兩軸水平框架式粗跟蹤結(jié)構(gòu)及其控制系統(tǒng)設(shè)計

康永斌，艾志偉，陳振榮，李 靜

〈系統(tǒng)與設(shè)計〉

兩軸水平框架式粗跟蹤結(jié)構(gòu)及其控制系統(tǒng)設(shè)計

康永斌，艾志偉，陳振榮，李 靜

（桂林航天工業(yè)學(xué)院，廣西 桂林 541004）

根據(jù)天基平臺激光輻照空間碎片捕獲系統(tǒng)的應(yīng)用需求，設(shè)計了一種兩軸水平框架式粗跟蹤結(jié)構(gòu)，提出了一種基于加速度閉環(huán)的PI速度環(huán)控制方法用于實現(xiàn)跟蹤系統(tǒng)的閉環(huán)高帶寬控制和高精度跟蹤。首先，根據(jù)光束傳播路徑和負載幾何尺寸要求設(shè)計了水平式粗跟蹤框架的經(jīng)緯軸結(jié)構(gòu)，并對單軸結(jié)構(gòu)進行了模型簡化，建立了單軸二質(zhì)阻尼剛度簡化模型的動力學(xué)方程；對系統(tǒng)進行了振動分析，根據(jù)系統(tǒng)的諧振頻率和電機鎖定轉(zhuǎn)動頻率確定了跟蹤架主要結(jié)構(gòu)參數(shù)；設(shè)計了一種速度加速度雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，確定了系統(tǒng)控制器和控制參數(shù)；最后對控制系統(tǒng)進行了性能測試。測試結(jié)果顯示，控制系統(tǒng)滿足性能指標要求，相較于帶有結(jié)構(gòu)濾波器的PI速度環(huán)控制系統(tǒng)，帶寬提升了28.2%；基于加速度閉環(huán)的PI速度環(huán)控制系統(tǒng)在調(diào)節(jié)時間上提升了78.6%，超調(diào)量降低了94.08%；基于加速度閉環(huán)的PI位置環(huán)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間為0.085s，超調(diào)量為11.66%，具備較小的跟蹤誤差和較強的抗干擾能力。

天基平臺；粗跟蹤；結(jié)構(gòu)設(shè)計；高帶寬控制

0 引言

應(yīng)用激光清除厘米級空間碎片是一種清潔、高效的空間碎片處理方式[1]。實現(xiàn)激光燒蝕清除空間碎片的基礎(chǔ)是對碎片目標的捕獲和穩(wěn)定跟蹤，復(fù)合軸系統(tǒng)是實現(xiàn)目標捕獲跟蹤的重要手段[2]。忽略激光作用時間時，激光瞄準輻照目標的本質(zhì)也是對目標運動的跟蹤，即想要提高激光清除空間碎片系統(tǒng)的瞄準精度和跟蹤精度，首要目標就是設(shè)計性能優(yōu)良的跟蹤系統(tǒng)[3]。復(fù)合軸光電跟蹤系統(tǒng)包括粗、精兩個子系統(tǒng)，粗跟蹤系統(tǒng)采用大慣量機架，對大視場的運動目標進行捕獲和粗跟蹤，然后再利用快速反射鏡對粗跟蹤過程中的殘余誤差進行小視場的精跟蹤[4]。復(fù)合軸控制系統(tǒng)迅速發(fā)展，在運動平臺光電跟蹤控制領(lǐng)域，兩軸四框架光電跟蹤系統(tǒng)、基于信標光穩(wěn)定的偽星參考系統(tǒng)、基于磁流變平臺的跟蹤系統(tǒng)等，都是復(fù)合軸控制系統(tǒng)的拓展應(yīng)用[5]。

粗跟蹤系統(tǒng)跟蹤架的典型結(jié)構(gòu)有地平式和水平式兩種[6]。兩軸地平式粗跟蹤系統(tǒng)的運動軸由一根與地面垂直可做360°運動的方位軸和一根垂直于方位軸與地面平行的俯仰軸組成；兩軸水平式粗跟蹤系統(tǒng)由一根平行于地面的可做180°運動的經(jīng)軸和與經(jīng)軸垂直的緯軸組成。由于通常情況下天基平臺是部署在外層軌道空間，對內(nèi)層空間的碎片實施清除[7]，當平臺、碎片和地心位于同一直線時，平臺與碎片間距離最短，光束傳輸時間也最短，所以期望激光輻照空間碎片的過程應(yīng)該發(fā)生在距離最短的這段時間附近。

