一种望远镜故障预警方法及系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种望远镜故障预警方法及系统。
【背景技术】
[0002]中国科学院国家天文台建造的500米口径球面射电望远镜(Five-hundred-meterAperture Spherical rad1 Telescope，简称FAST)，是世界最大的单口径射电望远镜，其突破了地面望远镜的百米工程极限，开创了建造巨型射电望远镜的新模式。FAST的总体技术指标:口径为500m，反射面曲率半径为300m ;照明区口径为300m，焦比f/D =0.467。
[0003]FAST主动反射面是由圈梁、反射面、索网、促动器、地锚等组成。索网安装在圈梁上，有2225个节点，在索网节点上安装有约4450个反射面单元形成反射面，每个节点下方连有下拉索和促动器，促动器再与地锚连接。通过控制促动器，实现300米口径瞬时抛物面进行天文观测。
[0004]反射面单元分为三角形和四边形两大类，其中三角形反射面单元为空间网架结构，边长约为10.4?12.4米，是由背架、调整装置、面板及连接关节等组成，每个三角形反射面单元重量约为500公斤。反射面单元背架在顶点上均装有连接关节，通过这些连接关节将其悬挂在索网节点上形成望远镜反射表面。
[0005]由于索网的耦合作用，导致促动器故障对反射面控制的影响机理十分复杂。促动器可能发生的故障组合工况难于预先统计，所以无法通过事先标定建立数据库的方法实现开环控制。
【发明内容】
[0006]针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种望远镜故障预警方法，该方法对即时工况实时评估各种促动器故障组合工况，以及其对面型精度及结构安全的影响，为望远镜反射面的运行和维护提供决策性建议。本发明的另一目的是提供一种实施上述方法的望远镜故障预警系统。
[0007]为实现上述目的，本发明一种望远镜故障预警方法，具体为:
1)利用望远镜总控系统监测构件温度、促动器故障模式、故障促动器位置、望远镜拟执行任务波段、望远镜拟执行观测轨迹；
2)将监测的构件温度数据转化为有限元模型的温度场边界条件；
3)将监测的促动器故障模式、故障促动器位置转化为促动器故障模拟工况；
4)将监测的望远镜拟执行任务波段、望远镜拟执行观测轨迹转化为观测任务模拟工况；
5)将温度场边界条件、促动器故障模拟工况和观测任务模拟工况输入至有限元模型中，来针对望远镜拟执行的观测任务进行全过程模拟，得到关键部件的应力时程数据；
6)将关键部件的应力时程数据转化为构件疲劳预警信息、构件强度预警信息；
7)构件疲劳预警信息和构件强度预警信息形成促动器故障预警信息，该促动器故障预警信息将反馈至望远镜总控系统，来对望远镜的故障进行预警。
[0008]进一步，所述步骤I)中的构件温度通过布置在索网及圈梁结构上的若干个光纤传感器来直接测量构件的温度。
[0009]进一步，所述步骤2)中的有限元模型为利用有限元软件ANSYS，建立FAST反射面支撑结构的整体模型，索网采用LINKlO单元模拟，圈梁则采用BEAM44单元。
[0010]进一步，所述步骤5)中的限元模型结合简化仿真分析方法和促动器故障模拟方法来进行全过程模拟。
[0011]进一步，所述简化仿真分析方法，具体为:将望远镜跟踪或扫描的连续观测过程简化为一系列离散的抛物面状态，相邻抛物面的中心线夹角为0.25度，以保证对连续观测过程的准确描述。
[0012]进一步，所述促动器故障模拟方法，具体为:所述促动器发生故障的响应模式分为三类:小负载随动、大负载随动及无源保位；其中，无源保位故障模式的模拟通过施加位移约束实现；小负载随动和大负载随动通过载荷约束和位移约束的结合实现；并且每发生一次促动器故障，立即更新模型里的促动器故障边界条件，重新触发计算。
