拼接子镜力矩促动器布局的优化设计

为了降低较为昂贵的镜面抛光和光机装配费用,以及应对温度、重力及其他意外因素导致的镜面低阶像差,一种在被动浮动支撑结构上施加力矩以实现面形实时校正的力矩促动器在部分望远镜上已有成熟应用。本文旨在针对我国未来的大口径地基光学望远镜,对其拼接子镜力矩促动器的分布进行优化与设计。根据工程经验和参考文献初步确定力矩促动器所需的校正能力,通过三维建模软件对拼接子镜及镜室进行建模,最后通过有限元仿真和最小二乘法拟合对力矩促动器的布局进行优化设计。计算结果表明,采用18个力矩促动器的分布方案能够对离焦、像散、彗差和三叶像差进行良好的校正。对于具有数百面子镜的拼接望远镜来说,18个力矩促动器方案在满足光学设计需求的同时,有效节约了建设经费并降低了工艺的复杂性。

基于力矩促动器的镜面半主动光学支撑系统集成优化设计

基于半主动光学技术的半主动支撑,通过力矩促动器(Warping Harness,WH)弹簧叶片将校正力转换为校正力矩,对由重力、温度等误差源引入的镜面低阶像差进行校正。针对利用传统经验设计反射镜时存在的设计缺陷,提出一种反射镜支撑系统优化设计新方法,即结合结构尺寸优化和经验设计的镜面支撑系统综合设计优化方法,并建立一套基于WH的半主动镜面支撑系统。首先,按照经验公式设计了支撑系统初始结构;设计了一款L形镂空式WH弹簧叶片,并对其开展了非线性分析及疲劳分析,确定叶片厚度为2 mm、寿命为1.2×106次。然后,通过优化镜面支撑点位置、三角板柔节位置、支撑系统柔性件关键尺寸参数,将光轴竖直及水平状态下镜面RMS值由119 nm和106 nm分别降至13.3 nm和4.8 nm;1°C温差状态下镜面面形差由2.8 nm降至1.9 nm;一阶谐振频率由80 Hz提升至130 Hz。最后,采用提出的方法对半主动支撑系统的校正能力进行验证。结果表明:本套半主动支撑系统对镜面离焦、初级像散、初级慧差、初级球差的校正率最高可达99%,且校正后各像差幅值均小于1 nm;室温自重状态下对镜面面形RMS值校正率最高可达46.5%;温升10°C情况下的校正率为31.28%。

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。