雖然兩軸地平式跟蹤架較水平式跟蹤架具有更大的觀測范圍，但是其在天頂距為零時，方位跟蹤速度會達到無窮大，這意味著目標與平臺距離成最短距離這一小天區(qū)內(nèi)，地平式粗跟蹤平臺無法正常跟蹤目標，而兩軸水平式跟蹤架在天頂范圍內(nèi)具有良好的跟蹤能力和最好的視寧度，因此考慮在天基激光清除空間碎片系統(tǒng)中，粗跟蹤系統(tǒng)跟蹤架的最佳方案是水平式結(jié)構(gòu)[8]，由于水平式跟蹤系統(tǒng)的應(yīng)用場合主要是在天基環(huán)境下，與地平式跟蹤系統(tǒng)相比，不需要考慮風(fēng)擾、大氣湍流等外界環(huán)境變化對跟蹤系統(tǒng)的作用，無需依靠大質(zhì)量的基座抵抗外界高幅低頻的擾動，因而還可以對跟蹤架進行輕量化設(shè)計。

本文針對天基捕獲跟蹤的應(yīng)用需求，設(shè)計了一種兩軸水平式粗跟蹤裝置，在完成結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上，對單軸驅(qū)動電機和負載部分進行了模型簡化，建立了單軸跟蹤架的動力學(xué)模型，根據(jù)振動分析結(jié)果、性能指標要求和與精跟蹤系統(tǒng)之間的帶寬匹配關(guān)系，確定了電機和負載結(jié)構(gòu)參數(shù)，提出了一種基于加速度模型的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，確定了控制系統(tǒng)的控制參數(shù)，最后對水平式跟蹤控制系統(tǒng)的輸出性能進行了驗證和數(shù)據(jù)對比分析，為下一步進行樣機試制奠定基礎(chǔ)。

1 總體設(shè)計和動力學(xué)分析

跟蹤架的主要功能是實現(xiàn)目標的指向、捕獲和粗跟蹤。根據(jù)天基平臺的應(yīng)用需求以及粗、精跟蹤系統(tǒng)之間的帶寬匹配原則，給出粗跟蹤系統(tǒng)跟蹤架的設(shè)計指標如表1所示。

表1 跟蹤架設(shè)計指標要求

設(shè)計的兩軸水平框架式粗跟蹤裝置，如圖1所示。由于粗跟蹤系統(tǒng)是具有大慣量的機架，在結(jié)構(gòu)設(shè)計初始階段，為了控制變量，簡化分析和設(shè)計過程，可將粗跟蹤裝置簡化成集中質(zhì)量剛度阻尼系統(tǒng)，即二質(zhì)剛度阻尼系統(tǒng)[9]，如圖2所示。

圖1 兩軸水平框架式粗跟蹤裝置

圖2 二質(zhì)剛度阻尼系統(tǒng)

下面以緯軸為例，對跟蹤架分析和控制系統(tǒng)設(shè)計過程進行說明。在對跟蹤架運動軸進行動力學(xué)分析的過程中，不僅要確認系統(tǒng)的固有頻率，還要確定電機在鎖定各軸繞回轉(zhuǎn)軸線的扭轉(zhuǎn)諧振頻率-鎖定轉(zhuǎn)動頻率，這是合理設(shè)計控制系統(tǒng)、預(yù)測系統(tǒng)動力學(xué)特性的基礎(chǔ)。根據(jù)圖2中所示關(guān)系，可以得到在電機端存在如下動力學(xué)方程：

式中：1是電機轉(zhuǎn)動慣量；1()是電機轉(zhuǎn)角輸出信號；2()是負載輸出轉(zhuǎn)角信號；是電機與負載連接阻尼系數(shù)；是電機與負載連接剛度；e是電機輸入轉(zhuǎn)矩。負載端存在如下動力學(xué)方程：

式中：2是負載轉(zhuǎn)動慣量。聯(lián)立式(1)和式(2)進行拉普拉斯變換，容易得到電機輸入轉(zhuǎn)矩到電機輸出角速度的傳遞函數(shù)v()為：

公式(3)中含有一對共軛的復(fù)極點，根據(jù)復(fù)極點在復(fù)平面的位置，可以計算得到系統(tǒng)的諧振頻率nr和阻尼nr分別為：

由于電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量遠小于負載的轉(zhuǎn)動慣量，所以系統(tǒng)的諧振頻率和阻尼系數(shù)可以簡化為：

