一種用于空間光學(xué)遙感器隨動(dòng)系統(tǒng)的同步控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)計(jì)一種同步控制方法，特別是一種用于空間光學(xué)遙感器隨動(dòng)系統(tǒng)的同步 控制方法，屬于航天遙感器技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 在空間光學(xué)領(lǐng)域遙感器成像過(guò)程中，為了獲得更加寬廣的視野，通常使用掃描系 統(tǒng)將入射光范圍擴(kuò)大，以增大地面的視野及相機(jī)的幅寬。由于掃描鏡旋轉(zhuǎn)的范圍較小，而入 射角與鏡面之間的夾角較大，使得光線發(fā)生偏振，難以實(shí)現(xiàn)大角度掃描。因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中 希望入射角能夠盡量小。為此，一般需要設(shè)計(jì)主轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)和反射系統(tǒng)，使入射光平行于主轉(zhuǎn) 動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)入相機(jī)，通過(guò)反射系統(tǒng)將光線會(huì)聚到焦面。這樣的主轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)做掃描運(yùn)動(dòng)，反射系 統(tǒng)做跟隨補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)動(dòng)系統(tǒng)具有無(wú)像旋、偏振小，主鏡口徑小等優(yōu)勢(shì)。但需要保證主、次轉(zhuǎn)動(dòng) 系統(tǒng)的同步運(yùn)動(dòng)性，根據(jù)美國(guó)VIIRS遙感器的資料所述，若兩軸不進(jìn)行同步，每個(gè)掃描周期 相對(duì)于上個(gè)掃描周期，起始位置變化誤差會(huì)變大，將導(dǎo)致地面定位誤差，進(jìn)而影響遙感器的 幾何成像質(zhì)量。兩掃描鏡分別為旋轉(zhuǎn)掃描鏡和半角反射鏡，且同軸安裝，且速度比為2:1。
[0003] 目前多軸系統(tǒng)的同步控制方法主要有機(jī)械同步方式和電同步方式兩大類。機(jī)械同 步方式一般通過(guò)齒輪、鏈條、皮帶等機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)能量傳遞，同步控制精度低，難以實(shí)現(xiàn)高 精度成像要求，且主軸在傳動(dòng)過(guò)程中存在機(jī)械摩擦、齒輪磨損會(huì)產(chǎn)生機(jī)械諧振，當(dāng)高速運(yùn)行 時(shí)諧振會(huì)影響系統(tǒng)穩(wěn)定，極易產(chǎn)生共振，且噪聲大。
[0004] 電同步方式利用控制器和驅(qū)動(dòng)器以及測(cè)量裝置組成，控制靈活，控制精度高。傳統(tǒng) 的電同步控制結(jié)構(gòu)主要包括主令參考式同步、主從參考式同步、交叉耦合式同步等。
[0005] 主令參考式同步控制結(jié)構(gòu)如附圖2所示，兩軸輸入均來(lái)源于規(guī)劃的指令曲線， 兩軸并行工作，互不干擾。其中一個(gè)軸受到擾動(dòng)，其他軸不會(huì)對(duì)其作出響應(yīng)，無(wú)法有效 修正同步誤差(M. Anibal Valenzuela, Robert D. Lorenz. Electrionic line-shafting control for paper machine drives[J].IEEE Transactions on Industry Applications, 2001，37:106~112)。主從參考式同步控制結(jié)構(gòu)如附圖3所示，從軸的輸 入來(lái)自主軸的輸出，主軸的運(yùn)動(dòng)因負(fù)載擾動(dòng)而改變時(shí)，從軸可以對(duì)其作出相應(yīng)的調(diào)節(jié)，但 當(dāng)從軸受擾時(shí)，同步誤差不能得到及時(shí)修正。（Shim H.M, Hong J.P, Chung S.B, Powered wheelchair controller based on master-slave control architecture industrial electronics[J]. IEEE International Symposium on，2001，（3) :1553 ~1556)〇 交叉 耦合式同步控制結(jié)構(gòu)通過(guò)引入誤差反饋的思想，對(duì)兩軸的輸入進(jìn)行補(bǔ)償。比非耦合的 同步方案能實(shí)現(xiàn)更高的同步控制性能，但由于補(bǔ)償?shù)淖饔靡矔?huì)改變主軸的輸入，不能滿 足空間光學(xué)遙感器主轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的掃描運(yùn)動(dòng)軌跡不變的要求。（Koren Y. Cross-coupled biaxial computer control for manufacturing systems[J]. ASME Journal of Dynamic Systems, Measurement and Control, 1980, 102(12):1324 ~1330)〇

