基于PI迟滞模型的压电变形镜控制技术研究

摘要

自适应光学通过控制变形镜镜面形貌来实时补偿光学像差，在天文观测、生物技术、激光工业、视网膜成像及激光通信等方面具有广阔的应用前景。压电变形镜由于其具有分辨率高、响应速度快、驱动力大等优点，得到广大研究人员的青睐，但是压电变形镜的迟滞非线性直接导致了系统开环控制精度及闭环工作带宽的降低。本文的研究目的是对压电变形镜的迟滞非线性特性进行消除，主要分以下几方面：
　　（1）首先对压电变形镜的迟滞非线性进行了分析，同时基于迟滞非线性模型控制方法，详细描述了PI迟滞模型，给出了迟滞模型参数选取和辨识的方法以及PI逆模型的计算。
　　（2）其次搭建了基于哈特曼波前传感器的自适应光学测试实验系统。利用PI迟滞模型建立环形致动器的迟滞模型，通过最小二乘法优化算子数，当算子数为9个时综合性能较好。对离焦面形进行前馈控制，实验结果表明：经过迟滞消除后环形致动器迟滞由9.3%降低到1.2%。对于幅值为变幅值三角波（最大幅值为0.43μm）的离焦面形，其重构误差的RMS值由迟滞消除前的14.6 nm下降为迟滞消除后的4.0 nm，重构精度提高72.6%。对于随机幅值的离焦面形重构，误差面形的RMS值从迟滞消除前的13.7 nm下降为迟滞消除后的3.5 nm，重构精度提高了74.5%。
　　（3）最后对于19单元压电变形镜，利用PI迟滞逆模型计算其控制电压，实现对压电变形镜的迟滞消除。实验结果表明：经过迟滞消除后变形镜的迟滞量由近10%降低到1%左右。在重构经典像差时，对于随机幅值的Z3像散面形重构，重构误差的RMS值从迟滞消除前的14.4 nm下降到迟滞消除后的2.4 nm，重构精度提高83.3%。对于随机复杂面形(Z3，Z4，Z5和Z6的系数最大分别为0.25，0.2，0.25和0.1μm)的重构，误差系数分别从-12.2，-12.4，-7.0和-10.8 nm下降到-6.4，-6.4，-2.4和-6.5 nm，精度提高在50%左右。

目录

声明

1绪论

1.1自适应光学与压电变形镜

1.2压电变形镜的迟滞问题

1.3研究目的和内容

2压电变形镜的PI迟滞建模

2.1 PI迟滞模型

2.2模型参数的选取和辨识

2.3 PI迟滞逆模型

2.4压电变形镜迟滞建模

2.5本章小结

3单致动器前馈控制

3.1自适应光学系统实验平台

3.2环形致动器的迟滞建模

3.3基于环形致动器的离焦前馈控制实验

3.4本章小结

4压电变形镜前馈控制

4.1压电变形镜性能测试

4.2 19单元变形镜迟滞建模

4.3变形镜面形前馈控制实验

4.4本章小结

5结论和展望

5.1结论

5.2展望

参考文献

在学研究成果

致谢