CN100388046C - 大型天文望远镜中力促动器的智能控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大型天文望远镜中力促动器的智能控制系统。其技术方案是，一种大型天文望远镜中力促动器的智能控制系统，由施密特改正板M_A、力传感器、智能系统组成，智能系统包括主动光学的主控制模块、M_A控制模块、力促动器控制模块和力促动器驱动模块；主控制模块接M_A控制模块，M_A控制模块接若干个力促动器控制模块，每个力促动器控制模块接若干个力促动器驱动模块，每个力促动器驱动模块接一个力促动器；智能系统自动控制力促动器完成对薄镜面双向施加压力或拉力。

Description

大型天文望远镜中力促动器的智能控制系统

技术领域

本发明涉及一种天文望远镜的控制机构，特别是一种大型天文望远镜中力促动器的智能控制系统。

背景技术

主动光学是80年代发展起来的一种新技术。主动光学是克服望远镜误差(主要是重力变形和热变形误差)，使望远镜的像质提高，造价降低，使特大望远镜的建造成为可能。主动光学技术又可分为两大类：薄镜面主动光学技术和拼接镜面主动光学技术。大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜(以下简称LAMOST)中的M_A镜既使用了薄镜面主动光学技术又使用了拼接镜面主动光学技术。

LAMOST中的主动光学的电控系统部分分别由施密特改正板M_A和球面主镜M_B组成。M_A由若干块六角形薄镜面的“子镜”拼接成完整的拼接镜面。为了满足天文观测的需要，在实时观测中，整个镜面需要随时变形，其具体方法是：每一块子镜有三个支撑点；每块子镜的背面设置有力促动器，通过对薄镜面施加压力，促使镜面由平面镜变为非球面镜，使整个拼接镜面的形状符合天文观测要求。所有的力促动器由控制系统操纵：通过光学检测为计算机闭环控制提供反馈信号，计算机经过解算求出每个力促动器作用力的大小，分别发出指令，从而实现对整个拼接镜面形变的控制，实现共焦或共面。M_B是37块子镜拼接组成，每块子镜由三个位移促动器控制镜面位移。这种方案构成的大型天文望远镜，其规模远远超出了传统技术所说的“大型望远镜”的概念，其子镜可以扩展到成千上万，并同时把位移控制和子镜变形控制集中在同一个控制系统里完成。由此带来控制对象的数量达到了空前庞大的程度，再与“几个纳米的分辨率、50纳米的控制精度”的技术要求结合，给控制系统提出了传统技术无法完成的任务。

CN01113669.3号专利说明书中公开了一种大型天文望远镜中力促动器的控制系统，该控制系统的镜面由若干块六角形薄镜面的子镜拼接而成，每一块子镜的背面设置力促动器，并设置力传感器，传感器连接计算机闭环控制系统，计算机对每个力促动器发出实时指令，控制系统的组成是，由主动光学控制器分别连接若干通用数字接口，数字接口接用户接口控制器，控制器再接力促动器控制器，力促动器控制器接力促动器，子镜上的力传感器接用户接口控制器。

这种结构系统与相应的软件结合，即可实现控制系统对所有的促动器同时发出指令，所有的促动器同时实时工作，并实现力促动器对薄镜面双向施加压力或拉力，加大镜面形变的能力的功能。

发明内容

本发明是在CN01113669.3号专利技术方案的基础上的进一步开发，提供一种包括控制系统软件设计在内的大型天文望远镜中力促动器的控制系统，它能实现所有的力促动器同时实时工作，力促动器对薄镜面双向施加压力或拉力的智能化控制。

本发明的技术方案是，一种大型天文望远镜中力促动器的智能控制系统，由施密特改正板M_A、力传感器、智能系统组成，其特征是，智能系统包括主动光学的主控制模块、M_A控制模块、力促动器控制模块和力促动器驱动模块；主控制模块接M_A控制模块，M_A控制模块接若干组力促动器控制模块，每组力促动器控制模块接若干个力促动器驱动模块，每个力促动器驱动模块接一个力促动器；智能系统包括以下步骤：

