南极光学天文望远镜控制软件关键技术

南极天文望远镜控制软件是望远镜软件系统的重要组成部分,是控制计算机在望远镜用户层和设备层之间运行的关键技术。对于用户层,控制软件需具备全自动观测的交互接口、卫星通信条件下的远程访问和故障诊断等功能;对于设备层,控制软件不但要完成对天体目标的精确指向和精密跟踪、计算并补偿系统误差和控制关键部件以达到目标像质,而且需实现对电源分配系统、除霜及加热系统的控制、设备及环境信息的采集和监测等。相比于普通台址,在南极大陆运行的光学天文望远镜有其独特的特点,控制软件需进行特殊设计。本文重点从操作系统选择、远程建立望远镜指向误差修正模型方法、全自动观测软件接口、卫星通信及远程运维、望远镜实时状态监测和故障诊断等方面探讨了南极天文光学望远镜控制软件的关键技术和设计原则,并展望未来技术的发展,为南极天文望远镜的研制和控制系统研发提供技术储备。

基于模态筛选的滚动轴承微小故障诊断研究

滚动轴承的自转、部件相互作用和强干扰使测量的振动信号复杂,而滚动轴承的早期损伤类故障特征信息弱小,导致故障特征难以有效提取从而影响故障诊断,因此提出一种敏感模态筛选方法来提高故障诊断的正确性。采用变分模态分解算法对信号进行自适应分解,提取信号的局部特征。基于排列熵的不变性和对冲击信号的敏感性,提出故障因子的敏感模态筛选方法对信号进行重构,抑制振动信号中的干扰和噪声。通过仿真和实验对所提方法进行了验证,结果表明,相比其他处理方法,所提方法信噪比提高了60.5%,误差降低了52.6%,同时故障诊断正确率提高了24.3%,说明了该方法的有效性。

小波包和模糊熵特征融合的轴承故障诊断

进行轴承多种类型裂纹故障诊断时,为解决单一特征量诊断效率低的问题,提出了基于信号小波包分解的精细时频域分析和模糊熵的特征融合方法。首先对轴承振动信号进行小波包4层分解重构,确定小波包系数模糊熵和频带能量,精细提取振动信号的高低频故障信息特征;然后基于权重指标对模糊熵和频带能量进行融合,构造多种故障状态下轴承信号的特征向量;最后选择适合小样本分类的支持向量机对轴承裂纹故障进行诊断。试验数据处理结果表明,轴承不同裂纹故障状态下,融合特征的方法诊断效率更高,相较于单一特征量识别准确率提高5.0%以上,对10种裂纹故障诊断正确率达到98.0%。

望远镜塔架系统试验模态分析

塔架系统的振动特性对望远镜的成像质量具有重要的影响。以望远镜塔架模型为研究对象进行模态分析,针对无参数化模态分析引起模态参数不准确的问题,提出采用最小二乘复指数法(LSCE)进行试验模态分析,确定结构的模态频率、阻尼比和模态振型。通过稳态图方法剔除识别过程所衍生的虚假模态,又通过模态置信判据验证模态的相关性,提高了模态参数识别结果的准确性,与无参数化试验模态分析结果对比表明,模态频率的最大误差仅为4.4%,一致性较好,结果表明LSCE算法的正确性和适应性。

应用BP神经网络校正铂电阻温度传感器非线性的方法

应用BP神经网络算法对铂电阻温度传感器进行非线性校正,给出了BP神经网络的结构和训练权值的方法,在训练网络时对输入量进行了归一化处理.并应用此训练的网络对一实际的温度采集系统进行校正.此方法实现简单,大大方便了铂电阻温度传感器在温度测量中的应用.

低温环境下材料膨胀系数和润滑对望远镜负载扭矩的影响

为了深入研究望远镜的负载扭矩随着温度降低而增大的机理,提高低温下伺服系统的跟踪精度。首先分析了轴承摩擦扭矩的各种影响因素和低温对负载扭矩的影响,研究了润滑剂黏度随温度的变化规律,试验对比了有无添加润滑脂情况下负载扭矩的变化,结果表明在低温下无润滑脂时负载扭矩的波动减少并且线性度提高。其次分析了轴承摩擦扭矩和间隙的关系,采用电阻应变片法测量不同材料在不同温度下的热膨胀系数,建立起材料膨胀系数和扭矩的相关特性,结果表明低温下负载扭矩是常温下的6.67倍,而材料尺寸的最大缩短量达到960με。通过对低温负载扭矩机理的研究,可为低温环境下望远镜的精确控制提供理论和试验数据。

