專利名稱：用于天文望遠(yuǎn)鏡的非線性干擾模擬與檢測控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種非線性干擾模擬與檢測控制系統(tǒng)，具體涉及一種用于天文望遠(yuǎn)鏡的非線性干擾模擬與檢測控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可用于天文望遠(yuǎn)鏡的非線性干擾的特性研究，抗干擾的控制策略和控制算法研究。本發(fā)明是國家自然科學(xué)基金面上項目“南極大口徑天文光學(xué)望遠(yuǎn)鏡低速高精度跟蹤中的低溫非線性干擾補(bǔ)償?shù)难芯俊?11073034)(江蘇省“333”工程共同資助項目)和國家自然科學(xué)基金“極大望遠(yuǎn)鏡摩擦傳動滑移動態(tài)修正系統(tǒng)的研究” (10778630)的研究成果。
背景技術(shù)：
天文望遠(yuǎn)鏡在工作過程中，由于各種非線性干擾，如風(fēng)載、非線性摩擦、電機(jī)齒槽 效應(yīng)、望遠(yuǎn)鏡在不同姿態(tài)時的慣量變化等，最終都會使得被驅(qū)動負(fù)載發(fā)生波動，進(jìn)而影響望遠(yuǎn)鏡的低速平穩(wěn)性和跟蹤天體的精度。目前在天文望遠(yuǎn)鏡領(lǐng)域，對于非線性干擾的研究方式一是理論分析和數(shù)字仿真，通過對非線性干擾的建模，采用MATLAB/SMULINK等軟件在計算機(jī)上進(jìn)行實驗和研究；另外一種方式是在具體的望遠(yuǎn)鏡上，通過望遠(yuǎn)鏡實際運行過程中的動態(tài)特性、靜態(tài)特性等實驗數(shù)據(jù)，對遇到的主要非線性干擾因素加以分析和解決。望遠(yuǎn)鏡非線性干擾采用數(shù)字仿真的費用低而且耗時短，方便靈活，缺點是對快速系統(tǒng)難以實時仿真，預(yù)設(shè)參數(shù)得當(dāng)與否，直接影響仿真的效果與可信度。而在具體的望遠(yuǎn)鏡上做非線性干擾的研究，缺點有(1)極大延長了天文望遠(yuǎn)鏡的研制時間；(2)很多情況下是“亡羊補(bǔ)牢”，而不是“防患未然”，已經(jīng)基本成型的望遠(yuǎn)鏡上發(fā)現(xiàn)了非線性干擾問題，實際上由于經(jīng)費、項目進(jìn)度等原因，往往無法從根本上改動設(shè)計，只好依賴算法、軟件等修修補(bǔ)補(bǔ)。因此這不是科學(xué)的方式。所以在望遠(yuǎn)鏡建設(shè)之初、甚至是設(shè)計時就進(jìn)行非線性干擾的理論分析和仿真是目前大型天文望遠(yuǎn)鏡的一種主流方式。為提高仿真的可信度，國內(nèi)外知名的大型天文望遠(yuǎn)鏡一般不會只采用數(shù)字仿真，而是進(jìn)一步采用物理仿真，以實物模型介入，效果逼真，精度高，具有實時性與在線性的特點。例如，目前中國最大的天文光學(xué)望遠(yuǎn)鏡4米級郭守敬望遠(yuǎn)鏡(即LAMOST)，就先期設(shè)計建造了一個I米級的裝置進(jìn)行各項研究。盡管這種方法在國內(nèi)外最為流行，其不足之處也是很明顯的構(gòu)成復(fù)雜，造價較高，耗時過長。而且天文望遠(yuǎn)鏡往往是單件研制，很少有系列化產(chǎn)品，所以每一臺都需要做個模型，通用性不強(qiáng)。

發(fā)明內(nèi)容
為給望遠(yuǎn)鏡控制系統(tǒng)的設(shè)計提供實驗條件，針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種用于天文望遠(yuǎn)鏡的非線性干擾模擬與檢測控制系統(tǒng)，該方案要解決的技術(shù)問題是，提供一種半實物仿真方法，其模擬的非線性干擾范圍大，動態(tài)響應(yīng)快，模擬精度高，并且能夠?qū)崿F(xiàn)實時動態(tài)調(diào)整。