CN105373143B - 一种抑制风载荷扰动的大型天文望远镜高精度控制系统及方法 - Google Patents
一种抑制风载荷扰动的大型天文望远镜高精度控制系统及方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种抑制风载荷扰动的大型天文望远镜高精度控制系统及方法。提出了一种新型的望远镜控制系统及方法。区别于目前天文望远镜广泛采用的三环控制方法(位置环、速度环、电流环)。本方法引入了加速度闭环回路，并且在此基础上进一步实现了扰动的观测与补偿。构成了一种新型的大型天文望远镜控制模式。此方法能够显著提高系统对抗外部扰动、如风载荷的抗扰能力。对大型望远镜的环境适应能力具有显著的提高。
Description
技术领域
本发明涉及一种能抑制风载荷扰动的天文望远镜高精度控制系统及方法，属于大型天文望远镜跟踪控制技术领域。
背景技术
一般大型天文望远镜都不会在强风下工作。因为当风力较强时(比如大于5级风)，风载荷对仪器的扰动过大，伺服控制系统不能保证跟踪的精度。有些系统因此配备了随动圆顶，用以减弱风载荷对仪器的影响。但是，大型天文望远镜的圆顶都比较笨重(比如中国国家天文台的2.16m望远镜圆顶重达150吨)，当仪器跟踪较快的低轨目标时，随动圆顶会带来对仪器基敦的强烈扰动，影响跟踪的精度。同时圆顶的设置，会影响观测的视宁度。因此在一些对跟踪精度与视宁度要求苛刻的场合，望远镜需要在开放的环境下使用。这时，风载荷的影响尤其明显。
目前一般的大型天文望远镜均采用位置环、速度环、电流环的串级控制。位置环的反馈采用位置测角原件如编码器或光栅尺的测量值进行反馈，速度环测量则采用位置反馈量差分得到。一般的望远镜的控制框图如附图2所示。图中，Cp为位置环调节器、Cv为速度环调节器、Cc为电流环调节器，电流环一般做到电机驱动器内部与转台一起构成被控对象Ga，Ha为力矩扰动传递函数。假设风载荷w的功率密度为Wpsd。可以推导出，仪器位置P的功率密度PPSD为：
Ppsd＝|HpSvSp|2WPSD (1)
其中Hp＝Ha/s2，
Sv是速度环的扰动抑制传递函数，Sp是位置环的扰动抑制传递函数。
还可以得到跟随性能(位置输出与位置输入之比)：
扰动抑制能力(位置输出与力矩扰动之比)：
扰动抑制能力与跟随性能的比：
可见，控制系统对扰动的抑制能力主要取决于位置环、速度环的增益。当风载荷较强时，其相应的频率成分也随之增加，仪器难以保持原有精度。常用的风载荷的速度功率谱密度Swv为Davenport提出的风速谱：
式中，f为风的频率(单位为赫兹)；K为与地面粗糙度有关的参数，V1为标准高度(一般为10m)处的平均风速。
目前，三环控制结构能满足大多数场合的应用需求。但是对风载荷的扰动抑制能力还是不足。尤其是当望远镜的结构日益增大，由于机械谐振频率的限制，速度环的带宽较窄。相应增益不高。对扰动的抑制能力变弱。因此需要研究更为有效的抗风载荷的抗扰动控制方法。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有大型天文望远镜闭环控制中的不足，针对较强风载荷作用下，目前大型望远镜跟踪精度不高的问题。采用加速度闭环结合扰动观测与补偿的方法，显著地提高控制系统对风载荷的抗扰动能力。该方法首次将扰动观测与补偿方法应用于带有高阶量闭环(加速度闭环)的系统中，相对于常规的三环控制模式，抗扰动能力在风载荷的频段内，具有数量级的提升。
本发明的技术解决方案：一种抑制风载荷扰动的大型天文望远镜高精度控制系统及方法。利用加速度计反馈形成高阶量闭环，并构建高精度的力扰动观测器，利用观测到的扰动实时计算实时补偿量，并将该量叠加到输出上实现对扰动力矩的抵消与补偿。该方法能显著提高系统的抗风载荷扰动的能力。实现的框图如图3所示，图中：Cp为位置环调节器、Cv为速度环调节器、Ca为加速度环调节器、Ha为力矩扰动传递函数、为被控对象Ga的模拟、Cd为扰动补偿控制器。其中电流环调节器Cc一般做到电机驱动器内部与转台一起构成被控对象Ga。与Cd构成扰动观测与补偿器CM。控制框图对应的信号流图如图4所示。