電機的鎖定轉(zhuǎn)動頻率lr和阻尼lr分別為：

從公式(5)(6)中可以看出，電機與負載的連接剛度越大、轉(zhuǎn)動慣量越小，系統(tǒng)的諧振頻率和鎖定轉(zhuǎn)動頻率越高，振蕩幅值越小。為了定量確定轉(zhuǎn)動慣量對頻率特性的影響，定義如下關(guān)系：

為了避免系統(tǒng)發(fā)生諧振，系統(tǒng)的諧振頻率應(yīng)該盡量遠離閉環(huán)帶寬，也就是說系統(tǒng)連接剛度應(yīng)該盡可能大以保證固有頻率遠高于閉環(huán)帶寬，或者是讓系統(tǒng)閉環(huán)帶寬應(yīng)該盡可能小。但是，為了使系統(tǒng)可以準確復(fù)現(xiàn)輸入信號，又要求系統(tǒng)閉環(huán)帶寬在高頻擾動作用范圍外盡量高。為了平衡上述矛盾，應(yīng)該讓連接剛度足夠大以保證諧振頻率高于閉環(huán)帶寬，在避免諧振問題的同時實現(xiàn)高帶寬控制。一般認為，設(shè)計過程中系統(tǒng)諧振頻率與帶寬b之間應(yīng)滿足如下要求[10]：

系統(tǒng)的一階諧振頻率wnr受控于電機轉(zhuǎn)動慣量和連接剛度，系統(tǒng)運行過程中這兩個量的變化很小，可忽略不計，因此將wnr作為基準數(shù)值，根據(jù)系統(tǒng)性能要求取wnr＝14Hz，通過選取不同的轉(zhuǎn)動慣量比值g，進行頻率特性對比分析，仿真結(jié)果如圖3所示，從圖中可以看出電機和負載的轉(zhuǎn)動慣量比值是影響系統(tǒng)頻率特性的重要因素，負載轉(zhuǎn)動慣量越大，鎖定轉(zhuǎn)動頻率越低，反諧振峰值越大。設(shè)備運行過程中，轉(zhuǎn)動慣量的改變將對控制對象模型產(chǎn)生很大影響。

根據(jù)上述分析結(jié)果，確定的跟蹤架主要參數(shù)如表2所示。根據(jù)上述參數(shù)設(shè)計的緯軸跟蹤架頻率響應(yīng)如圖4所示，從圖中可以看出，系統(tǒng)的諧振頻率為14.1Hz，鎖定轉(zhuǎn)動頻率為2.06Hz。

表2 跟蹤架參數(shù)指標

2 控制系統(tǒng)設(shè)計與分析

通過上述分析可以看出系統(tǒng)在鎖定轉(zhuǎn)動頻率處出現(xiàn)了較大的振蕩，在諧振頻率處出現(xiàn)了較大的峰值。為了抑制諧振峰值，保持系統(tǒng)動態(tài)性能的穩(wěn)定性，通常是在系統(tǒng)中引入陷波器衰減諧振頻率處的諧振峰，帶有結(jié)構(gòu)濾波器的PI速度環(huán)控制系統(tǒng)如圖5所示。圖中()是速度環(huán)PI控制器，f()是結(jié)構(gòu)濾波器，v()是受控對象的速度模型。

圖4 角速度模型傳遞函數(shù)伯德圖

圖5 帶有結(jié)構(gòu)濾波器的PI速度環(huán)控制系統(tǒng)

結(jié)構(gòu)濾波器傳遞函數(shù)表示如下：

式中：fz是陷波頻率，等于系統(tǒng)的諧振頻率。fp等于系統(tǒng)的鎖定轉(zhuǎn)動頻率，即fz＝nr，fp＝lr；fz,fp分別為結(jié)構(gòu)濾波器的零、極點阻尼系數(shù)；為了實現(xiàn)對被控對象的零極點對消，設(shè)計的結(jié)構(gòu)濾波器應(yīng)該滿足fz＝nr，fp＝lr，結(jié)構(gòu)濾波器頻率特性曲線，如圖6所示。

