1、天文光学自适应调试系统目录：绪论2系统估算3系统模拟12系统 bode 图17汉英翻译24绪论:天文自适应光学（Adaptive Optics，缩写为 AO）是一项正在发展的对大气扰动进行实时补偿的技术，现在自适应光学系统用于许多的天文台的观测系统中。自适应光学最早的设想是在 1953 年，美国天文学家巴布科克提出用实时测量波面误差并实时加以校正的方法来解决大气湍流等动态干扰的设想，如果这一过程足够快，就可以克服动态误差的影响而使光学系统能够自动适应环境变化，保持理想性能，就是自适应光学思想的形成，但在当时还没有实现这一设想的现成技术。在日本 Subaru望远镜拥有一套 AO系统，作为格林式焦
2、点的观测设备。但是，AO 系统在日本发展似乎很慢。这是因为一个完全的 AO系统不是商业用的，而是必须根据观测台的各种情况，为各个观测台单独设计。例如，观测台的光学望远镜，观测波长和能见度等都是设计 AO系统要考虑的。而另一方面 AO系统的设备正在变得很流行。我们的目标是设计一个用于太阳观测的 AO系统。自从二十世纪九十年代 AO系统的发展就变得十分活跃，美国天文学家唐恩曾经在美国国家太阳观测台描述过太阳自适应光学系统的概念。在这个系统中使用了液晶体波前传感器和 61个装有连续面板的光学镜的执行机构.埃克特和史密森发表了关于美国洛克希德的自适应光学系统的报告，该系统运用了 19部装备有电压驱动器
3、的光学镜和一个带有微镜阵列的探测器的波前传感器。从这以后，越来越多的天文台装备了 AO系统。而且越来越多的关于使用 AO系统的天文台的科学研究成果被发表。前几年出现了运用基于软件控制的波前补偿的程序来改善 AO系统（图 1.1所示） 。帕特森描述了这种 AO系统的任务主要是和数字信号处理器一起处理数据。Keller 改善了一台基于个人计算机的自适应光学系统，它用于 1.5米口径的 McMathPierce太阳望远镜。这种方法的主要优点是：一是它是运用软件程序来完成整个检测补偿的，节省了硬件的高额费用；二是因为使用软件增加了处理软件的灵活性。因此，人们决定开发一种基于个人计算机完全用软件控制的A
4、O系统。另外我们设计一个系统去补偿在观测中的低阶扰动。自适应光学系统除了用于天文研究上，其实最早运用AO系统的是在军事方面。在1990 年以前，美国的自适应光学研究主要服务于军事，1982年美国安装了世界上第一台实用的1.6 米自适应光学望远镜，用来观察近地轨道上运行的空间目标(卫星，助推器及其残骸)，利用其形态特性进行识别和分类。1991 年美国军方将自适应光学的研究资料解密，计算机和光学技术也足够发达，自适应光学技术才得以广泛应用。配备自适应光学系统的望远镜能够克服大气抖动对成像带来的影响，将空间分辨率显著提高大约一个数量级，达到或接近其理论上的衍射极限。自适应光学系统的不断完善要归结于天
5、文望远镜的发展。第一台安装自适应光学系统的大型天文望远镜是欧洲南方天文台在智利建造的 3.6 米口径的新技术望远镜。目前越来越多的大型地面光学、红外望远镜都安装了这一系统，比如位于夏威夷莫纳克亚山的 8 米口径双子望远镜、3.6 米口径的加拿大-法国- 夏威夷望远镜、10 米口径的凯克望远镜、8 米口径的日本昴星团望远镜等等。自适应光学已经逐步成为各大天文台所广泛使用的技术，并为下一代更大口径的望远镜的建造开辟了道路。二 系统估算：首先了解 matlab 的中的 ident 应用。在 matlab 中 command window 中输入 ident！出现窗口在这个窗口中可以模拟数据。打开 m
6、atlab 然后运行 file，找到 import data。点击 import。这是一个数据输入。运行他，就可以把你的实验数据输入到 matlab 中！在这个课题中我们需要运用到的数据是这是理论计算出来的实验数据！把他添加到 matlab 中。在你的 matlab 中的 workspace 窗口中出现一个 import wizard 窗口！然后单击 next，出现一个然后单击 finish。这样我们的数据就添加到 matlab 中了！我需要用到的只有 data，所以双击 data。就出现这样一个窗口这就是我们所需要用到的实验数据！然后我们对他进行编辑我们的输入即 u1 只有 1 纵列。所以我
7、们选取 1 纵列然后在 matlab中点击 edit 找到一个 create variable from selection 按钮。单击。这样在你的 workspace 中出现一个 unname。我们对它进行重命名。因为这是我们的输入。我们就把他命名为 U1。同样的方法我们对输出进行操作！命名为 y1。这就是我们实验的输入输出数据！接下来我们对输入输出的数据进行模拟！在 command window 中输入 ident。出现在 import data 中找到 time domain data signals。点击它，出现在 input 中输入 u1，output 中输入 y1。这就是我们的输入
8、输出的数据。Data name 则输入你想给你的模拟的命名。我们直接命名为 data1。Starttime 我们一般从 0 开始 sampling interval大概为 0.001。我们输入好了则出现这样的窗口然后我们单击 import，就会出现这样一个窗口。这个 data1 就是我们的模拟，然后在 Estimate 中找到 process models。点击它会出现这样一个窗口因为我们从系统的传递函数中可以发现他是一个二阶函数，所以我们在 poles 中选择 2 同样在 distubance modle 中选择 order 2。然后单击 estimate 加载后出现窗口然后我们选择 mod