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種用于空間光學(xué)遙感 器隨動(dòng)系統(tǒng)的同步控制方法，在規(guī)劃了掃描運(yùn)動(dòng)曲線的基礎(chǔ)上，首先針對(duì)主軸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)設(shè) 計(jì)滿足掃描運(yùn)動(dòng)性能的控制器Q，然后針對(duì)從軸反射鏡設(shè)計(jì)控制器C 2使其閉環(huán)特性與主軸 系統(tǒng)的閉環(huán)特性相當(dāng)，最后以從軸反射鏡閉環(huán)特性為對(duì)象設(shè)計(jì)同步控制器C3，使其跟蹤"0" 指令穩(wěn)定，最后按一定的結(jié)構(gòu)連接Q，C 2, C3。本發(fā)明所述的方法與主令參考式同步、主從參 考式同步相比大幅提高了兩軸同步運(yùn)動(dòng)精度且不影響主轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)軌跡。
[0007] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種用于空間光學(xué)遙感器隨動(dòng)系統(tǒng)的同步控 制方法，所述隨動(dòng)系統(tǒng)包括主軸掃描系統(tǒng)和從軸掃描系統(tǒng)，步驟如下：
[0008] (1)利用預(yù)先設(shè)定的指標(biāo)要求，設(shè)計(jì)主軸掃描系統(tǒng)和從軸掃描系統(tǒng)的位置伺服指 令和6。，所述指標(biāo)包括掃描周期、掃描效率、線性段速度、主從軸跟隨速度比和線性 段起始角度；
[0009] (2)利用預(yù)先給定的已知主軸系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jz，電機(jī)的電流力矩系數(shù)K mz，反電 動(dòng)勢(shì)系數(shù)Kbz，電阻Rz，電感Lz設(shè)計(jì)主軸跟蹤誤差控制器，使主軸系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)掃描運(yùn)動(dòng)控制性 能滿足預(yù)先設(shè)定的掃描線性度要求；
[0010] (3)利用預(yù)先給定的從軸系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J。、電機(jī)的電流力矩系數(shù)Km。、反電動(dòng)勢(shì) 系數(shù)K b。、電阻R。和電感L。設(shè)計(jì)從軸跟蹤誤差控制器，使得從軸跟蹤誤差控制器的閉環(huán)特性 G2與主軸跟蹤誤差控制器的閉環(huán)特性Gi相同；
[0011] (4)以
?為對(duì)象，設(shè)計(jì)同步誤差控制器，使兩軸隨動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定跟蹤0指令穩(wěn) 定；其中匕為從軸跟蹤誤差控制器的閉環(huán)特性，
，匕為從軸跟蹤誤差控制器 的對(duì)象特性，c2為步驟（3)得到的從軸跟蹤誤差控制器，k2為兩軸的轉(zhuǎn)速比；
[0012] (5)在同步誤差控制器的輸出端加上，并減去主軸跟蹤誤差控制器的輸 出，構(gòu)成同步控制閉環(huán)，完成對(duì)空間光學(xué)遙感器兩軸隨動(dòng)系統(tǒng)的同步控制。
[0013] 所述步驟（1)中設(shè)計(jì)主軸掃描系統(tǒng)和從軸掃描系統(tǒng)的位置伺服指令和見(jiàn)， 使主軸掃描系統(tǒng)滿足預(yù)先設(shè)定的指標(biāo)要求，具體為：
[0014] (1-1)根據(jù)空間光學(xué)遙感器主軸系統(tǒng)預(yù)先要求的掃描周期T，掃描效率n，計(jì)算主 軸系統(tǒng)在線性段內(nèi)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間T x和非線性段內(nèi)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間Tf，具體由公式：
[0015] Tx=T*n
