一种抑制风载荷扰动的大型天文望远镜高精度控制系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种能抑制风载荷扰动的天文望远镜高精度控制系统及方法，属于大 型天文望远镜跟踪控制技术领域。
【背景技术】
[0002] -般大型天文望远镜都不会在强风下工作。因为当风力较强时（比如大于5级 风），风载荷对仪器的扰动过大，伺服控制系统不能保证跟踪的精度。有些系统因此配备了 随动圆顶，用以减弱风载荷对仪器的影响。但是，大型天文望远镜的圆顶都比较笨重（比如 中国国家天文台的2. 16m望远镜圆顶重达150吨），当仪器跟踪较快的低轨目标时，随动圆 顶会带来对仪器基敦的强烈扰动，影响跟踪的精度。同时圆顶的设置，会影响观测的视宁 度。因此在一些对跟踪精度与视宁度要求苛刻的场合，望远镜需要在开放的环境下使用。这 时，风载荷的影响尤其明显。
[0003] 目前一般的大型天文望远镜均采用位置环、速度环、电流环的串级控制。位置环的 反馈采用位置测角原件如编码器或光栅尺的测量值进行反馈，速度环测量则采用位置反馈 量差分得到。一般的望远镜的控制框图如附图2所示。图中，Cp为位置环调节器、Cv为速 度环调节器、C。为电流环调节器，电流环一般做到电机驱动器内部与转台一起构成被控对 象^，扎为力矩扰动传递函数。假设风载荷《的功率密度为1_。可以推导出，仪器位置？ 的功率密度PPSD为：
[0004] Ppsd= |HpsvsprwPSD (i)
[0005] 其中Hp=Ha/:
[0006] Sv是速度环的扰动抑制传递函数，Sp是位置环的扰动抑制传递函数。
[0007] 还可以得到跟随性能（位置输出与位置输入之比）：
[0008]
[0009] 扰动抑制能力（位置输出与力矩扰动之比）：
[0010]V，） a v u
p 'V U
[0011 ] 扰动抑制能力与跟随性能的比：
[0012]
(4)
[0013] 可见，控制系统对扰动的抑制能力主要取决于位置环、速度环的增益。当风载荷较 强时，其相应的频率成分也随之增加，仪器难以保持原有精度。常用的风载荷的速度功率谱 密度swv为Davenport提出的风速谱：
[0014]
(5)
[0015] 式中，f为风的频率（单位为赫兹）；K为与地面粗糙度有关的参数，I为标准高度 (一般为l〇m)处的平均风速。
[0016] 目前，三环控制结构能满足大多数场合的应用需求。但是对风载荷的扰动抑制能 力还是不足。尤其是当望远镜的结构日益增大，由于机械谐振频率的限制，速度环的带宽较 窄。相应增益不高。对扰动的抑制能力变弱。因此需要研究更为有效的抗风载荷的抗扰动 控制方法。
【发明内容】
[0017] 本发明的技术解决问题：克服现有大型天文望远镜闭环控制中的不足，针对较强 风载荷作用下，目前大型望远镜跟踪精度不高的问题。采用加速度闭环结合扰动观测与补 偿的方法，显著地提高控制系统对风载荷的抗扰动能力。该方法首次将扰动观测与补偿方 法应用于带有高阶量闭环（加速度闭环）的系统中，相对于常规的三环控制模式，抗扰动能 力在风载荷的频段内，具有数量级的提升。
[0018] 本发明的技术解决方案：一种抑制风载荷扰动的大型天文望远镜高精度控制系统 及方法。利用加速度计反馈形成高阶量闭环，并构建高精度的力扰动观测器，利用观测到的 扰动实时计算实时补偿量，并将该量叠加到输出上实现对扰动力矩的抵消与补偿。该方法 能显著提高系统的抗风载荷扰动的能力。实现的框图如图3所示，图中：CP为位置环调节 器、Cv为速度环调节器、Ca为加速度环调节器、Η3为力矩扰动传递函数、0,,为被控对象^的 模拟、Cd为扰动补偿控制器。其中电流环调节器C。一般做到电机驱动器内部与转台一起构 成被控对象Ga。?|与(^构成扰动观测与补偿器CM。控制框图对应的信号流图如图4所示。
[0019] -种抑制风载荷扰动的大型天文望远镜高精度控制系统，其特征在于包括：
