中国科学院南京天文光学技术研究所机构知识库

开展音圈电机变形镜技术的研究是地基大型天文光学望远镜发展的重要趋势。作为自适应光学系统关键部件之一的自适应变形镜，国内主要是基于压电材料驱动的，且应用较广泛，但其存在行程小、驱动电压大、迟滞等问题，基于音圈电机促动器驱动的变形镜可以弥补上述缺点。但音圈电机变形镜也存在一些不足，如变形镜含大量促动器，促动器之间存在结构耦合，导致促动器之间的相互影响较大；促动器内部线圈温升较大导致促动器特性参数易受影响，传统PID控制难以实时自整定控制参数以适应系统变化等问题。针对上述不足，本文对音圈电机变形镜控制系统进行了研究。本文的主要研究内容和方法如下： 

（1）提出了多音圈电机促动器并行控制的方案，其中每一个音圈电机促动器的控制均采用基于位置环的闭环负反馈控制，且均采用查表式模糊PID控制算法。 
（2）通过机理分析法和辨识方法相结合的方式，得到了音圈电机促动器的数学模型。在仿真环境中，对音圈电机促动器分别使用PID控制、模糊控制、模糊PID控制算法进行控制，并对比了它们的控制效果。离线计算并整理了模糊PID控制器所用的模糊控制查询表。 
（3）基于NI CompactRIO，对音圈电机变形镜控制系统进行了软件开发，其中包括TCP通信程序和控制程序的设计。搭建了六单元音圈电机变形镜控制的实验平台。分别使用查表式模糊控制算法和PID控制算法对音圈电机变形镜进行控制，并从音圈电机促动器的阶跃响应、稳态定位精度、正弦信号跟踪等几个方面的表现进行分析研究。 

研究结果表明，与传统PID算法相比，查表式模糊PID控制算法可以对音圈电机促动器响应过程的超调量、调节时间等动态性能指标进行较好地改善，且使用查表式模糊PID控制算法的促动器抵抗相邻促动器干扰的能力较强。在稳态定位精度方面，PID控制和查表式模糊PID控制的定位误差RMS可达8nm，优于课题研究的技术指标要求（10nm）。在促动器正弦信号跟踪实验中，相较于PID控制器，查表式模糊PID控制器具有更小的跟踪误差。综上所述，查表式模糊PID控制算法对改善系统动态性能和提高促动器的抗扰能力具有有效性，同时也满足高精度定位的要求，具有一定的工程应用价值和较高的实用性。