對于單位負反饋系統(tǒng)而言，此時速度控制系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為：

式中：kp, ki是PI控制器的控制參數(shù)。

帶有結(jié)構(gòu)濾波器的PI速度環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)頻率特性曲線如圖7所示。從圖中可以看出，整個頻段被分成了低頻、中頻、中高頻、高頻4部分。由于雙積分環(huán)節(jié)和二階微分環(huán)節(jié)的作用，系統(tǒng)在低頻段以－40dB的斜率快速衰減并在中頻段保持常數(shù)，在中高頻段和高頻段，分別以－40dB和－20dB的斜率衰減。但是從中頻段向中高頻段過渡時，會在系統(tǒng)中引入新的振蕩。帶有結(jié)構(gòu)濾波器的PI速度環(huán)控制系統(tǒng)，靈敏度函數(shù)為：

式中：Gvk是速度開環(huán)傳遞函數(shù)。上式表明帶有結(jié)構(gòu)濾波器的PI速度控制系統(tǒng)靈敏度是由速度開環(huán)特性決定的。

上述控制系統(tǒng)需要設(shè)計兩個控制器，為了減少控制器個數(shù)，考慮到不完全微分PID控制也可以通過引入二階微分環(huán)節(jié)對系統(tǒng)諧振峰進行抑制，嘗試在控制系統(tǒng)中引入不完全微分控制用于代替PI控制器和結(jié)構(gòu)濾波器的作用。

式中：p是比例環(huán)節(jié)系數(shù)；i是積分環(huán)節(jié)系數(shù)；d是微分環(huán)節(jié)系數(shù)；1是慣性環(huán)節(jié)時間常數(shù)。

系統(tǒng)的角速度模型可寫成：

此時系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為：

不完全微分PID控制速度環(huán)控制系統(tǒng)框圖如圖8所示。系統(tǒng)開環(huán)頻率特性曲線如圖9所示。從圖9中可以看到，開環(huán)系統(tǒng)在低頻段同樣是一個－40dB的傾斜直線，在中頻段，系統(tǒng)展示出直線，實現(xiàn)一定的帶寬，在高頻段，系統(tǒng)有－20dB的傾斜，能衰減作用在系統(tǒng)中的高頻噪聲。

根據(jù)系統(tǒng)帶寬要求，對應(yīng)的期望特性中頻段的截止頻率取為c＝87.9rad/s，此時有：

進而得到下列等式：

圖9 不完全微分PID速度環(huán)控制系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性曲線

增益1的計算公式為：

式中：＝1c23－c24＋1；＝1c34＋c3－1c。

實際系統(tǒng)在獲得上述頻域特性時，根據(jù)上述等式可以得到方程組：

由于跟蹤架在運行的過程中，緯軸轉(zhuǎn)動慣量會隨著鏡筒位置的移動而改變，經(jīng)軸負載轉(zhuǎn)動慣量亦會隨著緯軸運動而發(fā)生改變，系統(tǒng)阻尼系數(shù)也會受到負載運動位置、速度和工作環(huán)境的影響，所以經(jīng)、緯軸的諧振頻率和諧振峰值也會因此而發(fā)生改變，但是結(jié)構(gòu)濾波器的頻率卻是固定，此時不論是帶有結(jié)構(gòu)濾波器的PI控制還是不完全微分PID控制不僅不能起到衰減振蕩的目的，可能還會在系統(tǒng)中引發(fā)新的振蕩點。此外，這兩種控制系統(tǒng)雖然具有較好的動態(tài)性能，但是也容易因為擾動無法被快速抑制造成系統(tǒng)穩(wěn)定精度下降。針對這一問題，提出了一種在速度環(huán)中增加加速度環(huán)的控制系統(tǒng)，以增強負載擾動的魯棒性，同時實現(xiàn)對機械諧振的抑制。基于加速度閉環(huán)的PI速度環(huán)控制系統(tǒng)如圖10所示。

加速度模型中存在二階振蕩環(huán)節(jié)，使得加速度環(huán)控制系統(tǒng)在使用過程中會存在低階振蕩；為了消除加速度閉環(huán)中二階振蕩環(huán)節(jié)，設(shè)計的加速度環(huán)控制器為：

對于單位負反饋系統(tǒng)而言，基于加速度閉環(huán)的PI速度環(huán)控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：

根據(jù)公式繪制出加速度環(huán)控制系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性曲線如圖11所示。

系統(tǒng)靈敏度函數(shù)為：

即速度加速度控制系統(tǒng)輸出響應(yīng)對模型變化的靈敏度降低，模型變化后速度加速度控制系統(tǒng)有更高的適應(yīng)能力。

設(shè)計完成基于加速度閉環(huán)的PI速度環(huán)控制系統(tǒng)后，進一步設(shè)計位置環(huán)控制系統(tǒng)，基于加速度閉環(huán)的PI位置環(huán)控制系統(tǒng)如圖12所示，圖中()是位置環(huán)控制器。

