m 距离上实现了传输码率为1 0 2 4 m b p s，误码率达1 0 咱的通信。和国际相比，我国的研究相对单一，但对激光大气通信技术的研究起步并不晚，早在1 9 6 3 年就开始了大气激光通信的研究。1 9 7 1 年，电子工业部三十四所开始了激光大气通信技术的研究，1 9 7 4 年推出了N D Y A G 激光大气通信系统实验样机，并成功进行了外
19、场实验，通信距离约1 3 k m。与此同时，电子科技大学、北京邮电大学、武汉邮电研究院以及北京、长春、大连、合肥等地的一些单位也相继展开了对激光大气通信的研究，其中电子科技大学多年来利用C 0 2 激光器，Y G A 激光器及半导体激光器等光源对激光大气通信系统和相关技术开展了广泛的研究，先后完成了激光大气通信系统、半导体激光大气通信系统及相关的激光调制相干探测技术，并对激光电光、声光调制，直接和外差探测，光收发无线，光收发端机，光信道模型等单元和系统技术进行了专题研究，取得了一系列成果，成功地完成了外场实验和并网实验，其在“八五”期间完成的“宽带数字激光大气通信系统”，首次在国内实现了空间光
20、束的自动搜索、跟踪和瞄准。进人9 0 年代后，随着国际上激光大气通信的复苏及市场的需求，大气激光通信得到有关专家和决策者的重视，加紧了这方面的研究，1 9 9 9 年和2 0 0 0 年中科院上海光机所分别推出了3 4 M b i t s和1 5 5 M b i t s 的激光大气通信样机。通信距离1 2 k m，信息产业部3 4 所也于2 0 0 0 年推出了8 M b i t s 的实用型近地大气激光通信机，通信距离4 k m。我国十五计划也加大了开发大气激光通信的投人。1 3 1 技术优势1 3 技术优势与劣势第一章绪论3相对于常用的数字微波、铜缆数字用户线、光纤等其它几种接人方式，无线
21、光通信主要优势有如下几点：1)良好的安全保密性由于激光的高指向性使它的发射光束极窄，方向性很好。通常激光的发散角都在毫弧度，甚至微弧度数量级，因此具有数据传递极高的保密性。除非其通信链路被截断，否则数据不容易外泄。2)无微波频段的许可证因为无线光通信的工作频段可以使设备间无射频信号干扰，所以目前无需申请频率使用许可证。3 1 运营成本相对低廉由于无需昂贵的管道工程铺设和维护，使得其造价远低于光纤通信工程。钔架设迅速无线光通信架设、组网速度快，只需在通信节点上进行设备安装，工程建设以小时或天为计算单位，尤其适合作为光纤通信的应急故障后备及临时构造大容量的通信连路。重新部署撤换也很方便。5)透明的
22、传输协议以光为传输机制，任何传输协议均可容易的迭加上去，电路和数据业务都可透明传输。6)设备尺寸小由于光波的波长短，在同样功能情况下，光收发天线的尺寸比微波、毫米波通信天线尺寸要小得多，同时功耗小，体积小，重量轻。刀信息容量大光波作为信息载体可轻易传播高达l O G b s 的数据。目前已经商用无线激光设备最高速率已达2 5 G b s，实验室里最高传输速率已达1 6 0 G b s。1 3 2 技术劣势和其他通信方式相比，大气激光通信中存在的不利因索有如下几种：1)天气影响通信质量传输质量对天气非常敏感是F S O 的一个主要问题。天气因素尤其是大雾、沙尘暴等所引起的光的色散、漫反射将极大影
23、响光通信的质量。晴天对F S O 传输质量的影响最小，而雨天、下雪和雾天对传输质量的影响较大。目前针对这一问题有缩短传输距离、采用备份链路等解决办法。当距离在1 0 0 5 0 0 米之间时，全球大部分地区可通率均可达至1 J 9 9 9。2 1 通信距离受限F S O 是一种视距技术，传输距离与信号质量的矛盾非常突出，当传输超过一定4自由空间光通信系统的关键技术研究距离时(一般为几公里)波束就会变宽以至于难以被接收节点正确接收。所以F s O 一般只限于城市内使用。大部分测试表明，在l k m 以下才能获得最佳的效率和质量。目前用于近地的民用无线光通信的设备所能达到的距离受人眼安全的发射功率
