基于迟滞逆补偿的硅基反铁电桥式微镜的滑模控制研究

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激光通信在传输信息方面有着传输速度快、信息量大的优点,这使得激光通信在空间通信领域占据了重要地位。在现有的国内外激光通信中,光束偏转微构件都存在响应慢、体积大、功耗高、控制方法复杂且精度不高等问题,为此论文对一种基于(Pb,La)(Zr,Ti)O3(简称PLZT)硅基反铁电材料的场致应变效应进行了研究,提出了一种基于PLZT反铁电桥式结构的光束偏转微镜构件,并对反铁电桥式微镜进行了设计和控制研究。  首先通过ANSYS Workbench有限元仿真软件对不同结构参数(长度、宽度、厚度)的PLZT反铁电桥式微镜进行了挠度和应力分析,验证了反铁电桥式微镜在外电场驱动下挠度、应力变化与电压、结构参数之间的关系。通过正交试验进行结构优化,得到了使得在微镜构件疲劳特性范围内中心位移达到最大的结构尺寸,即长5000μm、宽200μm、厚10μm。  其次通过对PLZT反铁电材料迟滞非线性的研究,建立了离散化的Preisach模型。在此基础上,针对离散化Preisach模型不具有擦除特性的缺点,提出了利用随机森林算法进行非线性拟合,导出了具有严格擦除特性的离散化Preisach改进模型。  最后基于随机森林改进模型的逆模型,建立了迟滞逆补偿控制和复合控制两种方案。仿真结果表明,基于迟滞逆补偿和自适应滑模控制的复合控制能够将绝对误差控制在0.2μm(角度0.08mrad)以下,可将相对误差控制在1.05%以下。期望输入与实际输出呈很好的线性关系,相关系数R2=0.9996,能够满足在光束偏转技术中PLZT反铁电桥式微镜的精跟踪控制要求。  综上所述,论文从理论基础上验证了所提出的PLZT反铁电桥式微镜能够实现光束偏转精跟踪控制,并设计了迟滞逆补偿与自适应滑模控制结合的复合控制提高跟踪控制精度,这些都为激光通信系统中微体积、快速响应、高精度跟踪控制光束偏转微构件的设计和开发提供了理论依据。
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