一种抑制风载荷扰动的大型天文望远镜高精度控制系统，其特征在于包括：
硬件上包括：望远镜转台(101)、加速度计(100-A、100-B)、力矩电机(102)、光电编码器(103)、基座(104)、主控计算机(111)、电机驱动器(110)；其中，加速度计(100-A、100-B)对称安装在望远镜转台(101)上面，与转台固联，两个加速度计离旋转中心的距离相同、敏感方向相同，敏感方向为转台旋转的切线方向。转台与力矩电机(102)轴固联。同时光电编码器(103)内轴与力矩电机(102)轴固联，力矩电机外壳与基座(104)固联，光电编码器外壳与电机外壳及基座固联。
软件模块上包括：扰动观测与补偿器(1001)、加速度环控制器(1002)、速度环控制器(1003)、位置环控制器(1004)；其中位置环控制器(1004)在最外环，接收外部发过来的位置给定信号p*以及光电编码器送出的位置反馈信号p，经位置环控制器调节后，送出速度给定信号v*；速度环控制器(1003)接收位置环控制器输出的速度给定信号v*、光电编码器送出的位置差分信号v，调节后，送出加速度给定信号a*；加速度环控制器(1002)接收速度环控制器输出的加速度给定信号a*、加速度计反馈的望远镜转台加速度信号a，调节后，送出初始电流给定ii；扰动观测与补偿器(1001)接收加速度环控制器输出的初始电流给定ii、加速度计反馈的望远镜转台加速度信号a，扰动观测与补偿器根据输入信号观测出扰动量并计算出相应的补偿量ic，该量即可用来抵消掉外部扰动对望远镜转台的影响，将该量叠加到加速度控制器输出的初始电流给定量上ii，得到最终的电流给定i*，将该量送给电机驱动器驱动望远镜转台精密转动。
各软件模块均运行于主控计算机(111)上。
控制过程：如图1、图3所示，外部送来的位置控制指令p*与光电编码器测得的位置信号p比较并送到位置环控制器进行位置环校正，输出速度给定信号v*；位置环校正输出的速度给定信号v*再与光电编码器差分得到的转台速度信息v比较并送到速度环控制器进行速度环校正，输出加速度给定信号a*；速度环控制器输出的加速度给定信号a*再与加速度计反馈信号a比较并送到加速度环控制器进行校正，校正后输出初始电流给定ii；初始电流给定信号ii与加速度计反馈信号a一起送给扰动观测与补偿器，计算后，输出电流的修正补偿量ic，该量用来抵消外部扰动；最后将电流修正补偿量ic与初始给定电流ii叠加得到最终电流给定i*，并送给电机驱动器，驱动望远镜转台高精度转动。其中位置环控制器、速度环控制器、加速度环控制器、扰动观测与补偿器均在主控计算机中用软件完成。
具体实现步骤如下：
第一步，设计加速度环控制器CA(1002)
设计在主控计算机(111)上运行的的加速度环控制器(1002)CA为：
其中Kpa为比例系数，Kia为积分系数，s为拉普拉斯算子；该控制器的输入为加速度计(100-A，100-B)测得的仪器加速度反馈信号a，以及速度环控制器(1003)输出的加速度给定信号a*，两路信号之差经CA调节之后，输出电流初始给定ii。
第二步，设计速度环控制器CV(1003)
设计在主控计算机(111)上运行的速度环控制器(1003)CV为：
其中Kpv为比例系数，Kiv为积分系数，s为拉普拉斯算子；该控制器的输入为光电编码器(103)输出的位置差分信号(即望远镜转台的角速度信息)v，以及位置环控制器(1004)输出的速度给定信号v*。两路信号之差经CV调节之后，输出加速度给定信号a*。
第三步，设计位置环控制器CP(1004)
设计在主控计算机(111)上运行的位置环控制器(1004)CP为：
其中Kpp为比例系数，Kip为积分系数，s为拉普拉斯算子；该控制器的输入为光电编码器(103)输出的位置信号(即望远镜转台的角位置信息)，以及外部输入的位置给定信号p*。两路信号之差经CP调节之后，输出速度给定信号v*。
