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光束稳定与振动控制的光机电一体化系统研究

作　者: 范国滨
导　师: 贾建援
学　校: 西安电子科技大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 机械振动 光学失调 振动控制 光束稳定控制 光机电一体化
分类号: TH-39
类　型: 博士论文
年　份: 2004年
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内容摘要


随着光学系统的应用领域不断扩展，凝集大量研究成果的装备走出实验室进入实际应用环境。处于恶劣振动环境下的高精度激光加工设备、测量设备和车、机、弹等运载激光系统，不可回避机械振动对成像质量、测量精度和目标跟踪瞄准精度的影响。本文以激光通信和高能激光武器的ATP技术需求为应用背景，研究了振动环境下光学系统的光束稳定与振动控制技术。论文完成的主要工作有： 1、基于几何光学及矩阵光学理论，针对近轴光学系统的振动失调量的预估分析，推导了光学透镜和平面反射镜的振动失调光束传输变换矩阵，给出了光学透镜和平面反射镜在三维位移失调状态下的光线传输追迹方程，建立了光学系统的三维振动失调光束传输的递推模型，为光路系统的振动失调量的预估分析提供了理论方法，并为光束稳定自适应控制的仿真分析奠定良好基础。以某聚焦扩束望远镜系统的振动失调光束传输预估问题为例，用C++语言编制了分析计算程序，得到了合理的预估分析结果。 2、基于线弹性小变形机械振动理论及结构分析的有限元方法，描述了光学平台结构模态特征和振动位移响应的动力分析方法，给出周期性激振和平稳随机振动下的动力响应表达式。提出了将时域动态响应、频率响应函数和均方根值作为机械振动对光束传输性能影响的定量评价值。以某置于光学平台上的聚焦扩束望远镜系统的振动失调量问题为例，进行了结构的有限元法动力分析，得到了该失调光学系统的时域动态响应、频率响应函数和均方根值。 3、针对光学平台的基础振动被动隔离技术，建立了平台结构的刚体动力学模型，给出了平台刚体结构的六自由度隔振传递率的公式，计算和比较了刚性支撑、空气弹簧柔性支撑和不同阻尼比对隔振效果的影响。针对平台基础振动被动隔离的特殊要求，给出了将平动激励与转动响应解耦的原则，提出了调整空气弹簧刚度的解耦方法，运用广义逆矩阵给出了调整刚度的设计公式。 4、针对驱动跟踪瞄准装置(ATP)引起的平台自激振动问题，提出了光学平台自激振动的主动控制原理，基于Lagrange—Maxwell方程建立了机电系统的动力学微分方程，给出了自激振动的主动控制策略和算法，并进行了某光学平台振动主动控制的数值仿真分析。针对光学平台基础振动与平台上自激振动的协调控制问题，探讨了将基础振动被动隔离技术与自激振动的主动控制相结合的可行性。 5、基于振动失调光路系统的光束传输分析，提出一种光束稳定控制的基本思想，研究了光束指向失调量的检测方法，探讨了快速倾斜反射镜的作动位移和振动位移的检测方法，并给出了获取期望作动位移的算法。光束稳定与振动控制的光机电一体化系统研究 6、针对本文构思的一种三自由度压电杆作动器，给出了其结构及工作原理，推导出这种压电作动器的作动方程，并建立了作动系统的动力学方程。基于自适应控制的基本思想，建立了顺馈与反馈复合的自适应控制系统仿真分析模型，给出了具有二阶收敛特性的控制律，分析了自适应控制系统的硬件组成，对系统的工作原理给出了框图描述。以某光学平台光路系统的光束稳定问题为例，给出了合理的数值仿真结果。 光束稳定与振动控制的光机电一体化系统研究涉及多学科知识的交叉，是个崭新的多学科交叉的研究方向，其系统化的指导理论、研究方法和关键技术还不够成熟。本文对该领域的科学研究和工程应用进行了较为深入的探索。 关键词:机械振动光学失调振动控制光束稳定控制光机电一体化

