中国科学院南京天文光学技术研究所机构知识库

为提高天文望远镜观测效率，现代大型光学望远镜通常安装在视宁度较好的人迹罕至的高海拔地区。在这些地区风载扰动是影响天文望远镜观测效率的主要干扰之一。在天文望远镜工作时，风载扰动会直接作用于望远镜机架和镜面之上，对望远镜的伺服控制系统产生了极为严重的影响。风载扰动会影响望远镜的指向精度，导致望远镜在观测目标时无法快速、准确和稳定指向目标，这对于需要精确跟踪天体的望远镜来说是一个重要的问题；还会导致望远镜对目标星体的跟踪不稳定，使望远镜无法保持对目标的稳定跟踪。本文对望远镜伺服控制系统的抗风扰进行研究。

首先，为了抑制风载扰动对望远镜伺服控制系统的影响，引入自抗扰控制算法，设计二阶状态观测器应用于位置环和速度环，以提高伺服控制系统的位置控制精度。

其次，对望远镜伺服系统以及风扰的数学模型进行了研究并进行建模。本文采用空间矢量的控制方法建立了基于永磁同步电机驱动的望远镜高度轴仿真模型；采用理论模拟计算方法以Davenport谱为参考建立了脉动风的风速模型。

然后，对传统的PID控制算法以及自抗扰控制算法分别进行了研究，并结合望远镜高度轴模型分别设计了PID控制器和自抗扰控制器。通过阶跃响应、位置跟踪、正弦位置曲线跟踪仿真实验以及风载扰动干扰仿真实验对两种控制器的性能表现进行对比。通过仿真实验表明自抗扰控制器在快速响应能力、系统稳定性、抗干扰能力等方面在望远镜伺服控制系统当中比PID控制系统更适合。

最后，基于Power UMAC运动控制器搭建了望远镜高度轴实验平台的伺服控制系统。对望远镜永磁同步电机、UMAC运动控制器、驱动器等硬件平台设备进行了构建。在硬件平台之上对望远镜的抗风扰性能进行实验，在多种风速下对PID控制器和自抗扰控制器进行正弦位置跟踪实验，实验数据结果表明自抗扰控制器有效减少了风载干扰对望远镜跟踪精度的影响。