地基大口径光学工程
主题关键词： 光电望远镜天文光学大口径自适应光学
- 光电跟踪与控制
- 自适应光学
- 望远镜结构设计
- 主动光学
基于分段弧形永磁同步电机的4 m望远镜控制系统
摘要：为了满足4m望远镜控制系统的驱动能力和跟踪精度要求，本文介绍了基于分段弧形永磁同步电机的望远镜伺服控制系统设计方法。首先，介绍了基于分段弧形永磁同步电机的控制系统组成；其次，给出了望远镜伺服系统的控制模型辨识方法；然后，为了实现望远镜大角度调转和小角度阶跃过程中，系统位置响应快速、无超调，设计了基于系统最大速度和加速度信息的位置指令整形算法；最后，介绍了望远镜控制系统的位置和速度控制策略，并进行了望远镜的跟踪控制实验。实验结果显示，当望远镜进行10°的大位置调转和0.2°的小位置阶跃时，伺服系统能够快速、无振荡地到达指定位置；望远镜在10 (°)/s速度和3 (°)/s2加速度条件下的正弦引导误差最大值为2.636″，稳态误差RMS值为0.673″。实验结果表明，所设计的基于分段弧形永磁同步电机的伺服控制系统能够满足4 m望远镜驱动和跟踪精度的要求，为下一代大口径望远镜控制系统的设计提供了参考。关键词：大口径望远镜;分段弧形永磁同步电机;控制模型;指令整形387|1004|6<HTML><网络PDF><Meta-XML>更新时间：2023-04-18基于级联滑模控制的高精度光电跟踪与捕获
摘要：为了进一步提高光电跟踪系统的目标捕获和跟踪性能，提出了一种基于变增益趋近律的级联滑模控制方法。基于反双曲正弦函数和幂次项设计了新型变增益滑模趋近律，在提高滑模面趋近速度的同时抑制滑模抖振现象；基于变增益滑模趋近律设计速度环和位置环滑模控制器构成级联滑模控制，以提高系统的动态响应性能和鲁棒性，提高系统对目标的捕获能力和跟踪精度。最后，以某球形光电跟踪系统的方位轴作为控制对象，进行了传统级联PI控制和级联滑模控制方法的对比分析。实验结果表明，相比于传统级联PI控制，捕获速度为1 (°)/s的目标时，级联滑模控制可以将目标捕获时间减小32%；跟踪等效最大速度为4 (°)/s和最大加速度为2 (°)/s2的正弦引导信号，可将跟踪误差RMS值减小31%，采用级联滑模控制可有效提高跟踪系统的控制性能。关键词：光电跟踪系统;变增益趋近律;级联滑模控制;目标捕获;目标跟踪484|23|6更新时间：2020-07-162 m级望远镜跟踪架控制系统动态性能分析
摘要：为了增强望远镜的抗风载扰动能力，提高望远镜跟踪架的跟踪精度，本文对2 m望远镜跟踪架伺服控制系统的动态性能进行了测试和分析。首先，采用正弦扫描信号对望远镜跟踪架的结构和伺服系统进行了频率特性测试；其次，采用基于观测器/卡尔曼滤波器的辨识算法，对跟踪架控制系统的频率特性进行了模型辨识；最后，依据辨识获得的控制模型设计了位置和速度控制器，然后对2 m望远镜跟踪架伺服控制系统进行了目标观测实验，实验结果表明：当跟踪最大速度为3.5(°)/s，最大加速度为1(°)/s2的目标时，方位轴和俯仰轴的最大跟踪误差均小于4.5"，跟踪误差的RMS值分别为0.378 6"和0.151 6"，实验验证了跟踪架控制系统的良好性能。关键词：望远镜;频率响应;模型辨识;伺服系统461|482|0<HTML><网络PDF>更新时间：2020-07-05基于摩擦模型的反演滑模控制在大型望远镜上的应用
