基于自抗扰控制的2.5 m望远镜主轴伺服控制系统

刘洋; 李洪文; 邓永停; 王帅; 费强; 杨晓霞; 曹玉岩

doi:10.37188/OPE.20223023.3058

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基于自抗扰控制的2.5 m望远镜主轴伺服控制系统

更新时间：2022-12-20

- 基于自抗扰控制的2.5 m望远镜主轴伺服控制系统
- Main axes servo control system for 2.5 m telescope based on active disturbance rejection control
- 光学精密工程 2022年30卷第23期页码：3058-3069
- 作者机构：
  
  1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春 130033
  2.中国科学院大学，北京 100049
  3.季华实验室，广东佛山 528000
- 作者简介：
  
  [ "刘洋(1987-)，男，吉林德惠人，博士研究生，助理研究员，2011年于西北工业大学获得学士学位，2014年于西北工业大学获得硕士学位，主要从事光电望远镜伺服控制方面的研究。E-mail: liuyang@ciomp.ac.cn" ]
  [ "邓永停(1987-)，男，山东潍坊人，博士，研究员，2010年于中国石油大学获得学士学位，2015年于中科院长春光机所获得博士学位，主要从事大型望远镜精密跟踪控制及电子学设计方面的研究。E-mail:dyt0612@163.com" ]
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金资助项目(11973041;12122304);中国科学院青年创新促进会会员项目(2019218);天文联合基金资助项目(U2031126)
- DOI：10.37188/OPE.20223023.3058
  中图分类号： TP273;TH743
- 收稿日期：2022-09-27，
  
  修回日期：2022-11-14，
  
  纸质出版日期：2022-12-10
- 稿件说明：
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刘洋,李洪文,邓永停等.基于自抗扰控制的2.5 m望远镜主轴伺服控制系统[J].光学精密工程,2022,30(23):3058-3069.

LIU Yang,LI Hongwen,DENG Yongting,et al.Main axes servo control system for 2.5 m telescope based on active disturbance rejection control[J].Optics and Precision Engineering,2022,30(23):3058-3069.
刘洋,李洪文,邓永停等.基于自抗扰控制的2.5 m望远镜主轴伺服控制系统[J].光学精密工程,2022,30(23):3058-3069. DOI： 10.37188/OPE.20223023.3058.

LIU Yang,LI Hongwen,DENG Yongting,et al.Main axes servo control system for 2.5 m telescope based on active disturbance rejection control[J].Optics and Precision Engineering,2022,30(23):3058-3069. DOI： 10.37188/OPE.20223023.3058.

摘要

为了满足2.5 m大视场望远镜的跟踪要求，提出了望远镜主轴伺服三闭环控制设计方法。在整定好的电流环输入端注入正弦信号，扫频测试主轴伺服速度环的开环频率特性。根据谐振频率设计结构滤波器抑制机械谐振，从而达到更高的闭环带宽。最后，依据辨识得到的控制模型，设计速度环线性自抗扰控制器和位置环比例控制器。速度环基于线性扩张状态观测器估计扰动并补偿其影响，可以达到更高的低速跟踪精度。为解决快速搜索问题，根据设备允许的最大速度、加速度，基于离散最速跟踪微分器安排过渡过程。实验结果表明：线性自抗扰控制相比PI控制，2.5 m大视场望远镜进行1.24°视场角快速步进搜索的时间由1.6 s降低为1.0 s；以速度为2 （°）/s，加速度为1 （°）/s

作为等效正弦引导的误差均方根值由1.08″降低为0.60″；低速跟踪斜率为0.000 1 （°）/s的位置斜坡曲线时，位置跟踪稳态误差均方根值由0.015 8″降低为0.010 6″。线性自抗扰控制能够满足大视场角天文望远镜高效率快速搜索和低速精密跟踪的要求。

Abstract

To meet the requirements of fast search and high precision tracking at ultra-low speed for a 2.5 m wide field telescope， the design method of the three closed-loop control system of position， velocity， and current of telescope main axes AC servo is introduced. Firstly， a sinusoidal signal is injected into the set current closed-loop reference input end， and the speed open-loop frequency characteristic curve of the main axes servo system for the telescope is measured using a frequency sweep. Then， the structural filter is designed according to the resonant frequency to suppress the mechanical resonance so as to achieve a higher closed-loop bandwidth. Finally， according to the identified control model， the speed loop linear active disturbance rejection （LADRC） controller and position loop proportional controller are designed. The velocity loop estimates the disturbance and compensates for its effects based on the linear extended state observer， which achieves higher low-speed tracking accuracy. To solve the fast search problem， the position loop arranges the transition process according to the maximum allowable velocity and acceleration of the device and based on the discrete maximum velocity tracking differentiator. The experimental results show that， compared with the PI control， LADRC reduces the fast step search time of 1.24° FOV for a 2.5 m wide field telescope from 1.6 s to 1.0 s. The equivalent sinusoidal guidance error RMS value decreases from 1.08″ to 0.60″ when tracking the sine curve with a velocity of 2 （°）/s and acceleration of 1 （°）/s

