CN109870119B

CN109870119B - 一种基于数字双胞胎技术的fast主动反射面面型精度实时监测方法

Info

Publication number: CN109870119B
Application number: CN201910192126.6A
Authority: CN
Inventors: 李庆伟; 李辉; 姜鹏
Original assignee: National Astronomical Observatories of CAS
Current assignee: National Astronomical Observatories of CAS
Priority date: 2019-03-14
Filing date: 2019-03-14
Publication date: 2020-10-02
Anticipated expiration: 2039-03-14
Also published as: CN109870119A

Abstract

本发明公开了一种基于数字双胞胎技术的FAST主动反射面面型精度实时监测方法，该方法采用目前最先进的数字双胞胎技术，将FAST主动反射面的实际运行状态，实时映射到数字模型上，形成FAST主动反射面数字双胞胎，通过对数字双胞胎连续不断的有限元分析，对反射面面型精度进行实时监测。并根据存储的历史监测数据，分析面型误差的分布情况，以及发展趋势，给出何时更新标定数据库，优先更新哪个位置上的标定数据库的维护建议，对标定数据库进行视情维护，动态更新。该方法可帮助望远镜运营方及时制定维护方案，提前更新标定数据库，避免了标定数据库精度不够导致的FAST主动反射面面型精度差，进而影响正常科学观测的风险，有力保障了FAST的健康运行。

Description

一种基于数字双胞胎技术的FAST主动反射面面型精度实时监测方法

技术领域

本发明涉及FAST主动反射面面型精度实时监测方法领域,尤其是涉及一种基于数字双胞胎技术的FAST主动反射面面型精度实时监测方法。

背景技术

数字双胞胎技术是一种将特定产品的数字信息与产品运行中实时获得的操作数据流相结合，以及将基于物理的理解与分析相结合，以获得深入的产品洞察力的一种新兴技术。仿真软件、硬件和处理速度的改善，以及物联网(LOT)的兴起，使该技术的应用成为可能。

500m口径球面射电望远镜(Five-hundred-meter aperture spherical radiotelescope,FAST)是世界上最大的单口径射电望远镜。该望远镜反射面采取主动变位的独特工作方式,可根据观测天体的角度，在500m口径反射面的不同区域，形成直径为300m的抛物面。该望远镜的工作频率在70MHz～3GHz之间。

为了实现反射面的主动变位特性，FAST采用柔性索网作为主要支承结构。索网结构共包括6670根主索和2225个主索节点，索网周边固定在圈梁上。FAST的圈梁为直径约500m的11m×5.5m环形桁架，重量约5350吨。圈梁支撑格构柱共50个，高度在6m-50m不等的格构柱上。索网的每个主索节点设置单根下拉索，通过促动器拖动下拉索来控制索网变位，从而在500m口径范围内的不同区域形成 300m口径的抛物面。FAST望远镜索网结构中,面索总共有16种规格, 截面积在280mm²-1319mm²；下拉索有2种规格，截面积均为140mm²。

FAST主动反射面结构的2225个促动器上均布置了磁致伸缩传感器，测量精度可达到10微米，传感器按1HZ的频率采集数据并实时上传到总控数据库中。

FAST望远镜对天体进行跟踪观测时，需要根据天体的运动轨迹，在FAST反射面500m口径范围内的不同位置，形成一系列连续的300m 抛物面。根据FAST的工作频率，其面型精度要求达到面型误差均方根值(RMS)≤5mm。FAST主动反射面面型精度的好坏，直接影响FAST 的观测效率，决定着FAST能不能实现预期的科学目标。

为了能在FAST运行过程中实时测量反射面的面型精度，FAST考察了多项现有的测量技术，如微波全息技术、摄影测量技术、激光扫描技术及激光全站仪技术等，由于FAST的特殊性，这些技术均无法满足FAST的需求。FAST最终创新性地采用了基于标定数据库进行插值计算，来获取当前温度下目标抛物面的促动器伸长量的开环控制方法，保证反射面的面型精度。该方法对反射面进行三角形网格单元离散，对温度域进行一维离散，以离散点作为抛物面顶点，基于设计阶段的有限元模型，通过有限元计算，获得由各离散点抛物面促动器伸长量组成的标定数据库。完整的标定数据库需要计算并存储49212 个抛物面的促动器伸长量，采用4台高性能工作站，更新一次标定数据库需要2个月左右的时间。

