【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及天文望远镜的自适应光学系统，具体涉及自适应光学系统中自适应变形镜的超磁致伸缩致动器控制系统。
技术介绍
1、自适应光学系统是能够自动调整光学系统来降低大气湍流对成像影响的技术，能提高大型天文望远镜的成像质量，其中用于驱动自适应变形镜的控制器是自适应光学系统的重要组成部分，对自适应光学系统的校正效果有重要影响。
2、自上世纪六七十年代，美国首先开始研究自适应光学技术，至上世纪七八十年代，中国与欧洲其他国家也开始发展自适应光学技术，中国科学院光电技术研究所是我国最早一批开展自适应光学研究的研究所。目前国内外主流的自适应变形镜致动器包括音圈致动器、压电陶瓷致动器和超磁致伸缩致动器，其中音圈致动器已经在欧洲甚大望远镜及美国大型双筒望远镜得到了应用，而国内对压电陶瓷致动器的研究也比较深入。而超磁致伸缩致动器现在应用较少，但其具有能量转换率高，变形伸缩量大，响应速度快等优点，同样适用于自适应变形镜的驱动，
3、超磁致伸缩致动器是基于磁致伸缩效应的驱动器，具有磁滞效应，通常可以通过建立preisach模型进行补偿控制，preisach模型是一种与迟滞机理无关的实验数据模型，但存在控制精度低、实验数据采集量大、模型对已知数据利用率低、模型输出易受采集误差量影响的缺点。另外，preisach模型是依赖采集数据实现的模型，大量的采集点使得编写的控制程序庞大复杂，占用了过多的硬件资源，影响了控制系统的运行速度，而控制速度对自适应变形镜的控制至关重要。
技术实现思路
2、为实现本专利技术的目的，本专利技术通过以下技术方案实现：一种基于曲线预测的超磁致伸缩致动器控制系统及控制方法，包括超磁致伸缩致动器、电容式传感器、功率放大器、控制器、上位机。
3、所述上位机用于下发位置指令给控制器。所述电容式传感器用于检测超磁致伸缩致动器位置信息并将信息传递给控制器。所述控制器根据上位机位置指令、电容式传感器检测的超磁致伸缩致动器位置信息，利用控制算法计算控制输出。所述功率放大器接收控制器电压输出信号并输出电流控制信号至超磁致伸缩致动器。所述超磁致伸缩致动器与功率放大器相连并最终实现位移输出。
4、进一步的，所述超磁致伸缩致动器的变形是根据功率放大器输出电流使内部线圈产生磁场，并使超磁致伸缩材料杆产生变形实现的。
5、进一步的，所述基于曲线预测的超磁致伸缩致动器控制方法是以一阶回转曲线为基础、结合了离线曲线拟合及实时参数线性插值的闭环负反馈控制算法。
6、进一步的，所述控制算法的实现过程包括实验数据采集、离线计算、实时控制三部分。
7、进一步的，所述实验数据采集部分是一阶回转曲线的采集。
8、进一步的，所述离线计算部分包括整合位移表格搭建、拟合位移曲线、获取离线参数。
9、进一步的，所述实时控制部分包括控制算法实现、控制系统实时控制。
10、进一步的，所述一阶回转曲线由实验得出，通过对超磁致伸缩致动器施加电压激励的方式获得其位置轨迹与电压轨迹的关系。电压设为横坐标，正向电压激励时横坐标为α轴，反方向电压激励时横坐标为β轴，纵坐标为超磁致伸缩致动器位置，记做x(α，β)，α、β的下标表示不同电压位置，实验开始先以超磁致伸缩致动器位移负饱和的(α0，β0)为初始点，正向激励至某(αn，βn)(n＝0，1，…，n)，再反向激励至(αn，β0)，其中(αn，βn)称此回转点，回转点处αn＝βn，在反向激励时，记录所有的超磁致伸缩致动器位置输出x(αn，βn-m)(m＝0，1，…，n)，反向激励曲线上所有的输出x(αn，βn-m)的集合称为在回转点(αn，βn)下的一阶回转曲线。
11、进一步的，所述整合位移表格由离线计算得出，整合位移表格是为了获取拟合曲线存在的，代表了各回转点(αn，βn)下超磁致伸缩致动器的电压变化量与位移变化量的关系表。建立整合位移表格首先要以各回转点(αn，βn)的位置量x(αn，βn)为基准，分别计算各一阶回转曲线在激励至各采样点(αn，βn-m)时的相对位移量g(αn，βn-m)、电压变化量δv，g(αn，βn-m)与δv由下面表达式确定，
12、
13、再将g(αn，βn-m)先按对应的回转点电压αn归类，再按照电压变化量δv排序，按此规律整合所有一阶回转曲线并将g(αn，βn-m)按照各自的αn、δv置于表格内即可得整合位移表格。
