基于迭代學(xué)習(xí)p型學(xué)習(xí)律的fast整網(wǎng)控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于智能化天線控制領(lǐng)域，具體是一種將迭代學(xué)習(xí)理論應(yīng)用于FAST整網(wǎng) 控制的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 射電望遠(yuǎn)鏡經(jīng)過接收微弱的宇宙無線電信號，來協(xié)助人類認(rèn)識遙遠(yuǎn)神秘的宇宙。 然而因?yàn)樘仗祗w之間的間隔遠(yuǎn)近不同，同時不同天體所發(fā)出的無線電信號都非常微弱， 若要對宇宙的信息進(jìn)行分析解讀，則需要接收大量的無線電信號，來進(jìn)行分析，所以大口徑 的望遠(yuǎn)鏡應(yīng)運(yùn)而生。目前，天文望遠(yuǎn)鏡不停地朝著規(guī)?；痛笮突姆较虬l(fā)展。射電望遠(yuǎn) 鏡的歷史盡管還不足80年，但卻經(jīng)歷了從小口徑到大口徑、從米波段到毫米波段、從單天 線到多天線、從地面到太空的發(fā)展過程，就步入了鼎盛時期。1993年，在日本京都大會上，來 自澳、加、中、法、德、印、荷、俄、英、美共10個國家的射電天文學(xué)家，提出建筑出接收面積超 過一千平方米的巨型射電望遠(yuǎn)鏡的倡議。為了完成這一計(jì)劃，世界各國組織紛紛尋找可建 設(shè)巨型望遠(yuǎn)鏡的環(huán)境，在貴州省黔南州平塘縣克度鎮(zhèn)金科村找到了契合建造大型射電望遠(yuǎn) 鏡的喀斯特地貌。由此環(huán)境的基礎(chǔ)，中國科學(xué)家于1997年7月，呼吁獨(dú)立研制世界上最大的 單一口徑球面望遠(yuǎn)鏡一一500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡。以中科院國家天文臺前身一一北京 天文臺為主，并且聯(lián)同了包括國內(nèi)的20多所著名學(xué)府和杰出研究，成立了"大射電望遠(yuǎn)鏡" 的中國推進(jìn)委員會，并最終共同提出利用已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的中國貴州喀斯特地貌的洼地，來建造 大口徑的球反射面的射電望遠(yuǎn)鏡一一即阿雷西博型天線陣的喀斯特工程概念。FAST具備3 項(xiàng)前無僅有的重大創(chuàng)新點(diǎn)：獨(dú)一無二的臺址，主動反射面技術(shù)和輕型索拖動機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)望遠(yuǎn) 鏡接收機(jī)的高精度定位。全新射電望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)，并且具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢臺址，F(xiàn)AST實(shí)現(xiàn) 了全可動望遠(yuǎn)鏡的百米工程極限的突破，同時還開創(chuàng)了我國建造巨型望遠(yuǎn)鏡的新模式。建 成后的FAST射電望遠(yuǎn)鏡與目前世界最大口徑射電望遠(yuǎn)鏡Arecibo相比，其綜合性能提高約 10倍，Science雜志多次報道FAST項(xiàng)目，足見其科學(xué)意義。
[0003] FAST的最大特點(diǎn)是主動變形。要實(shí)現(xiàn)FAST主動反射面整網(wǎng)變形過程的實(shí)時、動 態(tài)、精準(zhǔn)控制，就需要精確地測量出節(jié)點(diǎn)在不同時刻的實(shí)際位置，并根據(jù)其應(yīng)該到達(dá)的理論 位置，綜合考慮各種影響因素（溫度、索力及相鄰節(jié)點(diǎn)位置等），計(jì)算出下拉索的調(diào)整量，由 控制系統(tǒng)調(diào)整。可見，反射面整網(wǎng)變形控制策略與自適應(yīng)建模研究是完成FAST主動反射面 整網(wǎng)變形的基本工作和核心技術(shù)。
