基于快速反射鏡的精跟蹤控制系統的設計

摘 要：文章建立了一套基于PSD的高精度二維快速反射鏡（FSM）精跟蹤系統。通過對快速反射鏡基本原理的分析，建立了相應的數學模型，最終搭建出控制系統的模型，在Matlab中對模型進行仿真，整定出適合的PID參數，使得最后的定位精度小于5？滋rad。

關鍵詞：快速反射鏡；精跟蹤系統；Matlab；PID

1 概述

文章建立了一套基于PSD的高精度二維快速反射鏡（FSM）精跟蹤系統[1]。位置敏感探測器（PSD）作為傳感器用來測量相應的脫靶量，PSD將位置信息傳遞給PC104，PC104根據XY的位置信息來控制快速反射鏡的偏轉，從而構成了精跟蹤系統。

2 快速反射鏡精跟蹤系統

2.1 快速反射鏡（FSM）的基本原理

快速反射鏡系統（Fast Steering Mirror system，FSM）[3]是一種通過調整反射光源與接收端之間光束的裝置，歸于光學掃描器件一類。作為精確周密的光學儀器，它控制著發射光源與接收端之間的光束傳播方向，將光、機、電技術結合在一起，具有體積小、結構之間連接很緊，沒有空隙、速度快、精度高、固定時間內系統所能正常處理的數據流量較多等優點[2-3]。文章所采用的快速反射鏡是PI公司的是S-340.ASD/.ASL型號，其采用的是壓電陶瓷驅動器。

2.2 精跟蹤系統的設計方案

系統示意圖如圖1所示。系統工作原理是：激光束經FSM反射后照射在PSD上，PSD對光束進行探測，并輸出二維脫靶量信息，果檢測出的脫靶量為零，說明無跟蹤誤差，不需要校正；如果檢測到的脫靶量不為零，說明存在跟蹤誤差，需要校正。因此，根據脫靶量偏差信號控制驅動單元，控制快速反射鏡實現兩個方向的偏轉，使光束經FSM反射后照射在PSD的中心，從而實現光束對目標快速、精確的跟蹤[4]。

3 仿真實驗

仿真過程中壓電陶瓷涉及到的參數m=10g，Kf=10，Kg=5979，Ku=42930，Kh=42930。

此處所用的參數整定方法為臨界比例度法。臨界比例度法分為以下幾個步驟：

（1）將Ti放到最大，Td放到最大，比例度放到適當數值。

（2）逐漸減小比例度到等幅振蕩，此時的比例度值稱為臨界比例度Pk，從記錄曲線中測出等幅振蕩周期Tk，然后按經驗設置調節器參數值。

將等幅振蕩時的Kp值以及Tk值帶入到經驗公式可得：Kp=1.6967，Ti=0.00396，Td=0.0009。由圖3可得應當減小Kp，減少震蕩，減小積分時間，增強積分作用，此時Kp=0.7，Ti=0.002，Td=0.0009，波形圖如圖4所示。

4 實驗結果

文章所用到的快速反射鏡的偏轉范圍為0～1.25mrad，由圖4可知，最后仿真的精度小于快速反射鏡的最大偏轉范圍，且最后的定位精度小于5urad。

參考文獻

[1]萬敏，張家如，聶文杰，等.快速傾斜反射鏡精跟蹤系統[J].激光與紅外，1999，29（3）：145-147.

[2]楊雪鋒，李威，王禹橋.壓電陶瓷驅動電源的研究現狀及進展[J].儀表技術與傳感器，2009 （11）：109-112.

[3]王廣志，丁海曙，丁輝.位置敏感器件（PSD）的雜光干擾研究[J].清華大學學報（自然科學版），1997（37）：61-64.

[4]胡壽松.自動控制原理[M].北京：科學出版社，2007.

作者簡介：胡丹（1990-），女，安徽安慶人，碩士學位，從事隨動控制系統的研究。