1、主控制模块通过局域网接受上位机发送的多组力促动器的加力值和望远镜运行时的θ值；

2、主控制模块进行解算，将多组加力值转换成每套力促动器中的实际要走的步数和加力的方向并发送至M_A控制模块；

3、M_A控制模块根据指令同时向多个力促动器控制模块发送动作指令；

4、力促动器控制模块控制N个力促动器驱动模块驱动N套力促动器中的步进电机运行；

5、力促动器控制模块采集各力促动器当前的加力值发送至M_A控制模块，M_A控制模块把各力促动器当前的加力值按组别发送至主控模块；

6、主控模块判断力促动器是否走到指定的值，如果第K套力促动器到了指定的值了，就发出指令使力促动器控制模块相应地停止第K套力促动器运行；

7、在停止第K套力促动器运行后，主控制模块立即发出低压维持控制命令，从而使得第K套力促动器处于维持状态，或者主控制模块立即命令第K套力促动器自动关断驱动器的控制信号。

本发明通过局域网得到控制参数，通过智能系统主控制模块控制M_A控制模块，M_A控制模块控制若干个智能控制器控制，每个力促动器控制模块一组N套力促动器同步工作，实时改变M_A子镜的非球面面形。

在控制力促动器每个的动作时，智能系统执行下列步骤：

I、力促动器控制模块从M_A控制模块得到控制力促动器当前加力的目标值F_D；

II、力促动器控制模块从力传感器获得力促动器的当前加力值F_C0，并发送给M_A控制模块，M_A控制模块把F_C0再发送至主控制模块；

III、主控制模块把当前值F_C0与给定的当前目标值F_D比较，得出力促动器受力差值矢量ΔF；

IV、主控制模块根据

${\stackrel{\→}{S}}_0=\frac{\mathrm{\Δ}\stackrel{\→}{F}}{K_0}$

计算出电机应运行的步数S₀；设置矢量S₁的值为矢量S₀；

V、主控制模块根据电机应运行的步数S₀值，判断力促动器运行精度是否达到标准；

如果精度到达设定的标准，主控制模块发出指令，M_A控制模块控制力促动器控制模块使驱动电机处于断电自保保持状态；

如果运行精度没有达到设定的要求，主控制模块判断力促动器的加力方向；如果ΔF＞0，控制力促动器控制模块执行控制力促动器正向加力子程序，使力促动器加力到当前目标值矢量F_D；如果ΔF＜0，主控制模块控制力促动器控制模块执行控制力促动器反向加力子程序，使力促动器加拉力到当前目标值矢量F_D；

VI、力促动器控制模块采集当前值F_C1，发送给主控制模块；

VII、主控制模块将当前值F_C1与给定的目标值F_D比较，得出矢量ΔF₁，并根据

${\stackrel{\→}{S}}_2=\frac{\mathrm{\Δ}{\stackrel{\→}{F}}_1}{K_0}$

计算出电机应运行的步数S₂；

VIII、根据S₂的值判断精度RMS是否达到标准：

如果精度达到预定标准，主控制模块发出指令使驱动电机处于断电自保保持状态；

如果精度没有达到预定标准，主控制模块根据ΔF₁的值判断力促动器的驱动方向；

$K=K_0+\frac{\mathrm{\Δ}{\stackrel{\→}{F}}_1}{{\stackrel{\→}{S}}_1+{\stackrel{\→}{S}}_2}$

IX、主控制模块根据

重新设定力促动器的力的转换常数K的值；

根据

$\stackrel{\→}{S}=\frac{\mathrm{\Δ}{\stackrel{\→}{F}}_1}{\left|K\right|}$

求出电机应运行的步数S的矢量值；

X、力促动器控制模块根据指令，控制促动器驱动模块使电机正向或反向运行S步，使力促动器加力到当前目标值矢量F_D；

XI、重新执行步骤VI。

在本发明中：

1、单元力促动器K值的确定

$\stackrel{\→}{F}=K\stackrel{\→}{S}+{\stackrel{\→}{F}}_C---\left(1\right)$

把单元促动器的加力公式定义为方程(1)：

其中：矢量F为力促动器的加(拉)力目标值；

矢量S为电机的步数；

矢量F_C为力促动器的当前值；

K为力促动器的力的转换常数。

要解决力促动器的非线性问题，首先要解决方程(1)中的K值的精确性。首先采用实测法确定K，记为K₀，K₀测试方法定义为方程(2)：

$K_0=\frac{{\stackrel{\→}{F}}_D-{\stackrel{\→}{F}}_0}{\stackrel{\→}{S}}---\left(2\right)$

其中：矢量F_D为控制力促动器加力当前的目标值；

矢量F₀为力促动器的当前初始值；

矢量S为电机的当前步数；

K₀为力促动器的力的转换常数。

$\mathrm{\Δ}\stackrel{\→}{F}={\stackrel{\→}{F}}_D-{\stackrel{\→}{F}}_{C1}---\left(3\right)$

