主镜液压支撑系统关键技术研究

发布时间：2017-09-05 05:26

  本文关键词：主镜液压支撑系统关键技术研究

  更多相关文章： 大口径反射式望远镜 主镜支撑系统 液压支撑系统 高刚度设计 真空注油 微米级位置控制 主镜姿态控制

【摘要】：反射式望远镜是一种技术密集型的国防建设设备,广泛应用于导弹发射及飞行状态检测、空间探测、天体探测等领域。反射式望远镜的探测能力与主镜的口径成正相关关系,随着探测技术的发展,大口径望远镜是未来望远镜技术的主要发展方向,主镜支撑系统作为反射式望远镜的重要组成部分,是保证望远镜成像质量的关键因素,也是研制大口径反射式望远镜的关键技术之一。主镜支撑系统的主要功能有两个:第一,在保证镜面变形量不超过允许值的前提下,承受主镜的重量;第二,保证主镜与镜室的偏差始终处于合理的范围内。论文在综合分析国内外大口径望远镜的研制情况及主镜支撑技术研究现状与进展的基础上,指出了现有主镜支撑系统在支撑刚度及主镜姿态保持方面存在的问题,提出了基于微位移控制的主镜液压支撑系统。该液压支撑系统将主镜支撑系统分为三个轴向支撑分区,分区采用"伺服电机+位移放大缸+支撑液压缸"的位置控制方案,分区内多个支撑液压缸协同工作,通过位置控制器的设计,实现了主镜支撑分区的百毫秒以内的微米级别精确定位,保障了主镜姿态保持能力;液压支撑系统的支撑刚度受多方面因素的影响,论文主要揭示了支撑液压缸结构尺寸、支撑系统管道布置、油液性能等对支撑刚度的影响规律,提出通过真空处理及相应的注油方式提高主镜液压支撑系统刚度的方法;主镜分区间存在耦合作用,是影响位姿控制精度的重要因素,论文提出弱化耦合作用,优化控制参数的方法,进一步提高了主镜液压支撑系统的姿态保持能力和位姿控制精度。本文的主要研究内容如下:第一章,阐述了课题背景和研究意义,在大量国内外现有望远镜支撑技术相关文献的基础上,概括总结了主镜液压支撑技术存在的几个问题:与传统的机械支撑方式相比,液压支撑方式的刚度受到多方面因素的影响;液压支撑系统需要高精度快速定位;主镜液压支撑系统多个分区间存在耦合影响。针对这几个问题,提出了本课题的主要研究内容。第二章,根据望远镜观测精度要求,确定了主镜支撑系统的控制精度要求。建立了主镜液压支撑系统运动学和动力学分析模型,分析了不同驱动方式的微位移控制系统的优缺点,确定了驱动方案并设计了微位移控制系统及相应的试验台。第三章,针对主镜对液压支撑系统的高刚度要求,分析了刚度影响因素,包括支撑液压缸结构尺寸,管道布置情况和油液弹性模量的影响;设计油液预处理及注油装置,有效提高系统油液性能;分析了不同注油方式对支撑液压缸的刚度影响,设计符合高刚度液压系统要求的新型注油方式;采用新型注油方式对主镜支撑系统进行注油操作并进行主镜姿态测试实验,验证了主镜支撑液压系统高刚度设计的有效性。第四章,针对主镜液压支撑系统的位置控制需求,建立了微位移控制系统数学模型,并进行了验证。分析了微位移控制系统的控制框架,采用现有的常规控制器进行位置控制系统的设计,实现了微位移控制系统高精度快速定位实验。针对液压系统存在的性能多变性,提出了基于定量反馈理论的鲁棒控制策略,并进行了相应的位置控制实验。第五章,阐述了主镜姿态全闭环控制的基本原理,分析了主镜姿态控制中各分区耦合影响产生的原因,提出了基于进化差分坐标寻优的解耦控制,并进行了主镜姿态保持实验。分析了长管道效应对主镜液压支撑系统可能存在的影响,对管道的长度、管道直径和油液粘度等物理量进行了基于AMEsim模型的长管道效应仿真分析,基于仿真结果为主镜液压支撑系统优化设计提供理论参考。第六章,对全文的工作及成果进行了概括总结,并展望了本课题下一步总做的研究方向。
【关键词】：大口径反射式望远镜 主镜支撑系统 液压支撑系统 高刚度设计 真空注油 微米级位置控制 主镜姿态控制
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH743
【目录】：