24、、数据速率、天气条件等的限制一般为1 0 0 m 5 k m，延长传输距离也可以通过建立中继站的方法。1 4 主要应用领域无线激光通信综合了光纤通信与微波通信的优点，比较适合在城域网中使用。目前的主要应用场合包括：1)在不具备接人条件(如：复杂地形)或带宽不足时提供高效的接人方案；在通信链路跨越高速公路，河流，拥挤的城区时，由于地理条件的限制无法敷设光纤线路时，采用无线激光通信可以有效解决。2)解决综合业务接人的“最后一公里，对智能小区的宽带接入，大企业I n t r a n e t的互连，大客户的宽带接人提供一种快速灵活的方案，可提供2 M 一6 2 2 M 的带宽。3)提供室内外、临近局域
25、网之间的互连互通；当两座楼宇之间的办公室需要建立一条通信链路，其他通信方式不能较好的解决时(带宽，价格，线路资源)，采用无线激光通信快速解决。4)对于特殊要求的线路进行备份以及应急临时链路和意外恢复，在突发的自然或人为意外灾害中，原有通信线路被破坏，难以立即恢复时，或者在一些特殊地方发生突发事件，需要应急通信，采用无线激光通信进行快速的部署。5)另外对于一些大型的集会(如运动会，庆祝会等)需要快速建立一些临时链路用于现场通信。6)大部分无线激光通信设备向用户提供的是业务透明的接口，因此可以适应多种常用的通信协议，可以很灵活的接入数据、话音、视频业务，数据网络的互连，适用于E t h e r n
26、 e t，F D D I 等不同协议的网络：电路业务网络的互连，适用于交换机，移动基站等设备的连接。1 5 实现激光无线通信时需要考虑的因素实现无线通信时需要的考虑的因素大概有五种，自由空间损耗，基座的偏移，天气的影响，空气散射，背景噪声。自由空间损耗激是指光波束在传播过程中的扩散引起的损耗，解决方法有提高发射功率、增加波束数量、波束聚焦三种。基座的偏移和建筑物的偏移：由于同光，风力，季节的变化引起建筑物及固定基座发生偏移，通常最大4 m r a d 2 层楼。解决方法通常是加入自动跟踪或者改变波第一章绪论5束。空气散射指激光波束在传播路径上由于空气温度的差异而引起介质的折射率不同导致波束的散
27、射产生的损耗；解决方法有缩短路径或者传播路径避免经过排风口、烟囱、高温屋顶、管道等。背景噪声，在无线激光通信组网的过程中，当部分终端的位置需要俯仰或东西朝向时，会遇到日光照射到终端的接收器上，日光形成的背景噪声对正常通信的有一定的影响。1 6 本文工作安排本文为大气激光通信的终端作了研究设计，并对其中的一些问题如捕获、瞄准、跟踪关键技术，包括跟踪控制技术、跟踪机构做了初步的尝试设计与仿真。全文内容安排如下：第一章作为引言，简要介绍了大气光通信的概况、现状与应用，阐述了大气激光通信的技术特点。第二章对整个系统做了总体的介绍。第三章对系统初步建模，选择电动机，并对其中的环路做了仿真和分析。第四章详
28、细介绍了系统用到的自动控制原理，包括传统控制系统，数字控制，重点介绍了模糊控制，系统的仿真结果表明，模糊控制能提高系统的性能。第五章模型仿真与分析，总结全文，指出了需要改进的工作问题，和进一步的研究方向。因此，尽快掌握无线光通信的核心技术，赶上发达国家的先进技术，用自己的设备为国内的通信做出贡献，是我辈义不容辞的责任。接下来在第二章对于系统的整个方案做了介绍并有相应的改进和设计。第二章大气激光通信系统7第二章大气激光通信系统大气激光通信(F S O)是采用激光作为光源，以湍流大气层为光通道，通信随舰艇运动的一种通信方式，其通信原理和技术与电通信相似，所不同的是前者以激光作为信息载体。大气激光通