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種用于天文望遠(yuǎn)鏡的非線性干擾模擬與檢測控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)有上位機(jī)，根據(jù)非線性干擾模型，由所述上位機(jī)的程序產(chǎn)生模擬的非線性干擾信號；其特征在于該系統(tǒng)還包括有非線性干擾模擬子系統(tǒng)、非線性干擾檢測子系統(tǒng)、軟件子系統(tǒng)3大部分，其中所述的非線性干擾模擬子系統(tǒng)由PMAC控制器、干擾力矩電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動器組成；該子系統(tǒng)中的PMAC運動控制器通過Ethernet或USB端口與上位計算機(jī)進(jìn)行數(shù)字通訊，進(jìn)而通過電機(jī)驅(qū)動器驅(qū)動干擾力矩電機(jī)，輸出非線性的干擾力矩；該干擾力矩電機(jī)的軸通過彈性聯(lián)軸節(jié)與望遠(yuǎn)鏡負(fù)載相聯(lián)；所述的非線性干擾的檢測子系統(tǒng)由扭矩傳感器和PMAC控制器組成扭矩傳感器的模擬量信號通過PMAC卡的AD模數(shù)轉(zhuǎn)換口輸入PMAC運動控制器，與上位機(jī)命令實時比較實現(xiàn)力矩的閉環(huán)，保證模擬的非線性信號能夠準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)；所述的軟件子系統(tǒng)根據(jù)非線性擾動的數(shù)學(xué)模型，在Windows下以C語言編程，實現(xiàn)模擬風(fēng)載等非線性擾動、實時檢測與監(jiān)控、界面的圖形顯示等。該軟件子系統(tǒng)設(shè)置在本非線性干擾模擬與檢測控制系統(tǒng)的上位機(jī)中。 更具體和更優(yōu)化地說，本發(fā)明的非線性干擾模擬子系統(tǒng)，在實驗室模擬時，聯(lián)接的負(fù)載設(shè)計為一個摩擦驅(qū)動的望遠(yuǎn)鏡仿真轉(zhuǎn)臺和一個直接驅(qū)動的望遠(yuǎn)鏡仿真轉(zhuǎn)臺。在測試剛研制出來的望遠(yuǎn)鏡時，通過聯(lián)軸節(jié)脫開模擬的望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)臺，直接聯(lián)接到真正的望遠(yuǎn)鏡即可。該直流電機(jī)設(shè)有有測速反饋發(fā)電機(jī)(也稱為測速機(jī))，該測速反饋發(fā)電機(jī)的信號反饋給電機(jī)驅(qū)動器，實現(xiàn)速度反饋，以保證模擬控制系統(tǒng)速度平穩(wěn)。使用直流力矩電機(jī)是本發(fā)明一個特征，該類型電機(jī)出力大，驅(qū)動控制簡單，造價低而精度高。避免了使用減速器，因為減速器會給此系統(tǒng)帶來如下缺點動態(tài)響應(yīng)慢，減速機(jī)的齒隙本身就是就是非線性因素，造成系統(tǒng)的力矩輸出產(chǎn)生諧波畸變。本發(fā)明的非線性干擾的檢測子系統(tǒng)中所述的扭矩傳感器的設(shè)置采用以下兩種方式之一:(A)對于采用摩擦驅(qū)動方式的望遠(yuǎn)鏡，采用2個扭矩傳感器，扭矩傳感器分別安裝在主動摩擦輪和從動輪的旋轉(zhuǎn)軸上。兩個傳感器的扭矩和扭矩差的變化反映了負(fù)載的波動情況。(B)對于采用直接驅(qū)動方式的望遠(yuǎn)鏡，采用I個扭矩傳感器，扭矩傳感器安裝在直接驅(qū)動主軸的旋轉(zhuǎn)軸上。扭矩傳感器的數(shù)據(jù)變化反映了負(fù)載的波動情況。本發(fā)明的優(yōu)點(有益效果)是本發(fā)明相對于采用實物模型的物理仿真，其造價低，通用性好。相對于數(shù)字仿真，它是一種更接近實際的仿真試驗技術(shù)非線性干擾的特點，其對望遠(yuǎn)鏡的動態(tài)特性、靜態(tài)特性造成的影響都能真實地反映出來。