基于改进STD法的望远镜塔架动态特性研究

为了精确得到某南极天文望远镜塔架的模态参数,为塔架的动力学修改和主动控制减振提供依据,按一点激励、多点加速度响应对望远镜塔架进行了锤击法模态试验。为了消除STD法数据前处理带来的噪声误差,采用改进STD法对塔架进行模态识别,用损失函数法和极点稳态图确定模型阶次,并用实测的功率谱密度验证了所识别模态参数的准确性,在0～100 Hz的频带范围内,误差减少到了3.6%,与常规STD法相比,改进STD法明显提高了模态参数的识别精度。分析结果表明,望远镜塔架第3阶和第4阶的模态阻尼比相对较小,为塔架的薄弱频率,此结果可以作为动力学修改和望远镜主动控制减振系统调试的依据。

大型天文望远镜摩擦传动系统低速特性的研究

研究了大型天文望远镜摩擦传动系统的运行原理和特性,并进行了实验。结果表明,影响摩擦传动低速稳定运行的因素很多,主要有:编码器的测量误差,环境变化引起的误差,摩擦力矩和电机波动力矩等引起的误差,以及加工制造和安装引起的误差。另外在整个传动链中其它部分的摩擦力矩也不可能是一个定值,也存在力矩波动。结果还表明,利用非线性PID控制算法增益参数非线性变化的特性,可以使得控制系统既能达到响应速度快,无超调的目的,又能增强抵抗影响摩擦传动低速稳定运行因素的能力。实验中,低速可以达到0.2″/s,位置精度为0.032″(RMS),证明了这种方法是行之有效的。

主镜的新型轴向支撑及误差分析

针对传统Whiffletree机构存在刚性较差、自振频率和稳定性低的问题,提出了一种基于Whiffletree原理新型18点轴向支撑的设计方案。该方案采用高刚性和稳定性的消隙轴系机构。首先详细介绍了方案的设计原理,利用有限元软件对主镜轴向支撑进行优化设计,主镜最优面形的均方根(root mean square,RMS)值为1.6nm。然后采用D-H矩阵方法推导出轴向支撑的误差模型,与图解法相比,误差模型的最大误差为5.1%。最后利用误差模型建立极限位置误差的有限元模型,得到主镜面形的RMS值为2.6nm,分析结果满足设计指标所要求的RMS≤15.8nm。研究表明所提出的误差模型能够有效预测主镜面形,此方案设计合理。

拼接镜面望远镜位移促动器系统的自抗扰控制

针对拼接镜面望远镜主动光学控制技术的要求,设计了一种改进型自抗扰控制器以改善位移促动器系统的位置跟踪性能和提高抗扰动能力。首先,建立了拼接镜面位移促动器系统及扰动风载的数学模型;设计了改进型自抗扰控制器,并给出了控制器参数选择的方法。其次,对位移促动器控制系统进行了仿真分析,验证了控制器的可行性。最后,利用风载扰动模拟装置,在位移促动器系统中引入扰动,并对比改进型自抗扰控制器与线性自抗扰控制器以及PID控制器控制性能。实验结果表明,改进型自抗扰控制器系统阶跃跟踪的稳定时间为201 ms,稳态均方差为7.1 nm,无超调;风载干扰实验中,改进型ADRC的最大偏差值为38.8 nm,稳态均方差为7.6 nm,改进型ADRC的性能明显优于线性自抗扰控制器和PID控制器,对提高位移促动器系统的性能有较高的实用性。

南极内陆精密仪器运输减振设计与测试

Dome A是南极冰盖的最高点,由于其海拔高度高和温度低,天文学家预计其将是地球上最好的天文台址之一,南极Dome A将为天文观测提供一个绝佳的窗口。但仪器设备需要从中山站通过雪橇长途运输运至Dome A,道路异常恶劣。基于南极巡天望远镜的改正镜系统,设计了一套适合南极Dome A运输的精密仪器减振系统。首先介绍了Dome A的道路冲击振动实测结果,包括对振动和冲击加速度时域和频域信号的分析,其次对改正镜系统进行了动力学分析,再次根据南极Dome A运输道路的特点完成了减振系统的设计和制作,并对减振系统进行了动力学模拟分析。最后通过在南极实测的数据对比,验证了减振系统有效性。

基于模型预测控制的大口径快摆镜随动系统

为了满足地基大口径望远镜精密稳像系统的需求,对大口径快摆镜(FSM)的控制方法进行了研究。为了解决三促动器FSM的运动解耦为系统辨识带来的困难,通过解析法和系统辨识法相结合建立了FSM的传递函数模型。依据该模型,设计了PID控制器与模型预测控制器(MPC),采用仿真和实验两种方式比较了两种控制器的效果。仿真结果表明,在受到阶跃扰动后,MPC控制器的恢复速度是PID控制器的45倍。在50 Hz正弦信号下,由于FSM的大惯量特点,PID控制器有严重的时滞,而MPC控制器能以1.224×10^-6″的误差稳定跟随。在噪声抑制方面,对实时加入10%幅值噪声的随机信号,MPC控制器的噪声抑制效果是PID控制器的13.3倍。实验结果表明,MPC控制器能以0.430″的误差稳定跟随50 Hz正弦信号,其跟踪精度是PID控制器的3.212倍,采用MPC控制器的快摆镜能满足快摆镜高带宽和高精度的需求。

