望远镜中跟踪架的扰动补偿及精密控制技术研究

发布时间：2017-09-21 06:36

  本文关键词：望远镜中跟踪架的扰动补偿及精密控制技术研究

  更多相关文章： 量子通信 望远镜系统 摩擦 风扰 自抗扰控制 扩张状态观测器 迭代学习控制 谐波减速器 加速度环 齿隙 双速度环

【摘要】：本文研究的方向是基于中科院先导专项量子通信项目中所设计的1.2m光通信望远镜。该望远镜同时具备量子激光通信端和天文观测端。为保证望远镜系统能同时在量子激光通信端和天文观测端都具有高指向精度和跟踪精度,本文对影响望远镜精度的因素进行了分析,主要包括两个方面,内部扰动和外部扰动。内部扰动如模型不确定性,电机力矩波动,摩擦力扰动和传动间隙等。外部扰动对于地基式的望远镜系统则主要是风扰。所有这些因素都将严重影响望远镜的跟踪观测性能,为此,本文重点研究了望远镜中跟踪架的扰动补偿及精密控制技术。文中首先建立望远镜系统的动力学模型,并重点分析三个影响望远镜精度的主要因素:摩擦扰动,风扰和传动间隙。其次分析三种扰动给望远镜系统带来的影响,介绍了这三种扰动目前所常用的数学模型。最后,针对摩擦扰动和传动间隙,介绍了望远镜系统中所采用的一些补偿控制方法为抑制望远镜系统中的风扰及摩擦力扰动,提出一种结合内模与加速度环的多闭环控制结构。首先,深入分析结合内模与加速度环的多闭环控制结构存在的意义,以及该控制结构对扰动的抑制能力。对系统的扰动能力进行了实验测试,证实了依据理论分析所得出的结果。同时,通过给望远镜系统施加低频扰动,验证了结合内模与加速度环的多闭环控制结构对扰动的抑制能力优于传统位置速度双环控制结构和加入加速度环的三环控制结构。在采用引入加速度环的三环控制结构后,系统定点位置误差相比传统位置速度双环结构降低五倍。而在采用结合内模与加速度环的多环控制结构后,系统定点误差进一步降低两倍。由于加速度环需要安装一对额外的加速度传感器,将会增加系统的成本。因此,文中提出基于改进的扩张状态观测器的扰动补偿控制方法来抑制望远镜系统中存在的模型不确定性及摩擦扰动等。并从理论上证实了该控制方法是收敛的。同时在望远镜实验平台上,采用基于扩张状态观测器的扰动补偿控制方法对系统中的非线性扰动进行补偿。实验证实了所提出的基于扩张状态观测器的扰动补偿控制方法对于抑制系统中的换向误差有着明显的效果。相比传统PI控制方法,其最大误差降低百分之三十;相比线性自抗扰控制方法,其最大误差降低百分之十一。在采用基于扩张状态观测器的扰动补偿控制方法对系统非线性扰动进行抑制时,系统中仍然存在较大的重复性换向误差。在此基础上,提出一种基于扩张状态观测器的迭代学习控制方法。扩张状态观测器被用来将非线性系统改为近似的线性系统,而迭代学习控制方法被用来找出系统最优的控制输入信号。两种控制方法互相弥补,最后,对其实验验证,展示了该方法对于降低系统的换向误差有着优秀的能力。针对未来望远镜在运动平台上小型化的发展趋势,选择了直流无刷伺服电机驱动谐波减速器作为系统的传动机构。分析了谐波减速器的原理及特点。对于谐波传动系统的搭建作了详细介绍,最后建立谐波传动系统的动力学模型。为抑制谐波减速器给系统引入的柔性、齿隙和摩擦等一些非线性死区特性,提出两种基于双速度环的位置控制方法:双PI速度环和双扩张状态观测器的PI速度环。首先从理论上,深入分析双速度环对系统控制性能的影响。其次,对谐波传动模型进行建模仿真,证实双速度环能更好的克服系统中存在的死区特性。进一步,为降低系统中较大的换向误差,采用扩张状态观测器来估计系统中存在的非线性扰动,并与双速度环结构相结合。最后在实验平台比较了几种控制方法的性能。本文最后介绍1.2m量子通信望远镜在外场的实验情况,包括风扰的抑制实验,正弦引导实验以及恒星跟踪实验。
【关键词】：量子通信 望远镜系统 摩擦 风扰 自抗扰控制 扩张状态观测器 迭代学习控制 谐波减速器 加速度环 齿隙 双速度环
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(光电技术研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH743
【目录】：

