基于系统辨识的望远镜消旋K镜转台自抗扰控制技术研究

发布时间：2020-04-26 01:14

【摘要】：地平式望远镜在跟踪天体目标时,地平经圈在望远镜系统接收端视场中的方向始终是不变的,不会随着望远镜俯仰、方位轴系的转动而发生变化,但因为地球自转,地平经圈相对极轴不停地转动,造成望远镜视轴中心的点除外,其它点所成的像在图像中都绕着视场中心旋转,导致物方视场旋转;同时,因为Coude光路中的折转平面反射镜之间会随着望远镜俯仰、方位轴系的转动而发生相对转动,造成望远镜出射向量相对于入射向量绕着主光轴旋转了一定角度,导致像方视场旋转。为实现对天体目标的实时识别和后续图像处理,需要对地平式跟踪架造成的物方视场旋转和反射镜组件造成的像方视场旋转进行消旋处理。K镜消旋作为反射式光学消旋方式,具有“实时性”、“能量损失小”、“全波段”的优势,常用于补偿地平式望远镜的视场旋转。目前,K镜已被确定为某地平式望远镜的消旋装置,结合K镜转台伺服控制系统的设计,本文主要的研究内容如下:1)如何确定K镜转台实现图像消旋目的的控制性能指标;2)如何设计K镜转台的驱动系统;3)如何辨识K镜转台的控制模型;4)如何提高K镜转台的位置跟踪精度。对地平式望远镜视场旋转产生的原因及其旋转角计算的数理公式进行了深入研究,分析了K镜能够实现消旋的原理,给出了K镜转台实现图像消旋目的的控制性能指标。首先,分析了地平式跟踪架引起物方视场旋转的原因,在球面坐标系下,证明了物方视场旋转角度与星位角q变化率的相关性,在平面直角坐标系下,给出了计算图像旋转角度的数理公式;然后,采用矩阵光学方法,分析了反射镜组件在望远镜俯仰、方位轴协调联动时产生的像方视场旋转角度;最后,利用物象变换矩阵和旋转变换矩阵,分析了K镜转台能够实现消旋的原理,并结合地平式望远镜消旋K镜的实际情况,确定了图像消旋的控制指标。设计了永磁直流力矩电机的功率驱动器和数字控制器。逆变器采用IPM模块,其内部集成了功率开关及驱动电路,同时设有过/欠压和过热等故障保护电路;伺服控制器以浮点DSP和FPGA为核心器件。DSP负责位置/速度环控制算法的计算和外部控制接口;FPGA负责光电编码器位置信号的采集、PWM控制信号的调制和故障保护。实验结果表明,该驱动系统能够满足实时性的要求。在驱动系统设计的基础上,为了后续K镜转台伺服控制算法的设计,对K镜转台控制模型的阶次和参数进行了辨识研究。首先,采用脉冲信号作为激励输入信号,推导了基于Hankel矩阵奇异值分解的阶次辨识方法和特征系统实现算法的参数辨识方法;然后,针对实际工程中的正弦扫描激励信号,介绍了获取Hankel矩阵的方法;最后,1)基于正弦扫描输入序列和开环响应输出序列,采用频谱分析方法确定了K镜转台的频率特性;2)基于输入和输出序列,建立了Hankel矩阵;3)采用奇异值分解方法分解Hankel矩阵,确定了K镜转台的阶次;4)采用特征系统实现算法,估计了K镜转台的参数模型。试验结果表明,与参数递阶辨识方法相比,本文提出的系统辨识算法能够精确地确定K镜转台的最小阶阶次为6阶,在低频段对传递函数幅频和相频的辨识精度分别提高了50.7%和23%。由此得到的相对均衡的数学模型为K镜转台伺服控制系统的分析、设计和控制算法的仿真实现提供了模型基础。基于K镜转台的控制模型,采用双闭环超前滞后校正对K镜转台进行了仿真和试验;为了克服机械摩擦、力矩波动、内部参数摄动、外部不确定性扰动等非线性因素对K镜转台控制输出的影响,针对速度回路设计了一阶线性自抗扰控制器,并试验验证其效果;针对试验结果中出现的“控制小死区”和“控制大超调”的问题,将反馈控制律的比例系数设计成一个随着系统输入速度变化而自适应调节的自适应律,提出了自适应自抗扰控制方法。试验结果表明:采用相同的超前滞后校正位置环控制器,自适应自抗扰速度控制器的等效正弦引导位置跟踪误差RMS值为0.4437'',对比于自抗扰速度控制器和超前滞后校正速度控制器,位置动态跟踪精度分别提高了37%和51%。针对K镜转台实现图像消旋的控制性能指标,在位置回路设计了二阶线性自抗扰控制器;针对线性扩张状态观测器对变化扰动估计能力不足和非线性扩张状态观测器参数调试困难的问题,提出了基于广义比例积分观测器的位置环自抗扰控制器;实验结果表明,采用相同的超前滞后校正速度控制器,基于广义比例积分观测器的位置环自抗扰控制器的定位精度为±0.01'',等效正弦引导位置跟踪误差RMS值为0.3536'',对比于自抗扰位置控制器,位置定位精度和位置动态跟踪精度分别提高了50%和8.1%。
【图文】：

消旋,图像,绪论,光学系统

第 1 章绪论第1章绪论1.1 引言像旋是指光学系统在焦平面上形成的目标像围绕视轴中心旋转[1]，如图 1.1所示的原始图像（像旋）与消旋后图像。许多光学系统在运行期间都会产生像旋[2-4]，如：机载光电平台[5,6]、船载摄像系统[7]、航空遥感器[8]、海洋水色仪[9]及某些地基望远镜[1,10]等。像旋产生的原因可能有：1）光测设备旋转轴与地球自转轴不平行产生的物方视场旋转；2）光学系统中光学器件的位置及其它们之间的相对运动引起的像方视场旋转。

赤道,望远镜,水平式

图 1.2 赤道式跟踪架结构（左）和 ESO 3.6m 赤道式望远镜（右）Fig 1.2 Structure of the equatorial tracker (Left) and ESO 3.6m equatorial telescope (Right)图 1.3 水平式跟踪架结构（左）和 40cm 水平式望远镜（右）Fig 1.3 Structure of the alt-alt tracker (Left) and 40cm alt-alt telescope (Right)
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH743;TP273

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