， The steady-state error RMS of position decreases from 0.015 8″ to 0.010 6" when tracking the slope of position at 0.000 1 （°）/s. The experimental results indicate that LADRC can meet the requirements of high efficiency， fast search， and precise tracking at low speed for large field angle telescopes.

关键词

Keywords

references

邓永停，李洪文，王建立 . 大型望远镜交流伺服控制系统综述［J］. 中国光学， 2015 ， 8 （ 6 ）： 895 - 908 .

DENG Y T ， LI H W ， WANG J L . Overview of AC servo control system for the large telescope ［J］. Chinese Optics ， 2015 ， 8 （ 6 ）： 895 - 908 . （in Chinese）

王帅，邓永停，朱娟 . 地基大口径望远镜伺服系统的抗扰动设计［J］. 光学精密工程， 2017 ， 25 （ 10 ）： 2627 - 2635 .

WANG SH ， DENG Y T ， ZHU J . Disturbance rejection control for large ground-based telescope ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2017 ， 25 （ 10 ）： 2627 - 2635 . （in Chinese）

马佳光 . 捕获跟踪与瞄准系统的基本技术问题［J］. 光学工程， 1989 ， 16 （ 3 ）： 1 - 42 .

MA J G . The basic technologies of the acquisition， tracking and pointing systems ［J］. Opto-Electronic Engineering ， 1989 ， 16 （ 3 ）： 1 - 42 . （in Chinese）

李洪文 . 基于内模PID控制的大型望远镜伺服系统［J］. 光学精密工程， 2009 ， 17 （ 2 ）： 327 - 332 . doi: 10.3321/j.issn:1004-924X.2009.02.015 http://dx.doi.org/10.3321/j.issn:1004-924X.2009.02.015

LI H W . Servo system of large telescope based on internal model PID control method ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2009 ， 17 （ 2 ）： 327 - 332 . （in Chinese） . doi: 10.3321/j.issn:1004-924X.2009.02.015 http://dx.doi.org/10.3321/j.issn:1004-924X.2009.02.015

张斌，李洪文，郭立红，等 . 变结构PID在大型望远镜速度控制中的应用［J］. 光学精密工程， 2010 ， 18 （ 7 ）： 1613 - 1619 . doi: 10.3788/OPE.20101807.1613 http://dx.doi.org/10.3788/OPE.20101807.1613

ZHANG B ， LI H W ， GUO L H ， et al . Application of variable structure PID in velocity control for large telescope ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2010 ， 18 （ 7 ）： 1613 - 1619 . （in Chinese） . doi: 10.3788/OPE.20101807.1613 http://dx.doi.org/10.3788/OPE.20101807.1613

GAWRONSKI W ， SOUCCAR K . Control systems of the large millimeter telescope ［J］. IEEE Antennas and Propagation Magazine ， 2005 ， 47 （ 4 ）： 41 - 49 .

GAWRONSKI W . Antenna control systems： from PI to H∞ ［J］. IEEE Antennas and Propagation Magazine ， 2001 ， 43 （ 1 ）： 52 - 60 .

李宁，刘志勇，王娜，等 . 基于DUEA的天线伺服控制系统仿真［J］. 航空学报， 2022 ， 43 （ 2 ）： 362 - 372 . doi: 10.7527/j.issn.1000-6893.2022.2.hkxb202202029 http://dx.doi.org/10.7527/j.issn.1000-6893.2022.2.hkxb202202029

LI N ， LIU ZH Y ， WANG N ， et al . Simulation on antenna servo control system based on DUEA ［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica ， 2022 ， 43 （ 2 ）： 362 - 372 . （in Chinese） . doi: 10.7527/j.issn.1000-6893.2022.2.hkxb202202029 http://dx.doi.org/10.7527/j.issn.1000-6893.2022.2.hkxb202202029

刘春强，骆光照，涂文聪 . 航空机电作动永磁同步电机自抗扰控制研究综述［J］. 电气工程学报， 2021 ， 16 （ 4 ）： 12 - 24 .

