中国科学院南京天文光学技术研究所机构知识库

本研究基于国家天文台地基光学天文望远镜系统采购项目，将地基光学天文望远镜机架跟踪控制系统作为研究对象。
地基天文望远镜是天文学家观测天体及探索宇宙的重要天文观测设备之一。地基天文望远镜系统是一套综合系统，包括光学系统、机械系统、伺服控制系统等。高精度的天文望远镜不仅要有精密的机械系统和性能优良的光学系统，还要有精密的传动系统及可靠的跟踪控制系统，使望远镜对所观测目标天体进行精密的指向跟踪，这样才能取得更多更精确的被观测目标的信息。
望远镜的分辨率与望远镜的口径成反比，因此拥有越大口径的望远镜则拥有越强的聚光能力和更高的成像分辨率，口径的增大使望远镜能完成对更暗弱、更微小天体的观测任务。因此目前制造的望远镜的口径越来越大，但是随着望远镜口径的增大，望远镜所受到的外部干扰（电机力矩波动、轴系摩擦力、风载扰动等）也随之增大，对望远镜轴系伺服系统的控制精度要求也随之增加。为了提高天文望远镜轴系伺服系统指向跟踪精度，学者将现代控制理论引入到望远镜伺服控制系统中，而基于现代控制理论的方法依赖于精确的望远镜伺服系统的动力学模型，由于各种扰动因素的影响，建立精确动力学模型不是一件容易的事情。随着计算机技术和大数据技术的快速发展，数据驱动技术为望远镜伺服系统动力学模型预测提供了一个契机。本文的关注点正是从工程可行性出发，研究基于稀疏辨识的数据驱动技术，建立一个准确的望远镜伺服系统的动力学预测模型。
本文主要的研究工作包括以下几点：
1、理论分析了望远镜伺服系统的非线性动力学模型的建模过程。根据望远镜的具体结构推导了方位轴与高度轴之间的转动惯量关系、速度耦合关系和动力学耦合关系，基于理论建模方法建立了望远镜动力学模型。通过分析直接驱动力矩电机的工作原理，建立了驱动力矩电机的数学模型。结合驱动力矩电机的数学模型与望远镜动力学模型，建立完整的望远镜伺服系统动力学模型。
2、研究基于数据驱动技术的2.5米望远镜伺服系统动力学模型建立方法。通过带有控制的非线性动力学稀疏辨识算法的理论框架成功辨识出了望远镜伺服系统动力学模型。稀疏辨识算法采用序列阈值最小二乘算法计算稀疏回归系数。运用AIC模型选择准则，选择更符合实际测量数据的辨识模型。研究数据预处理方法，以获得比较准确的模型辨识数据。通过采集2.5米望远镜方位轴数据，验证了带有控制的非线性动力学稀疏辨识算法应用于建立望远镜伺服系统预测模型的可行性。
3、设计了基于数据驱动的稀疏辨识方法与模型预测控制算法相结合的模型预测控制器，并通过模拟仿真试验，验证了所设计的控制器具有较理想的动态性能。
4、设计实现了2.5米望远镜伺服系统。分析了影响2.5米望远镜伺服系统控制精度的主要因素。通过静态风载公式计算了望远镜所受到的风载力矩，通过控制器的设计补偿了风载的干扰。完成了模拟风载实验，实验结果表明望远镜伺服系统对风载的影响具有较好的鲁棒性。提出了两种计算摩擦阻力的理论模型，通过经验公式推导了望远镜轴系的摩擦阻力。完成了抗摩擦阻力干扰的实验测试，实验结果进一步说明了望远镜伺服系统具有较好的鲁棒性。
5、基于2.5米望远镜的伺服系统控制平台，采用正弦扫频方法及功率谱密度分析法，获得了望远镜伺服系统的频率特性曲线（幅频特性曲线和相频特性曲线），从频率特性曲线中可以得出望远镜方位轴的谐振频率为64.2952Hz（无镜筒影响）。