第四步,设计扰动观测与补偿器CM(1001)
测试开环对象，并辨识得到对象的传递函数开环对象是指以电机驱动器的电流给定为输入，加速度计测量值为输出时，该回路的对象特性Ga；使用动态信号分析仪获取该特性的频率响应曲线，后使用曲线拟合工具获得Ga的近似传递函数
在主控计算机(111)上设计扰动补偿器其中是所测的开环对象传递函数，T为设定的时间常数，s为拉普拉斯算子；扰动补偿Cd中的T参数需要根据被控对象的实际情况进行选取，假设对象的带宽为B，取整个扰动观测与补偿器CM主要由与Cd构成，其内部结构为：加速度环控制器输出送给电机驱动器的电流初始给定量ii，该量同时送给经校正后得到转台输出加速度估计将该量与加速度计输出的望远镜转台加速度信号a相减，即得到观测的加速度扰动信号ad，该信号再经过扰动补偿器Cd，得到扰动补偿控制量ic，将该量与加速度环的输出量ii叠加在一起得到最终的电流给定信号i*，送给电机驱动器，驱动转台精密转动。
这些控制器之间以及与系统其它部件的连接关系如下：
位置环控制器CP在最外环，接收外部发过来的位置给定信号p*以及光电编码器送出的位置反馈信号p，经位置环控制器调节后，送出速度给定信号v*；速度环控制器CV接收位置环控制器输出的速度给定信号v*以及光电编码器送出的位置差分信号v，调节后，送出加速度给定信号a*；加速度环控制器CA接收速度环控制器输出的加速度给定信号a*、加速度计反馈的望远镜转台加速度信号a，调节后，送出初始电流给定ii；扰动观测与补偿器CM接收加速度控制器输出的初始电流给定ii、加速度计反馈的望远镜转台加速度信号a，计算后，送出电流给定修正补偿量ic，该量用来抵消外部扰动，将该量叠加到加速度控制器输出的初始电流给定量ii上得到最终的电流给定i*，送给电机驱动器以驱动望远镜转台精密转动。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)仪器抗风载荷等外部扰动能力大大增强：
由图4可以得到跟随特性(位置输出与位置输入之比)为：
扰动抑制能力(位置输出与力矩扰动之比)为：
扰动抑制与跟随性能的比为：
取时，扰动抑制能力会得到极大的提升。但受限与系统噪声的影响，
Cd不可能完全取为否则系统引入新的扰动。一般取：
对比(8)式与(4)式，可以得到当Cd取得适当时，
Rac<<Rv (10)
由于图2中的控制方法与图3中的控制方法的跟随能力一般是相当的，因此图3所示的方法的扰动抑制能力远远优于图2中的控制方法。图5是常规的控制方法与本方法的扰动抑制曲线的对比。图6是在望远镜上重复施加扰动力矩时，施加的外部力矩扰动曲线。图7是在望远镜上重复施加扰动力矩时，望远镜采用不同控制方法的跟踪误差曲线，误差值已经根据力矩扰动值进行归一化。
(2)方法较容易实现，只需在现有望远镜上加装加速度传感器、并独立设计扰动观测与补偿器，即可实现本方法。
(3)本发明所涉及的扰动观测方法，可以直接观测力矩扰动，可作为力矩扰动的间接测量，可以解决扰动力矩难以测量的难题。
附图说明
图1是本发明涉及的控制系统各部件结构框图。
图2是常规控制方法的控制框图。
图3为本发明所提出的抗风载荷扰动控制的控制框图。
图4为本发明所提出的控制方法的信号流图。
图5是常规的控制方法与本方法的扰动抑制曲线的对比。其中实线时常规控制方法对力矩扰动的抑制能力曲线，虚线是本发明方法对力矩扰动的抑制能力曲线。
图6是在望远镜上重复施加扰动力矩时，施加的外部力矩扰动曲线。其中实线是采用常规控制方法时的外部扰动力矩曲线，虚线是采用本发明方法时的外部扰动力矩曲线。扰动力矩的方差分别为：131.8牛米，140.9牛米。扰动力矩的平均峰峰值分别为：475.9牛米，502.2牛米。
图7是在望远镜上重复施加扰动力矩时，望远镜采用不同控制方法的跟踪误差曲线，误差值已经根据力矩扰动值进行归一化。其中实线是采用常规方法时的跟踪误差，虚线是采用本发明方法时的跟踪误差。跟踪误差的方差分别为：2.89角秒，0.23角秒。跟踪误差的平均峰峰值分别为：11.03角秒，1.08角秒。