圖12 基于加速度閉環(huán)的PI位置環(huán)控制系統(tǒng)

對于單位負反饋系統(tǒng)而言，此時基于加速度閉環(huán)的PI位置環(huán)控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：

3 性能測試

采用帶有結(jié)構(gòu)濾波器的PI控制器參數(shù)：p＝25,i＝250，帶有陷波器的PI控制系統(tǒng)的閉環(huán)頻率特性如圖13所示。系統(tǒng)在諧振頻率和鎖定轉(zhuǎn)動頻率處會出現(xiàn)微小的振蕩，其閉環(huán)帶寬為11.7Hz，其帶寬符合精跟蹤的要求，但系統(tǒng)在過渡階段還存在諧振和峰值。

當系統(tǒng)采用不完全微分PID速度控制系統(tǒng)時，不完全微分PID在消除了速度模型的二階振蕩環(huán)節(jié)，由于系統(tǒng)速度數(shù)學(xué)模型的分子同為二階振蕩環(huán)節(jié)，使不完全微分PID速度控制系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)中仍存在著二階振蕩環(huán)節(jié)，系統(tǒng)在鎖定轉(zhuǎn)動頻率處始終存在著振蕩。因此，不完全微分PID控制無法消除速度控制系統(tǒng)的諧振，系統(tǒng)閉環(huán)頻率特性如圖14所示。

為了更好地消除諧振，增加系統(tǒng)帶寬，提出了速度環(huán)中增加加速度環(huán)的控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的閉環(huán)頻率特性如圖15所示，系統(tǒng)采用PI控制器和加速度閉環(huán)，其中p＝80,i＝100，消除了加速度模型的二階振蕩環(huán)節(jié)，系統(tǒng)的閉環(huán)特性曲線不存在諧振，相較于PI速度環(huán)控制器系統(tǒng)帶寬在符合精跟蹤要求的同時，由11.7Hz提升到15Hz。

圖13 帶有結(jié)構(gòu)濾波器的PI速度環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)頻率特性

圖14 不完全微分PID速度環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)頻率特性

圖15 基于加速度閉環(huán)的PI速度環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)頻率特性

進一步比較帶有結(jié)構(gòu)濾波器的PI速度環(huán)控制系統(tǒng)和基于加速度閉環(huán)的PI速度環(huán)控制系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線如圖16所示。

由圖16可知，帶有結(jié)構(gòu)濾波器的PI速度環(huán)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間為0.145s，超調(diào)量為9.65%；基于加速度閉環(huán)的PI速度環(huán)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間為0.031s，超調(diào)量為0.57%?；诩铀俣乳]環(huán)的PI速度環(huán)控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標要優(yōu)于帶有結(jié)構(gòu)濾波器的PI速度環(huán)控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標。相較于帶有結(jié)構(gòu)濾波器的PI速度環(huán)控制系統(tǒng)，帶寬提升了28.2%；基于加速度閉環(huán)的PI速度環(huán)控制系統(tǒng)在調(diào)節(jié)時間上提升了78.6%，超調(diào)量降低了94.08%。

圖16 單位階躍響應(yīng)曲線

在確定加速度閉環(huán)的PI速度環(huán)控制系統(tǒng)后，為了使系統(tǒng)能夠更加精準地捕獲目標物體的位置，以此為基礎(chǔ)進一步設(shè)計基于加速度閉環(huán)的PI位置環(huán)控制系統(tǒng)，()位置環(huán)控制器采用PI控制規(guī)律，其控制參數(shù)p1＝50,i1＝10，位置環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)頻率特性如圖17所示，系統(tǒng)的閉環(huán)帶寬為12.4Hz，符合與精跟蹤系統(tǒng)的帶寬匹配要求；根據(jù)控制系統(tǒng)框圖搭建基于加速度閉環(huán)的PI位置環(huán)控制系統(tǒng)的simulink仿真模型，進一步得出系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線如圖18所示，基于加速度閉環(huán)的PI位置環(huán)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間為0.085s，超調(diào)量為11.66%。

