一種抑制風(fēng)載荷擾動的大型天文望遠(yuǎn)鏡高精度控制系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種能抑制風(fēng)載荷擾動的天文望遠(yuǎn)鏡高精度控制系統(tǒng)及方法，屬于大 型天文望遠(yuǎn)鏡跟蹤控制技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] -般大型天文望遠(yuǎn)鏡都不會在強(qiáng)風(fēng)下工作。因?yàn)楫?dāng)風(fēng)力較強(qiáng)時（比如大于5級 風(fēng)），風(fēng)載荷對儀器的擾動過大，伺服控制系統(tǒng)不能保證跟蹤的精度。有些系統(tǒng)因此配備了 隨動圓頂，用以減弱風(fēng)載荷對儀器的影響。但是，大型天文望遠(yuǎn)鏡的圓頂都比較笨重（比如 中國國家天文臺的2. 16m望遠(yuǎn)鏡圓頂重達(dá)150噸），當(dāng)儀器跟蹤較快的低軌目標(biāo)時，隨動圓 頂會帶來對儀器基敦的強(qiáng)烈擾動，影響跟蹤的精度。同時圓頂?shù)脑O(shè)置，會影響觀測的視寧 度。因此在一些對跟蹤精度與視寧度要求苛刻的場合，望遠(yuǎn)鏡需要在開放的環(huán)境下使用。這 時，風(fēng)載荷的影響尤其明顯。
[0003] 目前一般的大型天文望遠(yuǎn)鏡均采用位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)的串級控制。位置環(huán)的 反饋采用位置測角原件如編碼器或光柵尺的測量值進(jìn)行反饋，速度環(huán)測量則采用位置反饋 量差分得到。一般的望遠(yuǎn)鏡的控制框圖如附圖2所示。圖中，Cp為位置環(huán)調(diào)節(jié)器、Cv為速 度環(huán)調(diào)節(jié)器、C。為電流環(huán)調(diào)節(jié)器，電流環(huán)一般做到電機(jī)驅(qū)動器內(nèi)部與轉(zhuǎn)臺一起構(gòu)成被控對 象^，扎為力矩擾動傳遞函數(shù)。假設(shè)風(fēng)載荷《的功率密度為1_。可以推導(dǎo)出，儀器位置？ 的功率密度PPSD為：
[0004] Ppsd= |HpsvsprwPSD (i)
[0005] 其中Hp=Ha/:
[0006] Sv是速度環(huán)的擾動抑制傳遞函數(shù)，Sp是位置環(huán)的擾動抑制傳遞函數(shù)。
[0007] 還可以得到跟隨性能（位置輸出與位置輸入之比）：
[0008]
[0009] 擾動抑制能力（位置輸出與力矩擾動之比）：
[0010]V，） a v u
p 'V U
[0011 ] 擾動抑制能力與跟隨性能的比：
[0012]
(4)
[0013] 可見，控制系統(tǒng)對擾動的抑制能力主要取決于位置環(huán)、速度環(huán)的增益。當(dāng)風(fēng)載荷較 強(qiáng)時，其相應(yīng)的頻率成分也隨之增加，儀器難以保持原有精度。常用的風(fēng)載荷的速度功率譜 密度swv為Davenport提出的風(fēng)速譜：
[0014]
(5)
[0015] 式中，f為風(fēng)的頻率（單位為赫茲）；K為與地面粗糙度有關(guān)的參數(shù)，I為標(biāo)準(zhǔn)高度 (一般為l〇m)處的平均風(fēng)速。
[0016] 目前，三環(huán)控制結(jié)構(gòu)能滿足大多數(shù)場合的應(yīng)用需求。但是對風(fēng)載荷的擾動抑制能 力還是不足。尤其是當(dāng)望遠(yuǎn)鏡的結(jié)構(gòu)日益增大，由于機(jī)械諧振頻率的限制，速度環(huán)的帶寬較 窄。相應(yīng)增益不高。對擾動的抑制能力變?nèi)酢Ｒ虼诵枰芯扛鼮橛行У目癸L(fēng)載荷的抗擾動 控制方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017] 本發(fā)明的技術(shù)解決問題：克服現(xiàn)有大型天文望遠(yuǎn)鏡閉環(huán)控制中的不足，針對較強(qiáng) 風(fēng)載荷作用下，目前大型望遠(yuǎn)鏡跟蹤精度不高的問題。采用加速度閉環(huán)結(jié)合擾動觀測與補(bǔ) 償?shù)姆椒?，顯著地提高控制系統(tǒng)對風(fēng)載荷的抗擾動能力。該方法首次將擾動觀測與補(bǔ)償方 法應(yīng)用于帶有高階量閉環(huán)（加速度閉環(huán)）的系統(tǒng)中，相對于常規(guī)的三環(huán)控制模式，抗擾動能 力在風(fēng)載荷的頻段內(nèi)，具有數(shù)量級的提升。