图1中：100-A、100-B加速度计，101转台，102力矩电机，103光电编码器，104基座，110电机驱动器，111主控计算机。1001扰动观测与补偿器，1002加速度环控制器，1003速度环控制器，1004位置环控制器。
具体实施方式
如图1、2、3、4所示，系统的控制对象即望远镜精密转台101，通过安装在转台上的两个加速度计100-A,100-B测得转台的加速度；通过光电编码器103差分得到转台的角速度；通过光电编码器103同时得到转台的位置信号。并从内到外构建扰动观测与补偿器、加速度环控制器、速度环控制器、位置环控制器。
第一步：系统的安装与连接。关键是将加速度计成对紧固地安装于望远镜转台上，两个加速度计离旋转中心的距离相同、敏感方向相同，敏感方向为转台旋转的切线方向。其他部件如光电编码器的位置与其他望远镜系统相同，如图1所示。整个机械部分要保证连接的紧固，否则会给控制系统的设计带来意想不到的问题。作为整个系统的主控计算机，控制芯片最好选用实时性好的DSP芯片。
第二步，设计加速度环控制器CA(1002)
设计在主控计算机(111)上运行的的加速度环控制器(1002)CA为：
其中Kpa为比例系数，Kia为积分系数，s为拉普拉斯算子；该控制器的输入为加速度计(100-A，100-B)测得的仪器加速度反馈信号a，以及速度环控制器(1003)输出的加速度给定信号a*，两路信号之差经CA调节之后，输出电流初始给定ii。
第三步，设计速度环控制器CV(1003)
设计在主控计算机(111)上运行的速度环控制器(1003)CV为：
其中Kpv为比例系数，Kiv为积分系数，s为拉普拉斯算子；该控制器的输入为光电编码器(103)输出的位置差分信号(即望远镜转台的角速度信息)v，以及位置环控制器(1004)输出的速度给定信号v*。两路信号之差经CV调节之后，输出加速度给定信号a*。
第四步，设计位置环控制器CP(1004)
设计在主控计算机(111)上运行的位置环控制器(1004)CP为：
其中Kpp为比例系数，Kip为积分系数，s为拉普拉斯算子；该控制器的输入为光电编码器(103)输出的位置信号(即望远镜转台的角位置信息)，以及外部输入的位置给定信号p*。两路信号之差经CP调节之后，输出速度给定信号v*。
第五步,设计扰动观测与补偿器CM(1001)
测试开环对象，并辨识得到对象的传递函数开环对象是指以电机驱动器的电流给定为输入，加速度计测量值为输出时，该回路的对象特性Ga；使用动态信号分析仪获取该特性的频率响应曲线，后使用曲线拟合工具获得Ga的近似传递函数
在主控计算机(111)上设计扰动补偿器其中是所测的开环对象传递函数，T为设定的时间常数，s为拉普拉斯算子；扰动补偿Cd中的T参数需要根据被控对象的实际情况进行选取，假设对象的带宽为B，取整个扰动观测与补偿器CM主要由与Cd构成，其内部结构为：加速度环控制器输出送给电机驱动器的电流初始给定量ii，该量同时送给经校正后得到转台输出加速度估计将该量与加速度计输出的望远镜转台加速度信号a相减，即得到观测的加速度扰动信号ad，该信号再经过扰动补偿器Cd，得到扰动补偿控制量ic，该量用来补偿外部力矩扰动，将该量与加速度环的输出量ii叠加在一起得到最终的电流给定信号i*，将其送给电机驱动器，驱动转台精密转动。
这些控制器之间以及与系统其它部件的连接关系如下：
位置环控制器CP在最外环，接收外部发过来的位置给定信号p*以及光电编码器送出的位置反馈信号p，经位置环控制器调节后，送出速度给定信号v*；速度环控制器CV接收位置环控制器输出的速度给定信号v*以及光电编码器送出的位置差分信号v，调节后，送出加速度给定信号a*；加速度环控制器CA接收速度环控制器输出的加速度给定信号a*、加速度计反馈的望远镜转台加速度信号a，调节后，送出初始电流给定ii；扰动观测与补偿器CM接收加速度环控制器输出的初始电流给定ii、加速度计反馈的望远镜转台加速度信号a，计算后，送出电流给定修正补偿量ic，该量用来补偿外部力矩扰动，将该量叠加到加速度环控制器输出的初始电流给定量ii上得到最终的电流给定i*，将其送给电机驱动器驱动望远镜转台精密转动。
