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      用于天文望遠(yuǎn)鏡的非線性干擾模擬與檢測(cè)控制系統(tǒng)的制作方法

      文檔序號(hào):6311300閱讀:425來(lái)源:國(guó)知局
      專利名稱:用于天文望遠(yuǎn)鏡的非線性干擾模擬與檢測(cè)控制系統(tǒng)的制作方法
      技術(shù)領(lǐng)域
      本發(fā)明涉及一種非線性干擾模擬與檢測(cè)控制系統(tǒng),具體涉及一種用于天文望遠(yuǎn)鏡的非線性干擾模擬與檢測(cè)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可用于天文望遠(yuǎn)鏡的非線性干擾的特性研究,抗干擾的控制策略和控制算法研究。本發(fā)明是國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“南極大口徑天文光學(xué)望遠(yuǎn)鏡低速高精度跟蹤中的低溫非線性干擾補(bǔ)償?shù)难芯俊?11073034)(江蘇省“333”工程共同資助項(xiàng)目)和國(guó)家自然科學(xué)基金“極大望遠(yuǎn)鏡摩擦傳動(dòng)滑移動(dòng)態(tài)修正系統(tǒng)的研究” (10778630)的研究成果。
      背景技術(shù)
      天文望遠(yuǎn)鏡在工作過(guò)程中,由于各種非線性干擾,如風(fēng)載、非線性摩擦、電機(jī)齒槽 效應(yīng)、望遠(yuǎn)鏡在不同姿態(tài)時(shí)的慣量變化等,最終都會(huì)使得被驅(qū)動(dòng)負(fù)載發(fā)生波動(dòng),進(jìn)而影響望遠(yuǎn)鏡的低速平穩(wěn)性和跟蹤天體的精度。目前在天文望遠(yuǎn)鏡領(lǐng)域,對(duì)于非線性干擾的研究方式一是理論分析和數(shù)字仿真,通過(guò)對(duì)非線性干擾的建模,采用MATLAB/SMULINK等軟件在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和研究;另外一種方式是在具體的望遠(yuǎn)鏡上,通過(guò)望遠(yuǎn)鏡實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性、靜態(tài)特性等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),對(duì)遇到的主要非線性干擾因素加以分析和解決。望遠(yuǎn)鏡非線性干擾采用數(shù)字仿真的費(fèi)用低而且耗時(shí)短,方便靈活,缺點(diǎn)是對(duì)快速系統(tǒng)難以實(shí)時(shí)仿真,預(yù)設(shè)參數(shù)得當(dāng)與否,直接影響仿真的效果與可信度。而在具體的望遠(yuǎn)鏡上做非線性干擾的研究,缺點(diǎn)有(1)極大延長(zhǎng)了天文望遠(yuǎn)鏡的研制時(shí)間;(2)很多情況下是“亡羊補(bǔ)牢”,而不是“防患未然”,已經(jīng)基本成型的望遠(yuǎn)鏡上發(fā)現(xiàn)了非線性干擾問(wèn)題,實(shí)際上由于經(jīng)費(fèi)、項(xiàng)目進(jìn)度等原因,往往無(wú)法從根本上改動(dòng)設(shè)計(jì),只好依賴算法、軟件等修修補(bǔ)補(bǔ)。因此這不是科學(xué)的方式。所以在望遠(yuǎn)鏡建設(shè)之初、甚至是設(shè)計(jì)時(shí)就進(jìn)行非線性干擾的理論分析和仿真是目前大型天文望遠(yuǎn)鏡的一種主流方式。為提高仿真的可信度,國(guó)內(nèi)外知名的大型天文望遠(yuǎn)鏡一般不會(huì)只采用數(shù)字仿真,而是進(jìn)一步采用物理仿真,以實(shí)物模型介入,效果逼真,精度高,具有實(shí)時(shí)性與在線性的特點(diǎn)。例如,目前中國(guó)最大的天文光學(xué)望遠(yuǎn)鏡4米級(jí)郭守敬望遠(yuǎn)鏡(即LAMOST),就先期設(shè)計(jì)建造了一個(gè)I米級(jí)的裝置進(jìn)行各項(xiàng)研究。盡管這種方法在國(guó)內(nèi)外最為流行,其不足之處也是很明顯的構(gòu)成復(fù)雜,造價(jià)較高,耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)。而且天文望遠(yuǎn)鏡往往是單件研制,很少有系列化產(chǎn)品,所以每一臺(tái)都需要做個(gè)模型,通用性不強(qiáng)。

      發(fā)明內(nèi)容