[0020] 硬件上包括：望远镜转台（101)、加速度计（100-A、100-B)、力矩电机（102)、光电 编码器（103)、基座（104)、主控计算机（111)、电机驱动器（110);其中，加速度计（100-A、 100-B)对称安装在望远镜转台（101)上面，与转台固联，两个加速度计离旋转中心的距离 相同、敏感方向相同，敏感方向为转台旋转的切线方向。转台与力矩电机（102)轴固联。同 时光电编码器（103)内轴与力矩电机（102)轴固联，力矩电机外壳与基座（104)固联，光电 编码器外壳与电机外壳及基座固联。
[0021] 软件模块上包括：扰动观测与补偿器（1001)、加速度环控制器（1002)、速度环控 制器（1003)、位置环控制器（1004);其中位置环控制器（1004)在最外环，接收外部发过来 的位置给定信号f以及光电编码器送出的位置反馈信号P，经位置环控制器调节后，送出速 度给定信号速度环控制器（1003)接收位置环控制器输出的速度给定信号v#、光电编码 器送出的位置差分信号v，调节后，送出加速度给定信号a%加速度环控制器（1002)接收速 度环控制器输出的加速度给定信号a'加速度计反馈的望远镜转台加速度信号a，调节后， 送出初始电流给定i1;扰动观测与补偿器（1001)接收加速度环控制器输出的初始电流给 定h、加速度计反馈的望远镜转台加速度信号a，扰动观测与补偿器根据输入信号观测出扰 动量并计算出相应的补偿量i。，该量即可用来抵消掉外部扰动对望远镜转台的影响，将该 量叠加到加速度控制器输出的初始电流给定量上h，得到最终的电流给定i%将该量送给 电机驱动器驱动望远镜转台精密转动。
[0022] 各软件模块均运行于主控计算机（111)上。
[0023] 控制过程：如图1、图3所示，外部送来的位置控制指令f与光电编码器测得的位 置信号P比较并送到位置环控制器进行位置环校正，输出速度给定信号位置环校正输 出的速度给定信号/再与光电编码器差分得到的转台速度信息v比较并送到速度环控制 器进行速度环校正，输出加速度给定信号a%速度环控制器输出的加速度给定信号a$再与 加速度计反馈信号a比较并送到加速度环控制器进行校正，校正后输出初始电流给定i1; 初始电流给定信号h与加速度计反馈信号a-起送给扰动观测与补偿器，计算后，输出电 流的修正补偿量i。，该量用来抵消外部扰动；最后将电流修正补偿量i。与初始给定电流ii 叠加得到最终电流给定i%并送给电机驱动器，驱动望远镜转台高精度转动。其中位置环控 制器、速度环控制器、加速度环控制器、扰动观测与补偿器均在主控计算机中用软件完成。
[0024] 具体实现步骤如下：
[0025] 第一步，设计加速度环控制器CA (1002)
[0026] 设计在主控计算机（111)上运行的的加速度环控制器（1002)(；为：
[0027]
[0028] 其中Kpa为比例系数，Kla为积分系数，s为拉普拉斯算子；该控制器的输入为加速 度计（100-A，100-B)测得的仪器加速度反馈信号a，以及速度环控制器（1003)输出的加速 度给定信号a%两路信号之差经(；调节之后，输出电流初始给定i1<3
[0029] 第二步，设计速度环控制器Cv (1003)
[0030] 设计在主控计算机（111)上运行的速度环控制器（1003)cvs:
[0031]
[0032] 其中Kpv为比例系数，Klv为积分系数，s为拉普拉斯算子；该控制器的输入为光电 编码器（103)输出的位置差分信号（即望远镜转台的角速度信息）V，以及位置环控制器 (1004)输出的速度给定信号/。两路信号之差经仏调节之后，输出加速度给定信号a'
[0033] 第三步，设计位置环控制器CP (1004)
[0034] 设计在丰棹计筧机（111)上运行的位置环控制器（1004)CP为：
[0035]
[0036] 其中Kpp为比例系数，K1P为积分系数，s为拉普拉斯算子；该控制器的输入为光电 编码器（103)输出的位置信号（即望远镜转台的角位置信息），以及外部输入的位置给定信 号f。两路信号之差经CP调节之后，输出速度给定信号v'
[0037] 第四步，设计扰动观