2、单元力促动器变K值的方法

计算机把当前值与给定的当前目标值比较，得出矢量ΔF

${\stackrel{\→}{S}}_0=\frac{\mathrm{\Δ}\stackrel{\→}{F}}{K_0}---\left(4\right)$

矢量ΔF与实测常数K₀的比为当前电机的步数，记为矢量S₀。计算机使用矢量S₀值控制力促动器加(拉)力到当前目标值矢量F_D。同时把矢量S₀的值送给矢量S₁，然后由计算机自动判断精度RMS≤0.5‰，如果未到指定精度，则：

$\mathrm{\Δ}{\stackrel{\→}{F}}_1={\stackrel{\→}{F}}_D-{\stackrel{\→}{F}}_{C1}---\left(5\right)$

计算机再采集当前值与给定的目标值比较，得出矢量ΔF₁。

${\stackrel{\→}{S}}_2=\frac{\mathrm{\Δ}{\stackrel{\→}{F}}_1}{K_0}---\left(6\right)$

矢量ΔF₁与实测常数K₀的比为电机的步数，记为矢量S₂。

$K=K_0+\frac{\mathrm{\Δ}{\stackrel{\→}{F}}_1}{{\stackrel{\→}{S}}_1+{\stackrel{\→}{S}}_2}---\left(7\right)$

由公式(7)得出变量K，该K值是由计算机自动求出。然后计算机根据变量K求出矢量S：

$\stackrel{\→}{S}=\frac{\mathrm{\Δ}{\stackrel{\→}{F}}_1}{\left|K\right|}---\left(8\right)$

本发明通过主控模块对力促动器加力方向的判断和控制，实现了力促动器对薄镜面双向施加压力或拉力的智能化控制。主控模块通过对电机运行精度的判断，控制单元力促动器，缩短了促动器的运行时间，并可以保证了加力了精度RMS≤50mN，为0.5‰，解决了因弹簧和机械加工达不到的精度要求而产生的非线性问题。

在本发明中，用上述变K值的方法实现了单元促动器的控制；N套力促动器同样适用，在主控制模块中对促动器进行编组即可实现，即数组变量为N。

附图说明

图1是本发明实施例1上位机和智能系统的连接图；

图2是本发明实施例1的结构示意图；

图3是本发明实施例1的程序框图

具体实施方式

下面结合实施例作进一步说明。

实施例1

如图1所示，一种大型天文望远镜中力促动器的控制系统，由施密特改正板M_A、力传感器、上位机和智能系统组成，M_A又是由24块25mm厚的薄镜面六角形子镜。该系统通过局域网得到控制参数实时改变M_A子镜的非球面面形。在望远镜运行时，使得M_A在整个观测过程中由计算机进行实时控制改变非球面的面形。子镜背面放置力促动器和位移促动器，其中力促动器使用的控制电机是瑞士的步进电机。它的主要技术指标为：相数4，分配方式2-2，步矩角15°，每相绕组电阻120Ω，激励方式为自激，直流激励电压12V，每相静态电流0.15A，减速比为1∶150。其加力范围为±100N，精度达到了万分之五，均方根值≤50mN。力促动器的闭环控制反馈信号采用美国INTERFACE公司的SN100型的力传感器。

假设n为M_A中的一块子镜上的力促动器的个数，52≥n≥30；本实施例中取n的值为34，则：本实施例中的力促动器的数量N＝24×n＝816个，并配置816个力传感器。

智能系统包括主动光学的主控制模块、M_A控制模块、力促动器控制模块和力促动器驱动模块；主控制模块通过局域网接M_A控制模块，M_A控制模块接24组力促动器控制模块，每组力促动器控制模块控制一块子镜，即每组力促动器控制模块接34个力促动器驱动模块，每个力促动器驱动模块接1个力促动器。

主控制模块：负责接收控制总站通过局域网发出的命令、数据等；负责接收M_A和M_B模块的数据、状态等；对有关的数据和命令进行分析和解算；对M_A和M_B发布控制命令、数据和状态。

智能控制模块：负责接收M_A、M_B模块发出的命令、数据等；接受M_A的n＝816加力促动器控制命令和状态；负责M_A的n＝816个力传感器的数据采集；负责力促动器的状态和保护。