摘要：根据永磁同步电机驱动的大型望远镜转台对指向精度与低速跟踪精度的要求，设计了基于摩擦模型的反演滑模控制器。建立了基于摩擦模型与外部扰动的系统模型；然后，按照反演设计方法，设计了离控制输入最远的子系统，在设计过程中加入滑模控制，从而减小非线性摩擦因素与外部风载等对指向精度与跟踪精度的影响。通过理论仿真和实验研究验证了该方法的有效性。结果显示：所设计的反演滑模控制器具有较好的动态响应，对扰动等不确定性因素具有较强的鲁棒性，当位置阶跃指令为4.6 "时，稳态误差为0.048 51"，比传统的PI控制算法减小21.4%；当输入斜率为5（"）/s的位置斜坡指令时，稳态跟踪误差为0.031 26"，比传统的PI控制算法减小30.1%。结果表明提出的方法能够提高望远镜控制系统的指向精度和低速跟踪精度。关键词：摩擦模型;反演滑模控制;永磁同步电机;大型望远镜364|1155|2<HTML><网络PDF>更新时间：2020-08-13地基大口径望远镜伺服系统的抗扰动设计
摘要：针对地基大口径望远镜伺服系统的抗扰动问题，提出了一种抗扰动控制算法。该算法采用双闭环控制结构：内环为高带宽的电流环，采用PI控制器；外环为速度环；采用线性自抗扰控制器，通过线性扩张状态观测器辨识出系统扰动，然后将该扰动前馈到系统控制量中去，构成复合校正系统。为解决大动态输入引起的控制器饱和问题，状态观测器的输入控制量加入了抗饱和控制算法，保证了系统的稳定性和良好的动态特性。仿真和实验结果表明：与传统的PI控制器相比，引入抗饱和功能的自抗扰控制器在高低速均可以获得良好的动态性能；在低速平稳跟踪实验中，速度波动误差（RMS）由0.000 68（°）/s降低到0.000 32（°）/s。实验结果证明提出的方法能够有效提高伺服系统抗扰动能力和速度跟踪的平稳性。关键词：地基望远镜;扰动抑制;线性自抗扰控制;交流永磁同步电机;抗饱和;低速性能413|477|7<HTML><网络PDF>更新时间：2020-08-13基于扰动力矩观测器的大口径望远镜低速控制
摘要：为了增强大口径望远镜跟踪架伺服控制系统的抗扰动性能，提高其低速跟踪精度，提出了基于扰动力矩观测器的力矩补偿方法。该方法采用改进的加减速法控制转台的加减速时间，使得望远镜转台微震；通过测量电机的速度和电流响应曲线，辨识获得望远镜转台的转动惯量。然后，设计了望远镜转台的加速度估计器，根据编码器位置反馈数据，采用双积分和PD控制的方法，估计出当前系统的加速度。最后，基于转动惯量辨识和加速度估计，设计了扰动力矩观测器，根据电机的电流和转台的加速度，计算出外部的扰动力矩，并将扰动前馈补偿到电流控制器的输入端，以修正电流输入参考值。在2 m望远镜控制系统中对扰动观测器的性能进行了实验验证，结果表明，加入扰动力矩观测器补偿后，在跟踪斜率为0.36（"）/s的位置斜坡时，跟踪误差值（RMS）由0.012 7"减小到0.007 3"；相比未加入扰动力矩观测器的补偿方法，望远镜的低速跟踪抖动明显减小，提高了伺服系统的低速跟踪精度，实现了对目标的平滑、稳定跟踪。关键词：大口径望远镜;低速跟踪;转动惯量辨识;加速度估计;扰动力矩观测器576|821|6<HTML><网络PDF>更新时间：2020-08-13基于鲁棒迭代学习控制的永磁同步电机转矩脉动抑制
摘要：为了提高永磁同步电机转速伺服系统的性能，抑制转矩脉动对控制系统的影响，提出了滑模控制与迭代学习控制相结合的鲁棒迭代学习控制方法（RILC）。设计了迭代学习控制器抑制周期性转矩脉动，提出了滑模控制器提高系统的抗扰动性能，保证系统强鲁棒性及响应快速性。实验结果显示，电机以900 r/min的速度运行时，采用鲁棒迭代学习控制可将速度脉动6次谐波幅值由0.89降低到0.56；加入0.5 N·m的负载扰动后，转速波动最大值为22 r/min，比PI-迭代学习控制法得到的值减小了1.8%。