基于加速度閉環(huán)的PI位置環(huán)控制系統(tǒng)的simulink仿真模型如圖19所示；同時，輸入幅值為1的正弦噪聲干擾信號，測試系統(tǒng)的抗干擾能力，系統(tǒng)的干擾信號輸出曲線如圖20所示，系統(tǒng)具有較強的抗干擾能力，干擾信號對輸出的影響較小；當干擾信號為零時，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差信號輸出曲線如圖21所示，系統(tǒng)進入穩(wěn)態(tài)后其跟蹤誤差為零，具有較高的控制精度。

圖17 基于加速度閉環(huán)的PI位置環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)頻率特性

圖18 基于加速度閉環(huán)的PI位置環(huán)控制系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線

圖19 基于加速度閉環(huán)的PI位置環(huán)控制系統(tǒng)的simulink仿真模型

圖20 正弦干擾信號輸出曲線

圖21 穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差輸出曲線

4 結(jié)論

通過基于結(jié)構(gòu)濾波器的PI控制系統(tǒng)，設(shè)計PI控制器參數(shù)，利用陷波器消除系統(tǒng)的諧振峰值，實現(xiàn)對被控對象速度模型振蕩環(huán)節(jié)的對消，通過測試閉環(huán)特性曲線，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)還會存在諧振。因此，進一步考慮不完全微分PID控制系統(tǒng)的設(shè)計，由于被控對象的速度模型分子和分母都存在二階環(huán)節(jié)，這使得系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)中仍存在二階振蕩環(huán)節(jié)，系統(tǒng)的閉環(huán)特性曲線在鎖定轉(zhuǎn)子頻率處仍存在著反諧振。為了有效解決系統(tǒng)諧振峰值，提出一種基于加速度閉環(huán)的PI控制方法；通過設(shè)計加速度環(huán)控制器，消除角加速度模型中的二階振蕩環(huán)節(jié)，再通過PI控制器進一步提升系統(tǒng)的閉環(huán)帶寬。通過比較帶有陷波器的PI速度環(huán)控制系統(tǒng)、不完全微分PID速度環(huán)控制系統(tǒng)和PI加速度環(huán)控制系統(tǒng)的參數(shù)指標，PI加速度閉環(huán)控制系統(tǒng)在滿足精跟蹤要求的同時，有效地提升了系統(tǒng)的閉環(huán)帶寬。因此，PI加速度閉環(huán)控制系統(tǒng)在滿足精跟蹤帶寬要求的同時，可實現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)高帶寬控制；同時，進一步設(shè)計的基于加速度閉環(huán)的PI位置環(huán)控制系統(tǒng)能夠與精跟蹤裝置實現(xiàn)帶寬匹配，具備較小的跟蹤誤差和較強的抗干擾能力。

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Structure and Control System Design for Two Axes Horizontal Coarse Tracking Frame

KANG Yongbin，AI Zhiwei，CHEN Zhenrong，LI Jing

(Guilin University of Aerospace Technology, Guilin 541004, China)

A two-axis horizontal frame coarse tracking was designed using the application requirements of space debris capture systems. A PI speed loop control method based on closed-loop acceleration was proposed to realize closed-loop high bandwidth control and high-precision tracking accuracy. First, the horizontal coarse tracking frame was designed based on the beam propagation path and geometric load size requirements. The model of the single-axis structure was simplified, and a dynamic equation for the simplified model of the damping stiffness of the two-dimensional single axis was established. Subsequently, vibration analysis was performed to determine the resonance frequency, locked rotation frequency, and main structural parameters of the tracking frame. Third, a double closed-loop control system with velocity and acceleration feedback was designed, and the parameters of the control system were determined. Finally, a performance test of the control system was conducted. The results showed that the control system meets the performance demands. The bandwidth of the control system was 28.2% greater than that of the PI speed loop control system. The PI speed loop control system based on closed-loop acceleration improved the adjustment time by 78.6% and reduced the overshoot by 94.08%. The PI position loop control system based on closed-loop acceleration had an adjustment time of 0.085s and an overshot of 11.66%, which exhibited a small tracking error and strong anti-interference ability.

space based platform, course tracking, structural design, high bandwidth control

TH74

A

1001-8891(2022)07-0732-09

2021-06-29；

2021-08-06.

康永斌（2000-），男，本科生，主要研究內(nèi)容為光學(xué)精密儀器控制。E-mail：1277639381@qq.com。

李靜（1983-），女，副教授，主要研究方向為機器人技術(shù)、機械電子技術(shù)應(yīng)用。E-mail：jinglijl@126.com。

廣西大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（202111825089）。