(I)這種仿真技術(shù)可用于修改控制系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計，在控制系統(tǒng)研制成功后，在真正用于望遠(yuǎn)鏡控制前，通過此半實物仿真來驗證控制系統(tǒng)抵抗非線性干擾的性能，若系統(tǒng)性能指標(biāo)不滿足設(shè)計要求，則可調(diào)整控制系統(tǒng)的參數(shù)或修改控制系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計。(2)控制系統(tǒng)安裝到望遠(yuǎn)鏡上后，在望遠(yuǎn)鏡出廠前，此非線性干擾模擬與檢測控制系統(tǒng)可以安裝在望遠(yuǎn)鏡上，模擬望遠(yuǎn)鏡觀測地點的風(fēng)載等非線性干擾，對望遠(yuǎn)鏡的機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步研究和完善，也減輕了在天文觀測站現(xiàn)場調(diào)試時的工作量。同時此系統(tǒng)亦可作為天文望遠(yuǎn)鏡出廠檢驗的一個手段。本方法能夠靈活模擬多種非線性干擾并將其施加到望遠(yuǎn)鏡的運動軸上，如模仿風(fēng)載、慣量耦合、線纜變化阻力等原因造成的望遠(yuǎn)鏡負(fù)載波動。方法實現(xiàn)簡單，精度高，重復(fù)性好，可靠性高，有很強(qiáng)的實用價值。可以極大地促進(jìn)望遠(yuǎn)鏡非線性擾動控制策略和算法方面的實驗研究。


圖I為本發(fā)明非線性干擾模擬與檢測控制系統(tǒng)原理框圖；圖2為非線性干擾模擬與檢測控制系統(tǒng)的方法流程圖；圖3為力矩擾動曲線；圖4為軟件結(jié)構(gòu)圖。
具體實施例方式實施例1，非線性干擾模擬與檢測控制系統(tǒng)，參照附圖1-4 本實施例是非線性干擾模擬與檢測控制系統(tǒng)在摩擦驅(qū)動天文望遠(yuǎn)鏡上的一個應(yīng)用，控制系統(tǒng)原理如圖I所示，控制方法流程圖如圖2所示。望遠(yuǎn)鏡非線性干擾模擬與檢測控制系統(tǒng)包括望遠(yuǎn)鏡非線性干擾模擬系統(tǒng)和望遠(yuǎn)鏡非線性干擾檢測系統(tǒng)和上位機(jī)軟件共3個部分。(I)非線性干擾模擬控制系統(tǒng)主要包含PMAC、有刷直流電機(jī)和電機(jī)驅(qū)動器。其中有刷直流電機(jī)來自成都精密電機(jī)廠，型號與參數(shù)見表I。表I直流力矩-測速機(jī)組主要技術(shù)參數(shù)


權(quán)利要求
1.一種用于天文望遠(yuǎn)鏡的非線性干擾模擬與檢測控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)有上位機(jī)，根據(jù)非線性干擾模型，由所述上位機(jī)的程序產(chǎn)生模擬的非線性干擾信號；其特征在于該系統(tǒng)還包括有非線性干擾模擬子系統(tǒng)、非線性干擾檢測子系統(tǒng)、軟件子系統(tǒng)3大部分，其中 所述的非線性干擾模擬子系統(tǒng)由PMAC控制器、干擾力矩電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動器組成；該子系統(tǒng)中的PMAC運動控制器通過Ethernet或USB端口與上位計算機(jī)進(jìn)行數(shù)字通訊,進(jìn)而通過電機(jī)驅(qū)動器驅(qū)動干擾力矩電機(jī)，輸出非線性的干擾力矩；該干擾力矩電機(jī)的軸通過彈性聯(lián)軸節(jié)與望遠(yuǎn)鏡負(fù)載相聯(lián)； 所述的非線性干擾的檢測子系統(tǒng)由扭矩傳感器和PMAC控制器組成扭矩傳感器的模擬量信號通過PMAC卡的AD模數(shù)轉(zhuǎn)換口輸入PMAC運動控制器，與上位機(jī)命令實時比較實現(xiàn)力矩的閉環(huán)，保證模擬的非線性信號能夠準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)； 所述的軟件子系統(tǒng)根據(jù)非線性擾動的數(shù)學(xué)模型，在Windows下以C語言編程，實現(xiàn)模擬風(fēng)載等非線性擾動、實時檢測與監(jiān)控、界面的圖形顯示； 該軟件子系統(tǒng)設(shè)置在本非線性干擾模擬與檢測控制系統(tǒng)的上位機(jī)中。