一种用于空间光学遥感器随动系统的同步控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明设计一种同步控制方法，特别是一种用于空间光学遥感器随动系统的同步 控制方法，属于航天遥感器技术领域。
【背景技术】
[0002] 在空间光学领域遥感器成像过程中，为了获得更加宽广的视野，通常使用扫描系 统将入射光范围扩大，以增大地面的视野及相机的幅宽。由于扫描镜旋转的范围较小，而入 射角与镜面之间的夹角较大，使得光线发生偏振，难以实现大角度扫描。因此在设计过程中 希望入射角能够尽量小。为此，一般需要设计主转动系统和反射系统，使入射光平行于主转 动系统进入相机，通过反射系统将光线会聚到焦面。这样的主转动系统做扫描运动，反射系 统做跟随补偿的运动系统具有无像旋、偏振小，主镜口径小等优势。但需要保证主、次转动 系统的同步运动性，根据美国VIIRS遥感器的资料所述，若两轴不进行同步，每个扫描周期 相对于上个扫描周期，起始位置变化误差会变大，将导致地面定位误差，进而影响遥感器的 几何成像质量。两扫描镜分别为旋转扫描镜和半角反射镜，且同轴安装，且速度比为2:1。
[0003] 目前多轴系统的同步控制方法主要有机械同步方式和电同步方式两大类。机械同 步方式一般通过齿轮、链条、皮带等机械结构实现能量传递，同步控制精度低，难以实现高 精度成像要求，且主轴在传动过程中存在机械摩擦、齿轮磨损会产生机械谐振，当高速运行 时谐振会影响系统稳定，极易产生共振，且噪声大。
[0004] 电同步方式利用控制器和驱动器以及测量装置组成，控制灵活，控制精度高。传统 的电同步控制结构主要包括主令参考式同步、主从参考式同步、交叉耦合式同步等。
[0005] 主令参考式同步控制结构如附图2所示，两轴输入均来源于规划的指令曲线， 两轴并行工作，互不干扰。其中一个轴受到扰动，其他轴不会对其作出响应，无法有效 修正同步误差(M. Anibal Valenzuela, Robert D. Lorenz. Electrionic line-shafting control for paper machine drives[J].IEEE Transactions on Industry Applications, 2001，37:106~112)。主从参考式同步控制结构如附图3所示，从轴的输 入来自主轴的输出，主轴的运动因负载扰动而改变时，从轴可以对其作出相应的调节，但 当从轴受扰时，同步误差不能得到及时修正。（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 耦合式同步控制结构通过引入误差反馈的思想，对两轴的输入进行补偿。比非耦合的 同步方案能实现更高的同步控制性能，但由于补偿的作用也会改变主轴的输入，不能满 足空间光学遥感器主转动系统的扫描运动轨迹不变的要求。（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
【发明内容】
[0006] 本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种用于空间光学遥感 器随动系统的同步控制方法，在规划了扫描运动曲线的基础上，首先针对主轴运动系统设 计满足扫描运动性能的控制器Q，然后针对从轴反射镜设计控制器C 2使其闭环特性与主轴 系统的闭环特性相当，最后以从轴反射镜闭环特性为对象设计同步控制器C3，使其跟踪"0" 指令稳定，最后按一定的结构连接Q，C 2, C3。本发明所述的方法与主令参考式同步、主从参 考式同步相比大幅提高了两轴同步运动精度且不影响主转动系统的运动轨迹。
[0007] 实现本发明目的的技术解决方案为：一种用于空间光学遥感器随动系统的同步控 制方法，所述随动系统包括主轴扫描系统和从轴扫描系统，步骤如下：
[0008] (1)利用预先设定的指标要求，设计主轴扫描系统和从轴扫描系统的位置伺服指 令和6。，所述指标包括扫描周期、扫描效率、线性段速度、主从轴跟随速度比和线性 段起始角度；
[0009] (2)利用预先给定的已知主轴系统的转动惯量Jz，电机的电流力矩系数K mz，反电 动势系数Kbz，电阻Rz，电感Lz设计主轴跟踪误差控制器，使主轴系统的旋转扫描运动控制性 能满足预先设定的扫描线性度要求；