9、le output就出现系统的估算图。点击 model output我们就得到系统的对比图我们把估算的曲线去掉，就得到标准的二阶欠阻尼曲线然后我们就可以得到超调量和稳定值使用上面计算所得的 的值作为处理模型的原始猜测值， )(,KnT得到的模型参数如下图所示：P2DU1 图这样我们就可以得到 P2DU1 的传递函数为：s3108.2)039.(0398.25.116)(G esss 三 系统的模拟：首先我们知道系统的传递函数为其中(1) WFS- waterfront sensor: ;sTeFe1)(2) CC-computer control: ;ccs res tur + wr WFS
10、C DAC HVA DM ;sTdtesF1)(3)DAC-digital-analog converter: ;tsDt(4) HVA-high voltage amplifier: ;1)(sH(5)DM-deformable mirror: ;)(FM系统的开环传递函数是; )()()()( sssFsGHDdce ; 21Ttesec: scet094.31.;21LsessssG7233 61010.6.8549)( 闭环传递函数为： 094.312.Tcet 10623310439.8.6.87549)()(1)( sssHsGs由此我们可以做出系统的模拟图它的输入波形为输出为当信
11、号没有收到干扰是和输入波形一样当信号经过一个扰动后波形为信号受到扰动后经过整定的波形为最后经过光学自适应系统的整定得到了最开始的波形四 系统的 bode 图：关于系统的 Bode 图，首先我们经过前面的计算，得到了系统的传递函数 sssG7233 61010.6.8549)( 其中 sTcet094.31.所以我们可以根据这个写出系统的程序s=tf(s)format longsysold1_1=ss(exp(-0.00094*s)/(0.00031*0.00125*s2)*(10/(s+180)sysold1_2=ss(exp(-0.00125*s)/(0.00031*0.00125*s2)*
12、(10/(s+180)sysold1=sysold1_1+(-sysold1_2)p1=sysold1margin(p1);T1=feedback(p1,1)margin(T1);error_p1=ss(1/(1+p1);margin(error_p1);然后打开matlab，在command window中输入程序，这样我们就得到开环的 bode 图同样我们可以得到未改进的系统的 bode 图由此我们可以发现改进后系统的相位裕量，幅值裕量都比未改进的要好！这就是闭环的 bode 图同样也可以得到为改进的系统的闭环 bode 图这样我们就可以清楚的发现改进后系统的优点。最后输入误差的 bode
13、 图未改进时系统误差的 bode 图通过对比我们清晰发现改进后系统的优点。这就是我们所得到系统的 bode 图！五 汉英翻译：PID 控制原理当今的自动控制技术都是基于反馈的概念。反馈理论的要素包括三个部分：测量、比较和执行。测量关心的变量，与期望值相比较，用这个误差纠正调节控制系统的响应。这个理论和应用自动控制的关键是，做出正确的测量和比较后，如何才能更好地纠正系统。PID（比例 -积分-微分）控制器作为最早实用化的控制器已有 50 多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID 控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。PID 控制器由比例单元（
14、P）、积分单元（I）和微分单元（ D）组成。其输入 e (t)与输出 u (t)的关系为因此它的传递函数为：它由于用途广泛、使用灵活，已有系列化产品，使用中只需设定三个参数（Kp ， Ki 和 Kd）即可。在很多情况下，并不一定需要全部三个单元，可以取其中的一到两个单元，但比例控制单元是必不可少的。首先，PID 应用范围广。虽然很多工业过程是非线性或时变的，但通过对其简化可以变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统，这样 PID 就可控制了。其次，PID 参数较易整定。也就是，PID 参数 Kp，Ki 和 Kd 可以根据过程的动态特性及时整定。如果过程的动态特性变化，例如可能由负载的变化引起系
15、统动态特性变化，PID 参数就可以重新整定。第三，PID 控制器在实践中也不断的得到改进，下面两个改进的例子。在工厂，总是能看到许多回路都处于手动状态，原因是很难让过程在“自动”模式下平稳工作。由于这些不足，采用 PID 的工业控制系统总是受产品质量、安全、产量和能源浪费等问题的困扰。PID 参数自整定就是为了处理 PID 参数整定这个问题而产生的。现在，自动整定或自身整定的 PID 控制器已是商业单回路控制器和分散控制系统的一个标准。在一些情况下针对特定的系统设计的 PID 控制器控制得很好，但它们仍存在一些问题需要解决：如果自整定要以模型为基础，为了 PID 参数的重新整定在线寻找和保持好
