超大口径射电望远镜的高精度指向控制方法研究

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如今,大口径射电望远镜正朝着大口径、高频段的必然趋势发展。然而,当射电望远镜口径不断增大时,其结构自身的固有频率将不断降低,这同时也必将导致射电望远镜的结构柔性与驱动柔性不断增大,从而使得射电望远镜在受到内部伺服激励以及外部扰动时更加容易发生机械谐振。除此之外,高频段也要求射电望远镜要有更高的指向精度,这势必增加了大口径射电望远镜伺服指向控制技术上的难度,同时也将严重影响大口径射电望远镜的指向精度。因此,针对柔性结构的高精度指向控制也必将成为大口径射电望远镜高精度指向控制研究的关键技术之一。  为此,本文首先以大口径射电望远镜作为研究对象,对其结构动力学模型及其驱动模型进行建模分析,经分析发现其柔性主要体现在两个方面,一方面是由副反射面支撑结构等结构部件导致的结构部分的柔性,另一方面则是由减速箱、输出轴等传动机构导致的驱动部分柔性。基于此,本文首先在忽略大口径射电望远镜驱动部分柔性的前提下,将大口径射电望远镜等效为一个两惯量系统,采用柔性尺系统作为被控对象对该两惯量系统进行等效,其中,利用柔性尺来模拟大口径射电望远镜结构部分所具有的柔性,此外,还据此设计了PI+LQG复合控制器来对柔性尺系统实施控制,并借助半实物仿真技术在该柔性尺系统上对所提复合控制器的有效性进行了验证。  接着,在原有结构的基础上,考虑大口径射电望远镜驱动部分柔性与其结构部分柔性同时存在的情况下,将大口径射电望远镜等效为一个三惯量系统,并采用新型两自由度复合控制器对其进行控制,该控制器由内外两环构成,针对结构部分柔性重新设计了专用鲁棒控制器Generalized Proportional Integral控制器,而对于驱动部分柔性则采用PI+LQG控制器对其进行振动控制。  最后,基于此搭建了相应的等效三惯量实验平台,并利用半实物仿真技术对新提出的两自由度复合控制器的有效性进行了实验验证,实验结果表明该两自由度复合控制器不仅可以对驱动部分的柔性振动进行抑制,同时还能够对结构部分的柔性振动进行抑制,且振动抑制效果显著,能够提高大口径射电望远镜的指向精度,进而确保其高精度伺服指向控制。
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