电机以60 r/min运行时，采用鲁棒迭代学习控制可将速度脉动6次谐波幅值由4.87降低到0.45；加入0.5 N·m的负载扰动的，转速波动最大值为24 r/min，比PI-迭代学习控制法得到的值减小了23%。得到的结果表明，鲁棒迭代学习控制方法可有效抑制转矩脉动，同时可提高永磁同步电机转速伺服系统的鲁棒性和动态响应性能。关键词：永磁同步电机;迭代学习控制;滑模控制;转矩脉动抑制;转速控制561|853|5<HTML><网络PDF>更新时间：2020-08-13基于扰动观测器的永磁同步电机电流环自适应滑模控制
摘要：针对扰动对永磁同步电机转速伺服系统性能的影响，提出了基于扰动观测器的电流环自适应滑模控制方法。设计了自适应律在线估计系统的内部参数摄动以补偿模型不确定性扰动。同时，设计了滑模扰动观测器实时估计系统外部负载扰动，并将观测值前馈补偿到电流环自适应滑模控制器，在提高系统鲁棒性的同时降低滑模控制系统的抖振。实验结果显示，采用基于扰动观测器的电流环自适应滑模控制方法，系统可快速、准确、无超调地跟踪900 r/min的速度指令，调节时间为0.08 s，稳态误差为±5 r/min。加入0.6 N·m的负载扰动，该控制方法的最大转速波动为21 r/min，比PI控制方法的转速波动减小了3.4%。仿真和实验结果表明，基于扰动观测器的电流环自适应控制方法提高了永磁同步电机转速伺服系统的鲁棒性和动态响应性能，同时可有效抑制滑模控制系统的抖振。关键词：永磁同步电机;自适应滑模控制;扰动观测器;电流控制514|867|0<HTML><网络PDF>更新时间：2020-07-07结构滤波器在望远镜主轴控制系统中的应用
摘要：为了提高望远镜控制系统的闭环带宽和动态性能，研究了结构滤波器对控制系统闭环性能的影响。根据望远镜机械跟踪架的弹簧质量模型推导了系统的传递函数，分析了电机和负载转动惯量与谐振频率的关系，设计了基于系统开环频率特性的结构滤波器。将设计的结构滤波器串联入控制回路，用于减小机械谐振的幅值。介绍了结构滤波器的设计方法，以及加入结构滤波器后对控制系统闭环性能的影响。最后，在2 m望远镜跟踪架转台上进行了验证实验。结果表明，加入结构滤波器后系统的闭环带宽由10 Hz提高到了13 Hz，有效地抑制了速度的稳态谐振，提高了望远镜控制系统的速度跟踪性能。得到的实验结果验证了结构滤波器能够有效地提高系统的动态性能。关键词：望远镜;结构滤波器;弹簧质量模型;谐振频率;闭环带宽329|775|0<HTML><网络PDF>更新时间：2020-07-072 m望远镜主轴交流伺服控制系统设计
摘要：为了满足2 m口径望远镜低速跟踪精度的要求，本文主要介绍了基于永磁同步力矩电机的望远镜交流伺服控制系统设计方法，首先，辨识出了系统结构的频率特性曲线；其次，根据系统的频率特性曲线设计了结构滤波器，以减小结构模态引起的谐振幅值；然后，根据系统的控制性能指标要求，设计了位置回路控制器和前馈控制器，以提高系统的位置跟踪性能；最后，在设计的硬件平台上进行了望远镜转台的低速控制实验。实验结果显示，当望远镜跟踪斜率为0.36"/s的位置斜坡曲线时，速度平稳性较好，位置跟踪误差RMS为0.006 1"，实现了极低速度跟踪的效果；在速度为 5°/s，加速度为2°/s2条件下的正弦引导最大误差值为0.3"，稳态误差RMS值为0.066"。实验结果表明，2 m口径望远镜交流伺服系统的设计满足了系统跟踪精度的要求，为大型望远镜交流伺服控制系统的设计提供了一定的参考。关键词：2 m望远镜;交流伺服系统;频率响应;结构滤波器;前馈控制539|862|9<HTML><网络PDF>更新时间：2020-07-07