根据FAST主动反射面的设计，FAST仅能通过下拉索对主索节点 (对应于三角形面板上的三个点)进行调控,面板的中间节点只能做相应随动。为了最大限度地减小反射面与工作抛物面的拟合误差,FAST建设者通过优化计算将每块反射面面板都做成了半径为315米的球面形状,使FAST可以直接采用三个控制点的数据，来评估主动反射面的面型精度，而不产生影响天文观测的误差。

FAST主动反射面是一个尺度巨大的精密机构，长期运行中的一些结构变化，比如上述的下拉索锚固点位置的变化、圈梁在滑动支座上的滑移，以及长期受力下钢索的常温蠕变等，都将影响标定数据库的精度，进而影响到观测时反射面的面型精度。如果不能及时发现面型精度差的问题，将会严重影响到FAST的观测效率。而且，即使通过对观测数据的分析，最终发现了问题所在，更新标定数据库也需要很长时间才能完成，将严重影响FAST的正常运行。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于数字双胞胎技术的FAST主动反射面面型精度实时监测方法，以解决现有技术中存在的技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种基于数字双胞胎技术的FAST主动反射面面型精度实时监测方法，所述方法包括如下步骤：

1)在望远镜运行过程中，通过2225个促动器上布置的磁致伸缩传感器采集所述促动器的实时行程、故障促动器编号以及当前环境温度数据，输入到FAST主动反射面数字双胞胎模型；

2)通过有限元计算，输出FAST主动反射面抛物面内主索节点的坐标及当前工况的天顶角和方位角；

3)根据主索节点的计算坐标反算出对应的面板上的点的坐标，并求出该点与抛物面理想位置的径向误差均方根值(RMS)，对当前工况下抛物面的面型精度进行评估；

4)将面型精度(径向误差均方根RMS)，以及其天顶角和方位角，按照时间顺序存入数据库；

5)根据数据库内的历史数据，画出面型误差均方根值(RMS)≥ 4mm的点的分布图，以及这些点的面型误差发展曲线；

6)根据面型误差发展曲线，给出相应的维护建议；如果该点的面型误差发展曲线呈逐步增加的趋势，则表示需更新该点附近区域的标定数据库。

作为一种进一步的技术方案，步骤1)中读取相关数据并输入所述FAST主动反射面数字双胞胎的周期为1分钟。

作为一种进一步的技术方案，步骤1)中所述FAST主动反射面数字双胞胎模型采用ANSYS有限元软件建立，模型包括圈梁、圈梁支撑格构柱、面索以及下拉索；其中，所述圈梁、圈梁支撑格构柱采用 BEAM44单元模拟，所述面索及下拉索采用LINK10单元模拟。

作为一种进一步的技术方案，步骤2)采用ANSYS有限元软件进行有限元计算，并将当前工况下计算得到抛物面内的主索节点坐标及其位置编号，按照时间顺序，依次存入专门的数据库中。

作为一种进一步的技术方案，步骤3)中所述的面型精度是抛物面内点的面型精度，且该面型精度是指径向误差的RMS值。

作为一种进一步的技术方案，步骤4)中所述的数据库能够在运营人员确认更新相关位置标定数据库后，自动删除该位置的历史数据。

作为一种进一步的技术方案，步骤6)中所述的附近区域是指超限点两侧方位角±10°范围内的区域。

采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

本发明通过现场传感器实时的反馈数据，通过对构建的FAST主动反射面数字双胞胎模型的实时有限元分析，得到当前抛物面的实时面型精度情况。将实时评估得到的面型精度数据与相应的抛物面位置按时间顺序存入本项目专门建立的数据库，根据数据库中的历史数据，不但可以绘制出面型精度误差在主动反射面各个方位上的分布图，还可以绘制出主动反射面各个方位上面型精度误差的发展曲线。根据这些信息，可以很方便地判断出标定数据库是不是需要更新，以及应该优先更新哪个方位的标定数据，从而提醒运营方合理安排时间，更新标定数据库，可有力保障FAST主动反射面的健康运行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的基于数字双胞胎技术的FAST主动反射面面型精度实时监测方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的数字双胞胎模型构建方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

