CN114063663B - 基于加速度补偿器的光学望远镜动态范围控制系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及望远镜系统控制领域，具体涉及一种基于加速度补偿器的光学望远镜动态范围控制系统及方法，系统包括：位置控制器，与位置控制器连接的速度控制器，与速度控制器连接的加速度控制器，加速度控制器上连接有加速度补偿器；位置控制器用于控制望远镜的移动位置；速度控制器用于控制望远镜的移动速度；加速度控制器用于控制望远镜移动的加速度；加速度补偿器通过对望远镜的编码器位置数据进行估计，以获得加速度信息，并基于加速度信息进行对望远镜移动的扰动补偿，通过该扰动补偿进而提高控制系统对望远镜在宽动态范围内的跟踪控制精度。

Description

基于加速度补偿器的光学望远镜动态范围控制系统及方法
技术领域
本发明涉及望远镜系统的控制领域，具体而言，涉及一种基于加速度补偿器的光学望远镜动态范围控制系统及方法。
背景技术
地基大口径光学望远镜在较重负载、较大轴系摩擦力矩、较大电机齿槽力矩波动和复杂风载扰动条件下，需要对被观测目标进行大速度快速切换，或者以极低速度进行平稳跟踪，这就要求地基大口径光学望远镜控制系统具有宽动态范围的高精度控制性能。望远镜在以大速度进行目标切换过程中，受轴系摩擦力矩和电机齿槽力矩波动的影响，造成了较大的速度波动，进而影响了目标切换的平稳性。此外，在望远镜对恒星目标进行极低速度跟踪时，轴系的摩擦力矩和风载的扰动造成了低速跟踪抖动，影响了望远镜的稳定观测性能。
针对上述问题，传统的控制系统通常采用摩擦力矩补偿、电机齿槽力矩补偿或者基于圆顶设计的直接风载抑制等方法来提高望远镜的跟踪控制精度。但是，传统的地基大口径望远镜扰动补偿控制方法存在的问题是：都是针对单一系统扰动因素设计的控制策略，难以兼顾系统内外复杂扰动。然而，控制系统中无论哪种扰动力矩都会以加速度波动的方式表现出来，因此可以通过检测加速度的方式进行扰动抑制。
加速度检测方法通常采用加速计，采用加速度计进行检测存在的问题是加速度计安装精度要求高，并且加速度计存在较大的检测噪声。因此，针对上述问题，需要一种能够兼顾低速和高速的大动态范围高精度控制能力的控制系统。
发明内容
本发明实施例提供了一种基于加速度补偿器的光学望远镜动态范围控制系统，以至少解决现有光学望远镜的宽动态范围缺乏高精度控制的技术问题。
根据本发明的一实施例，提供了一种基于加速度补偿器的光学望远镜动态范围控制系统，包括：位置控制器，与位置控制器连接的速度控制器，与速度控制器连接的加速度控制器，加速度控制器上连接有加速度补偿器；
位置控制器用于控制望远镜的移动位置；
速度控制器用于控制望远镜的移动速度；
加速度控制器用于控制望远镜移动的加速度；
加速度补偿器通过对望远镜的编码器位置数据进行估计，以获得加速度信息，并基于加速度信息进行对望远镜移动的扰动补偿，通过该扰动补偿进而提高控制系统对望远镜在宽动态范围内的跟踪控制精度。
进一步地，加速度补偿器包括：
加速度和速度估计器，用于通过对编码器进行估计获得望远镜的加速度和速度信息，加速度信息用于加速度补偿控制，速度信息用于速度闭环反馈控制；
辨识对象，通过系统辨识获得，用于计算系统理想的加速度信息；
加速度反馈控制器，用于根据加速度误差进行扰动的反馈补偿。
进一步地，基于加速度信息计算公式获得加速度信号，加速度信息计算公式的表达式为：
其中，r1、r2、g1、g2和Q均为正数，θ(t)为位置编码器输入信号，y1(t)为输入信号θ(t)的滤波器信号，y2(t)为估计的速度信号ω(t)；