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于天文望遠(yuǎn)鏡的非線性干擾模擬與檢測控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的干擾力矩電機(jī)采用直流力矩電機(jī)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于天文望遠(yuǎn)鏡的非線性干擾模擬與檢測控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的所述的非線性干擾模擬子系統(tǒng)，在實驗室模擬時，聯(lián)接的負(fù)載設(shè)計為一個摩擦驅(qū)動的望遠(yuǎn)鏡仿真轉(zhuǎn)臺和一個直接驅(qū)動的望遠(yuǎn)鏡仿真轉(zhuǎn)臺。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于天文望遠(yuǎn)鏡的非線性干擾模擬與檢測控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的該直流電機(jī)設(shè)有有測速反饋發(fā)電機(jī)，該測速反饋發(fā)電機(jī)的信號反饋給電機(jī)驅(qū)動器，實現(xiàn)速度反饋。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于天文望遠(yuǎn)鏡的非線性干擾模擬與檢測控制系統(tǒng)，其特征在于，非線性干擾的檢測子系統(tǒng)中所述的扭矩傳感器的設(shè)置采用以下兩種方式之一 (A)對于采用摩擦驅(qū)動方式的望遠(yuǎn)鏡，采用2個扭矩傳感器，扭矩傳感器分別安裝在主動摩擦輪和從動輪的旋轉(zhuǎn)軸上；兩個傳感器的扭矩和扭矩差的變化反映了負(fù)載的波動情況； (B)對于采用直接驅(qū)動方式的望遠(yuǎn)鏡，采用I個扭矩傳感器，扭矩傳感器安裝在直接驅(qū)動主軸的旋轉(zhuǎn)軸上；扭矩傳感器的數(shù)據(jù)變化反映了負(fù)載的波動情況。
6.根據(jù)權(quán)利要求2-5之一所述的用于天文望遠(yuǎn)鏡的非線性干擾模擬與檢測控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的直流力矩電機(jī)與測速反饋發(fā)電機(jī)機(jī)組主要技術(shù)參數(shù)為
全文摘要
用于天文望遠(yuǎn)鏡的非線性干擾模擬與檢測控制系統(tǒng)，根據(jù)非線性干擾模型由上位機(jī)的程序產(chǎn)生模擬的非線性干擾信號；還包括有非線性干擾模擬子系統(tǒng)、非線性干擾檢測子系統(tǒng)、軟件子系統(tǒng)非線性干擾模擬子系統(tǒng)由PMAC控制器、干擾力矩電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動器組成；干擾力矩電機(jī)的軸通過彈性聯(lián)軸節(jié)與望遠(yuǎn)鏡負(fù)載相聯(lián)，輸出非線性的干擾力矩；非線性干擾的檢測子系統(tǒng)由扭矩傳感器和PMAC控制器組成扭矩傳感器的模擬量信號輸入PMAC運動控制器，與上位機(jī)命令實時比較實現(xiàn)力矩的閉環(huán)；軟件子系統(tǒng)根據(jù)非線性擾動的數(shù)學(xué)模型，在Windows下以C語言編程，實現(xiàn)模擬風(fēng)載等非線性擾動。本發(fā)明相對于采用實物模型物理仿真，造價低，通用性好。
文檔編號G05D3/12GK102799192SQ20121028909
公開日2012年11月28日 申請日期2012年8月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月14日
發(fā)明者楊世海, 王國民 申請人:中國科學(xué)院國家天文臺南京天文光學(xué)技術(shù)研究所