CN110534914A - 一种天线反射器形面控制系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种天线反射器形面控制系统与方法，该系统包括天线反射器、高精度动态摄影测量系统、压电作动器、PC机、控制器。高精度动态摄影测量系统实时检测天线反射器的形面精度，当形面精度不满足设计要求时，PC机根据测量的数据结合控制方法解算最优的控制电压，随后电压信号由控制器功率放大加载到压电作动器上，进而实现反射器形面精度调整。本发明实现了天线反射器形面的闭环控制，解决了现有技术仅依靠开环控制难以保证控制系统的鲁棒性、稳定性和控制精度问题。

Description

一种天线反射器形面控制系统与方法

技术领域

本发明属于星载天线技术领域，具体说是一种天线反射器形面控制系统与方法。

背景技术

近年来，随着遥感技术的发展，对地观测和深空探测航天器对天线工作频率、增益和信号接收能力要求越来越高，高精度、大口径星载天线成为主要的发展方向。为了实现天线电性能的高增益和低旁瓣，反射器的形面精度(root-mean-square,RMS)应不超过工作频率波长的五十分之一。以对地观测领域中的气象卫星为例，为了全天候观测大气温度、湿度、水汽、云雨、降雨含量等主要气象信息，其核心载荷为口径2m的同步轨道微波辐射计天线，最高工作频率为183GHz，这就要求其反射面的RMS应小于32μm。此外，我国新一代微波气象卫星对3m口径425GHz天线也提出了明确的应用需求，这将需要反射面的形面精度更高。然而，受制造工艺的限制，随着天线工作频率的增加，反射器的制造成本和周期迅速增加；此外，由于空间热载荷、材料蠕变和结构节点松动等原因，反射器的形面精度会在轨发生变化以至不能满足设计要求。因此需要一种主动控制系统来调节反射器形面以满足形面精度的设计要求。

在反射器形面控制系统中，形面测量大多数采用V-STARS摄影测量系统。V-STARS摄影测量系统需要人为从多个角度拍摄反射器图像，再传输到相应的测量软件中得到传感点的坐标信息，进而计算作动器最优的控制输入。该系统操作繁琐，无法实现反射器的闭环控制。在目前的形面控制方法中，大多数采用基于线性模型的开环控制。然而，由于一些非线性因素的影响，仅采用开环控制反射器的形面精度很难达到设计要求。

发明内容

针对现有技术中其系统操作繁琐，无法实现反射器的闭环控制，且形面精度达不到设计要求等问题，本申请提出了一种天线反射器形面控制系统与方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种天线反射器形面控制系统，包括天线反射器、形面测量系统、压电作动器、PC机、控制器，所述压电作动器安装在天线反射器上，通过压电作动器的伸长或缩短控制天线反射器的形面；所述形面测量系统实时测量反射面传感点的坐标信息，并将坐标信息通过串口传输到PC机；所述PC机根据坐标信息解算最优控制电压并通过串口至控制器；所述控制器与压电作动器相连，将电压信号加载到压电作动器上，从而实现天线反射器形面精度的在线测量和调整。

进一步的，所述压电作动器为PZT压电作动器。

进一步的，所述形面测量系统为数字相关DIC高精度动态摄影测量系统。

为了实现反射器的高精度形面控制，高精度形面测量是非常重要的。采用多次测量反射面传感点的坐标，再将坐标值求和平均作为传感点坐标的方法以提高所述DIC摄影测量系统的测量精度。在天线反射器形面测量中均采用所述的多次测量再平均的方法。

所述天线反射器形面控制系统操作步骤包括：

1)DIC摄影测量系统实时测量反射面传感点的坐标信息，并将测量的反射面传感点的信息传输到所述的PC机；

2)所述的PC上运行有控制方法程序，判断形面精度是否满足精度要求，如果满足精度要求，继续执行第1步；如果不满足精度要求，启动控制方法程序；

3)所述的控制方法根据传感点的坐标信息解算所述作动器的最优控制电压；

4)所述的压电作动器电压信号通过控制器功率放大加载到压电作动器上；

5)所述的作动器根据电压信号伸长或缩短以调整反射器形面；

6)继续执行第1步。

本申请还提供一种天线反射器形面控制方法，为基于影响系数矩阵模型的闭环形面控制方法，该方法是在上述系统中实施的。影响系数矩阵假设压电作动器彼此之间是相互独立的，天线反射器变形为小变形，满足天线反射器变形位移与压电作动器输入电压的线性关系和叠加原理。影响系数矩阵的列向量对应不同压电作动器施加单位电压，其它作动电压为零，反射面所有传感点的向位移，可以测量得到。在测量影响系数矩阵时，为了使得天线反射器产生大变形以减少测量噪声的影响，所述压电作动器施加最大电压，再通过线性插值得到影响系数矩阵。具体包括如下步骤：