结合图1所示，本实施例提供一种基于数字双胞胎技术的FAST 主动反射面面型精度实时监测方法，所述方法包括如下步骤：

在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，步骤1)中读取相关数据并输入所述FAST主动反射面数字双胞胎的周期为1分钟。

在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，步骤1)中所述FAST 主动反射面数字双胞胎模型采用ANSYS有限元软件建立，模型包括圈梁、圈梁支撑格构柱、面索以及下拉索；其中，所述圈梁、圈梁支撑格构柱采用BEAM44单元模拟，所述面索及下拉索采用LINK10单元模拟。

在该实施例中，在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，步骤2)采用ANSYS有限元软件进行有限元计算，并将当前工况下计算得到抛物面内的主索节点坐标及其位置编号，按照时间顺序，依次存入专门的数据库中。

在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，步骤3)中所述的面型精度是抛物面内点的面型精度，且该面型精度是指径向误差的 RMS值。

在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，步骤4)中所述的数据库能够在运营人员确认更新相关位置标定数据库后，自动删除该位置的历史数据。

在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，步骤6)中所述的附近区域是指超限点两侧方位角±10°范围内的区域。

综上，本发明采用目前最先进的数字双胞胎技术，将FAST主动反射面的实际运行状态，实时映射到数字模型上，形成FAST主动反射面数字双胞胎，通过实时对FAST主动反射面数字双胞胎模型的有限元分析，对反射面面型精度进行实时监测，并根据存储的历史监测数据，分析面型误差的分布情况，以及发展趋势，给出何时更新标定数据库，优先更新哪个位置上的标定数据库的维护建议，实现对标定数据库进行视情维护、动态维护。该方案对FAST主动反射面的健康运行具有很大的价值。

结合图2所示，本实施例提供一种FAST主动反射面的数字双胞胎构建方法，所述方法包括如下步骤：

1)建立FAST主动反射面整体有限元模型，模型包括圈梁、圈梁支撑格构柱、面索以及下拉索；

2)定期将FAST主动反射面变位到基本球面状态，并测量/采集如下数据：促动器伸长量，故障促动器、构件温度、圈梁耳板销孔坐标、下拉索锚固点坐标以及主索节点坐标；

3)根据测量圈梁耳板销孔中心坐标、有过变化的下拉索锚固点坐标，修改FAST主动反射面整体有限元模型的几何模型；

4)对修改了几何模型的FAST主动反射面整体有限元模型进行有限元分析，并根据计算结果，将计算主索节点位置与实测主索节点位置的偏差分为径向偏差和切向偏差；

5)根据径向偏差计算下拉索弹性模量的修正量，并修正有限元模型中相应下拉索单元的弹性模量；

6)根据切向偏差计算主索初应变修正量，并修正有限元模型中相应主索的初应变；

7)对修正参数后的有限元模型再次进行有限元分析，仍根据计算结果，将计算主索节点位置与实测主索节点位置的偏差分为径向偏差和切向偏差；

8)重复步骤6)和步骤7)，直到主索节点计算位置与实测位置的径向误差≤1mm为止；

9)输出数字双胞胎，并定时重复步骤1)～步骤8)，根据最新的测量数据更新数字双胞胎模型，进而构建出可自动更新的、实时与现场结构保持一致的FAST主动反射面数字双胞胎。

在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，步骤1)中所述FAST 主动反射面整体有限元模型采用ANSYS有限元软件建立，所述圈梁、圈梁支撑格构柱采用BEAM44单元模拟，所述面索及下拉索采用 LINK10单元模拟。

在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，步骤2)中所述定期将FAST主动反射面变位到基本球面状态是指每3个月将反射面变位到基本球面，并测量/采集一次相关数据。

在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，步骤2)中所述促动器伸长量采用测量精度可达到10微米的磁致伸缩传感器采集；圈梁耳板销孔坐标、下拉索锚固点坐标以及主索节点坐标采用测量精度高达2mm的激光全站仪进行测量。

在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，步骤2)中所述构件温度采用主动反射面上500余个分布相对均匀的温度测量点的数据，线性插值获得。