附图5是常规的控制方法与本方法的扰动抑制曲线的对比。其中实线时常规控制方法对力矩扰动的抑制能力曲线，虚线是本发明方法对力矩扰动的抑制能力曲线。
附图6是在望远镜上重复施加扰动力矩时，施加的外部力矩扰动曲线。其中实线是采用常规控制方法时的外部扰动力矩曲线，虚线是采用本发明方法时的外部扰动力矩曲线。扰动力矩的方差分别为：131.8牛米，140.9牛米。扰动力矩的平均峰峰值分别为：475.9牛米，502.2牛米。
附图7是在望远镜上重复施加扰动力矩时，望远镜采用不同控制方法的跟踪误差曲线，误差值已经根据力矩扰动值进行归一化。其中实线是采用常规方法时的跟踪误差，虚线是采用本发明方法时的跟踪误差。跟踪误差的方差分别为：2.89角秒，0.23角秒。跟踪误差的平均峰峰值分别为：11.03角秒，1.08角秒。
Claims (4)
1.一种抑制风载荷扰动的大型天文望远镜高精度控制系统，其特征在于包括：
硬件上包括：望远镜转台(101)、加速度计(100-A、100-B)、力矩电机(102)、光电编码器(103)、基座(104)、主控计算机(111)、电机驱动器(110)；其中，加速度计(100-A、100-B)对称安装在望远镜转台(101)上面，与转台固联，两个加速度计离旋转中心的距离相同、敏感方向相同，敏感方向为转台旋转的切线方向；转台与力矩电机(102)轴固联；同时光电编码器(103)内轴与力矩电机(102)轴固联，力矩电机外壳与基座(104)固联，光电编码器外壳与电机外壳及基座固联；
软件模块上包括：扰动观测与补偿器(1001)、加速度环控制器(1002)、速度环控制器(1003)、位置环控制器(1004)；其中位置环控制器(1004)在最外环，接收外部发过来的位置给定信号p*以及光电编码器送出的位置反馈信号p，经位置环控制器调节后，送出速度给定信号v*；速度环控制器(1003)接收位置环控制器输出的速度给定信号v*、光电编码器送出的位置差分出的速度信号v，调节后，送出加速度给定信号a*；加速度环控制器(1002)接收速度环控制器输出的加速度给定信号a*、加速度计反馈的望远镜转台加速度信号a，调节后，送出初始电流给定ii；扰动观测与补偿器(1001)接收加速度环控制器输出的初始电流给定ii、加速度计反馈的望远镜转台加速度信号a，扰动观测与补偿器根据输入信号观测出扰动量并计算出相应的补偿量ic，ic即可用来抵消掉外部扰动对望远镜转台的影响，将ic叠加到加速度控制器输出的初始电流给定量上ii，得到最终的电流给定i*，将i*送给电机驱动器驱动望远镜转台精密转动；
各软件模块均运行于主控计算机(111)上。
2.一种抑制风载荷扰动的大型天文望远镜高精度控制方法，其特征在于：实现步骤如下：
第一步，设计加速度环控制器CA(1002)
设计在主控计算机(111)上运行的的加速度环控制器(1002)CA为：
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其中Kpa为比例系数，Kia为积分系数，s为拉普拉斯算子；该控制器的输入为加速度计(100-A，100-B)测得的仪器加速度反馈信号a，以及速度环控制器(1003)输出的加速度给定信号a*，两路信号之差经CA调节之后，输出电流初始给定ii；
第二步，设计速度环控制器CV(1003)
设计在主控计算机(111)上运行的速度环控制器(1003)CV为：
<mrow>
<msub>
<mi>C</mi>
<mi>V</mi>
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<mi>i</mi>
<mi>v</mi>
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<mo>)</mo>