      為給望遠(yuǎn)鏡控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供實(shí)驗(yàn)條件,針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足,本發(fā)明提供一種用于天文望遠(yuǎn)鏡的非線性干擾模擬與檢測(cè)控制系統(tǒng),該方案要解決的技術(shù)問(wèn)題是,提供一種半實(shí)物仿真方法,其模擬的非線性干擾范圍大,動(dòng)態(tài)響應(yīng)快,模擬精度高,并且能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種用于天文望遠(yuǎn)鏡的非線性干擾模擬與檢測(cè)控制系統(tǒng),該系統(tǒng)設(shè)有上位機(jī),根據(jù)非線性干擾模型,由所述上位機(jī)的程序產(chǎn)生模擬的非線性干擾信號(hào);其特征在于該系統(tǒng)還包括有非線性干擾模擬子系統(tǒng)、非線性干擾檢測(cè)子系統(tǒng)、軟件子系統(tǒng)3大部分,其中所述的非線性干擾模擬子系統(tǒng)由PMAC控制器、干擾力矩電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器組成;該子系統(tǒng)中的PMAC運(yùn)動(dòng)控制器通過(guò)Ethernet或USB端口與上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字通訊,進(jìn)而通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)干擾力矩電機(jī),輸出非線性的干擾力矩;該干擾力矩電機(jī)的軸通過(guò)彈性聯(lián)軸節(jié)與望遠(yuǎn)鏡負(fù)載相聯(lián);所述的非線性干擾的檢測(cè)子系統(tǒng)由扭矩傳感器和PMAC控制器組成扭矩傳感器的模擬量信號(hào)通過(guò)PMAC卡的AD模數(shù)轉(zhuǎn)換口輸入PMAC運(yùn)動(dòng)控制器,與上位機(jī)命令實(shí)時(shí)比較實(shí)現(xiàn)力矩的閉環(huán),保證模擬的非線性信號(hào)能夠準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn);所述的軟件子系統(tǒng)根據(jù)非線性擾動(dòng)的數(shù)學(xué)模型,在Windows下以C語(yǔ)言編程,實(shí)現(xiàn)模擬風(fēng)載等非線性擾動(dòng)、實(shí)時(shí)檢測(cè)與監(jiān)控、界面的圖形顯示等。該軟件子系統(tǒng)設(shè)置在本非線性干擾模擬與檢測(cè)控制系統(tǒng)的上位機(jī)中。 更具體和更優(yōu)化地說(shuō),本發(fā)明的非線性干擾模擬子系統(tǒng),在實(shí)驗(yàn)室模擬時(shí),聯(lián)接的負(fù)載設(shè)計(jì)為一個(gè)摩擦驅(qū)動(dòng)的望遠(yuǎn)鏡仿真轉(zhuǎn)臺(tái)和一個(gè)直接驅(qū)動(dòng)的望遠(yuǎn)鏡仿真轉(zhuǎn)臺(tái)。在測(cè)試剛研制出來(lái)的望遠(yuǎn)鏡時(shí),通過(guò)聯(lián)軸節(jié)脫開(kāi)模擬的望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)臺(tái),直接聯(lián)接到真正的望遠(yuǎn)鏡即可。該直流電機(jī)設(shè)有有測(cè)速反饋發(fā)電機(jī)(也稱為測(cè)速機(jī)),該測(cè)速反饋發(fā)電機(jī)的信號(hào)反饋給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器,實(shí)現(xiàn)速度反饋,以保證模擬控制系統(tǒng)速度平穩(wěn)。使用直流力矩電機(jī)是本發(fā)明一個(gè)特征,該類型電機(jī)出力大,驅(qū)動(dòng)控制簡(jiǎn)單,造價(jià)低而精度高。避免了使用減速器,因?yàn)闇p速器會(huì)給此系統(tǒng)帶來(lái)如下缺點(diǎn)動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢,減速機(jī)的齒隙本身就是就是非線性因素,造成系統(tǒng)的力矩輸出產(chǎn)生諧波畸變。本發(fā)明的非線性干擾的檢測(cè)子系統(tǒng)中所述的扭矩傳感器的設(shè)置采用以下兩種方式之一:(A)對(duì)于采用摩擦驅(qū)動(dòng)方式的望遠(yuǎn)鏡,采用2個(gè)扭矩傳感器,扭矩傳感器分別安裝在主動(dòng)摩擦輪和從動(dòng)輪的旋轉(zhuǎn)軸上。兩個(gè)傳感器的扭矩和扭矩差的變化反映了負(fù)載的波動(dòng)情況。(B)對(duì)于采用直接驅(qū)動(dòng)方式的望遠(yuǎn)鏡,采用I個(gè)扭矩傳感器,扭矩傳感器安裝在直接驅(qū)動(dòng)主軸的旋轉(zhuǎn)軸上。扭矩傳感器的數(shù)據(jù)變化反映了負(fù)載的波動(dòng)情況。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)(有益效果)是本發(fā)明相對(duì)于采用實(shí)物模型的物理仿真,其造價(jià)低,通用性好。相對(duì)于數(shù)字仿真,它是一種更接近實(shí)際的仿真試驗(yàn)技術(shù)非線性干擾的特點(diǎn),其對(duì)望遠(yuǎn)鏡的動(dòng)態(tài)特性、靜態(tài)特性造成的影響都能真實(shí)地反映出來(lái)。