空间大口径快摆镜机构非线性补偿及闭环控制技术研究

发布时间：2020-11-20 21:43

　　 随着我国宇宙探索和深空探测工程的不断推进,亟需研制高分辨率、大视场的空间天文望远镜。空间天文望远镜在轨工作环境复杂,探测精度会受航天器姿态变化和望远镜内外部的振动等多种因素影响,而光电复合轴控制是实现空间望远镜高精度跟踪和高质量成像的重要手段。快摆镜(Fast Steering Mirror,FSM)机构作为空间望远镜复合轴控制系统的执行器单元,其补偿精度直接决定着精密稳像系统的性能。本文从空间望远镜对精密稳像系统性能的需求出发,在调研国内外快摆镜机构基础上,提出了一套压电动态迟滞补偿,压电蠕变抑制和快摆镜跟踪控制相结合的大口径快摆镜机构闭环控制方案,并搭建实验系统进行控制系统性能验证,具体研究内容如下:(1)针对当前天文观测需求和空间望远镜精密稳像系统性能要求,在分析大口径快摆镜机构控制系统技术参数的基础上,确定了大口径快摆镜机构系统方案和结构模型,提出了大口径快摆镜机构闭环控制方案。(2)针对基于广义Play算子Prandtl–Ishlinskii(PI)模型的求逆复杂性和求逆过程误差累加的问题,直接构造一种基于广义Stop算子的非对称PI逆迟滞模型。在此模型基础上建立了Hammerstein动态迟滞前馈补偿器来消除压电执行器(Piezoelectric Actuators,PZT)动态迟滞非线性,并采用线性二次高斯最优控制算法(Linear Quadratic Gaussian,LQG)来进一步提高压电执行器定位精度,建模和控制器设计过程中利用混沌自适应差分进化算法(Chaotic adaptive differential evolution,CADE)辨识和整定模型及控制器参数。仿真和实验结果表明,基于广义Stop算子的PI逆迟滞模型和LQG控制算法相结合的复合控制策略的优越性和有效性。(3)从压电执行器蠕变特性出发,针对已有的蠕变特性数学模型的局限性,构建了径向基函数(Radial Basis Function,RBF)压电蠕变预测网络,并采用CADE算法来确定RBF神经网络的学习速率、动量因子和结构参数初值从而提高收敛速度。模型比较结果表明,提出的CADE_RBF网络蠕变模型对压电执行器蠕变预测效果明显。(4)根据系统的输入和输出数据,采用方差比率检验法(F检验)和递推最小二乘法建立了大口径快摆镜机构开环系统模型,并基于此模型设计了常规内模(Internal Model Control,IMC)闭环控制器,并利用“支持型”间接模糊控制思想对IMC控制器参数进行自适应整定。仿真和实验验证结果表明,该控制算法具有优越的抗干扰和鲁棒性能。(5)根据大口径快摆镜机构控制系统技术参数要求,设计并搭建了大口径快摆镜机构闭环控制系统验证平台。该系统实时跟踪转角范围为-35"~35",频率范围为1~20Hz的变频、变幅值目标输入信号,x轴的跟踪精度可以达到0.089",y轴的跟踪精度可以达到0.085";实时跟踪经过隔振系统的航天器平台扰动信号,x轴跟踪精度为0.047",y轴跟踪精度为0.049",取得了算法的预期实验效果。(6)完成了大口径快摆镜机构闭环控制系统在空间望远镜精密稳像光闭环实验系统中的应用。在对最大频率为6.25Hz的变频、变幅值模拟星点的二维扰动进行补偿后,精细导星仪检测星点在x轴和y轴方向上的扰动程度分别降低了71.81%和73.82%,模拟天文观测的CCD长曝光相机所成星斑图像相比于未补偿前的弥散星斑,能量集中度提高了53.3%。实验结果验证了本文设计的大口径快摆镜机构闭环控制系统对空间望远镜视轴偏差补偿能力。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：P111;TP273
【部分图文】：

第 1 章 绪论及其稳像系统国外发展现状望远镜望远镜(Hubble Space Telescope, HST)是人类第一座3.3m，直径 4.3m，重 11.6t，于 1990 年 4 月 24 日在现者”号航天飞机成功发射，如图 1.2 所示。HST 的 10 倍以上，人类利用 HST 首次观测到了土星的北极暴系统的形成，并针对 HST 所获得的近距星系光谱存在，揭示了黑洞质量和星系核球质量之间的联系

图 1.2 哈勃空间望远镜Figure 1.2 Hubble Space Telescope口径达 2.4m，观测波段为 0.11~1.1μm，角分辨率高7"。HST 的指向控制系统由精密传感器和执行器组组件结合来自恒星跟踪器和精细导星仪的姿态数据出精确的姿态基准，并经控制系统驱动反作用轮组件细指向过程中所需的精确控制扭矩，磁力矩器用于

图 1.4 詹姆斯.韦伯空间望远镜[10]Figure 1.4 James Webb Space Telescope道位于日-地第二拉格朗日点，能够对宇宙某个区域勃望远镜一样会被地球遮挡，其革命性的红外传感器尘埃和气体，从而揭示恒星起源和形成[10]。JWS，衍射极限 2.0μm，视轴稳定度高达 0.0073arcsec[11]态控制系统，精细导星仪(FineGuidanceSensor, FGS系统组成，如图 1.5 所示。其中，精细导星仪控制系定控制，即精细导星仪检测并反馈星点质心偏移量控制系统在进行俯仰和偏航时产生的视轴偏差[12]。
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本文编号：2892035