继续采用加速度信息计算公式的表达式，以ω(t)为输入信号进行二次估计，即可获得系统的加速度信息a(t)。
进一步地，采用转动惯量辨识的方法获得辨识对象的低频线性部分。
进一步地，基于辨识获得的辨识对象，通过加速度反馈计算公式计算加速度反馈控制器，加速度反馈计算公式为：
其中，传递函数G应满足条件|GGa|≈1，Ca为加速度反馈控制器，为辨识对象；在实际控制系统设计时，截取辨识对象/>的线性部分进行加速度反馈控制器Ca的设计，此时Ca的表达式为：
其中，s为复变量，β为低通滤波器系数，k为控制器增益。
基于加速度补偿器的光学望远镜动态范围控制方法，包括以下步骤：
对望远镜的位置编码器进行估计，获得控制系统的加速度；
计算系统理想的加速度；
将获得的控制系统的加速度和计算出的理想加速度作差比较，获得加速度误差；
以加速度误差为输入信号计算补偿加速度信号，以实现对复杂扰动信号的补偿，进而提高对望远镜在宽动态范围内移动的控制精度。
本发明实施例中的基于加速度补偿器的光学望远镜动态范围控制系统及方法，系统包括：位置控制器，与位置控制器连接的速度控制器，与速度控制器连接的加速度控制器，加速度控制器上连接有加速度补偿器；位置控制器用于控制望远镜的移动位置；速度控制器用于控制望远镜的移动速度；加速度控制器用于控制望远镜移动的加速度；加速度补偿器通过对望远镜的编码器位置数据进行估计，以获得加速度信息，并基于加速度信息进行对望远镜移动的扰动补偿，通过该扰动补偿进而提高控制系统对望远镜在宽动态范围内的跟踪控制精度。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明基于加速度补偿器的光学望远镜控制系统的原理图；
图2为本发明加速度补偿器的原理图；
图3为本发明加入加速度补偿器前后控制系统的扰动抑制能力对比曲线；
图4为本发明加入加速度观测器前后控制系统的控制精度对比曲线；
图5为本发明基于加速度补偿器的光学望远镜控制方法的流程图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
根据本发明一实施例，提供了一种基于加速度补偿器的光学望远镜动态范围控制系统，参见图1，包括：位置控制器，与位置控制器连接的速度控制器，与速度控制器连接的加速度控制器，加速度控制器上连接有加速度补偿器；
位置控制器用于控制望远镜的移动位置；
速度控制器用于控制望远镜的移动速度；
加速度控制器用于控制望远镜移动的加速度；
加速度补偿器通过对望远镜的编码器位置数据进行估计，以获得加速度信息，并基于加速度信息进行对望远镜移动的扰动补偿，通过该扰动补偿进而提高控制系统对望远镜在宽动态范围内的跟踪控制精度。
本发明的目的是提供一种基于加速度补偿器的控制系统设计方法，从而保证地基大口径光学望远镜的宽动态范围高精度控制。
针对复杂扰动条件下地基大口径望远镜控制系统的宽动态范围高精度控制问题，现有的单一扰动补偿控制策略，无法兼顾系统内外多种形式的复杂扰动；此外，直接加速度反馈控制存在加速计安装困难，检测噪声大的问题。为了解决现有大动态范围高精度控制策略存在的问题，本发明一种基于加速度补偿器的控制方法。具体通过以下技术方案实现：
如图1所示，基于加速度补偿器的地基大口径光学望远镜控制系统结构图，主要由位置控制器、速度控制器、加速度控制器和加速度补偿器组成。加速度补偿器通过对望远镜的编码器位置数据进行估计获得加速度信息，并采用加速度信息进行扰动的补偿。加速度补偿器是本发明的核心发明内容，下面将对其进行详细阐述。
