大射电望远镜的参数辨识与高精度鲁棒控制伺服方法研究

发布时间：2020-04-14 02:19

【摘要】：随着时代的发展以及射电天文学的要求不断提高,射电望远镜必然向着高频段、大口径趋势发展。高频段的电磁波信号,需要射电望远镜有更高的指向精度,不断增大的口径导致结构本身的固有频率愈发的降低,驱动柔性与结构柔性不断增强,此外由于摩擦、齿隙以及风扰的影响,使得高精度指向控制成为工程上的难点。为此本文根据大射电望远镜伺服指向系统的特点,构造了双环复合控制框架,在此框架的基础上,对以下内容进行了研究:参数辨识。双环复合控制框架包含内环控制器与外环控制器,其中内环控制器采用PI+LQG控制算法,该算法需要知晓被控对象较为准确的状态空间方程,针对这一问题,提出了一种基于非传统阶跃信号的参数辨识方法。该方法能够在一定的误差范围内得到系统的传递函数,进而求出各个物理参数,获得系统较为准确的状态空间方程,同时还能够辨识出系统的滞后时间。鲁棒控制器设计。大射电望远镜工作时受到多种扰动与不确定性因素影响。首先考虑到风力扰动,对其建立了稳态风与随机风的风扰模型,并且对随机风进入伺服控制系统的机制进行了研究;不确定性因素中的参数不确定性可由参数辨识过程中的误差范围得到;最后针对大射电望远镜机电伺服系统中存在的各种摩擦齿隙等非线性因素进行了分析。在上述所有因素影响下,为了使系统保持稳定且保证足够高的指向精度,设计了基于波特图的鲁棒控制器。该控制器的核心思想是将所有不确定因素与扰动体现为系统波特图的禁区部分,然后设计鲁棒控制器使系统的频率响应曲线与禁区无交叉,达到控制目的。半实物仿真系统实验。文末在半实物仿真系统上搭建了两惯量系统,分别对提出的参数辨识方法与鲁棒控制器进行实验。实验结果表明在误差范围内参数辨识方法能够较准确的辨识出系统物理参数,鲁棒控制器在内环与双环条件下均可以抑制不确定性对系统造成的不利影响,并保证足够高的指向精度。本文通过提出通用化的参数辨识方法以及鲁棒控制算法,为日后QTT项目设计控制器提供设计思路与设计步骤参考。
【图文】：

射电望远镜,澳大利亚

年又建成了世界上最大的可旋转抛物面射电望远镜。此后世界各国不断建立起口径更逡逑大且性能更加先进的全可动旋转抛物面射电望远镜［４］，其中比较著名的有，澳大利亚逡逑国家天文台于１９６１年建造的口径为６４ｍ的Ｐａｒｋｓ全可动射电望远镜［５］，如下图１．１逡逑所示，该射电望远镜在当时的南半球是口径最大的全可动旋转抛物面射电望远镜，它逡逑负担了绝大部分南半球的天文观测任务，，对高南纬射电源的观测甚至成为了它的专利。逡逑其指向精度［６］高达１１角秒，工作波段为０．６－４３ＧＨＺ，总重量接近１０００吨。逡逑图１．１澳大利亚Ｐａｒｋｓ邋６４ｍ射电望远镜逡逑２０世纪６０年代末德意志联邦共和国提出要建造口径１００米且能在毫米波观测的逡逑可跟踪射电望远镜，最终在Ｅｆｆｅｌｓｂｅｒｇ附近的一个山谷中建起了当时世界上口径最大逡逑性能最好的超大口径旋转抛物面射电望远镜［７］，覆盖了邋０．４０８－８６Ｇｈｚ几乎所有观测波逡逑段，指向精度高达１０角秒。它的最大创新点在于首次把主动反射面技术引入射电望逡逑远镜的建设：在精确测量出天线表面变形的情况下，通过在天线表面的每块金属板下逡逑面安装一种特殊的可调整的支撑结构

射电望远镜,美国

逡逑图１．２德国波恩Ｅｆｆｅｌｓｂｅｒｇ邋１００ｍ射电望远镜逡逑１９８８年美国９１．５米口径的射电望远镜坍塌，为此美国国家射电天文台于２０００逡逑年在美国西弗吉尼亚州的绿岸镇建成了当今世界上口径最大的超大口径全可动旋转逡逑抛物面射电望远镜－绿岸射电望远镜［８］，简称为ＧＢＴ，如下图１．３所示。它为了获得更逡逑大的接收面积，采用偏馈结构形式，避免了支撑架和副面造成的遮光。其工作在逡逑０．１－１１６Ｇｈｚ波段，指向精度高达４角秒，总重量约为７６００吨，高约１４８米，用激光逡逑测距系统测出天线表面形变，依靠每块金属板四个角上的由计算机控制的小型马达驱逡逑动器补偿变形误差，保证反射面不偏离理想抛物面。逡逑图１．３美国ＧＢＴｌｌＯｍ射电望远镜逡逑国内射电天文观测领域起步虽然晚，但是发展势头较为迅猛，先后建造起许多大逡逑型射电望远镜。１９８６年中科院上海天文台在上海佘山建造了邋口径为２５米的射电望远逡逑镜
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P111.44

【参考文献】