中国科学院南京天文光学技术研究所机构知识库

本研究以 14.5 米光学红外望远镜高精度指向与跟踪为核心目标，针对大口径望远镜伺服系统在大惯量、强干扰、超低速运行工况下存在的控制精度不足、鲁棒性差、实时性难以保障等工程难题，从误差机理、控制算法、通信架构、实时平台与实验验证等方面开展系统性研究，形成一套集鲁棒控制、确定性通信、实时调度、精密授时于一体的综合控制方案，显著提升望远镜跟踪性能，为大口径天文望远镜伺服控制提供了可行技术路径。
研究首先系统分析望远镜指向与跟踪误差来源，通过长期观测与机理分析，明确非线性特性、模型不确定性、风载扰动、通信时延及系统调度抖动是制约精度提升的关键因素，建立完整误差分析体系，为后续方案设计奠定理论与实践基础。针对传统三环 PID 自适应能力弱、抗干扰能力不足的问题，以及常规以太网与通用操作系统带来的非确定性时延、数据冲突、调度抖动等缺陷，提出融合H∞鲁棒控制、反射内存网络、RTX64实时操作系统与 PTP/NTP 精密授时的一体化解决方案，从算法、通信、授时、调度多维度突破技术瓶颈。
在算法层面，本研究设计适配大惯量、强干扰特性的H∞鲁棒复合控制器，优化加权函数选取方法，在保证系统稳定的前提下，增强对模型摄动、电机谐波及外部风载等干扰的抑制能力，兼顾动态响应与控制平稳性，有效弥补传统 PID 在高精度跟踪场景下的短板。在平台层面，搭建由 OCS、TCS、UMAC 组成的硬件在环实验平台，采用反射内存网络实现低时延、高可靠数据交互，依托 RTX64 构建硬实时环境，配合统一时钟授时，为高级控制算法提供稳定运行条件，真实复现望远镜实际控制场景。对比实验结果表明，在 2°/s 匀速跟踪工况下，所提综合控制方案将位置跟踪误差 RMS 从 0.5828″降至 0.1388″，最大误差由 2.6477″降至 1.4096″，速度波动显著减小，系统在跟踪精度、抗干扰能力与运行平稳性上均实现大幅提升，验证了方案的有效性与优越性。
本研究主要创新体现在三方面：一是提出鲁棒控制、确定性通信、实时调度、精密授时的综合架构，实现多技术深度融合，从系统层面解决高精度跟踪难题；二是设计工程化 H∞鲁棒复合控制器，优化加权函数与控制结构，提升算法实用性与适配性；三是构建高可靠实时硬件在环平台，精准模拟望远镜运行工况，为方案验证与工程落地提供可靠支撑。
研究已实现性能显著提升，未来仍可在三方面深化：引入自适应鲁棒、模型预测等算法，增强对时变干扰的动态补偿能力；融合多源传感设备构建全链路误差补偿系统，进一步抑制机械与传感误差；完善实验平台并对接望远镜整机，开展长期现场测试，推动技术工程化落地与多场景拓展，持续提升大口径光学红外望远镜的控制性能与应用水平。