如图2所示，加速度补偿器由加速度和速度估计器Ge、辨识对象以及加速度反馈控制器Ca组成看。加速度和速度估计器Ge的作用是通过对位置编码器进行估计获得望远镜的加速度和速度信息，加速度信息用于加速度补偿控制，速度信息用于速度闭环反馈控制。辨识对象/>通过系统辨识获得，用于计算系统理想的加速度信息。加速度反馈控制器Ca用于根据加速度误差e进行扰动的反馈补偿。
基于加速度信息计算公式获得加速度信号，加速度信息计算公式的表达式为：
其中，r1、r2、g1、g2和Q均为正数，θ(t)为位置编码器输入信号，y1(t)为输入信号θ(t)的滤波器信号，y2(t)为估计的速度信号ω(t)；
继续采用加速度信息计算公式的表达式，以ω(t)为输入信号进行二次估计，即可获得系统的加速度信息a(t)。相比于对编码器信号进行二次微分获得加速度的传统方法，本发明的加速度估计方法避免了二次微分造成的编码器噪声方法问题，同时减小了对编码器信号进行二次滤波造成的时间滞后问题，具有更高的加速度估计精度和实时性。
采用转动惯量辨识的方法获得被控对象的低频线性部分，因此，对于固定的望远镜控制对象的传递函数应为常数。转动惯量的辨识方法可参考文献[光学精密工程，2017,25(10)：2637-2644]，该方法不是本发明的重点，在此不在详细说明。
基于辨识获得的辨识对象通过加速度反馈计算公式计算加速度反馈控制器，加速度反馈计算公式为：
其中，传递函数G应满足条件|GGa|≈1。由于实际在控制系统设计时，我们通常关注被控对象的低频部分，因此，截取辨识对象的线性部分进行反馈控制器Ca的设计，此时Ca的表达式为：
其中，s为复变量，β为低通滤波器系数，k为控制器增益。
为了对比说明基于加速度补偿器的控制系统在扰动抑制能力方面的优点，我们首先分析直接加速度反馈控制的扰动抑制能力。直接加速度反馈控制方法的扰动抑制能力分析如下：
系统的加速度表示为：
对加速度积分获得速度的表达式：
将a*＝Gω(ω*-ω)代入表达式(5)得到：
其中，Hh为扰动传递函数，
望远镜控制系统的编码器位置表示为：
其中，
因此，编码器角位置的功率谱密度表示为：
其中，
根据图2对基于加速度补偿器控制方法的扰动抑制能力分析如下，望远镜控制系统的速度表示为：
ω＝(1-GaGh)WωHωω+ω*Sω (9)
令此时望远镜控制系统的编码器位置表示为：
因此，编码器角位置的功率谱密度表示为：
通过设计加速度控制器Ca可以使|GaGh|≈1。因此，通过对比表达式(8)和(11)的功率谱密度可以得出：P1＞＞P2，因此，通过理论证明了基于加速度补偿器的控制方法能够进一步提高望远镜的对复杂系统扰动的抑制能力，进而提高了望远镜控制系统在宽动态范围内的跟踪控制精度。
下面介绍在地基大口径光学望远镜控制系统中加入基于加速度补偿器的控制效果。如图3所示为加入加速度补偿器前后控制系统的扰动抑制能力对比曲线，通过对比可以看出：基于加速度补偿器的控制方法在控制系统设计所关注的低频段幅值得到了显著降低，也就是说提高了对低频扰动的抑制能力。如图4所示为加入加速度观测器前后控制系统的控制精度对比曲线，通过对比可以看出：相比于传统控制策略，基于加速度补偿器的控制方法将望远镜的跟踪精度提高了近1倍。对频域和时域两方面的望远镜控制系统实际测试结果对比，进一步说明了基于加速度补偿器的控制方法的良好控制性能。
参见图5，根据本发明的另一实施例，提供了一种基于加速度补偿器的光学望远镜动态范围控制方法，包括以下步骤