[0013]一种实施上述方法的望远镜故障预警系统，包括数据接口系统、数据处理系统和力学仿真系统，其中，数据接口系统满足望远镜总控系统的接口协议，实现与望远镜总控系统的数据交互功能；数据处理系统包括数据前处理系统和数据后处理系统，数据前处理系统主要是处理望远镜总控系统的输入数据，形成输入到力学仿真系统中的力学边界条件，数据后处理系统是实现对力学仿真系统的计算结果进行实时处理，得到促动器的行程-时间控制目标曲线及反射面的故障预警信息；力学仿真系统是实现反馈控制和故障预警的仿真计算平台。
[0014]进一步，所述数据接口系统包括均与所述望远镜总控系统连接的温度测量数据读取模块、促动器故障模式数据读取模块、故障促动器位置数据读取模块、拟执行任务波段数据读取模块、拟执行观测轨迹数据读取模块、促动器故障预警信息输出模块。
[0015]进一步，所述数据前处理系统将所述温度测量数据读取模块读取的构件温度数据转化为有限元模型的温度场边界条件；将所述促动器故障模式数据读取模块读取的促动器故障模式数据、将所述促动器故障模式数据读取模块读取的故障促动器位置数据转化为促动器故障模拟工况；将所述拟执行任务波段数据读取模块读取的望远镜拟执行任务波段、将所述促动器故障预警信息输出模块读取的望远镜拟执行观测轨迹转化为观测任务模拟工况。
[0016]进一步，所述力学仿真系统包括有限元模型、简化仿真分析系统和促动器故障模拟系统，需要将温度场数据、促动器故障工况、观测任务模拟工况等边界条件加载到有限元模型中，结合促动器故障模拟系统及简化仿真分析系统，针对望远镜的观测轨迹进行大规模仿真分析，得到望远镜支撑结构主要承力构件的应力时程数据及望远镜的面型精度水平。
[0017]进一步，所述数据后处理系统将所述力学仿真系统获得的关键部件的应力时程数据转化为构件疲劳预警信息及构件强度预警信息；同时，结合望远镜的观测任务波段，评价望远镜的控制精度是否满足要求，不满足要求时发出精度预警信息，并发出启动促动器维修指令。
[0018]进一步，所述构件疲劳预警信息首先是利用雨流计数方法对构件应力时程曲线进行处理，然后再基于线性损伤累积准则进行疲劳评估，计算构件的疲劳损伤因子，当损伤因子达到0.1时，发出疲劳预警信息。
[0019]本发明将望远镜故障预警系统和方法引入准实时辅助控制系统中，以针对即时工况实时评估各种促动器故障组合工况对面型精度及结构安全的影响。在此基础上制定相应的评价准则，为望远镜反射面的运行和维护提供决策性建议。
【附图说明】
[0020]图1为简化分析前的连续变位观测过程示意图；
图2为简化分析后的连续变位观测过程示意图；
图3为圈梁上光纤传感器布置图；
图4为索网上光纤传感器布置图；
图5为本发明结构框架图。
【具体实施方式】
[0021]下面，参考附图，对本发明进行更全面的说明，附图中示出了本发明的示例性实施例。然而，本发明可以体现为多种不同形式，并不应理解为局限于这里叙述的示例性实施例。而是，提供这些实施例，从而使本发明全面和完整，并将本发明的范围完全地传达给本领域的普通技术人员。
[0022]为了易于说明，在这里可以使用诸如“上”、“下” “左” “右”等空间相对术语，用于说明图中示出的一个元件或特征相对于另一个元件或特征的关系。应该理解的是，除了图中示出的方位之外，空间术语意在于包括装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果图中的装置被倒置，被叙述为位于其他元件或特征“下”的元件将定位在其他元件或特征“上”。因此，示例性术语“下”可以包含上和下方位两者。装置可以以其他方式定位(旋转90度或位于其他方位)，这里所用的空间相对说明可相应地解释。
[0023]本发明一种望远镜故障预警方法及系统为望远镜反射面提供准实时辅助控制，辅助望远镜反射面实现准实时的控制精度补偿和故障预警功能。该系统是总控系统的辅助系统，需要与总控系统实时交互数据，一方面从总控系统获取所需的测量数据，另一方面向总控系统输出控制指令及安全预警信息。
[0024]系统的准实时功能要求整个系统具备非常高的计算效率，需要快速进行力学