MFC驱动主动反射器形面的有限时间动态变形控制

利用智能压电作动器可实现反射面天线的形面主动调整,提升形面精度和信号传输性能。常规的静态形面控制策略仅能估计作动器的末端电压值,实际电压加载过程易引发柔性反射面结构的瞬态动力学响应和残余振动,难以实现高精度动态形面控制效果,且影响系统稳定性。为此,该研究以宏纤维复合材料(macro fiber composites, MFC)驱动的抛物面形反射器为对象,研究有限时间的动态形面控制算法。首先,基于有限元模型推导控制方程,并将控制问题转化为有限时间的时变LQ终端控制和跟踪控制问题,进而通过求解微分Riccati方程组(differential Riccati equations, DREs)得到反馈–前馈时变控制律。结果表明,利用所提有限时间动态变形控制算法,可实现连续、平滑的反射器动态形面调整效果,避免了电压加载过程激发的结构附加振动,可有效提升这类主动反射器的静态、动态控制性能。

拼接镜的主动光学面形控制

为了实现对拼接式望远镜各子镜的主动控制,建立了正六边形子镜拼接的面形控制方程,并研究了传感器的安装位置对面形控制的影响。根据子镜之间相对位置的测量要求确定了主动控制所采取的方式,建立了由3个正六边形子镜组成的拼接镜的面形控制方程,并分析了传感器的安装位置对面形控制的影响。提出了传感器沿垂直镜缝方向错位安装的方法,分析了该方法对于拼接子镜扩展的适用性。分析表明,对于边长0.9 m,对角线长1.8 m的子镜,传感器错开0.02 m安装即能够准确检测子镜之间的位置变化;给出了正确的促动器调整信息,满足了拼接镜主动面形实时、高精度控制等要求。

空间望远镜分块式主镜面形控制系统建模

新一代空间望远镜采用分块式主镜方案,以多个旁瓣子镜背后布置的若干致动器为控制手段,对主镜面形进行高精度控制,是一个复杂的控制系统。应用BP神经网络的方法建立了以致动器作用力为输入、镜面形变的Zernike多项式拟合系数为输出的镜面形变模型,并利用镜面形变的有限元分析的大量数据,对BP模型进行离线训练和模型预测效果的检验。仿真结果表明所建BP模型接近有限元分析的精度,并可以满足空间望远镜在线控制的实时性要求。

离子辅助沉积大口径传输反射镜面形控制研究

针对大型激光系统中光束质量低和波前畸变等特点,采用离子辅助电子束蒸发技术成功实现对多层膜残余应力的精确控制。通过分析氧化铪、氧化硅单层膜残余应力变化规律,研究了离子源束压、束流参量对膜层折射率、残余应力性质及大小的影响。540 mm×340 mm×60 mm规格大口径传输反射镜面形PV值达到0.5λ(λ=632 nm),小光束损伤测试情况下,样品元件的损伤阈值大于30 J/cm2(N-on-1,1 064 nm,5 ns),利用该技术制备的大口径传输反射镜已获得成功应用。

静电拉伸空间薄膜反射镜面形控制机理研究

薄膜反射镜将解决反射镜孔径与重量相互制约的问题.采用静电拉伸法控制薄膜反射镜面形,具有结构简单、反射镜面形易于控制等优点,其原理为利用静电场上库仑力作用使薄膜产生面形变化,生成所需的光学曲面.由于薄膜变形力学,以及静电场理论的复杂性,目前薄膜成形及其面形控制在理论分析上仍未有定量的结果.本文主要以单电极静电场中的薄膜反射镜面形为考察因素,通过数值计算的方法得到薄膜反射镜上的静电力分布,运用有限元分析获得该分布下的反射镜面形,并将其与理想面形进行比较.提出采用多电极闭环控制可获得更高的控制精度,对静电拉伸薄膜的研究具有一定的指导意义.

空间望远镜主镜面形静态控制方法

空间望远镜分块式主镜的面形由其背后布置的若干致动器进行高精度控制。为了提高面形控制精度,设计了基于主镜面形非线性模型的模型预测修正法和非线性最小二乘法。并应用BP神经网络建立了主镜面形和致动器作用力之间的逆模型,提出了神经网络非线性逆控制法。仿真结果表明应用这三种方法对空间望远镜进行在线控制,控制精度均优于线性最小二乘控制法。

空间薄膜反射镜主动面形控制研究进展

空间薄膜反射镜由于其具有极低的面密度,极高的体积包装效率、低的制造成本等优点,在未来大口径空间光学系统中具有广泛的应用前景。主动面形控制是薄膜反射镜的关键技术之一。按作动器作动的位置不同,对主动面形控制进行了分类,分析了各种作动器的特点,从数学建模和试验验证两个方面对边界作动的主动面形控制和面内作动的主动面形控制的研究进展进行了综述,重点评述了面形控制的理论模拟方法、已有的面形控制试验设备及所验证的内容,最后对主动面形控制的研究方向进行了展望。