(I)這種仿真技術(shù)可用于修改控制系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì),在控制系統(tǒng)研制成功后,在真正用于望遠(yuǎn)鏡控制前,通過(guò)此半實(shí)物仿真來(lái)驗(yàn)證控制系統(tǒng)抵抗非線性干擾的性能,若系統(tǒng)性能指標(biāo)不滿足設(shè)計(jì)要求,則可調(diào)整控制系統(tǒng)的參數(shù)或修改控制系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)。(2)控制系統(tǒng)安裝到望遠(yuǎn)鏡上后,在望遠(yuǎn)鏡出廠前,此非線性干擾模擬與檢測(cè)控制系統(tǒng)可以安裝在望遠(yuǎn)鏡上,模擬望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)地點(diǎn)的風(fēng)載等非線性干擾,對(duì)望遠(yuǎn)鏡的機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步研究和完善,也減輕了在天文觀測(cè)站現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)的工作量。同時(shí)此系統(tǒng)亦可作為天文望遠(yuǎn)鏡出廠檢驗(yàn)的一個(gè)手段。本方法能夠靈活模擬多種非線性干擾并將其施加到望遠(yuǎn)鏡的運(yùn)動(dòng)軸上,如模仿風(fēng)載、慣量耦合、線纜變化阻力等原因造成的望遠(yuǎn)鏡負(fù)載波動(dòng)。方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,精度高,重復(fù)性好,可靠性高,有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值??梢詷O大地促進(jìn)望遠(yuǎn)鏡非線性擾動(dòng)控制策略和算法方面的實(shí)驗(yàn)研究。


      圖I為本發(fā)明非線性干擾模擬與檢測(cè)控制系統(tǒng)原理框圖;圖2為非線性干擾模擬與檢測(cè)控制系統(tǒng)的方法流程圖;圖3為力矩?cái)_動(dòng)曲線;圖4為軟件結(jié)構(gòu)圖。
      具體實(shí)施例方式實(shí)施例1,非線性干擾模擬與檢測(cè)控制系統(tǒng),參照附圖1-4 本實(shí)施例是非線性干擾模擬與檢測(cè)控制系統(tǒng)在摩擦驅(qū)動(dòng)天文望遠(yuǎn)鏡上的一個(gè)應(yīng)用,控制系統(tǒng)原理如圖I所示,控制方法流程圖如圖2所示。望遠(yuǎn)鏡非線性干擾模擬與檢測(cè)控制系統(tǒng)包括望遠(yuǎn)鏡非線性干擾模擬系統(tǒng)和望遠(yuǎn)鏡非線性干擾檢測(cè)系統(tǒng)和上位機(jī)軟件共3個(gè)部分。(I)非線性干擾模擬控制系統(tǒng)主要包含PMAC、有刷直流電機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。其中有刷直流電機(jī)來(lái)自成都精密電機(jī)廠,型號(hào)與參數(shù)見(jiàn)表I。表I直流力矩-測(cè)速機(jī)組主要技術(shù)參數(shù)


      權(quán)利要求
      1.一種用于天文望遠(yuǎn)鏡的非線性干擾模擬與檢測(cè)控制系統(tǒng),該系統(tǒng)設(shè)有上位機(jī),根據(jù)非線性干擾模型,由所述上位機(jī)的程序產(chǎn)生模擬的非線性干擾信號(hào);其特征在于該系統(tǒng)還包括有非線性干擾模擬子系統(tǒng)、非線性干擾檢測(cè)子系統(tǒng)、軟件子系統(tǒng)3大部分,其中 所述的非線性干擾模擬子系統(tǒng)由PMAC控制器、干擾力矩電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器組成;該子系統(tǒng)中的PMAC運(yùn)動(dòng)控制器通過(guò)Ethernet或USB端口與上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字通訊,進(jìn)而通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)干擾力矩電機(jī),輸出非線性的干擾力矩;該干擾力矩電機(jī)的軸通過(guò)彈性聯(lián)軸節(jié)與望遠(yuǎn)鏡負(fù)載相聯(lián); 所述的非線性干擾的檢測(cè)子系統(tǒng)由扭矩傳感器和PMAC控制器組成扭矩傳感器的模擬量信號(hào)通過(guò)PMAC卡的AD模數(shù)轉(zhuǎn)換口輸入PMAC運(yùn)動(dòng)控制器,與上位機(jī)命令實(shí)時(shí)比較實(shí)現(xiàn)力矩的閉環(huán),保證模擬的非線性信號(hào)能夠準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn); 所述的軟件子系統(tǒng)根據(jù)非線性擾動(dòng)的數(shù)學(xué)模型,在Windows下以C語(yǔ)言編程,實(shí)現(xiàn)模擬風(fēng)載等非線性擾動(dòng)、實(shí)時(shí)檢測(cè)與監(jiān)控、界面的圖形顯示; 該軟件子系統(tǒng)設(shè)置在本非線性干擾模擬與檢測(cè)控制系統(tǒng)的上位機(jī)中。
