中国科学院南京天文光学技术研究所机构知识库

为了获得更强的集光能力和更高的观测效率，光学望远镜的口径越来越大。然而，这种发展趋势也使得望远镜伺服驱动控制系统越来越复杂，这就要求多个执行机构和各类传感器装置实现精确的协同工作，故障发生的概率随之提高。大口径光学望远镜造价昂贵，且大多部署在极端环境下，如太空、南极、高海拔且人迹罕至的偏远地区。虽然现代望远镜有较高的稳定性和可靠性，但也不可避免地会发生一些故障，如著名的哈勃太空望远镜(Hubble Space Telescope, HST)在服役期间也多次出现故障。尽管目前国内不同口径的望远镜都能够获得较高精度的伺服跟踪性能，但面对伺服驱动控制系统不断增长的复杂度和极端环境下故障风险等方面的挑战，开展故障诊断和重构控制的研究，不仅具有非常高的科研价值，也具有重大的实际意义。
本文主要研究内容分为如下几个部分：
首先，结合以往极大望远镜伺服驱动控制系统的故障资料，将与伺服驱动控制系统有关的故障类别进行划分，并给出完整的故障场景分析。在故障设备输出信号特征分解的基础上采用简洁的数学公式归纳总结了故障信号特征，并构造通用故障信号表达式，为后续在半实物仿真平台上模拟故障类型提供参考。
其次，本文针对望远镜伺服驱动控制系统中电流传感器的非预期故障(Unanticipated Fault, UF)检测、隔离和重构进行研究。由于现有重构方法很少应用在望远镜伺服驱动控制系统的非预期故障中，先是测试了永磁同步电机
(Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM)在电流传感器出现非预期故障后的性能表现，总结出电流传感器非预期故障前后电机特征参数的关系变化。通过分析故障后电流特征，提出一种简洁高效的基于代数变换标记的电流传感器非预期故障诊断与重构方法，仿真与结果证明了该算法的有效性；进一步地针对现有代数变换标记方法只能针对单一故障检测与重构的局限性，通过分析电流传感器的分量关系并设计个残差解耦变量，提出了一种基于一组龙伯格观测器(Luenberger Observers, LOs)的电流传感器非预期故障诊断与重构方法。
该策略根据电机模型和参数建立，并设计了跟随故障隔离信号切换的逻辑电路，能够维持伺服驱动控制系统的连续运行。该方案有效地解决了代数变换标记方法的不足，且不需要额外的硬件支持；考虑到多个观测器协同工作会互相影响，导致输出结果精度降低，进一步地优化提出了一种基于单个LO的电流传感器非预期故障诊断与重构方法。该方法利用电流关系重新设计个残差解耦变量，可以有效地区分单相、多相故障模式。简化了故障隔离和重构逻辑电路，有效地提升了该方法的稳定性和抗干扰性。针对上述方法对渐变/微小故障存在漏检的风险，且故障检测准确率受其他因素影响，提出一种基于信号处理的电流传感器非预期故障的诊断与重构方法。该策略的故障检测部分依赖于三阶级联差分运算(Third Cascade Different Operator, TCDO)，在故障瞬间由于测量信号产生变化，TCDO会根据测量信号变化产生高幅值脉冲，将高幅值脉冲与阈值比较进一步确定故障发生。该方法只需测量信号即可完成故障检测，有效地降低了复杂度，使其具有相对独立性。最后比较和整合电流传感器故障诊断与重构方法，提出了针对望远镜伺服驱动控制系统的电流传感器重构控制策略框架。
本文针对望远镜伺服驱动控制系统中速度/位置传感器的非预期故障检测、隔离和重构进行了研究。考虑到传统模型参考自适应系统(Model Reference Adaptive System, MRAS)的自适应律为PI控制器(Proportional-Integral)存在收敛慢和抖振等问题，进行了基于超螺旋算法(Super Twisting Algorithm, STA)自适应律改进，在此基础上进一步引入了调节因子和增强型指数项两种改进路线，均有效地缓解了上述问题。综合考虑速度误差收敛和抖振，基于增强型指数项改进的方法性能表现更优。然后，针对望远镜伺服驱动系统易发生速度传感器非预期故障，提出了一种改进型的MRAS速度重构方法，实现了伺服驱动控制系统的速度/位置传感器非预期故障重构控制，实验结果显示在变速、变载和不同故障类型(信号丢失、增益和偏置非预期故障)下均能够达到预期控制要求。最后比较和整合速度传感器故障诊断与重构方法，提出了针对望远镜伺服驱动控制系统的速度/位置传感器重构控制策略框架。
最后，基于长春2.5光学红外望远镜的伺服驱动控制系统在正常和非预期故障情况下采集数据分析，进行目标星体五车二、北极星和天津四的运动轨迹跟踪，可以看出任何故障形式都会影响望远镜的观测精度，只有保证传感器反馈正确，才能使得望远镜正常工作。该研究对于有效提升望远镜伺服驱动控制系统运行的可靠性、优化控制策略、提升工作效率等方面具有重要的参考意义。