• 致谢5-7
• 摘要7-9
• ABSTRACT9-16
• 第1章 绪论16-33
• 1.1 引言16-17
• 1.2 国内外大口径反射式望远镜研究现状17-18
• 1.2.1 国外大口径反射式望远镜研究现状17-18
• 1.2.2 国内大口径反射式望远镜研究现状18
• 1.3 国内外主镜液压支撑技术研究现状18-26
• 1.3.1 主镜支撑技术概述18-21
• 1.3.2 国外主镜液压支撑研究现状21-23
• 1.3.3 国内主镜液压支撑研究现状23-24
• 1.3.4 现有主镜液压支撑研究成果分析24-26
• 1.4 主镜液压支撑系统关键技术概述26-30
• 1.4.1 高刚度主镜液压支撑系统26-28
• 1.4.2 主镜液压位置控制技术28-30
• 1.5 课题研究意义与内容30-32
• 1.6 本章小结32-33
• 第2章 主镜液压支撑系统技术33-57
• 2.1 主镜支撑技术分析33-35
• 2.1.1 主镜支撑原理分析33-34
• 2.1.2 主镜支撑试验平台概况34-35
• 2.2 主镜支撑系统动力学分析35-48
• 2.2.1 主镜自由度分析36-37
• 2.2.2 主镜运动学解算37-40
• 2.2.3 主镜工作空间分析40
• 2.2.4 主镜动力学分析40-42
• 2.2.5 主镜动力学建模与仿真42-48
• 2.3 微位移控制方法48-55
• 2.3.1 系统设计指标49-50
• 2.3.2 系统设计50-52
• 2.3.3 系统关键元件选型52-54
• 2.3.4 微位移控制试验台54-55
• 2.4 本章小结55-57
• 第3章 主镜液压支撑系统高刚度57-77
• 3.1 主镜支撑液压系统刚度影响因素分析57-64
• 3.1.1 支撑缸结构尺寸57-59
• 3.1.2 支撑系统管道布置影响59-62
• 3.1.3 油液含气量影响62-64
• 3.2 真空除气及注油装置原理与设计64-68
• 3.2.1 真空除气理论基础64-65
• 3.2.2 油液处理及注油装置方案设计及元件选型65-67
• 3.2.3 电控方案选择67-68
• 3.3 真空除气及主镜液压支撑系统注油试验68-75
• 3.3.1 真空除气前后气体含量对比实验68-69
• 3.3.2 主镜支撑液压缸注油实验69-73
• 3.3.3 主镜液压支撑系统注油及姿态测试实验73-75
• 3.4 本章小结75-77
• 第4章 主镜支撑系统微位移控制技术77-111
• 4.1 主镜支撑微位移控制系统数学模型及参数辨识77-84
• 4.1.1 微位移控制系统数学模型建立77-80
• 4.1.2 液压系统仿真模型建立与参数设定80-81
• 4.1.3 开环性能测试与分析81-83
• 4.1.4 模型参数辨识83-84
• 4.2 主镜支撑微位移控制系统响应影响因素84-89
• 4.2.1 系统固有性能参数对系统响应的影响85-88
• 4.2.2 可调节参数对系统响应的影响88-89
• 4.2.3 系统参数对系统动态响应影响小结89
• 4.3 主镜支撑微位移控制系统常规位置控制89-99
• 4.3.1 常规控制器设计方法90
• 4.3.2 常规控制器设计方法仿真研究90-96
• 4.3.3 常规控制器设计方法实验研究96-98
• 4.3.4 常规控制器设计方法仿真与实验结果小结98-99
• 4.4 基于定量反馈理论(QFT)的主镜支撑微位移系统鲁棒控制器99-109
• 4.4.1 定量反馈理论设计方法概述100-103
• 4.4.2 主镜支撑微位移控制系统QFT控制器设计与仿真103-108
• 4.4.3 QFT鲁棒控制器不同温度工作场合实验108-109
• 4.5 本章小结109-111
• 第5章 主镜液压支撑系统姿态控制技术111-137
• 5.1 主镜姿态控制概述111-112
• 5.2 主镜姿态解耦控制112-124
• 5.2.1 主镜液压支撑试验台姿态控制原理112-113
• 5.2.2 主镜姿态耦合原理113-115
• 5.2.3 耦合影响对主镜支撑分区位置控制影响仿真研究115-119
• 5.2.4 主镜姿态耦合影响实验分析119-120
• 5.2.5 基于进化差分的解耦控制120-124
• 5.2.6 分区耦合作用对主镜姿态控制的影响实验验证124
• 5.3 主镜液压支撑系统长管道效应124-135
• 5.3.1 液压系统长管道效应概述124-125
• 5.3.2 液压长管道模型125-129
• 5.3.3 主镜液压支撑系统管道效应性能研究129-133
• 5.3.4 主镜液压支撑系统管道效应优化设计133-135
• 5.4 本章小结135-137
• 第6章 总结与展望137-142
• 6.1 论文总结137-140
• 6.2 工作展望140-142
• 参考文献142-154
• 作者简历及在学期间取得的科研成果154-155

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