[0016] Tf=T*(l_q)
[0017] 給出；
[0018] (1-2)利用步驟（1-1)求得的線性段內(nèi)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間1；和線性段內(nèi)的角度范圍0， 線性段起始角度9 i，計(jì)算線性段內(nèi)主軸位置曲線Comz、主軸速度曲線Speedz和主軸加速度 曲線Acc z，具體由公式：
[0019] Comz= 0 i+Speed^t,,, 0<tm<Tx
[0021] Accz= 〇,〇<tm<Tx
[0022] 給出；
[0023] (1-3)利用步驟（1-2)求得的非線性段內(nèi)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間Tf和線性段速度v，計(jì)算非 線性段內(nèi)主軸位置曲線Comz、主軸速度曲線Speedz和主軸加速度曲線Acc z，具體由公式：
[0024] Comz= ( 0 i+v*Tx) + (A+v) * -A*Tf/2/pi*sin (2*pi/Tf* ) T^t^T
[0025]Speedz= _A*cos (2*pi/T f* (tm_Tx)) + (A+v)，Tx〈tm〈T
[0026]Accz= A*2*pi/T f*sin (2*pi/Tf* (tm_Tx))，Tx〈tm〈T
[0027] 給出，其中 A = (360。-T*v)/Tf;
[0028] (1-4)利用步驟（1-2)和步驟（1-3)中求得的線性段和非線性段內(nèi)主軸位置曲線 Com z、主軸速度曲線Speedz和主軸加速度曲線Acc z，以及預(yù)先給定的主從軸跟隨速度比k， 計(jì)算線性段和非線性段內(nèi)的從軸位置曲線Com。、從軸速度曲線Speed。和從軸加速度曲線 Acc。，具體由公式：
[0029] Comc=k*Comz
[0030] Speedc= k*Speed z
[0031] Accc= k*Acc z
[0032] 給出；
[0033] (1-5)分別生成主軸掃描系統(tǒng)的位置伺服指令和從軸掃描系統(tǒng)的位置伺服指 令Cw，具體由公式：
[0037] 給出。
[0038] 所述步驟⑵中利用預(yù)先給定的已知主軸系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jz，電機(jī)的電流力矩系 數(shù)K mz，反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)Kbz，電阻Rz，電感Lz設(shè)計(jì)主軸跟蹤誤差控制器，使主軸系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)掃描 運(yùn)動(dòng)控制性能滿足掃描線性度要求，具體為：
[0039] 以主軸系統(tǒng)作為被控對(duì)象，利用預(yù)先給定的主軸系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量上，電機(jī)的電流力 矩系數(shù)K mz，反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)Kbz，電阻Rz，電感Lz，得到主軸跟蹤誤差控制器的對(duì)象特性：
[0041] 利用主軸跟蹤誤差控制器的對(duì)象特性設(shè)計(jì)得到主軸跟蹤誤差控制器，使主軸系統(tǒng) 的旋轉(zhuǎn)掃描運(yùn)動(dòng)控制性能滿足預(yù)先設(shè)定的掃描線性度要求。
[0042] 所述步驟⑶利用預(yù)先給定的從軸系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J。、電機(jī)的電流力矩系數(shù)Km。、 反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)K b。、電阻R。和電感L。設(shè)計(jì)從軸跟蹤誤差控制器，使得從軸反射鏡閉環(huán)性能G 2 與主軸系統(tǒng)的閉環(huán)特性匕相同，具體為：
[0043] 以從軸系統(tǒng)為被控對(duì)象，利用預(yù)先給定的從軸系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J。，電機(jī)的電流力矩 系數(shù)K m。，反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)Kb。，電阻R。，電感L。，得到從軸跟蹤誤差控制器的對(duì)象特性：
[0045] 進(jìn)一步得到從軸跟蹤誤差控制器的控制律由公式：
[0047]給出，其中，Q為主軸跟蹤誤差控制器，Pi為主軸跟蹤誤差控制器的對(duì)象特性，P2 為從軸跟蹤誤差控制器的對(duì)象特性。
[0048] 所述步驟（4)以
為對(duì)象，設(shè)計(jì)兩軸同步誤差控制器C3