29、信(F S O)系统主要包括信号传输(通信)、空间光束的捕获、瞄准和跟踪(A r P)两大子系统。完成光的长距离传输会产生很大的能量损失，以致接收的光信号往往十分微弱，此外，大气因素、载体摇晃的影响也大大增加了光信号的接收难度。因此如何捕获、瞄准和跟踪光束，是一个光、机、电结合的精密综合技术，也是光通信的核心技术之一。2 1 大气激光通信系统总体设计通信系统中设备的组成根据通信距离，激光器调制方式的不同而不同，结构的繁简程度差别也很大，根据大气激光通信的特点及要求，光学通信终端主要由激光发射系统、接收系统、光学天线、A T P 系统等组成。其总体组成框图如2 1所示。本文中设计的F S O 终
30、端由链路信道设备、通信控制器、交换机和用户终端组成，信道设备，包括发射机、接收机、天线及A P T 系统，主要实现物理层的功能；通信控制器主要实现链路层的功能，交换机主要实现网络层的功能，用户终端实现运输层和应用层的功能。具体的各部分的功能分述如下：用户终端，实现高层功能，向用户提供话音、数据、视频等多种业务。通信控制器弹信号jH 匾警丽丽掣逊盟图2 1 系统的框图交换机，实现网络层的功能，即分组交换(存储转发)的功能，包括邻居发现、动态组网、路由选择、本地业务信息的收发和非本地业务信息的转发等。8自由空间光通信系统的关键技术研究通信控制处理机，完成链路层功能。一方面把交换机送来的信息分组组装
31、成帧，并转换成基带信号去调制光发射机，另一方面对光接收机送来的基带信号进行处理，实现帧定界，提取帧内的信息分组递交给交换机。通信控制器还控制着激光天线的捕获瞄准跟踪(A P T)系统，并且根据A P T 系统的反馈信息进行通信方面的控制。光发射机，包括信号光发射机和信标光发射机。信号光发射机把通信控制处理器送来的数据信号调制到信号光载波上，然后把满足人眼安全的信号光以足够的功率和较小的发散角发射出去。信标光发射机把把满足人眼安全的信标光以较大的功率和较大的发散角发射出去。光接收机，用光学接收天线收集空间的信标光和信号光，把检测出的信标光所携带的对方的位置信息以误差信号的形式传给捕获瞄准跟踪系统
32、供其实现捕获跟踪功能，把检测出的信号光所携带的数据信息以基带信号的形式传给通信控制处理机处理。激光捕获跟踪瞄准(伽系统，在通信控制处理器的控制下，根据光接收机送来的误差信号驱动伺服电机调整光发射天线和光接收天线的方向完成捕获功能，驱动光接收机的快速振镜完成精跟踪功能。该系统还把对准情况反馈给通信控制处理器进行通信控制。上述的关键技术中交换机、通信控制机、光的发射机和接收机技术是传统F S O定点通信中的关键技术，为了实现“动中通”，本文设计的F S O 对天线作了改进设计，增添了A P T 技术。一、激光发射系统包括电信号的码制变换、复接器和调制电路，以及激光器、驱动器等。其中激光器的选择很重
33、要，它直接影响天线的增益、探测器件的选择、天线直径、通信距离等参量。二、激光接收系统主要包括光探测器、低噪声前放、解调器、定时提取电路、自动增益控制电路、分接器以及码制变换等，光探测器是整机的重要组成部分，它主要有以下功能：(1)探测对方发来的信标光，确定信标光的位置，给出位置误差信号来驱动A T P单元，校正接收天线的方向，完成双端天线的粗对准。(2)在天线已经达到粗对准的前提下，探测对方发来的信标光，并利用信标光在四象限探测器上的坐标，确定信标光的位置，给出误差信号并提供给A T P 单元，完成双端天线的精对准及跟踪。(3)探测对方发出的信号光，接收通信信号，完成通信功能。第二章大气激光通
34、信系统9为此，光探测器应包括捕获传感器、跟踪传感器和通信传感器，在本系统中，捕获传感器采用C C D，它视场较大，帧频较低，因此可用于捕获和粗跟踪阶段。三、光学系统及天线本系统中，辐射的激光光束包括信标光和信号光，两者的发射光功率均为7 5 r o w，信标光光束宽度为1 7 4 m r a d，信号光波束宽度为2 m r a d。我们初步设计每路信号光都用三个光束来发射，每路信标光也由三个光束来发射。这样，F S O 链路的发射天线和接收天线就按照如图6 所示的结构进行配置。每路信号光的发射功率为信号光总功率的1 3，即2 5 m w。每路信标光发射功率也为信标光总功率的1 3，即2 5 m