[0018] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案：一種抑制風(fēng)載荷擾動的大型天文望遠(yuǎn)鏡高精度控制系統(tǒng) 及方法。利用加速度計反饋形成高階量閉環(huán)，并構(gòu)建高精度的力擾動觀測器，利用觀測到的 擾動實(shí)時計算實(shí)時補(bǔ)償量，并將該量疊加到輸出上實(shí)現(xiàn)對擾動力矩的抵消與補(bǔ)償。該方法 能顯著提高系統(tǒng)的抗風(fēng)載荷擾動的能力。實(shí)現(xiàn)的框圖如圖3所示，圖中：CP為位置環(huán)調(diào)節(jié) 器、Cv為速度環(huán)調(diào)節(jié)器、Ca為加速度環(huán)調(diào)節(jié)器、Η3為力矩擾動傳遞函數(shù)、0,,為被控對象^的 模擬、Cd為擾動補(bǔ)償控制器。其中電流環(huán)調(diào)節(jié)器C。一般做到電機(jī)驅(qū)動器內(nèi)部與轉(zhuǎn)臺一起構(gòu) 成被控對象Ga。?|與(^構(gòu)成擾動觀測與補(bǔ)償器CM。控制框圖對應(yīng)的信號流圖如圖4所示。
[0019] -種抑制風(fēng)載荷擾動的大型天文望遠(yuǎn)鏡高精度控制系統(tǒng)，其特征在于包括：
[0020] 硬件上包括：望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)臺（101)、加速度計（100-A、100-B)、力矩電機(jī)（102)、光電 編碼器（103)、基座（104)、主控計算機(jī)（111)、電機(jī)驅(qū)動器（110);其中，加速度計（100-A、 100-B)對稱安裝在望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)臺（101)上面，與轉(zhuǎn)臺固聯(lián)，兩個加速度計離旋轉(zhuǎn)中心的距離 相同、敏感方向相同，敏感方向?yàn)檗D(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)的切線方向。轉(zhuǎn)臺與力矩電機(jī)（102)軸固聯(lián)。同 時光電編碼器（103)內(nèi)軸與力矩電機(jī)（102)軸固聯(lián)，力矩電機(jī)外殼與基座（104)固聯(lián)，光電 編碼器外殼與電機(jī)外殼及基座固聯(lián)。
[0021] 軟件模塊上包括：擾動觀測與補(bǔ)償器（1001)、加速度環(huán)控制器（1002)、速度環(huán)控 制器（1003)、位置環(huán)控制器（1004);其中位置環(huán)控制器（1004)在最外環(huán)，接收外部發(fā)過來 的位置給定信號f以及光電編碼器送出的位置反饋信號P，經(jīng)位置環(huán)控制器調(diào)節(jié)后，送出速 度給定信號速度環(huán)控制器（1003)接收位置環(huán)控制器輸出的速度給定信號v#、光電編碼 器送出的位置差分信號v，調(diào)節(jié)后，送出加速度給定信號a%加速度環(huán)控制器（1002)接收速 度環(huán)控制器輸出的加速度給定信號a'加速度計反饋的望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)臺加速度信號a，調(diào)節(jié)后， 送出初始電流給定i1;擾動觀測與補(bǔ)償器（1001)接收加速度環(huán)控制器輸出的初始電流給 定h、加速度計反饋的望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)臺加速度信號a，擾動觀測與補(bǔ)償器根據(jù)輸入信號觀測出擾 動量并計算出相應(yīng)的補(bǔ)償量i。