16、过程模型是较难的。闭环工作时，要求在过程中插入一个测试信号。这个方法会引起扰动，所以基于模型的 PID 参数自整定在工业应用不是太好。如果自整定是基于控制律的，经常难以把由负载干扰引起的影响和过程动态特性变化引起的影响区分开来，因此受到干扰的影响控制器会产生超调，产生一个不必要的自适应转换。另外，由于基于控制律的系统没有成熟的稳定性分析方法，参数整定可靠与否存在很多问题。因此，许多自身整定参数的 PID 控制器经常工作在自动整定模式而不是连续的自身整定模式。自动整定通常是指根据开环状态确定的简单过程模型自动计算PID 参数。PID 在控制非线性、时变、耦合及参数和结构不确定的复杂过程时，工作地
17、不是太好。最重要的是，如果 PID 控制器不能控制复杂过程，无论怎么调参数都没用。虽然有这些缺点，PID 控制器是最简单的有时却是最好的控制器目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。同时，控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等。自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。一个控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口。控制器的输出经过输出接口、执行机构，加到被控系统上；控制系统的被控量，经过传感器，变送器，通过输入接口送到控制器。不同的控制系统，其传感器、变送器、执行机构是不一样的。
18、比如压力控制系统要采用压力传感器。电加热控制系统的传感器是温度传感器。目前，PID 控制及其控制器或智能 PID 控制器（仪表）已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的 PID 控制器产品，各大公司均开发了具有 PID 参数自整定功能的智能调节器 (intelligent regulator)，其中 PID 控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。有利用 PID 控制实现的压力、温度、流量、液位控制器，能实现 PID 控制功能的可编程控制器(PLC)，还有可实现 PID 控制的 PC 系统等等。 可编程控制器(PLC) 是利用其闭环控制模块来实现 PI
19、D 控制，而可编程控制器(PLC)可以直接与 ControlNet 相连，如Rockwell 的 PLC-5 等。还有可以实现 PID 控制功能的控制器，如 Rockwell 的 Logix 产品系列，它可以直接与 ControlNet 相连，利用网络来实现其远程控制功能。1、开环控制系统开环控制系统(open-loop control system)是指被控对象的输出(被控制量)对控制器(controller)的输出没有影响。在这种控制系统中，不依赖将被控量反送回来以形成任何闭环回路。2、闭环控制系统闭环控制系统(closed-loop control system)的特点是系统被控对象的输
20、出 (被控制量)会反送回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭环。闭环控制系统有正反馈和负反馈，若反馈信号与系统给定值信号相反，则称为负反馈( Negative Feedback)，若极性相同，则称为正反馈，一般闭环控制系统均采用负反馈，又称负反馈控制系统。闭环控制系统的例子很多。比如人就是一个具有负反馈的闭环控制系统，眼睛便是传感器，充当反馈，人体系统能通过不断的修正最后作出各种正确的动作。如果没有眼睛，就没有了反馈回路，也就成了一个开环控制系统。另例，当一台真正的全自动洗衣机具有能连续检查衣物是否洗净，并在洗净之后能自动切断电源，它就是一个闭环控制系统。3、阶跃响应阶跃响应是指将一个阶跃输入
21、（step function）加到系统上时，系统的输出。稳态误差是指系统的响应进入稳态后，系统的期望输出与实际输出之差。控制系统的性能可以用稳、准、快三个字来描述。稳是指系统的稳定性(stability)，一个系统要能正常工作，首先必须是稳定的，从阶跃响应上看应该是收敛的；准是指控制系统的准确性、控制精度，通常用稳态误差来(Steady-state error)描述，它表示系统输出稳态值与期望值之差；快是指控制系统响应的快速性，通常用上升时间来定量描述。4、PID 控制的原理和特点在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称 PID 控制，又称 PID 调节。PID 控制器问世至今已有近 70 年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用 PID 控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用 PID 控制技术。PID 控制，实际中也有 PI 和 PD 控制。PID 控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。比例（P ）控制