35、 W。接收天线的直径为2 0 c m，信标光发射天线的直径为4 7 c m，信号光发射天线的直径为4 7 c m。2 2 光发射机信号光发射机和信标光发射机的功能框图如图2 2 所示。：激光器光纤耦合器：(8 3 0 m)(可加光隔离：器、衰减器)”，i：激光器模块(a 埔号光发射机l发射天线I。8 激6 0 光a m 器)I 发射天线I(I磐A：健I(b)信标光发射机图2 2 信号光发射机和信标光发射机的功能框图信号光发射机射出光束的参数为：1 0自由空间光通信系统的关键技术研究信号光的波长凡=8 3 0 n m光束的功率P 1=2 5m W最强处的光功率密度1 5 7m W c m 2 2
36、 0 3m W c m 2光束发散角q22 m r a d信标光发射机射出光束的参数为：信标光的波长九=8 6 0 n m光束的功率P 2=2 5 m W最强处的光功率密度1 5 7m W c m 2 (1 5 2 5)幸5 4 6 W，电机最大连续转矩5 4 4 m N m 1 0 5 m N m。得知功率，扭矩符合要求。(2)惯量匹配：负载折合到电机上的转动惯量：J，；岛=石善譬而=5 9 2 e-6 k g m 2 _ 5 9 2 9 c m 2。减速箱转动惯量：J g=O 7 9 c m 2；电机轴上附加惯量：J l=J x+J g=5 9 2+0 7=6 0 9 c m 2；电机转动
37、惯量：J m=2 0 O g c m 2；总惯量：J a l l=J l+J m=6 0+2 0 O=8 0 9 c m 2。J d J m=6 0 2 0 0=3：1(5：1，满足惯量比不超过5：1 的要求。(3)速度匹配：电机工作时最大能达到的转速R，m s=1 1 0 0 0 1 0 5 3 1 4=1 0 6 7 0 r m=1 1 1 7 r a d s，经第三章系统模型的建立1 9减速箱后R r m s=1 0 6 7 0 4 1 1=2 6 r m。一般说来，要满足一定的精度，速度可调范围为2 6 1 0 0=0 2 6 r p m 2 6 r p m。系统指标要求最大速度在1
38、0 r m，可以满足精度要求。(4)所需最小速度常数：电机在输出1 0 5 m N m 力矩时，电机的最小空载为：o；删+m 宰M 删一=4 1 1 0+3 1 4 1 0 5-4 4 4 0，设电机的空载转速必须在1 8 V达到，则电机最小速度常数为：K 皿=4 4 4 0 1 8=2 4 7 r p m v，选择电机的速度常数为4 6 5 r p m v，大于2 4 7 r p m v，能够满足要求。最后验证的结果说明，方案可以满足要求。3 4 三闭环的仿真与设计单纯的被控对象，其动静态特性一般来说都是比较差的，就电机而言诸如电网波动、启动死区、速度静差等的存在会大大降低系统的性能；再加上
39、各种干扰的影响又会给系统带来种种非线性因素。如果把这些对控制不利的问题都集中到位置环来解决，势必加大系统的设计难度，往往很难实现预定的性能指标。因此，通常在位置环设计之前对系统进行改造 4 4 J【4 5】。在实际的设计中适当选择低频段和中频段参数，在保证系统稳态精度和稳定性的前提下，使系统具有良好的跟随性能，并加强对负载扰动的调节能力。从内向外，依次设计电流环、速度环和位置环，根据系统整体的性能指标适当分配相应的设计指标，按典型系统设计控制及补偿环节。通常设计过程从内到外依次进行，实际调试中往往还需要根据外环控制出现的实际问题相应改变，必要时内环的参数要根据外环的需要反复调整J。一、电流环设