LIU CH Q ， LUO G ZH ， TU W C . Survey on active disturbance rejection control of permanent magnet synchronous motor for aviation electro-mechanical actuator ［J］. Journal of Electrical Engineering ， 2021 ， 16 （ 4 ）： 12 - 24 . （in Chinese）

韩京清 . 自抗扰控制器及其应用［J］. 控制与决策， 1998 ， 13 （ 1 ）： 19 - 23 . doi: 10.3321/j.issn:1001-0920.1998.01.005 http://dx.doi.org/10.3321/j.issn:1001-0920.1998.01.005

HAN J Q . Auto-disturbances-rejection controller and its applications ［J］. Control and Decision ， 1998 ， 13 （ 1 ）： 19 - 23 . （in Chinese） . doi: 10.3321/j.issn:1001-0920.1998.01.005 http://dx.doi.org/10.3321/j.issn:1001-0920.1998.01.005

高志强 . 自抗扰控制思想探究［J］. 控制理论与应用， 2013 ， 30 （ 12 ）： 1498 - 1510 . doi: 10.7641/CTA.2013.31087 http://dx.doi.org/10.7641/CTA.2013.31087

GAO ZH Q . On the foundation of active disturbance rejection control ［J］. Control Theory ＆ Applications ， 2013 ， 30 （ 12 ）： 1498 - 1510 . （in Chinese） . doi: 10.7641/CTA.2013.31087 http://dx.doi.org/10.7641/CTA.2013.31087

GAO Z Q . Scaling and bandwidth-parameterization based controller tuning ［C］. Proceedings of the 2003 American Control Conference. Denver ， CO ， USA . IEEE ， 2003 ： 4989 - 4996 .

王帅，王建立，李洪文，等 . 光电跟踪系统力矩波动的自抗扰控制［J］. 光电工程， 2012 ， 39 （ 4 ）： 7 - 13 .

WANG SH ， WANG J L ， LI H W ， et al . Active disturbance rejection control of torque ripple on optoelectronic tracking system ［J］. Opto-Electronic Engineering ， 2012 ， 39 （ 4 ）： 7 - 13 . （in Chinese）

杨晓霞，孟浩然，李玉霞，等 . 具有扰动观测及实时补偿的大型光电望远镜主轴控制技术［J］. 国外电子测量技术， 2014 ， 33 （ 11 ）： 56 - 61 . doi: 10.3969/j.issn.1002-8978.2014.11.016 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1002-8978.2014.11.016

YANG X X ， MENG H R ， LI Y X ， et al . Mount control technology using disturbance observer and compensation for large opto-electronic telescopses ［J］. Foreign Electronic Measurement Technology ， 2014 ， 33 （ 11 ）： 56 - 61 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1002-8978.2014.11.016 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1002-8978.2014.11.016

刘春强，骆光照，涂文聪，等 . 基于自抗扰控制的双环伺服系统［J］. 中国电机工程学报， 2017 ， 37 （ 23 ）： 7032 - 7039， 7095 . doi: 10.13334/j.0258-8013.pcsee.161957 http://dx.doi.org/10.13334/j.0258-8013.pcsee.161957

LIU CH Q ， LUO G ZH ， TU W C ， et al . Servo systems with double closed-loops based on active disturbance rejection controllers ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2017 ， 37 （ 23 ）： 7032 - 7039， 7095 . （in Chinese） . doi: 10.13334/j.0258-8013.pcsee.161957 http://dx.doi.org/10.13334/j.0258-8013.pcsee.161957

左月飞，张捷，刘闯，等 . 基于自抗扰控制的永磁同步电机位置伺服系统一体化设计［J］. 电工技术学报， 2016 ， 31 （ 11 ）： 51 - 58 . doi: 10.3969/j.issn.1000-6753.2016.11.006 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1000-6753.2016.11.006

ZUO Y F ， ZHANG J ， LIU CH ， et al . Integrated design for permanent magnet synchronous motor servo systems based on active disturbance rejection control ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2016 ， 31 （ 11 ）： 51 - 58 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1000-6753.2016.11.006 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1000-6753.2016.11.006

邓永停，李洪文，王建立，等 . 2 m望远镜主轴交流伺服控制系统设计［J］. 光学精密工程， 2017 ， 25 （ 1 ）： 163 - 171 .

DENG Y T ， LI H W ， WANG J L ， et al . Main axes AC servo control system for 2 m telescope ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2017 ， 25 （ 1 ）： 163 - 171 . （in Chinese）

邓永停，李洪文，陈涛 . 2 m级望远镜跟踪架控制系统动态性能分析［J］. 光学精密工程， 2018 ， 26 （ 3 ）： 654 - 661 .

DENG Y T ， LI H W ， CHEN T . Dynamic analysis of two meters telescope mount control system ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2018 ， 26 （ 3 ）： 654 - 661 . （in Chinese）

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