[0004] 由于FAST整個系統(tǒng)暴露的整個大自然中，且系統(tǒng)過于龐大，所以要對其進(jìn)行整網(wǎng) 控制不能給出其精確的數(shù)學(xué)模型，而且整個系統(tǒng)具有不確定、非線性、強(qiáng)耦合、輸入量多，影 響因素復(fù)雜等特點(diǎn)，迭代學(xué)習(xí)控制特別適合應(yīng)用于那些具有某種重復(fù)運(yùn)動性質(zhì)的被控對 象，在控制過程中通過重復(fù)迭代修正輸入來達(dá)到特定的控制目標(biāo)的改善。迭代學(xué)習(xí)控制方 法其優(yōu)點(diǎn)在于：不依賴于控制系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型，只需系統(tǒng)的簡單動力學(xué)模型或者運(yùn)行 學(xué)模型，以非常簡單的算法，來實(shí)現(xiàn)那些具有不確定性高、非線性、強(qiáng)耦合特性的動態(tài)系統(tǒng) 的控制，并高精度跟蹤給定期望軌跡。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 發(fā)明目的
[0006] 針對FAST反射面整網(wǎng)變形控制方法存在的不足，本發(fā)明提出一種基于P型學(xué)習(xí)律 的迭代學(xué)習(xí)理論應(yīng)用方法，通過整網(wǎng)控制策略以達(dá)到提高整個FAST系統(tǒng)的使用壽命和觀 測靈敏度的目的。
[0007] 技術(shù)方案
[0008] -種基于迭代學(xué)習(xí)P型學(xué)習(xí)律的FAST整網(wǎng)控制方法，其特征在于：該方法步驟如 下：
[0009] 步驟1、FAST進(jìn)行觀測時通過下拉索控制節(jié)點(diǎn)；
[0010] 步驟2、當(dāng)要求觀測時能夠追蹤射電源軌跡，即需要所形成的拋物面焦點(diǎn)的坐標(biāo)軌 跡能與射電源軌跡一致，通過追蹤下拉索控制的節(jié)點(diǎn)的軌跡來實(shí)現(xiàn)最終所擬合拋物面焦點(diǎn) 的追蹤；
[0011] 步驟3、在二維系統(tǒng)中對單根下拉索定義輸入輸出參數(shù)有：
[0012]控制節(jié)點(diǎn)P(k)所處位置，包括控制節(jié)點(diǎn)在直角坐標(biāo)系中對應(yīng)的橫縱坐標(biāo)xp(k)、 yp(k)和下拉索的方位角θρ〇〇 ;節(jié)點(diǎn)運(yùn)動過程中的線速度和角速度，其中線速度Vp(k)為 可調(diào)的，ωρ〇〇為不可調(diào)，無法預(yù)知的，但是其影響較??；
[0013]步驟4、由步驟3的定義，對于節(jié)點(diǎn)P(k)，其中某一控制節(jié)點(diǎn)的離散運(yùn)動學(xué)方程如 下：
[0014](12)； Lf- ' '.」 ι_ ，' 」 i-
_j
[0015] 式（1)中，ΔT為采樣時間，其中控制節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)向量寫為q(k)= [Xp(k)，yp(k)，θρ00]τ，速度向量為up(k) = [vp(k)，ωρ00]τ;這樣通過替換將式（1)改寫 為下式：
[0016]
[0017]
[0018]
[0019] 步驟5、由步驟4的運(yùn)動方程式推導(dǎo)，歸納出節(jié)點(diǎn)軌跡跟蹤的控制問題就是為尋找 合適的up(k) = [vp(k)，ωρ00]τ，使得最終能夠追蹤理想軌跡；
[0020] 其中兩種速度的誤差分別為：
[0021]
(15);
[0022] 得出控制節(jié)點(diǎn)的迭代學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)；
[0023] 步驟6、由步驟5設(shè)計(jì)的迭代學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)得出某一控制節(jié)點(diǎn)的離散運(yùn)動學(xué)方程 式如下：
[0024] q(k+l) =q(k)+B(q(k),k)u(k) +β(k) (16)；
[0025] y(k) =q(k) +y(k) (17);
[0026] 其中β(k)為控制節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)干擾，γ(k)為對應(yīng)的輸出測量噪聲，y(k)= [x(k)，y(k)，Θ(k)]T為系統(tǒng)輸出，u(k) = [v(k)，ω(k)] τ;
[0027] 針對于離散迭代過程，由式（16)和式（17)可得到：
[0028] q； (k+1) =q； (k)+B(q； (k),k)u； (k) +β； (k) (18)；
[0029] Yl (k) =q, (k) +γ, (k) (19)；