40、计在实际的工程应用中常常在速度环回路之中增加电流坏回路，以保证系统的快速启动性能。通常将电机电枢电流作为力矩信号引入反馈通道。反馈点位于功率放大器的前面。在控制系统设计电流环时，一般预先设计好反馈系数，直接在功放硬件电路中实现。图3 3 为转台俯仰向的简单刚体模型。图3 3 转台俯仰向的简单刚体模璎2 0自由空间光通信系统的关键技术研究图3 4 电机模型子模块图3 5 电流环子模块图3 6 速度环子模块图3 7 位置环子模块引入电流环负反馈可以在充分利用电机所允许过载能力的同时限制电流的最大值，从而对电机启动或制动起到快速的保护作用。因为当系统处于启动或制动及某种意外情况下(如系统发生故障或机
41、械卡死时)，电枢电流将在瞬间达到很大的值。这个电流瞬时峰值虽然时间很短，但远远超出了系统的额定电流，极易造成对电机的损害，这在工程中是绝对不容许的。我们可以通过仿真发现，加入电流环前后电机电流明显变化。电流可以在启动时获得一段保持为较大值的近似恒流过程，同时大大减小电流峰值；当达到稳念时，迅速衰减至能克服台体干扰和摩擦所需的电流。第三章系统模型的建立2 1另外，实际系统在运行时会受到各种不确定因素的干扰，比如电网电压的波动、负载变化等影响。无电流环的系统由于对象惯性较大，对外界的干扰不能很快的反映，而加入电流环的系统不必等到扰动导致转速反馈值明显变化就可以迅速将电压补回，从而保证速度回路具有很
42、好的动态抗干扰性能。P I 控制器的引入使得电流环无静差地跟踪阶跃信号的稳态跟踪性能，同时可以有效减少电机回路的时问常数，为拉宽速度环频带，设计具有快速响应的速度环控制器打下基础。图3 8 有电流反馈图3 9 无电流反馈图3 8 和图3 9 为模型中输入0 0 l i n d 的阶跃响应时电流坏回路相应仿真曲线。可见加入电流环后，电枢电流的上升速度更快，峰值减小，并且能够维持一段时间的恒流段。二、速度环设计通常速度环控制器在三环系统中要完成以下任务：保证速度回路的稳态精度；尽量提高速度回路的刚度；尽可能拉宽速度回路的频带；对高频段的谐振和未建模动态特性有较大的衰减；尽可能降低系统向扰动的灵敏度
43、；减小速度环的死区电压。其控制器通常采用P I 控制器，也即所谓的速度环串联校正环节。图3 6 为转台速度环模型子模块框图。在仿真调试中，速度环的好坏对系统的影响相当大。一方面，速度环增益适当增大可以有效增大速度回路的刚度，减小系统对于动、静摩擦的灵敏度，克服系统死区并减小力矩波动：另一方面可以有效的拓宽系统频带，并抑制转台机械谐振。调试中发现，由于转台控制系统需要使用前馈控制器拓宽频带，所以，要想实现系统对负载等扰动的鲁棒性，必须由良好设计的速度环来保证。三、位置环设计在完成电流环及速度环的设计及调试后，就应该进行位置闭环的设计。系统最后各项性能指标都需要在位置环中最后实现。因此，位置环在整
44、个转台控制系统的设计中处于相当重要的环节。转台控制系统的位置闭环是整个控制回路中唯自由空间光通信系统的关键技术研究一的数字回路，其控制器实现是由数字处理器芯片完成。在实际控制系统设计中可以根据实际需要采用特定控制方法，这里不再详述。上面论述了位置伺服系统得电流、速度、位置三闭环的建模方法，并给出了转台俯仰向的简单刚体模型图，但是在考虑时忽略了太多实际因素，不能反映转台真实响应情况。因此，为了设计合理的控制器，必须建立系统完整的多质量模型。图3 1 0 为转台俯仰向的弹性臂多质量模型。图3 1 0 转台俯仰向模型图随动系统的分析往往是根据一些典型输入信号下的响应来研究的。我们对位置回路用阶跃和正
45、弦两种输入来仿真，阶跃响应用以检验位置回路的过度过程，正弦引导仿真用以检验位置回路的稳态精度。A T P 系统的跟踪过程就是根据光斑落在光探测器上的位置变化来驱动电机以保持两束光对准，电机应当能跟上光斑在光探测器上的改变，当两束光斑重叠面积小于1 2 光斑面积的时候，电机就加速跟踪，本文暂假设粗跟踪幅值为0 0 2 r a d 的阶跃响应来观测位置跟踪过度过程。正弦引导函数取为S(t)=0 0 2 s i n(2*p i 宰f 0，c t)，其中f o 为伺服带宽2 7 5 H z，是在最大加速度时计算得出1 4 7】。下面分别给出此模型的仿真结果。图3 1 1 位置阶跃时跟踪响应曲线图图3