智能系统的运行包括以下步骤：首先进行初始化，自动判断力促动器是否正常，如有超范围的自动报警，给出提示；如工作正常，使所有的力促动器处于待命状态。然后根据光学系统的要求，主动光学的总控制模块通过局域网发送到主控制模块一组力促动器的加力值和望远镜运行时的θ值。

F_D＝F₀+F_L*cos(θ)+F_v*sin(θ)+F_C

其中：F₀：为34套传感器修正值；

F_v：高度角θ为90°时34个支撑点对侧向支撑点的最大矫正力；

F_L：高度角θ为0°时34个支撑点所需加的最大初始力；

θ：在望远镜运行时，控制实时跟踪的计算机通过局域网发送给该系统的给定的高度角度；

F_C：在望远镜运行时，要求M_A在整个观测过程中由计算机进行实时控制改变非球面面形的34套促动器所加的力；

F_D：在望远镜运行时，34套力促动器实时加力的目标值。

主控制模块再通过解算转换成每套力促动器中的步进电机实际要走的步数和加力的方向，通过一个智能控制模块控制34套力促动器运行。并且自动判断是否走到指定的值，如果第K套力促动器到了指定的值了，就相应的停止第K套力促动器运行。在停止第K套力促动器运行后，主控制模块立即发出低压维持控制命令，从而使得第K套力促动器处于维持状态。采用低压维持的方法来降低促动器的功耗，从而减少促动器的热量对光学系统的影响。或者计算机立即命令第K套力促动器自动关断驱动器的控制信号。现采用了第K套力促动器上的电机处于断电自保保持状态。

一个力促动器控制模块同时控制34套力促动器同步工作。使用34套力促动器进行实验。作为电控系统已做到了加力到±100N，力促动器的精度达到了万分之五，RMS≤50mN。该系统通过局域网得到控制参数实时改变M_A子镜的非球面面形。

如图2、3所示，在控制力促动器每个的动作时，智能系统执行下列步骤：

I、力促动器控制模块从M_A控制模块得到控制力促动器当前加力的目标值F_D；

II、力促动器控制模块从力传感器获得力促动器的当前加力值F_C0’并发送给M_A控制模块，M_A控制模块把F_C0再发送至主控制模块；

III、主控制模块把当前值F_C0与给定的当前目标值F_D比较，得出力促动器受力差值矢量ΔF；

${\stackrel{\→}{S}}_0=\frac{\mathrm{\Δ}\stackrel{\→}{F}}{K_0}$

IV、主控制模块根据

计算出电机应运行的步数S₀；设置矢量S₁的值为矢量S₀；

V、主控制模块根据电机应运行的步数S₀值，判断力促动器运行精度是否达到标准；

如果精度到达设定的标准，主控制模块发出指令，M_A控制模块控制力促动器控制模块使驱动电机处于断电自保保持状态；

如果运行精度没有达到设定的要求，主控制模块判断力促动器的加力方向；如果ΔF＞0，控制力促动器控制模块执行控制力促动器正向加力子程序，使力促动器加力到当前目标值矢量F_D；如果ΔF＜0，主控制模块控制力促动器控制模块执行控制力促动器反向加力子程序，使力促动器加拉力到当前目标值矢量F_D；

VI、力促动器控制模块采集当前值F_C1，发送给主控制模块；

VII、主控制模块将当前值F_C1与给定的目标值F_D比较，得出矢量ΔF₁，并根据

${\stackrel{\→}{S}}_2=\frac{\mathrm{\Δ}{\stackrel{\→}{F}}_1}{K_0}$

计算出电机应运行的步数S₂；

VIII、根据S₂的值判断精度RMS是否达到标准：

如果精度达到预定标准，主控制模块发出指令使驱动电机处于断电自保保持状态；

如果精度没有达到预定标准，主控制模块根据ΔF₁的值判断力促动器的驱动方向；

IX、主控制模块根据

$K=K_0+\frac{\mathrm{\Δ}{\stackrel{\→}{F}}_1}{{\stackrel{\→}{S}}_1+{\stackrel{\→}{S}}_2}$

重新设定力促动器的力的转换常数K的值；

根据

$\stackrel{\→}{S}=\frac{\mathrm{\Δ}{\stackrel{\→}{F}}_1}{\left|K\right|}$

求出电机应运行的步数S的矢量值；

X、力促动器控制模块根据指令，控制促动器驱动模块使电机正向或反向运行S步，使力促动器加力到当前目标值矢量F_D；

XI、重新执行步骤VI。

总控制模块与智能系统之间用虚拟硬盘的形式用网线直接通信，发送各种控制命令及上传数据。智能系统之间采用RS-485通信标准。由于5#智能系统执行的任务相对较少(控制两套力促动器的运行)，故设定它为主设备，主设备在任意指定时刻与其中一个从设备通信。下位机之间的通信主要是检查上位机发送的命令是否正确与一致，经比较正确后执行，提高系统的安全性及可靠性。