</mrow>
<mi>s</mi>
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其中Kpv为比例系数，Kiv为积分系数，s为拉普拉斯算子；该控制器的输入为光电编码器(103)输出的位置差分信号，即望远镜转台的角速度信息v，以及位置环控制器(1004)输出的速度给定信号v*，两路信号之差经CV调节之后，输出加速度给定信号a*；
第三步，设计位置环控制器CP(1004)
设计在主控计算机(111)上运行的位置环控制器(1004)CP为：
<mrow>
<msub>
<mi>C</mi>
<mi>P</mi>
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<mo>=</mo>
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<mrow>
<mo>(</mo>
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<mi>K</mi>
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<mi>i</mi>
<mi>p</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mi>s</mi>
</mfrac>
</mrow>
其中Kpp为比例系数，Kip为积分系数，s为拉普拉斯算子；该控制器的输入为光电编码器(103)输出的位置信号，即望远镜转台的角位置信息，以及外部输入的位置给定信号p*；两路信号之差经CP调节之后，输出速度给定信号v*；
第四步,设计扰动观测与补偿器CM(1001)
测试开环对象，并辨识得到对象的传递函数开环对象是指以电机驱动器的电流给定为输入，加速度计测量值为输出时，输入到输出之间的对象特性；使用动态信号分析仪获取该特性的频率响应曲线，后使用曲线拟合工具获得传递函数；
在主控计算机(111)上设计扰动补偿器其中是所测的开环对象传递函数，T为设定的时间常数，s为拉普拉斯算子；扰动补偿器Cd中的T参数需要根据被控对象的实际情况进行选取，假设对象的带宽为B，整个扰动观测与补偿器CM主要由与Cd构成，其内部结构为：加速度环控制器输出送给电机驱动器的电流初始给定量ii，ii同时送给经校正后得到转台输出加速度估计将与加速度计输出的望远镜转台加速度信号a相减，即得到观测的加速度扰动信号ad，ad再经过扰动补偿器Cd，得到扰动补偿控制量ic，将ic与加速度环的输出量ii叠加在一起得到最终的电流给定信号i*，将i*送给电机驱动器，驱动转台精密转动；
位置环控制器CP在最外环，接收外部发过来的位置给定信号p*以及光电编码器送出的位置反馈信号p，经位置环控制器调节后，送出速度给定信号v*；速度环控制器CV接收位置环控制器输出的速度给定信号v*以及光电编码器送出的位置差分信号v，调节后，送出加速度给定信号a*；加速度环控制器CA接收速度环控制器输出的加速度给定信号a*、加速度计反馈的望远镜转台加速度信号a，调节后，送出初始电流给定ii；扰动观测与补偿器CM接收加速度环控制器输出的初始电流给定ii、加速度计反馈的望远镜转台加速度信号a，计算后，送出电流给定修正补偿量ic，ic即用来抵消掉外部扰动对望远镜转台的影响，将ic叠加到加速度环控制器输出的初始电流给定量ii上得到最终的电流给定i*，将其送给电机驱动器以驱动望远镜转台精密转动。
3.根据权利要求2所述的抑制风载荷扰动的大型天文望远镜高精度控制方法，其特征在于：所述的第一步、第二步、第三步所设计的控制器可以是PI型控制器、PID型控制器或模糊控制器。
4.根据权利要求2所述的抑制风载荷扰动的大型天文望远镜高精度控制方法，其特征在于：所述的第三步中的
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