• 致谢3-5
• 摘要5-7
• ABSTRACT7-14
• 1 绪论14-26
• 1.1 课题研究背景及意义14-15
• 1.2 国内外大型望远镜的跟踪精度15-18
• 1.3 影响望远镜跟踪架精度的主要因素18-20
• 1.3.1 内部扰动18-20
• 1.3.2 外部扰动20
• 1.4 望远镜中跟踪架控制技术的国内外研究现状20-23
• 1.4.1 同轴双电机同步控制技术21
• 1.4.2 模型参考自适应控制技术21
• 1.4.3 速度、加速度滞后补偿技术21-22
• 1.4.4 H￥控制技术22
• 1.4.5 内模控制技术22
• 1.4.6 其他高精度控制技术22-23
• 1.5 本课题研究难点23
• 1.6 本文的内容安排23-25
• 1.7 本章小结25-26
• 2 望远镜跟踪架模型及扰动分析26-38
• 2.1 引言26
• 2.2 望远镜跟踪架系统动力学模型26-27
• 2.3 摩擦对望远镜系统影响的分析27-32
• 2.3.1 几种经典的摩擦模型28-30
• 2.3.2 摩擦扰动补偿技术30-32
• 2.4 风扰的特性分析32-34
• 2.5 传动间隙特性分析34-37
• 2.5.1 经典的间隙模型34-36
• 2.5.2 传动间隙补偿方法36-37
• 2.6 本章小结37-38
• 3 基于加速度计的扰动补偿控制技术研究38-54
• 3.1 引言38
• 3.2 加速度环的意义38-42
• 3.2.1 经典的位置和速度双闭环结构39-40
• 3.2.2 加速度反馈串级控制40-41
• 3.2.3 加速度环对摩擦的抑制41-42
• 3.3 基于加速度环的内模控制扰动补偿技术42-48
• 3.3.1 内模控制原理42-45
• 3.3.2 结合内模与加速度环的多环控制结构45-47
• 3.3.3 基于内模扰动补偿的加速度多环控制器设计47-48
• 3.4 控制性能分析48-50
• 3.5 实验结果及分析50-53
• 3.6 本章小结53-54
• 4 基于改进的扩张状态观测器的扰动补偿技术54-72
• 4.1 引言54
• 4.2 自抗扰控制技术的提出及存在的难点54-58
• 4.2.1 传统经典控制结构存在的问题54-55
• 4.2.2 非线性自抗扰控制结构55-57
• 4.2.3 线性自抗扰控制结构57-58
• 4.3 改进的扩张状态观测器补偿技术58-60
• 4.4 收敛性分析60-61
• 4.5 改进的扩张状态观测器在望远镜系统中的应用61-67
• 4.5.1 改进的扩张状态观测器仿真分析61-64
• 4.5.2 速度环控制器设计64-66
• 4.5.3 位置环控制器设计66-67
• 4.6 实验结果及分析67-69
• 4.7 本章小结69-72
• 5 基于带遗忘因子的迭代学习控制扰动补偿技术72-86
• 5.1 引言72
• 5.2 迭代学习控制算法72-76
• 5.2.1 迭代学习控制简介72-73
• 5.2.2 迭代学习控制的研究内容73-76
• 5.3 扩张状态观测器线性化系统76-78
• 5.4 带遗忘因子的迭代学习控制器设计78-79
• 5.5 收敛性分析79-81
• 5.6 实验结果及分析81-84
• 5.7 本章小结84-86
• 6 基于双速度环扰动补偿控制技术研究86-114
• 6.1 引言86
• 6.2 望远镜驱动装置选择86-90
• 6.2.1 力矩电机直接驱动86-87
• 6.2.2 摩擦传动驱动87-88
• 6.2.3 蜗轮-蜗杆减速驱动88
• 6.2.4.齿轮减速驱动88-90
• 6.3 谐波传动系统模型90-94
• 6.3.1 谐波减速器原理90-91
• 6.3.2 谐波传动系统模型建立91-94
• 6.4 速度环控制性能分析及控制器设计94-105
• 6.4.1 速度环鲁棒性能分析95-98
• 6.4.2 速度环性能仿真分析98-101
• 6.4.3 基于扩张状态观测器的双速度环控制器设计101-105
• 6.4.4 设计负载端位置环控制器105
• 6.5 实验平台搭建及控制系统设计105-110
• 6.5.1 谐波减速器及电机选择106-107
• 6.5.2 控制芯片的选择107
• 6.5.3 主控系统关键器件选择107-108
• 6.5.4 主控系统控制方案设计108-110
• 6.6 实验结果分析110-113
• 6.6.1 基于PI控制双速度环实验结果分析110-111
• 6.6.2 基于扩张状态观测器的双速度环实验结果111-113
• 6.7 本章小结113-114
• 7 1.2m光通信望远镜外场风扰抑制实验及主要工作114-122
• 7.1 引言114
• 7.2 消旋驱动控制器设计114-116
• 7.3 抗风扰实验116-118
• 7.4 跟踪引导实验118-120
• 7.4.1 正弦引导跟踪实验118-119
• 7.4.2 对星随动跟踪实验119-120
• 7.5 本章小结120-122
• 8 总结与展望122-126
• 8.1 全文工作总结122-123
• 8.2 论文主要创新点123-124
• 8.3 后续工作展望124-126
• 参考文献126-138
• 作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果138-140

【参考文献】

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