Claims (1)

1.一种大型天文望远镜中力促动器的智能控制系统，由施密特改正板M_A、力传感器、智能系统组成，所述智能系统包括主动光学的主控制模块、M_A控制模块、力促动器控制模块和力促动器驱动模块；主控制模块接M_A控制模块，M_A控制模块接若干个力促动器控制模块，每个力促动器控制模块接若干个力促动器驱动模块，每个力促动器驱动模块接一个力促动器；智能系统包括以下步骤：

(1)主控制模块通过局域网接受上位机发送的多组力促动器的加力值和望远镜运行时的θ值；

(2)主控制模块进行解算，将多组加力值转换成每套力促动器中的实际要走的步数和加力的方向并发送至M_A控制模块；

(3)M_A控制模块根据指令同时向多个力促动器控制模块发送动作指令；

(4)力促动器控制模块控制N个力促动器驱动模块驱动N套力促动器中的步进电机运行；

(5)力促动器控制模块采集各力促动器当前的加力值发送至M_A控制模块，M_A控制模块把各力促动器当前的加力值按组别发送至主控模块；

(6)主控模块判断力促动器是否走到指定的值，如果第K套力促动器到了指定的值了，就发出指令使力促动器控制模块相应地停止第K套力促动器运行；

(7)在停止第K套力促动器运行后，主控制模块立即发出低压维持控制命令，从而使得第K套力促动器处于维持状态，或者主控制模块立即命令第K套力促动器自动关断驱动器的控制信号；

其特征是，在控制力促动器每个的动作时，智能系统执行下列步骤：

(I)力促动器控制模块从M_A控制模块得到控制力促动器当前加力的目标值F_D；

(II)力促动器控制模块从力传感器获得力促动器的当前加力值F_C0，并发送给M_A控制模块，M_A控制模块把F_C0再发送至主控制模块；

(III)主控制模块把当前值F_C0与给定的当前目标值F_D比较，得出力促动器受力差值矢量ΔF；

(IV)主控制模块根据

${\stackrel{\→}{S}}_0=\frac{\mathrm{\Δ}\stackrel{\→}{F}}{K_0}$

计算出电机应运行的步数S₀；设置矢量S₁的值为矢量S₀；

(V)主控制模块根据电机应运行的步数S₀值，判断力促动器运行精度是否达到标准；

如果精度到达设定的标准，主控制模块发出指令，M_A控制模块控制力促动器控制模块使驱动电机处于断电自保保持状态；

如果运行精度没有达到设定的要求，主控制模块判断力促动器的加力方向；如果ΔF＞0，控制力促动器控制模块执行控制力促动器正向加力子程序，使力促动器加力到当前目标值矢量F_D；如果ΔF＜0，主控制模块控制力促动器控制模块执行控制力促动器反向加力子程序，使力促动器加拉力到当前目标值矢量F_D；

(VI)力促动器控制模块采集当前值F_C1，发送给主控制模块；

(VII)主控制模块将当前值F_C1与给定的目标值F_D比较，得出矢量ΔF₁，并根据

${\stackrel{\→}{S}}_2=\frac{\mathrm{\Δ}{\stackrel{\→}{F}}_1}{K_0}$

计算出电机应运行的步数S₂；

(VIII)根据S₂的值判断精度RMS是否达到标准：

如果精度达到预定标准，主控制模块发出指令使驱动电机处于断电自保保持状态；

如果精度没有达到预定标准，主控制模块根据ΔF₁的值判断力促动器的驱动方向；

(IX)主控制模块根据

$K=K_0+\frac{\mathrm{\Δ}{\stackrel{\→}{F}}_1}{{\stackrel{\→}{S}}_1+{\stackrel{\→}{S}}_2}$

重新设定力促动器的力的转换常数K的值；根据

$\stackrel{\→}{S}=\frac{\mathrm{\Δ}{\stackrel{\→}{F}}_1}{\left|K\right|}$

求出电机应运行的步数S的矢量值；

(X)力促动器控制模块根据指令，控制促动器驱动模块使电机正向或反向运行S步，使力促动器加力到当前目标值矢量F_D；

(XI)重新执行步骤VI。

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