14、进一步的，所述离线曲线拟合是指在整合位移表格的每一个采样回转点电压αn处，都将其对应的每组相对位移量g(αn，βn-m)与电压变化量δv分别作为因变量x与自变量y，通过二次曲线拟合得曲线y＝ax2+bx+c，记录此回转点电压αn、曲线的二次项系数a、一次项系数b与常数项系数c，拟合方法是通过最小二乘法寻找最佳参数，以此可求得各回转点时的拟合曲线参数a、b、c。最佳参数的可由下列公式确定。
15、
16、式中，s为目标函数，使其最小的参数便为最佳参数，n为数据的数量。
17、进一步的，所述获取离线参数可由制定曲线参数查询表实现，曲线参数查询表由各回转点电压αn、参数an、参数bn、参数cn组成，输入为当前控制电压v，当αk-1＜v＜αk时，有输出ak、bk、ck，ak-1、bk-1、ck-1，曲线参数查询表的输入为电压值，输出为与之相邻的两回转点电压αk-1、αk处的拟合曲线参数值，共两组，每组三个参数，其中αk-1、αk为两个相邻的一阶回转曲线回转点电压值。
18、进一步的，所述预测位移曲线控制算法的实现所需的输入变量为当前控制电压、目标位移量。其中当前控制电压可由控制器直接读出，目标位移量可由电容式传感器检测的超磁致伸缩致动器当前位置与上位机下达的目标位置指令的差确定。
19、进一步的，所述控制算法的具体实现过程，首先根据当前控制电压，可从相邻曲线参数查询表处获得相邻回转点处的曲线参数，记当前控制电压为v2，相邻两回转点电压为v1、v3，有v1＜v2＜v3，可根据v1处的曲线参数a1、b1、c1以及v3处的参数a3、b3、c3，预测当前控制电压v2下的超磁致伸缩致动器的位移-电压曲线的参数a2本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.基于曲线预测的超磁致伸缩致动器控制系统，其特征在于：包括超磁致伸缩致动器、电容式传感器、控制器、功率放大器、上位机，所述上位机用于传达位置指令，所述控制器接收上位机传达的位置指令，利用曲线预测控制算法计算控制电压信号，并将控制电压信号发送至功率放大器，所述功率放大器接收控制器的控制电压信号，并转换为电流信号驱动超磁致伸缩致动器位移，所述电容式传感器由于检测超磁致伸缩致动器的位置信息，并将位置信息反馈至控制器，所述超磁致伸缩致动器在功率放大器输出电流的控制下产生位移。
2.根据权利要求1所述的超磁致伸缩致动器，其特征在于：所述超磁致伸缩致动器包括超磁致伸缩材料制成的、可在磁场的作用下产生伸缩变形的GMM杆，以及绕在GMM杆周围可以通过电流产生磁场的线圈，超磁致伸缩致动器的变形是根据功率放大器输出电流使内部线圈产生磁场，并使GMM杆产生变形实现的。
3.根据权利要求1所述的基于曲线预测的超磁致伸缩致动器控制系统，其特征在于：单次超磁致伸缩致动器位置控制中，以当前控制电压、目标位移量两者作为曲线预测控制算法的输入量计算输出电压信号，并通过控制系统实现控制，单
4.根据权利要求3所述的基于曲线预测的超磁致伸缩致动器控制系统，其特征在于：所述曲线预测控制算法：先由实验以及离线的参数计算搭建数学模型，再根据控制过程中超磁致伸缩致动器所处的具体电压值预测其电压变化量与位移变化量的关系曲线，对当前超磁致伸缩致动器所处的任意电压位置，预测其电压变化量与位移变化量的关系曲线，并根据此预测曲线和与目标位移量计算电压变化量，曲线预测控制算法的实现通过实验、离线计算、实时控制三步完成。
5.根据权利要求4所述的基于曲线预测的超磁致伸缩致动器控制系统，其特征在于：实验、离线计算、实时控制三部分中：实验部分包括采集一阶回转曲线；离线计算部分包括整合位移表格、拟合位移曲线、获取离线参数；实时控制部分包括算法实现、控制系统实时控制。
6.根据权利要求5所述的基于曲线预测的超磁致伸缩致动器控制系统，其特征在于：实验部分的采集一阶回转曲线包括：对待测超磁致伸缩致动器，施加电压激励并通过传感器采集超磁致伸缩致动器的位置信息，获取电压与位置的关系，电压设为横坐标，正向电压激励时横坐标为α轴，反方向电压激励时横坐标为β轴，以(α，β)记录电压信息，纵坐标为位置量，记X(α，β)为致动器在(α，β)的位置量，α、β下标表示不同电压位置，要采集一阶回转曲线，可先以(α0，β0)为初始点，正向激励至某(αn，βn)(n＝0，1，…，n)，再反向激励至(αn，β0)，其中反向激励形成的曲线称为一阶回转曲线，(αn，βn)称此回转点，回转点处αn＝βn，在反向激励时，记录所有的输出X(αn，βn-m)(m＝0，1，…，n)，反向激励曲线上所有的输出X(αn，βn-m)的集合称为在回转点(αn，βn)下的一阶回转曲线。