全文目录


第一章 绪论  11-25
  1．1 激光通信  11-14
    1．1．1 激光通信概述  11-12
    1．1．2 激光通信系统的组成与工作原理  12-13
    1．1．3 激光通信的关键技术  13-14
  1．2 机动战术高能激光武器  14-17
    1．2．1 激光武器概述  14-15
    1．2．2 激光武器系统的组成及毁伤机理  15-16
    1．2．3 影响机动战术高能激光武器指向精度的关键技术  16-17
  1．3 车载移动光学平台的光机电一体化技术  17-23
    1．3．1 被动与主动振动控制技术  17-22
    1．3．2 光束指向稳定自适应控制技术  22-23
  1．4 本文的主要工作  23-25
    1．4．1 论文的主要研究内容  23-24
    1．4．2 论文的主要研究成果  24-25
第二章 振动失调光路系统的矩阵光学建模  25-42
  2．1 矩阵光学理论概述  25-27
    2．1．1 轴对称光学元件的理想光线传输  25
    2．1．2 轴对称光学元件的理想光线传输矩阵  25-27
  2．2 光学透镜的振动失调光束传输变换  27-31
    2．2．1 光学透镜刚体位移扰动失调的光线传输  28-30
    2．2．2 两光学透镜间的失调光线传输变换  30-31
  2．3 平面反射镜的振动失调光线传输变换  31-35
    2．3．1 二维反射镜的理想光线传输追迹方程  32
    2．3．2 二维反射镜的位移失调光线传输追迹方程  32-33
    2．3．3 三维平面反射镜的位移失调光线传输追迹方程  33-35
  2．4 光学系统的振动失调光束传输模型  35-37
    2．4．1 带有平面反射镜的位移失调光学系统的光线传输  35-36
    2．4．2 位移失调光学系统的光线传输  36-37
  2．5 某聚焦扩束望远镜系统的振动失调光束传输模型  37-40
    2．5．1 透镜组的光束指向失调  37-39
    2．5．2 反射镜的光束指向失调  39-40
  2．6 小结  40-42
第三章 机械振动及其对光束传输的影响  42-58
  3．1 光学平台的机械振动理论  42-45
    3．1．1 光学平台结构的振动响应  42-43
    3．1．2 广义特征值问题  43
    3．1．3 周期性激振的动力响应  43-44
    3．1．4 平稳随机振动的动力响应  44-45
  3．2 机械振动对光束传输性能的影响  45-48
    3．2．1 光束失调量的时域动态响应  45-46
    3．2．2 光束失调量的频率响应函数  46
    3．2．3 光束失调量的均方根值  46-48
  3．3 蜂窝芯光学平台  48-53
    3．3．1 机械振动环境下某蜂窝结构光学平台的有限元动力分析  49-52
    3．3．2 蜂窝平台和加筋板平台的阻尼对比分析  52-53
  3．4 某光学平台光路系统的失调光束传输性能分析  53-56
    3．4．1 光束失调量的时域动态响应  54-55
    3．4．2 光束失调量的频率响应特性  55-56
    3．4．3 光束失调量的均方根值  56
  3．5 小结  56-58
第四章 光学平台的振动控制技术  58-92
  4．1 光学平台的基础振动隔离技术  58-64
    4．1．1 平台结构的刚体动力学模型  58-63
    4．1．2 基于空气弹簧的光学平台振动隔离技术  63-64
  4．2 空气弹簧的阻尼减振技术  64-67
  4．3 光学平台自激振动的主动控制技术  67-79
    4．3．1 光学平台自激振动的主动控制原理  67-69
    4．3．2 跟踪瞄准装置的机电动力学仿真模型  69-76
    4．3．3 跟踪瞄准与振动主动控制算法  76-79
  4．4 某光学平台振动主动控制的数值仿真分析实例  79-91
    4．4．1 平台在基础振动激励下的被动控制效果  79-83
    4．4．2 柔性支撑平台的自激振动主动控制  83-91
  4．5 小结  91-92
第五章 振动环境下光路系统的光束稳定技术  92-107
  5．1 光束稳定与自适应控制技术  92-93
    5．1．1 失调光路系统的光束传输  92-93
    5．1．2 光束稳定控制的基本思想  93
  5．2 检测器的光电检测原理  93-97
    5．2．1 光束指向失调量的检测方法  93-94
    5．2．2 期望作动位移的检测与获取  94-95
    5．2．3 反射镜作动位移的检测方法  95-97
    5．2．4 关于发射镜的振动位移控制与位移检测技术的探讨  97
  5．3 动态位移作动的压电驱动装置  97-101
    5．3．1 压电作动器的结构及工作原理  97-100
    5．3．2 压电作动器的作动方程  100-101
    5．3．3 作动器的动力学方程  101
  5．4 光束稳定的自适应控制系统模型  101-104
    5．4．1 自适应控制系统仿真分析模型  101-103
    5．4．2 自适应控制的系统组成与工作原理框图  103-104
  5．5 某光学平台光路系统的光束稳定性能数值仿真结果  104-105
  5．6 小结  105-107
第六章 总结与展望  107-110
  6．1 论文工作总结  107-108
  6．2 研究工作展望  108-110
致谢  110-111
参考文献  111-116
作者攻读博士学位期间的研究成果  116

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中图分类: > 工业技术 > 机械、仪表工业 > 机械仪表工业研究方法、工作方法 > 机电一体化
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