一种双层浮筏式南极望远镜运输减振方案设计

Dome A是南极内陆距海岸线最遥远的一个冰穹,具有极为重要的科考价值,但是从上海中国南极科考基地出发前往Dome A的道路振动加速度值十分巨大。首先,分析了从上海到南极的运输振动环境,确定了从南极泰山站到Dome A为重点的缓冲包装的关注范围,并提取了该区间测得的最大加速度值;其次,以南极巡天望远镜主镜室为包装减振对象,设计了一套双层隔振的浮筏式减振系统用于南极内陆地区的运输,根据相应的最大振动加速度值确定了减振系统的相应参数;最后,对其进行了静力学和动力学的模拟分析。2013年冬季在中国漠河地区进行了减振系统的运输实际测试,测试结果显示,该套系统可以满足南极巡天望远镜主镜的运输安全需求。

辅助线法预测Preisach类一阶回转曲线

为了实现对磁致伸缩和压电材料迟滞特性的描述,建立高精度前馈补偿系统,对Preisach模型一阶回转曲线的预测方法进行了研究。首先,介绍了一阶回转曲线及经典插法预测一阶回转曲线的基本原理,着重指出线性经典插值法对Preisach模型一阶回转曲线的预测存在不足;其次,在此基础上,利用非线性变换的思想,提出了辅助线法预测一阶回转曲线;最后,实验比较了超磁致伸缩材料(giant magnetostrictive material,简称GMM)与压电陶瓷(piezoelectric ceramic transducer,简称PZT)两种迟滞情况下,辅助线法和经典插值法对迟滞一阶回转曲线的预测结果。实验结果表明:在GMM迟滞下,对任意一阶回转曲线的预测数据,辅助线法的均方根误差(root mean square error,简称RMSE)最大减少为经典插值法的14.22%;对所有预测数据,辅助线法的RMSE减少为经典插值法的29.42%;在PZT迟滞下,对任意一阶回转曲线的预测数据,辅助线法的RMSE最大减少为经典插值法的18.18%;对所有预测数据,辅助线法的RMSE减少为经典插值法的41.07%。辅助线法对一阶回转曲线的预测精度整体高于经典插值法,且迟滞效应的非线性误差越高,预测精度较经典插值法越优异。

力矩促动器的迟滞非线性建模校正

力矩促动器的迟滞非线性降低了系统的控制精度。为了解决该问题,建立了可以精确描述该迟滞现象的模型并提出了合理的补偿控制方案。首先,根据迟滞曲线的非中心对称的特性,基于Prandtl-Ishlinskii模型对力矩促动器的迟滞非线性进行分段建模,并采用LMS算法进行模型参数的优化辨识,模型预测误差的RMS值为0.08111N。然后,通过PI模型的解析逆模型进行补偿控制。实验结果表明,采用逆模型补偿后,力矩促动器输出力误差的RMS值从1.888N降低到0.2596N,误差的方均根值降低了86.25%,有效保证了系统的控制精度。

高精度光电编码器在南极望远镜中的应用研究

南极内陆极低的温度给天文望远镜的设计和研制带来了很大的挑战。要实现高精度的跟踪精度，望远镜上只有采用高精度的光电编码器作为轴角反馈元件，但是南极内陆冬季的温度范围从-50℃～80℃，在这样低温的环境下，直接采用光电编码器是不可能的。为了实现南极望远镜高精度的指向跟踪运动，特别是优于0.3角秒的跟踪精度时，必须要选用光电编码器。该报告首先研究了温度效应对光电编码器的影响，提出了一个初步的温控设计方案，然后基于CFD的模拟优化和低温环境实验验证，提出了实际的温控方案，并成功应用在第二台南极巡天望远镜的控制系统中。实验显示在-80℃的环境温度中，仅需要约6W的加热功率就可以将读数头的温度提高到25℃左右，满足了光电编码器在南极低温环境中的使用要求。

瞳面干涉激光多普勒测振

提出并实现了一套基于瞳面干涉和小波变换的零差激光测振系统,提高了多普勒信号的质量和信号处理精度。该系统将瞳面干涉技术引入到激光多普勒测振中,克服了像面干涉测振光路中复杂振动引起的探测光斑相对探测器偏移的现象,抑制了漂移引起的多普勒信号被调制的现象。在振动信息提取环节,采用小波脊提取算法提取信号瞬时频率,进而解算得到振动速度。将标准振动台作为振动源,磁电式速度传感器作为测量参考,通过测速与测振实验对系统性能进行验证。实验表明,所设计的系统对振动物体速度的测量与磁电式速度传感器具有一致性,对不同简谐振动参数的测量相对误差均在1.5%以内。

AST3：冰川上的巡天之眼

在目前地球上最适合天文观测的地点——南极高原冰穹A，无人值守的50厘米高精度光学／红外自动巡天系列望远镜AST3将目光投向深邃的宇宙。探索广袤太空的无穷奥秘。