S101：对望远镜的位置编码器进行估计，获得控制系统的加速度；
S102：计算系统理想的加速度；
S103：将获得的控制系统的加速度和计算出的理想加速度作差比较，获得加速度误差；
S104：以加速度误差为输入信号计算补偿加速度信号，以实现对复杂扰动信号的补偿，进而提高对望远镜在宽动态范围内移动的控制精度。
具体地，一种基于加速度补偿器的地基大口径光学望远镜宽动态范围高精度控制方法的具体工作过程为：
首先加速度和速度估计器Ge对望远镜的位置编码器进行估计获得控制系统的加速度a；与此同时，辨识对象以参考加速度a*为输入计算出加速度/>然后，将a和/>作差比较获得加速度误差e；最后，加速度控制器Ca以误差e为输入信号计算补偿信号acm，最终实现对复杂扰动信号的补偿，进而提高地基大口径光学望远镜在宽动态范围内的控制精度。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.基于加速度补偿器的光学望远镜动态范围控制系统，其特征在于，包括：位置控制器，与所述位置控制器连接的速度控制器，与所述速度控制器连接的加速度控制器，所述加速度控制器上连接有加速度补偿器；
所述位置控制器用于控制所述望远镜的移动位置；
所述速度控制器用于控制所述望远镜的移动速度；
所述加速度控制器用于控制所述望远镜移动的加速度；
所述加速度补偿器通过对所述望远镜的编码器位置数据进行估计，以获得加速度信息，并基于所述加速度信息进行对所述望远镜移动的扰动补偿，通过该扰动补偿进而提高所述控制系统对所述望远镜在宽动态范围内的跟踪控制精度；
所述加速度补偿器包括：
加速度和速度估计器，用于通过对所述编码器进行估计获得所述望远镜的加速度和速度信息，所述加速度信息用于加速度补偿控制，所述速度信息用于速度闭环反馈控制；
辨识对象，通过系统辨识获得，用于计算系统理想的加速度信息；
加速度反馈控制器，用于根据加速度误差进行扰动的反馈补偿；
基于加速度信息计算公式获得加速度信号，所述加速度信息计算公式的表达式为：
其中，r1、r2、g1、g2和Q均为正数，θ(t)为位置编码器输入信号，y1(t)为输入信号θ(t)的滤波器信号，y2(t)为估计的速度信号ω(t)；
继续采用所述加速度信息计算公式的表达式，以ω(t)为输入信号进行二次估计，即可获得系统的加速度信息a(t)；
基于辨识获得的所述辨识对象，通过所述加速度反馈计算公式计算所述加速度反馈控制器，所述加速度反馈计算公式为：
其中，传递函数G应满足条件|GGa|≈1，Ca为所述加速度反馈控制器；在实际控制系统设计时，截取辨识对象的线性部分进行加速度反馈控制器Ca的设计，此时Ca的表达式为：
其中，s为复变量，β为低通滤波器系数，k为控制器增益。
2.根据权利要求1所述的基于加速度补偿器的光学望远镜动态范围控制系统，其特征在于，采用转动惯量辨识的方法获得所述辨识对象的低频线性部分。
3.基于加速度补偿器的光学望远镜动态范围控制方法，其特征在于，应用于权利要求1-2任意一项所述的基于加速度补偿器的光学望远镜动态范围控制系统，所述方法包括以下步骤：
对望远镜的位置编码器进行估计，获得控制系统的加速度；
计算系统理想的加速度；
将获得的所述控制系统的所述加速度和计算出的理想所述加速度作差比较，获得加速度误差；
以所述加速度误差为输入信号计算补偿加速度信号，以实现对复杂扰动信号的补偿，进而提高对所述望远镜在宽动态范围内移动的控制精度。
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