膜基反射镜面形控制系统设计与实现

膜基反射镜的面形控制是研制膜基反射镜的关键技术之一。设计了一种基于模糊逻辑控制技术的膜基反射镜面形控制系统,包括面形设计、面形控制、面形分析和面形控制仿真等功能模块。采用Visual C#和MATLAB混合编程来实现系统功能,并在仿真系统中嵌入了ANSYS有限元分析功能。采用控制反射镜中心截面矢高的方法设计控制器,利用Zernike多项式拟合得到膜基反射镜的面形及其像差。对口径为300 mm、F/5的膜基反射镜进行了面形控制和扰动响应仿真分析,最终得到面形误差RMS值为71λ(λ=632.8 nm),在相同条件下,该结果与根据薄膜大扰度形变理论得到的面形误差结果相一致。

星载天线反射器形面主动控制研究现状与展望

星载天线是卫星系统的重要载荷,在远距离微波遥感、深空探测、军事侦查以及通信等领域起着决定性作用。随着天线频率和增益需求的不断提高,大口径、高精度成为星载天线主要发展方向。传统被动方法难以保证反射器在轨形面精度,而主动控制技术正成为解决这一问题的重要选择。介绍了天线反射器形面主动控制技术相关研究工作的进展,内容涉及形面主动控制方案、作动器技术、形面主动控制方法、高精度形面测量以及形面主动控制实验系统,分析总结了星载天线形面主动控制相关的关键技术,并对其发展进行了展望。

新型控制方式在超薄片双面研磨抛光加工中的应用——针对超薄蓝宝石片、蓝玻璃、石英片的加工解决方案

首先简单介绍了双面研磨/抛光加工的机理,随后针对超薄硬脆材料的双面加工对设备所提出的需求,从上下盘的面形控制、压力精度控制和速度同步性的控制等方面分别阐述了对超薄片加工的不同影响,及相应的解决办法和思路。最后提到,双面研磨抛光设备要想获得理想的加工精度,成熟的工艺也是必要的保证。

水平偏转线圈绕制模具复杂型面检测及加工标准的建立与实施

本文采用复杂型面数字仿真分析技术和光滑曲面拟合技术相结合,对水平偏转线圈绕制模的成形面进行了研究,结果表明模具成形面可通过对特定回转面沿对称轴两侧进行对称微量修整而得到,由此建立了绕制模复杂型面的检测及加工标准和实施方法,并开发了相应的智能加工(检测)系统。

薄膜反射镜静电成形机理研究

为了控制薄膜反射镜面形,建立了静电拉伸薄膜反射镜物理模型。根据静电力与薄膜变形载荷作用力之间的平衡关系和静电拉伸薄膜反射镜成形的复杂过程,介绍了薄膜反射镜静电成形的控制原理;以三等分环状电极为例,分析了静电场中空间电势分布特性,即从拉普拉斯方程推导出静态场势函数的表达式;然后,利用差分与电势方程结合的方法,对单电极电场力和三等分环状电极电场力进行了数值求解;最后,将计算面形与理想抛物面进行了比较,结果显示,单电极情况下得到的薄膜反射镜面形不是理想抛物面,若采用多电极控制可获得更高的控制精度。模拟结果和实验结果表明:多电极控制情况比单电极情况下受力更接近均布力分布,口径180 mm的薄膜反射镜在相同口径单电极控制下,施加10 000 V电压可得到反射镜最大变形为0.001 094 8 mm。系统长时间工作安全稳定,薄膜变形的对称性较好。

薄膜加载变形的有限元数值优化反演求解

薄膜加载变形的反演求解问题是薄膜反射镜成形控制的核心问题。为了实现薄膜面形的高精度控制,给出了柔性圆薄膜由平面变为特定矢高的理想抛物面所需离散均布载荷的算法,并建立了有限元数值优化反演求解模型。通过300mm口径、25um厚的聚酰亚胺薄膜算例求解,分析了边界预张力、优化载荷对薄膜面形精度和中心变形量的控制规律,为大变形薄膜反射镜面形控制提供了依据。