7.根据权利要求5所述的基于曲线预测的超磁致伸缩致动器控制系统，其特征在于：离线计算部分的整合位移表格包括：整合位移表格是各回转点(αn，βn)下超磁致伸缩致动器电压变化量与位移变化量的关系表，以各回转点(αn，βn)的位置量X(αn，βn)为基准，分别计算各一阶回转曲线在激励至各采样点(αn，βn-m)时的相对位移量G(αn，βn-m)、电压变化量ΔV，G(αn，βn-m)与ΔV由下面表达式确定，
8.根据权利要求5所述的基于曲线预测的超磁致伸缩致动器控制系统，其特征在于：离线计算部分的拟合位移曲线与获取离线参数包括：将整合位移表格中各回转点αn下的电压变化量ΔV与对应的相对位移量G(αn，βn-m)拟合成二次曲线，获取各回转点αn处拟合曲线的二次项系数a、一次项系数b与常数项系数c，将相对位移量G带入因变量y，将电压变化量ΔV带入自变量x，通过二次曲线拟合得曲线y＝ax2+bx+c，通过最小二乘法寻找最佳参数，其中最小二乘法表达式为：
9.根据权利要求4所述的基于曲线预测的超磁致伸缩致动器控制系统，其特征在于：实时控制部分的算法实现包括：算法输入量为控制器当前控制电压V与目标位移量GV，由已知的当前控制电压V，可查询得相邻的两个已采样的回转点电压αV1与αV3，以及其拟合位移曲线的参数a1、b1、c1，a3、b3、c3，其中αV1＜V＜αV3，且αV1与αV3为相邻的两个一阶回转曲线的回转点电压，可对已知的各参数分别通过线性插值，预估当前控制电压V为回转点时的拟合曲线参数，获得预测曲线参数，若预估曲线参数为a2、b2、c2，则计算公式为：
10.根据权利要求5所述的基于曲线预测的超磁致伸缩致动器控制系统，...
【技术特征摘要】
1.基于曲线预测的超磁致伸缩致动器控制系统，其特征在于：包括超磁致伸缩致动器、电容式传感器、控制器、功率放大器、上位机，所述上位机用于传达位置指令，所述控制器接收上位机传达的位置指令，利用曲线预测控制算法计算控制电压信号，并将控制电压信号发送至功率放大器，所述功率放大器接收控制器的控制电压信号，并转换为电流信号驱动超磁致伸缩致动器位移，所述电容式传感器由于检测超磁致伸缩致动器的位置信息，并将位置信息反馈至控制器，所述超磁致伸缩致动器在功率放大器输出电流的控制下产生位移。
2.根据权利要求1所述的超磁致伸缩致动器，其特征在于：所述超磁致伸缩致动器包括超磁致伸缩材料制成的、可在磁场的作用下产生伸缩变形的gmm杆，以及绕在gmm杆周围可以通过电流产生磁场的线圈，超磁致伸缩致动器的变形是根据功率放大器输出电流使内部线圈产生磁场，并使gmm杆产生变形实现的。
3.根据权利要求1所述的基于曲线预测的超磁致伸缩致动器控制系统，其特征在于：单次超磁致伸缩致动器位置控制中，以当前控制电压、目标位移量两者作为曲线预测控制算法的输入量计算输出电压信号，并通过控制系统实现控制，单次控制完成后重复此控制过程，实现闭环控制。
4.根据权利要求3所述的基于曲线预测的超磁致伸缩致动器控制系统，其特征在于：所述曲线预测控制算法：先由实验以及离线的参数计算搭建数学模型，再根据控制过程中超磁致伸缩致动器所处的具体电压值预测其电压变化量与位移变化量的关系曲线，对当前超磁致伸缩致动器所处的任意电压位置，预测其电压变化量与位移变化量的关系曲线，并根据此预测曲线和与目标位移量计算电压变化量，曲线预测控制算法的实现通过实验、离线计算、实时控制三步完成。
5.根据权利要求4所述的基于曲线预测的超磁致伸缩致动器控制系统，其特征在于：实验、离线计算、实时控制三部分中：实验部分包括采集一阶回转曲线；离线计算部分包括整合位移表格、拟合位移曲线、获取离线参数；实时控制部分包括算法实现、控制系统实时控制。
6.根据权利要求5所述的基于曲线预测的超磁致伸缩致动器控制系统，其特征在于：实验部分的采集一阶回转曲线包括：对待测超磁致伸缩致动器，施加电压激励并通过传感器采集超磁致伸缩致动器的位置信息，获取电压与位置的关系，电压设为横坐标，正向电压激励时横坐标为α轴，反方向电压激励时横坐标为β轴，以(α，β)记录电压信息，纵坐标为位置量，记x(α，β)为致动器在(α，β)的位置量，α、β下标表示不同电...
【专利技术属性】
技术研发人员：左恒，崔自强，李浩，倪小康，郭金锐，
申请(专利权)人：中国科学院南京天文光学技术研究所，
类型：发明
国别省市：
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