1)测量天线反射器的影响系数矩阵B_u；

2)设定初始电压向量u₀和目标形面；

3)形面测量系统测量天线反射器当前形面；

4)根据测量的数据计算当前的期望位移z_d,i与形面精度

5)判断形面精度是否小于设定精度P^RMS，如果执行第3步；否则执行下一步；

6)定义误差函数和约束条件，采用最小二乘法求解压电作动器的最优电压；

7)最优电压信号通过控制器功率放大加载到作动器上；

8)继续执行第3步。

进一步的，通过影响系数矩阵B_u建立所述压电作动器输入电压与天线反射器变形之间的线性关系，其表达式为

z_r＝B_uΔu (1)

式中：z_r为反射面传感点的z向位移变化量；Δu为压电作动器输入电压变化量；B_u为影响系数矩阵。

天线反射器的形面控制目的是使用压电作动器在复杂的空间环境中保持所需的抛物面形状。由于天线反射器当前的形面可以通过所述形面测量系统测量得到，故天线反射器的期望变形位移是已知的。因此，可将天线反射器形面主动控制转变为求解天线反射器达到期望形面的压电作动器最优电压问题。为了量化第i次迭代的当前形面偏离期望形面的位移变化，将误差函数定义为

J_i＝(z_r,i-z_d,i)^T(z_r,i-z_d,i)(i＝0,1,2,...m) (2)

式中：z_r,i为第i次迭代后反射面传感点的z向位移变化量，z_d,i为第i次迭代后天线反射器的期望位移；下标i代表第i次迭代；

将式(1)代入式(2)，误差函数表示为

J_i＝(B_uΔu_i-z_d,i)^T(B_uΔu_i-z_d,i)(i＝0,1,2,...m) (3)

此外，为避免对压电材料的损坏，压电作动器电压应满足约束条件：

u_min-u_i≤Δu_i≤u_max-u_i (4)

式中：u_min和u_max分别为压电作动器允许最小加载电压和最大加载电压；u_i为第i次迭代的压电作动器电压，其中u₀为压电作动器的初始电压。

采用最小二乘法求解压电作动器的最优输入电压Δu_i，则压电作动器电压更新公式为：

u_i+1＝u_i+Δu_i (5)。

本发明通过以上技术方案，可以取得如下效果：

1.本发明的天线反射器形面控制系统采用DIC高精度动态摄影测量系统实时测量天线反射器形面精度，相比于现有的V-STARS摄影测量系统，不需要操作人员从多个角度拍摄天线反射器图像，可实现天线反射器形面的闭环控制。

2.本发明的控制方法是基于影响系数矩阵模型的闭环控制方法，相对于传统的开环控制，该控制方法的鲁棒性更好和控制精度更高。

综上所述本发明能够实现天线反射器形面的闭环控制且具有鲁棒性和控制精度高等优点，若批量投入市场必将产生积极的社会效益和显著的经济效益。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对本发明中所需要使用的附图做简单地介绍。

图1为本发明提供的一种天线反射器形面控制系统流程图；

图2为本发明提供的一种天线反射器形面控制方法的流程图。

具体实施方式

下面以目标形面为旋转抛物面为例，结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例1

本实施例提供一种天线反射器形面控制系统，包括天线反射器、形面测量系统、PZT压电作动器、PC机、控制器，其中所述压电作动器安装在天线反射器上，通过压电作动器的伸长或缩短控制天线反射器的形面；所述的形面测量系统为数字相关(DIC)高精度动态摄影测量系统，该系统能够实时的测量反射面传感点的坐标信息，并将传感点的坐标信息通过串口传输到PC机；所述的PC机上运行有控制方法程序，所述的控制方法为基于影响系数矩阵模型的闭环控制方法，根据传感点的坐标信息解算最优控制电压并通过串口与控制器相连；所述的控制器与压电作动器相连，能够实现PC机通信和功率放大，将电压信号加载到压电作动器上，从而实现天线反射器形面精度的在线测量和调整。