，該量即可用來抵消掉外部擾動對望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)臺的影響，將該 量疊加到加速度控制器輸出的初始電流給定量上h，得到最終的電流給定i%將該量送給 電機(jī)驅(qū)動器驅(qū)動望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)臺精密轉(zhuǎn)動。
[0022] 各軟件模塊均運(yùn)行于主控計算機(jī)（111)上。
[0023] 控制過程：如圖1、圖3所示，外部送來的位置控制指令f與光電編碼器測得的位 置信號P比較并送到位置環(huán)控制器進(jìn)行位置環(huán)校正，輸出速度給定信號位置環(huán)校正輸 出的速度給定信號/再與光電編碼器差分得到的轉(zhuǎn)臺速度信息v比較并送到速度環(huán)控制 器進(jìn)行速度環(huán)校正，輸出加速度給定信號a%速度環(huán)控制器輸出的加速度給定信號a$再與 加速度計反饋信號a比較并送到加速度環(huán)控制器進(jìn)行校正，校正后輸出初始電流給定i1; 初始電流給定信號h與加速度計反饋信號a-起送給擾動觀測與補(bǔ)償器，計算后，輸出電 流的修正補(bǔ)償量i。，該量用來抵消外部擾動；最后將電流修正補(bǔ)償量i。與初始給定電流ii 疊加得到最終電流給定i%并送給電機(jī)驅(qū)動器，驅(qū)動望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)臺高精度轉(zhuǎn)動。其中位置環(huán)控 制器、速度環(huán)控制器、加速度環(huán)控制器、擾動觀測與補(bǔ)償器均在主控計算機(jī)中用軟件完成。
[0024] 具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：
[0025] 第一步，設(shè)計加速度環(huán)控制器CA (1002)
[0026] 設(shè)計在主控計算機(jī)（111)上運(yùn)行的的加速度環(huán)控制器（1002)(；為：
[0027]
[0028] 其中Kpa為比例系數(shù)，Kla為積分系數(shù)，s為拉普拉斯算子；該控制器的輸入為加速 度計（100-A，100-B)測得的儀器加速度反饋信號a，以及速度環(huán)控制器（1003)輸出的加速 度給定信號a%兩路信號之差經(jīng)(；調(diào)節(jié)之后，輸出電流初始給定i1<3
[0029] 第二步，設(shè)計速度環(huán)控制器Cv (1003)
[0030] 設(shè)計在主控計算機(jī)（111)上運(yùn)行的速度環(huán)控制器（1003)cvs:
[0031]
[0032] 其中Kpv為比例系數(shù)，Klv為積分系數(shù)，s為拉普拉斯算子；該控制器的輸入為光電 編碼器（103)輸出的位置差分信號（即望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)臺的角速度信息）V，以及位置環(huán)控制器 (1004)輸出的速度給定信號/。兩路信號之差經(jīng)仏調(diào)節(jié)之后，輸出加速度給定信號a'
[0033] 第三步，設(shè)計位置環(huán)控制器CP (1004)
[0034] 設(shè)計在豐棹計筧機(jī)（111)上運(yùn)行的位置環(huán)控制器（1004)CP為：
[0035]
[0036] 其中Kpp為比例系數(shù)，K1P為積分系數(shù)，s為拉普拉斯算子；該控制器的輸入為光電 編碼器（103)輸出的位置信號（即望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)臺的角位置信息），以及外部輸入的位置給定信 號f。兩路信號之差經(jīng)CP調(diào)節(jié)之后，輸出速度給定信號v'
[0037] 第四步，設(shè)計擾動觀