控制器输出送给电机驱动器的电流初始给定 量h，该量同时送给古^经:#校正后得到转台输出加速度估计L将该量与加速度计输出的 望远镜转台加速度信号a相减，即得到观测的加速度扰动信号ad，该信号再经过扰动补偿器Cd，得到扰动补偿控制量i。，该量用来补偿外部力矩扰动，将该量与加速度环的输出量^叠 加在一起得到最终的电流给定信号i%将其送给电机驱动器，驱动转台精密转动。
[0083] 这些控制器之间以及与系统其它部件的连接关系如下：
[0084] 位置环控制器CP在最外环，接收外部发过来的位置给定信号p#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cv接收 位置环控制器输出的速度给定信号/以及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CA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CM 接收加速度环控制器输出的初始电流给定ii、加速度计反馈的望远镜转台加速度信号a，计 算后，送出电流给定修正补偿量i。，该量用来补偿外部力矩扰动，将该量叠加到加速度环控 制器输出的初始电流给定量^上得到最终的电流给定i%将其送给电机驱动器驱动望远镜 转台精密转动。
[0085] 附图5是常规的控制方法与本方法的扰动抑制曲线的对比。其中实线时常规控制 方法对力矩扰动的抑制能力曲线，虚线是本发明方法对力矩扰动的抑制能力曲线。
[0086] 附图6是在望远镜上重复施加扰动力矩时，施加的外部力矩扰动曲线。其中实线 是采用常规控制方法时的外部扰动力矩曲线，虚线是采用本发明方法时的外部扰动力矩曲 线。扰动力矩的方差分别为：131. 8牛米，140. 9牛米。扰动力矩的平均峰峰值分别为：475. 9 牛米，502. 2牛米。
[0087] 附图7是在望远镜上重复施加扰动力矩时，望远镜采用不同控制方法的跟踪误差 曲线，误差值已经根据力矩扰动值进行归一化。其中实线是采用常规方法时的跟踪误差，虚 线是米用本发明方法时的跟踪误差。跟踪误差的方差分别为：2.89角秒，0.23角秒。跟踪 误差的平均峰峰值分别为：11. 03角秒，1. 08角秒。
【主权项】
1. 一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： 硬件上包括：望远镜转台（101)、加速度计（IOO-AUOO-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屯、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。 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1)"^^及光电编码器送出的位置反馈信号9，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 出的位置差分出的速度信号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ii;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ii、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ii，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； 各软件模块均运行于主控计算机（111)上。2. -种抑制风载荷扰动的大型天文望远镜高精度控制方法，其特征在于：实现步骤如 下： 第一步，设计加速度环控制器Ca(1002) 设计在主控计算机（111)上运行的的加速度环控制器（1〇〇2)Ca为：其中Kp。为比例系数，Ku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曰，W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Ca调节之后，输出电流初始给定i1; 第二步，设计速度环控制器Cv(1003) 设计在主控计算机（111)上运行的速度环控制器（l〇〇3)Cv为：其中Kpy为比例系数，Ku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，W及位置环控制器（1004) 输出的速度给定信号/。两路信号之差经Cv调节之后，输出加速度给定信号a 第=步，设计位置环控制器Cp(1004) 设计在主控计算机（111)上运行的位置环控制器（IO(M)Cp为：其中Kpp为比例系数，Kip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），W及外部输入的位置给定信号 口^^两路信号之差经C。调节之后，输出速度给定信号V 第四步，设计扰动观测与补偿器Cm(IOOI) 测试开环对象，并辨识得到对象的传递函数4 ;开环对象是指W电机驱动器的电流给 定为输入，加速度计测量值为输出时，该回路的对象特性；使用动态信号分析仪获取该特性 的频率响应曲线，后使用曲线拟合工具获得传递函数； 在主控计算机（111)上设计扰动补偿器，其中^是所测的开环对象传 递函数，T为设定的时间常数，S为拉普拉斯算子；扰动补偿器Cd中的T参数需要根据被控 对象4的实际情况进行选取，假设对象4I的带宽为B。整个扰动观测与补偿器Cm主要由 O与Cd构成，其内部结构为：加速度环控制器输出送给电机驱动器的电流初始给定量i1， 该量同时送给G.经浸。校正后得到转台输出加速度估计S，将该量与加速度计输出的望远 镜转台加速度信号a相减，即得到观测的加速度扰动信号ad，该信号再经过扰动补偿器Cd, 得到扰动补偿控制量i。，将该量与加速度环的输出量ii叠加在一起得到最终的电流给定信 号i%将其送给电机驱动器，驱动转台精密转动； 位置环控制器〔。在最外环，接收外部发过来的位置给定信号P"^^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CV接收位 置环控制器输出的速度给定信号/W及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CA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ii;扰动观测与补偿器CM接 收加速度环控制器输出的初始电流给定ii、加速度计反馈的望远镜转台加速度信号a，计算 后，送出电流给定修正补偿量i。，该量即用来抵消掉外部扰动对望远镜转台的影响，将该量 叠加到加速度环控制器输出的初始电流给定量ii上得到最终的电流给定i%将其送给电机 驱动器W驱动望远镜转台精密转动。3. 根据权利要求2所述的抑制风载荷扰动控制方法，其特征在于：所述的第一步、第二 步、第S步所设计的控制器可W是PI型控制器、PID型控制器或模糊控制器。4. 根据权利要求2所述的抑制风载荷扰动控制方法，其特征在于：所述的第=步中的
【专利摘要】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。提出了一种新型的望远镜控制系统及方法。区别于目前天文望远镜广泛采用的三环控制方法(位置环、速度环、电流环)。本方法引入了加速度闭环回路，并且在此基础上进一步实现了扰动的观测与补偿。构成了一种新型的大型天文望远镜控制模式。此方法能够显著提高系统对抗外部扰动、如风载荷的抗扰能力。对大型望远镜的环境适应能力具有显著的提高。
【IPC分类】G05D3/12
【公开号】CN105373143
【申请号】CN201510695537
【发明人】王强, 刘翔, 苏艳蕊, 蔡华祥, 杜升平, 贺东, 凌宇, 黄永梅
【申请人】中国科学院光电技术研究所
【公开日】2016年3月2日
【申请日】2015年10月21日