[0010] (3)利用预先给定的从轴系统的转动惯量J。、电机的电流力矩系数Km。、反电动势 系数K b。、电阻R。和电感L。设计从轴跟踪误差控制器，使得从轴跟踪误差控制器的闭环特性 G2与主轴跟踪误差控制器的闭环特性Gi相同；
[0011] (4)以
?为对象，设计同步误差控制器，使两轴随动系统稳定跟踪0指令稳 定；其中匕为从轴跟踪误差控制器的闭环特性，
，匕为从轴跟踪误差控制器 的对象特性，c2为步骤（3)得到的从轴跟踪误差控制器，k2为两轴的转速比；
[0012] (5)在同步误差控制器的输出端加上，并减去主轴跟踪误差控制器的输 出，构成同步控制闭环，完成对空间光学遥感器两轴随动系统的同步控制。
[0013] 所述步骤（1)中设计主轴扫描系统和从轴扫描系统的位置伺服指令和見， 使主轴扫描系统满足预先设定的指标要求，具体为：
[0014] (1-1)根据空间光学遥感器主轴系统预先要求的扫描周期T，扫描效率n，计算主 轴系统在线性段内的运动时间T x和非线性段内的运动时间Tf，具体由公式：
[0015] Tx=T*n
[0016] Tf=T*(l_q)
[0017] 给出；
[0018] (1-2)利用步骤（1-1)求得的线性段内的运动时间1；和线性段内的角度范围0， 线性段起始角度9 i，计算线性段内主轴位置曲线Comz、主轴速度曲线Speedz和主轴加速度 曲线Acc z，具体由公式：
[0019] Comz= 0 i+Speed^t,,, 0<tm<Tx
[0021] Accz= 〇,〇<tm<Tx
[0022] 给出；
[0023] (1-3)利用步骤（1-2)求得的非线性段内的运动时间Tf和线性段速度v，计算非 线性段内主轴位置曲线Comz、主轴速度曲线Speedz和主轴加速度曲线Acc z，具体由公式：
[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] 给出，其中 A = (360。-T*v)/Tf;
[0028] (1-4)利用步骤（1-2)和步骤（1-3)中求得的线性段和非线性段内主轴位置曲线 Com z、主轴速度曲线Speedz和主轴加速度曲线Acc z，以及预先给定的主从轴跟随速度比k， 计算线性段和非线性段内的从轴位置曲线Com。、从轴速度曲线Speed。和从轴加速度曲线 Acc。，具体由公式：
[0029] Comc=k*Comz
[0030] Speedc= k*Speed z
[0031] Accc= k*Acc z
[0032] 给出；
[0033] (1-5)分别生成主轴扫描系统的位置伺服指令和从轴扫描系统的位置伺服指 令Cw，具体由公式：
[0037] 给出。
[0038] 所述步骤⑵中利用预先给定的已知主轴系统的转动惯量Jz，电机的电流力矩系 数K mz，反电动势系数Kbz，电阻Rz，电感Lz设计主轴跟踪误差控制器，使主轴系统的旋转扫描 运动控制性能满足扫描线性度要求，具体为：
[0039] 以主轴系统作为被控对象，利用预先给定的主轴系统转动惯量上，电机的电流力 矩系数K mz，反电动势系数Kbz，电阻Rz，电感Lz，得到主轴跟踪误差控制器的对象特性：
[0041] 利用主轴跟踪误差控制器的对象特性设计得到主轴跟踪误差控制器，使主轴系统 的旋转扫描运动控制性能满足预先设定的扫描线性度要求。
[0042] 所述步骤⑶利用预先给定的从轴系统的转动惯量J。、电机的电流力矩系数Km。、 反电动势系数K b。、电阻R。和电感L。设计从轴跟踪误差控制器，使得从轴反射镜闭环性能G 2 与主轴系统的闭环特性匕相同，具体为：
[0043] 以从轴系统为被控对象，利用预先给定的从轴系统转动惯量J。，电机的电流力矩 系数K m。，反电动势系数Kb。，电阻R。，电感L。，得到从轴跟踪误差控制器的对象特性：
[0045] 进一步得到从轴跟踪误差控制器的控制律由公式：
[0047]给出，其中，Q为主轴跟踪误差控制器，Pi为主轴跟踪误差控制器的对象特性，P2 为从轴跟踪误差控制器的对象特性。
[0048] 所述步骤（4)以
为对象，设计两轴同步误差控制器C3