[0030] 在式（18)和式（19)中，i為迭代學(xué)習(xí)的迭代次數(shù)，k為離散時間，k= 1，···， n;qi (k)、Ul (k)、yi (k)、βi(k)、γi(k)分別代表控制節(jié)點(diǎn)第i次迭代學(xué)習(xí)的狀態(tài)、輸入、輸 出、狀態(tài)干擾和輸出噪聲；
[0031] 步驟7、在步驟6構(gòu)造迭代學(xué)習(xí)律過程中，對于離散運(yùn)動學(xué)方程式滿足如下的性質(zhì) 和假設(shè)：
[0032] 性質(zhì)1.式中函數(shù)B(qi(k)，k) 一定滿足Lipschitz條件：
[0033] | | B(qi，k)-B(q2,k) | | 彡cB | |q「q21|，keN，cB為正常數(shù) （20);
[0034] 性質(zhì)2.矩陣B(qi (k)，k)必須是有界的，IIB(qi (k)，k)II彡bB，bB為正常數(shù)；
[0035] 性質(zhì)3.當(dāng)為理想狀況下，即無任何誤差噪聲時，βi(k)、γi(k)應(yīng)均為0,則控制 節(jié)點(diǎn)的期望軌跡的方程為：
[0036] qd (k+1) =qd (k)+B(qd (k),k)ud (k) (21)；
[0037] yd(k) =qd(k) (22)；
[0038] 步驟8、除步驟7所述性質(zhì)外，還需做出以下假設(shè)：
[0039] 假設(shè)1.maxlh⑷其中\(zhòng)為正常數(shù)； l<k<nd-
[0040] 假設(shè)2.干擾和噪聲均有界：
[0041]
(23)；
[0042] 其中be，bY為正常數(shù)；
[0043] 假設(shè)3.在每一次迭代過程中，軌跡都是從qd⑹的鄰域開始，即\>(U叫
[0044] 步驟9、根據(jù)步驟7和步驟8的假設(shè)和性質(zhì)下，構(gòu)造出節(jié)點(diǎn)迭代學(xué)習(xí)控制律為：
[0045] ui+1 (k) =u； (k)+Li(k)e； (k) (24)；
[0046] 收斂條件式為：
[0047] Ill-QGOB^k)II彡P(guān)< 1 (25)〇
[0048] 通過確定FAST整網(wǎng)系統(tǒng)的控制對象，即控制下拉索，來擬合形成觀測瞬時拋物 面。
[0049] 通過追蹤下拉索控制的節(jié)點(diǎn)的軌跡來實(shí)現(xiàn)最終所擬合拋物面焦點(diǎn)的追蹤。
[0050] 在迭代學(xué)習(xí)過程中，要測試其收斂性、其收斂速度。
[0051] 在迭代學(xué)習(xí)過程中，要加入隨機(jī)噪聲測試其魯棒性。
[0052] 步驟5所述迭代學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)包括期望軌跡，運(yùn)動軌跡跟蹤算法模塊，下拉索促 動器，控制節(jié)點(diǎn)模型；期望軌跡的輸出端連接運(yùn)動軌跡跟蹤算法模塊的輸入端，運(yùn)動軌跡跟 蹤算法模塊的輸出端連接下拉索促動器的輸入端，下拉索促動器的輸出端連接控制節(jié)點(diǎn)模 塊的輸入端，控制節(jié)點(diǎn)模塊的輸出端連接運(yùn)動軌跡跟蹤算法模塊的輸入端。
[0053] 優(yōu)點(diǎn)及效果
[0054] 本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)和有益效果如下：
[0055] 本發(fā)明在學(xué)習(xí)迭代學(xué)習(xí)控制的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際使用進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)，使得控 制效果更佳。并對FAST的觀測機(jī)理進(jìn)行了詳盡分析，由于FAST其復(fù)雜性，包括天文，機(jī)械， 數(shù)學(xué)等多學(xué)科，分析主反射面的面變形以及控制策略，同時針對于天文軌跡規(guī)劃以及FAST 的觀測模式進(jìn)行了分析，整理出FAST節(jié)點(diǎn)的控制算法；通過對FAST的分析，對整個FAST的 控制進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，由于其運(yùn)行的重復(fù)性、非線性以及不確定等特性，將迭代學(xué)習(xí)控制應(yīng)用 于整網(wǎng)的控制策略中，并對其運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行分析證明了其有效性，并針對FAST本身特點(diǎn)， 對迭代學(xué)習(xí)控制算法