光学元件抛光的PSD分析及控制策略

在光学加工领域,采用功率谱密度(power spectral density,PSD)对误差频谱方面信息进行表征,但是功率谱密度是表面误差统计信息,不如峰谷值(peak-valley,PV)和均方根值(root mean square,RMS)直观。为了分析功率谱密度与工艺参数之间的关系,该文从PSD定义出发,分析了随机面形轮廓不同参数对光学PSD的影响规律,总结了PSD控制的要点,在平面玻璃上对数控抛光典型路径下加工的PSD曲线进行分析。分析结果表明:PSD与随机轮廓幅值、频率分布有关,相位对它几乎无影响;在RMS接近情况下,PSD线性拟合斜率和RMS Slope随随机轮廓的自相关长度增加而下降;短程加工路径相较于长程有序路径能够有效抑制PSD曲线峰值,使得光学元件符合频谱抑制要求。

基于P-CS模型与数字孪生的星载天线反射器形面鲁棒性控制方法

星载天线反射器形面精度对其电磁性能影响至关重要,基于压电作动器的形面主动控制方法是保障反射器在轨服役期间形面精度的一个有效手段。本文考虑反射器结构在轨期间的材料属性时变不确定性,结合数字孪生技术提出了一种反射器形面鲁棒性主动控制方法。首先,将材料属性在概率-凸集模型(P-CS)下统一量化,并基于贝叶斯理论和位移监测实现数据驱动的模型动态更新;其次,以反射器结构面外位移鲁棒性作为结构形面精度不确定性评价指标,建立作动器电压布局优化模型,并用空间场函数描述电压布局形式,实现大规模离散设计变量的降维映射。该动态更新布局优化模型可分解为一系列序列子优化问题,基于代理模型优化算法进行求解。最后,将本文方法应用于六边形反射器形面主动控制问题中,分别讨论了施加不同种电压约束的情况,数值算例验证了本算法的有效性和适用性。

自传感介电弹性体执行器的动力学设计及应用

本文提出了一种传感与作动一体化的介电弹性体(DE)软执行器,可用于薄膜结构形面变形的同步测量和控制.首先,建立DE软执行器电致驱动过程的动力学模型,描述其力电耦合行为.其次,通过开展动态作动实验,辨识该动力学模型的参数.第三,分析不同参数对作动器动态响应的影响,以理解其基本动力学特性.第四,建立DE软执行器自传感过程的简化电路模型,并对其电学参数与位移之间的关系进行实验标定.最后,开展平面薄膜结构的形面位移自适应调整实验,并设计相应的控制策略.实验结果表明,该DE软执行器在作动和传感方面均具有较高精度.因此,其在构建高精度空间薄膜天线方面具有较好的应用前景.

连续微光学元件在光刻胶上的面形控制

介绍了连续微光学元件在光刻胶上的面形控制方法。分析了光刻胶及显影液在制作二元和连续元件中所存在的差别 ;导出具有倒易关系的浮雕深度表达式和适用的范围 ,并以此指导面形的控制 ,对光刻胶进行适当的改造以适应连续微光学元件的制作。本文还给出了实验验证 ,制作出了多种质量优良的连续微光学元件 ,并对典型元件的面形进行了评价。

精确控制大数值孔径微透镜列阵面形的显影阈值方法

提出了一种可对大矢高、非球面微透镜阵列面形进行精确控制的新方法。针对不同面形的微透镜阵列 ,该方法首先对光致抗蚀剂表面的曝光分布进行设计 ,然后 ,利用光致抗蚀剂显影过程中的阈值特性 ,对微透镜的面形实行控制。当抗蚀剂显影速率接近 0时 ,即可获得设计的微透镜面形。该方法不仅大大提高了微透镜阵列矢高的加工范围 ,而且还减小了光刻材料显影特性对微透镜面形的影响 ,提高了微透镜阵列的面形控制精度 ,在实验中获得了矢高达 114 μm的微透镜阵列。最终实现了大浮雕深度、大数值孔径、非球面微列阵光学元件的面形控制。

空间望远镜分块式主镜建模与面形控制方法

空间望远镜分块式主镜的面形是由其背后布置的若干致动器控制的,是一个复杂的控制系统。应用BP神经网络的方法建立了以致动器作用力作为输入、镜面形变的Zernike多项式拟合系数作为输出的镜面形变模型。利用镜面有限元分析的大量数据对该模型进行了离线训练,并在最小二乘法的基础上,设计了加入单纯形修正算法的主镜面形静态控制器。仿真结果表明,应用该控制器对空间望远镜进行在线控制,控制精度优于最小二乘控制法。

连续微浮雕面形控制的新方法

建立了抗蚀剂表面曝光量分布与抗蚀剂内部PAC浓度分布之间的关系,通过分析抗蚀剂内部PAC浓度分布特 点,发现了抗蚀剂显影过程中的壁垒效应。在此基础上,提出一种新颖的微浮雕面形控制方法——等PAC浓度曲线面形控 制技术。该方法克服了抗蚀剂显影模型精度以及显影不稳定性对浮雕面形的影响,使光刻胶上微结构浮雕深度超过 100μm,面形均方根误差小于1μm。