在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，步骤5)中所述的下拉索弹性模量的修正量，采用公式(1)计算得到：

ΔE_i＝(F_i×L_i)÷(ΔL_i×A_i) (1)

公式(1)中，ΔE_i表示第i根下拉索弹性模量的修正量；F_i表示第i根下拉索的计算索力；L_i表示第i根下拉索的长度；ΔL_i表示第i根下拉索处，主索节点位置与实测主索节点位置的径向偏差；A_i表示第i根下拉索的截面积。

在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，步骤6)中所述的主索初应变修正量，采用公式(2)计算得到。

Δε_i＝(L_i1-L_i2)÷L_i2 (2)

公式(2)中，Δε_i表示第i根主索初应变的修正量；L_i1表示第 i根主索按实测坐标获得的索长；L_i2表示第i根主索按计算坐标获得的索长。

在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，步骤9)中所述的自动更新通过如下方式实现：采用FAST的自动标定系统，自动将基本球面标定到面型误差RMS≤2mm，并通过现场的反射面控制系统和反射面测量系统，自动获取此时2225个促动器的伸长量、故障促动器编号、温度测量数据、主索节点坐标以及圈梁耳板销孔中心坐标，同时测量150根边缘主索索力，并调取重新浇筑过的下拉索基础锚固点的坐标；然后，按照上述步骤，采用ANSYS软件的APDL语言编制有限元程序，多次迭代后，在基准态上将数字双胞胎模型修正到主索节点位置及边缘主索索力均满足精度要求，实现数字双胞胎的自动更新，完成数字双胞胎的构建。

在该实施例中，作为一种进一步的技术方案，步骤9)中定时重复步骤1)～步骤8)是指每3个月重复步骤1)～步骤8)。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种基于数字双胞胎技术的FAST主动反射面面型精度实时监测方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

3)根据主索节点的计算坐标反算出对应的面板上的点的坐标，并求出面板上该点与抛物面理想位置的径向误差均方根值(RMS)，对当前工况下抛物面的面型精度进行评估；

4)将面型精度，以及其天顶角和方位角，按照时间顺序存入数据库；

5)根据数据库内的历史数据，画出面型误差均方根值(RMS)≥4mm的点的分布图，以及这些点的面型误差发展曲线；

6)根据面型误差发展曲线，给出相应的维护建议；如果该主索节点的面型误差发展曲线呈逐步增加的趋势，则表示需更新该主索节点附近区域的标定数据库。

2.根据权利要求1所述的基于数字双胞胎技术的FAST主动反射面面型精度实时监测方法，其特征在于，步骤1)中读取相关数据并输入所述FAST主动反射面数字双胞胎的周期为1分钟。

3.根据权利要求1所述的基于数字双胞胎技术的FAST主动反射面面型精度实时监测方法，其特征在于，步骤1)中所述FAST主动反射面数字双胞胎模型采用ANSYS有限元软件建立，模型包括圈梁、圈梁支撑格构柱、面索以及下拉索；其中，所述圈梁、圈梁支撑格构柱采用BEAM44单元模拟，所述面索及下拉索采用LINK10单元模拟。

4.根据权利要求1所述的基于数字双胞胎技术的FAST主动反射面面型精度实时监测方法，其特征在于，步骤2)采用ANSYS有限元软件进行有限元计算，并将当前工况下计算得到抛物面内的主索节点坐标及其位置编号，按照时间顺序，依次存入专门的数据库中。

5.根据权利要求1所述的基于数字双胞胎技术的FAST主动反射面面型精度实时监测方法，其特征在于，步骤3)中所述的面型精度是抛物面内点的面型精度，且该面型精度是指径向误差的RMS值。

6.根据权利要求1所述的基于数字双胞胎技术的FAST主动反射面面型精度实时监测方法，其特征在于，步骤4)中所述的数据库能够在运营人员确认更新相关位置标定数据库后，自动删除该位置的历史数据。

7.根据权利要求1所述的基于数字双胞胎技术的FAST主动反射面面型精度实时监测方法，其特征在于，步骤6)中所述的附近区域是指超限点两侧方位角±10°范围内的区域。