46、1 2 位置正弦跟踪曲线图由仿真可以看出正弦跟踪存在着相位延时(点线为跟踪曲线)，在高精度伺服第三章系统模型的建立控制中，前馈复合控制可以用来提高系统的跟踪性能。复合控制是指在负反馈闭环系统中引入前馈控制通道，引入的前馈通道可以有效提高系统的稳态精度和响应速度，同时不影响闭环系统的稳定性。复合控制系统的结构图如图3 1 3 所示。图3 1 3 复合控制系统结构示意图其中F(s)是前馈控制器。控制作用通过前馈控制器作用于被控对象G(s)上。引入前馈后，正弦跟踪图如图3 1 4，对比图3 1 2 可以看出引入前馈后相位延时减小，系统稳态性能得到改善。图3 1 4 引入前馈后的正弦跟踪图摩擦力是影响
47、伺服系统性能的一项重要因素，由于静摩擦的作用，在低速跟踪时，位置跟踪存在“平顶”现象，速度跟踪存在“死区”现象。可以引入摩擦前馈进行摩擦补偿，摩擦补偿的引入后的仿真比较如下。经验调整得出【4 9】。现把跟踪频率调为1 H Z，使转台低速运转，观察速度跟踪情况。图3 1 5 正弦信号速度跟踪(无摩擦补偿)图3 1 6 正弦信号速度跟踪(有摩擦补偿)自由空间光通信系统的关键技术研究从图3 1 5 和图3 1 6 可以看出，采用P I D 控制加前馈控制可以很大程度地克服摩擦的影响，基本消除了位置跟踪的“平项和速度跟踪的“死区，实现了较高的位置跟踪和速度跟踪精度。由仿真结果可以看出俯仰轴采用三闭环P
48、 I D 控制加前馈及摩擦补偿后，位置跟踪调节时间短，超调量小，而且稳态精度高，可以达到系统性能指标的要求，具有良好的动态性能和稳态性能。第四章系统应用的控制理论第四章系统应用的控制理论4 1 基础自动控制技术是指在没有人直接参与的情况下，利用控制装置使被控对象的某一物理量自动地按照预设的规律运行和变化。今年来，随着微机技术的迅猛发展，微机控制已成为自动控制的一个不可缺少的组成部分。自动控制系统是指能对控制对象的状态进行自动控制的系统。它一般由控制装置和被控对象组成。种植装置是指能对被控对象进行控制的设备总体，控制对象是指实现控制的机器、设备和生产过程。控制系统由不同的分类方式。如果按照控制系
49、统的组成来分，可以分为开环控制系统、闭环控制系统合复合控制系统。开环控制是系统的输出对控制过程不产生任何影响的控制，也即在控制系统中没有环路的控制，也可以称之为顺序控制。闭环控制是指系统的输出参与控制过程的控制，也即控制系统中有环路的控制，就是平时所说的反馈控制，开环控制和闭环控制相结合组成复合控制系统，它是在反馈控制的基础上，又重新加入了一个开环控制正向补偿装置和干扰补偿装置。在设计系统时，闭环喜欢由于反馈环节存在动态过程，因此在设计时应注意满足动态过程的要求，而对于开环系统，由于各组成元件是确定的了，不存在因反馈作用而产生的动态过程。在稳定性上，开环系统一般不存在不稳定的情况，但是闭环系统
50、的稳定性就是一个总需要考虑的关键因素。通常当输入量已知且对系统的干扰进行有效控制的时候，采用开环系统的效果会更好一些。如果系统的输入量或者干扰无法预知的情况，则采用闭环系统会更好一点。而且由于闭环系统的反馈作用，使得系统对于外部或内部的的影响都不甚敏感，故可以实现用不太精密的元件实现精确的控制。伺服系统的性能指标如图4 1 所示，主要包括：最大跟踪速度和最大跟踪加速度、系统精度、系统过渡过程的品质指标等。最大跟踪速度，通常是保证一定的精度要求条件下的最大速度。一般情况下，执行元件的额定转速就对应系统的最大跟踪角速度。系统的精度通常用静差来表示，有时还使用速度误差与速度品质因素等表示。系统的动态