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大型天文望远镜超低速高精度运动控制的关键技术研究
杨世海
Subtype博士
Thesis Advisor张振超
2012-05
Degree Grantor中国科学院研究生院
Degree Discipline天体物理
Keyword大型天文望远镜 超低速 高精度 摩擦驱动 直接驱动
Abstract
为了探索更遥远的天体和更早期的宇宙世界,天文光学望远镜的口径越来越大,望远镜的体积、质量和惯量随之越来越庞大,指向跟踪精度要求越来越高。大型天文望远镜是个大惯量负载,超低速跟踪受到非线性干扰时,摩擦驱动易出现滑移现象。直接驱动由于没有中间缓冲环节,对负载变化和参数变化敏感,电机的波动会直接反映到望远镜的运行上。大惯量、超低速、多干扰给大型望远镜的高精度实时运动控制带来了极大的考验。

本文研究对象和实验基础为:(1)为俄罗斯研制的2.5 米望远镜(目前中国研制的最大口径的直接驱动光学望远镜(机电系统))(2)8 米望远镜摩擦驱动仿真转台(3)国家重大科学工程LAMOST(世界光谱获取率最高的望远镜、中国最大口径的天文光学望远镜)。论文对望远镜超低速、高精度运动控制系统的一些关键技术进行了研究,并在以上项目的工程实践中进行了验证,取得了良好的效果。论文的成果为这些项目的顺利验收作出了重要贡献。

本文针对采用摩擦驱动的天文望远镜,首次提出了随负载力矩波动而主动调节摩擦轮正压力的伺服控制方法,并首次成功建立了这样一套大型天文望远镜摩擦驱动的正压力主动调节控制系统。该方法给未来更大口径望远镜采用摩擦驱动提供了一条思路和解决方案。

针对采用摩擦驱动的天文望远镜,首次提出了滑移动态检测与修正的控制方法,并首次成功建立了一套滑移动态检测与修正控制系统。实验证明了该方法是正确的、可行的。

首次系统性地分析研究了天文望远镜引入UMAC 后在实时性、数据交换和跟踪同步方面存在的问题并提出了解决方案。该成果部分地或全部地成功用于LAMOST的机架控制系统和2.5 米望远镜的主轴控制系统。

针对采用静压轴承的大型天文望远镜,首次提出控制系统可以采用一种NOTCH滤波器方法,以消除或最大程度减轻油垫振动对望远镜跟踪精度造成的影响。该方法成功用于2.5 米望远镜。仿真与望远镜的实际运行数据证明,该方法可以做到不影响系统的稳定性和快速性,保持望远镜控制系统原有带宽。

研制了8m 望远镜摩擦驱动仿真实验转台的超低速、高精度控制系统,这是到目前为止,国内研制的研究望远镜摩擦驱动的最大的仿真实验转台。实验显示控制系统有良好的动态响应和低速性能。实现300 天转一周、稳定无爬行地超低速运行,位置跟踪达到0.0173″~ 0.0177″RMS 的高精度,达到国内先进水平。

论文提出并建立了一种针对大口径摩擦驱动天文望远镜的负载波动动态模拟和检测控制系统。该系统是负载波动和滑移动态检测与修正系统的实验基础,可以极大地促进摩擦驱动望远镜在非线性扰动控制策略和算法方面的研究。

本论文主要内容还包括:(1)概括了国内外大型天文望远镜运动控制技术发展现状。(2)以2.5 米望远镜为对象,建立主轴系统的数学模型,推导了转动惯量方程、运动学方程、动力学方程。研究了该望远镜的跟踪运动,包括各主轴运动轨迹、角速度、角加速度和惯量耦合。(3)对大型天文望远镜主轴系统的非线性因素进行分析。通过模态实验和编码器采样信号FFT 频谱分析,获得望远镜的固有频率和油垫对望远镜方位轴的干扰频率。(4)对2.5 米望远镜主轴建立控制模型,采用了带NOTCH滤波器的速度/加速度前馈补偿的PID 复合控制策略,提高了伺服系统性能。进行了过渡过程、低速、模拟跟踪天体等实验,并通过实验结果对比了控制算法。(5)设计了一种H∞鲁棒控制器,使得含有模型不确定性和外部干扰的摩擦驱动控制系统具有高精度的跟踪能力。通过确定系统的优化模型和加权函数,求解Riccati 方程获得H∞控制器。仿真实验结果表明H∞控制器不依赖于对象模型,可最大限度地消除模型不确定性和扰动的影响。

Subject Area精密机械及传动 ; 自动控制
Document Type学位论文
Identifierhttp://ir.niaot.ac.cn/handle/114a32/80
Collection中国科学院南京天文光学技术研究所_学位论文
望远镜工程中心_学位论文
Recommended Citation
GB/T 7714
杨世海. 大型天文望远镜超低速高精度运动控制的关键技术研究[D]. 中国科学院研究生院,2012.
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