如图1所示，DIC摄影测量系统实时测量天线反射器传感点的坐标，并将数据传输到PC机。PC机根据测量数据计算偏离目标形面的位移和形面精度并判断天线反射器形面精度是否满足要求，如果形面精度满足设计要求，继续测量反射器形面；如果形面精度不满足设计要求，PC机启动控制方法程序，根据测量的数据解算最优控制电压，随后电压信号由控制器功率放大加载到压电作动器上，进而实现形面精度在线调整。

实施例2

图2给出了一种反射器形面控制方法控制流程图。1)首先测量得到反射器的影响系数矩阵B_u；2)设定目标形面并给作动器初始电压向量u₀；3)所述的DIC摄影测量系统测量反射器的当前形面；4)根据测量的数据计算期望变形位移z_d,i和偏离目标形面的RMS误差5)判断形面精度是否小于设定精度P^RMS，如果执行第3步；否则执行下一步；6)根据式(3)和(4)定义误差函数和约束条件，采用最小二乘法求解最优电压增量Δu_i；7)采用式(5)更新作动器电压；8)加载作动电压并继续执行第3步。

Claims (7)

1.一种天线反射器形面控制系统，其特征在于，包括天线反射器、形面测量系统、压电作动器、PC机、控制器，所述压电作动器安装在天线反射器上，通过压电作动器的伸长或缩短控制天线反射器的形面；所述形面测量系统实时测量反射面传感点的坐标信息，并将坐标信息通过串口传输到PC机；所述PC机根据坐标信息解算最优控制电压并通过串口至控制器；所述控制器与压电作动器相连，将电压信号加载到压电作动器上，从而实现天线反射器形面精度的在线测量和调整。

2.根据权利要求1所述一种天线反射器形面控制系统，其特征在于，所述压电作动器为PZT压电作动器。

3.根据权利要求1所述一种天线反射器形面控制系统，其特征在于，所述形面测量系统为DIC高精度动态摄影测量系统。

4.一种天线反射器形面控制方法，其特征在于，为基于影响系数矩阵模型的闭环形面控制方法，具体包括如下步骤：

1)测量天线反射器的影响系数矩阵B_u；

2)设定初始电压向量u₀和目标形面；

3)形面测量系统测量天线反射器当前形面；

4)根据测量的数据计算当前的期望位移z_d,i与形面精度

5)判断形面精度是否小于设定精度P^RMS，如果执行第3步；否则执行下一步；

6)定义误差函数和约束条件，采用最小二乘法求解压电作动器的最优电压；

7)最优电压信号通过控制器功率放大加载到压电作动器上；

8)继续执行第3步。

5.根据权利要求4所述一种天线反射器形面控制方法，其特征在于，通过影响系数矩阵B_u建立所述压电作动器输入电压与天线反射器变形之间的线性关系，其表达式为

z_r＝B_uΔu (1)

式中：z_r为反射面传感点的z向位移变化量；Δu为压电作动器输入电压变化量；B_u为影响系数矩阵。

6.根据权利要求5所述一种天线反射器形面控制方法，其特征在于，为了量化第i次迭代的当前形面偏离期望形面的位移变化，将误差函数定义为：

J_i＝(z_r,i-z_d,i)^T(z_r,i-z_d,i)(i＝0,1,2,...m) (2)

式中：z_r,i为第i次迭代后反射面传感点的z向位移变化量，z_d,i为第i次迭代后天线反射器的期望位移；下标i代表第i次迭代；

将式(1)代入式(2)，误差函数表示为

J_i＝(B_uΔu_i-z_d,i)^T(B_uΔu_i-z_d,i)(i＝0,1,2,...m) (3)

压电作动器电压应满足约束条件：

u_min-u_i≤Δu_i≤u_max-u_i (4)

式中：u_min和u_max分别为压电作动器允许最小加载电压和最大加载电压；u_i为第i次迭代的压电作动器电压，其中u₀为压电作动器的初始电压。

7.根据权利要求6所述一种天线反射器形面控制方法，其特征在于，采用最小二乘法求解压电作动器的最优输入电压Δu_i，则压电作动器电压更新公式为：

u_i+1＝u_i+Δu_i (5)。