      2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于天文望遠(yuǎn)鏡的非線性干擾模擬與檢測(cè)控制系統(tǒng),其特征在于,所述的干擾力矩電機(jī)采用直流力矩電機(jī)。
      3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于天文望遠(yuǎn)鏡的非線性干擾模擬與檢測(cè)控制系統(tǒng),其特征在于,所述的所述的非線性干擾模擬子系統(tǒng),在實(shí)驗(yàn)室模擬時(shí),聯(lián)接的負(fù)載設(shè)計(jì)為一個(gè)摩擦驅(qū)動(dòng)的望遠(yuǎn)鏡仿真轉(zhuǎn)臺(tái)和一個(gè)直接驅(qū)動(dòng)的望遠(yuǎn)鏡仿真轉(zhuǎn)臺(tái)。
      4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于天文望遠(yuǎn)鏡的非線性干擾模擬與檢測(cè)控制系統(tǒng),其特征在于,所述的該直流電機(jī)設(shè)有有測(cè)速反饋發(fā)電機(jī),該測(cè)速反饋發(fā)電機(jī)的信號(hào)反饋給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器,實(shí)現(xiàn)速度反饋。
      5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于天文望遠(yuǎn)鏡的非線性干擾模擬與檢測(cè)控制系統(tǒng),其特征在于,非線性干擾的檢測(cè)子系統(tǒng)中所述的扭矩傳感器的設(shè)置采用以下兩種方式之一 (A)對(duì)于采用摩擦驅(qū)動(dòng)方式的望遠(yuǎn)鏡,采用2個(gè)扭矩傳感器,扭矩傳感器分別安裝在主動(dòng)摩擦輪和從動(dòng)輪的旋轉(zhuǎn)軸上;兩個(gè)傳感器的扭矩和扭矩差的變化反映了負(fù)載的波動(dòng)情況; (B)對(duì)于采用直接驅(qū)動(dòng)方式的望遠(yuǎn)鏡,采用I個(gè)扭矩傳感器,扭矩傳感器安裝在直接驅(qū)動(dòng)主軸的旋轉(zhuǎn)軸上;扭矩傳感器的數(shù)據(jù)變化反映了負(fù)載的波動(dòng)情況。
      6.根據(jù)權(quán)利要求2-5之一所述的用于天文望遠(yuǎn)鏡的非線性干擾模擬與檢測(cè)控制系統(tǒng),其特征在于,所述的直流力矩電機(jī)與測(cè)速反饋發(fā)電機(jī)機(jī)組主要技術(shù)參數(shù)為
      全文摘要
      用于天文望遠(yuǎn)鏡的非線性干擾模擬與檢測(cè)控制系統(tǒng),根據(jù)非線性干擾模型由上位機(jī)的程序產(chǎn)生模擬的非線性干擾信號(hào);還包括有非線性干擾模擬子系統(tǒng)、非線性干擾檢測(cè)子系統(tǒng)、軟件子系統(tǒng)非線性干擾模擬子系統(tǒng)由PMAC控制器、干擾力矩電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器組成;干擾力矩電機(jī)的軸通過(guò)彈性聯(lián)軸節(jié)與望遠(yuǎn)鏡負(fù)載相聯(lián),輸出非線性的干擾力矩;非線性干擾的檢測(cè)子系統(tǒng)由扭矩傳感器和PMAC控制器組成扭矩傳感器的模擬量信號(hào)輸入PMAC運(yùn)動(dòng)控制器,與上位機(jī)命令實(shí)時(shí)比較實(shí)現(xiàn)力矩的閉環(huán);軟件子系統(tǒng)根據(jù)非線性擾動(dòng)的數(shù)學(xué)模型,在Windows下以C語(yǔ)言編程,實(shí)現(xiàn)模擬風(fēng)載等非線性擾動(dòng)。本發(fā)明相對(duì)于采用實(shí)物模型物理仿真,造價(jià)低,通用性好。
      文檔編號(hào)G05D3/12GK102799192SQ20121028909
      公開(kāi)日2012年11月28日 申請(qǐng)日期2012年8月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月14日
      發(fā)明者楊世海, 王國(guó)民 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)南京天文光學(xué)技術(shù)研究所
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