【摘要】：為了保證空間望遠(yuǎn)鏡在天文觀測(cè)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定成像,望遠(yuǎn)鏡所在航天器平臺(tái)完成姿態(tài)控制,而望遠(yuǎn)鏡自身需要采取振動(dòng)抑制和精密穩(wěn)像控制措施,使得來(lái)自外部擾動(dòng)以及系統(tǒng)控制偏差對(duì)望遠(yuǎn)鏡視軸造成的影響在指標(biāo)范圍內(nèi)。精密穩(wěn)像系統(tǒng)在完成對(duì)觀測(cè)目標(biāo)快速精確跟蹤的同時(shí)對(duì)低頻擾動(dòng)的進(jìn)行抑制,這要求精密穩(wěn)像控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)基頻的限制下具有足夠大的帶寬同時(shí)在低頻段具有很強(qiáng)的抑制擾動(dòng)能力。課題主要面向空間望遠(yuǎn)鏡的高精度穩(wěn)像需求,開(kāi)展對(duì)精密穩(wěn)像系統(tǒng)中由壓電陶瓷(PZT)驅(qū)動(dòng)的口徑為400mm×400mm,結(jié)構(gòu)基頻為70Hz的大口徑快擺鏡(FSM)的控制方法的研究。完成的主要工作有:第一,對(duì)國(guó)際上使用FSM穩(wěn)像的先進(jìn)空間望遠(yuǎn)鏡完成了調(diào)研,對(duì)大口徑FSM的工作原理和技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)進(jìn)行了分析比較工作。第二,對(duì)望遠(yuǎn)鏡所受擾動(dòng)完成數(shù)據(jù)分析得到擾動(dòng)特性,結(jié)合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特性提出由隔振系統(tǒng),姿態(tài)跟蹤系統(tǒng)以及精密穩(wěn)像系統(tǒng)三部分構(gòu)成的穩(wěn)像方案。第三,運(yùn)用Duhem模型對(duì)PZT的遲滯特性進(jìn)行建模并設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)對(duì)PZT的遲滯效應(yīng)進(jìn)行消除,在頻率為10Hz的信號(hào)驅(qū)動(dòng)下,PZT的實(shí)際位移與目標(biāo)位移的均方根誤差為83.6nm。第四,運(yùn)用掃頻法完成對(duì)大口徑FSM的系統(tǒng)辨識(shí)得到其數(shù)學(xué)模型,然后運(yùn)用最優(yōu)Hankel范數(shù)近似算法將傳遞函數(shù)進(jìn)行降價(jià)以利于后續(xù)控制器設(shè)計(jì)。第五,分別運(yùn)用最優(yōu)PID、線性二次高斯(LQG)和H_∞算法對(duì)FSM設(shè)計(jì)控制器并進(jìn)行仿真,仿真結(jié)果表明,系統(tǒng)帶寬達(dá)到20Hz以上,誤差抑制帶寬達(dá)到10Hz以上。第六,結(jié)合機(jī)械動(dòng)力學(xué)軟件Adams,在Simulink中搭建集成仿真系統(tǒng),對(duì)精密穩(wěn)像系統(tǒng)進(jìn)行仿真,仿真結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)對(duì)平臺(tái)所造成的擾動(dòng)有良好的抑制作用,系統(tǒng)帶寬達(dá)到20Hz,擾動(dòng)抑制帶寬達(dá)到8Hz,穩(wěn)像精度達(dá)到0.043arcsec。第七,對(duì)所設(shè)計(jì)的控制器在大口徑FSM半實(shí)物仿真平臺(tái)上完成實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,以頻率為8Hz的正弦信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào),FSM的實(shí)際擺動(dòng)位移與目標(biāo)擺動(dòng)位移的均方根誤差0.077arcsec。課題全面和深入的對(duì)空間望遠(yuǎn)鏡穩(wěn)像系統(tǒng)進(jìn)行了研究,完成了大口徑快擺鏡的控制方法與仿真系統(tǒng)研究工作,主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)為:第一,針對(duì)大口徑FSM系統(tǒng)的大擺角范圍以及高控制帶寬的技術(shù)要求,提出了“模型辨識(shí)+控制器設(shè)計(jì)+半實(shí)物仿真”一體的高精度控制研究方案。對(duì)PZT驅(qū)動(dòng)機(jī)制和FSM參數(shù)辨識(shí)、控制方法做了系統(tǒng)分析和研究,采用Duhem模型對(duì)PZT的遲滯特性進(jìn)行建模和補(bǔ)償控制;采用掃頻法完成對(duì)大口徑FSM的系統(tǒng)辨識(shí);采用最優(yōu)PID、線性二次高斯(LQG)和H_∞算法對(duì)FSM設(shè)計(jì)控制器并完成對(duì)大口徑FSM系統(tǒng)的仿真。第二,結(jié)合動(dòng)力學(xué)仿真、光學(xué)仿真以及控制仿真建立了精密穩(wěn)像系統(tǒng)模型,用于驗(yàn)證后續(xù)所設(shè)計(jì)控制器的跟蹤性能以及擾動(dòng)抑制能力。針對(duì)平臺(tái)擾動(dòng)建立了一種功率譜密度(PSD)擾動(dòng)分析模型,并利用該模型根據(jù)擾動(dòng)的分布特性設(shè)計(jì)了包絡(luò)曲線,可用于大口徑FSM系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)抑制能力的分析。第三,搭建了半實(shí)物仿真平臺(tái),對(duì)所設(shè)計(jì)控制器進(jìn)行驗(yàn)證,跟蹤精度達(dá)到0.077arcsec。集成仿真結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)對(duì)平臺(tái)擾動(dòng)有良好的抑制作用,系統(tǒng)帶寬達(dá)到20Hz,擾動(dòng)抑制帶寬達(dá)到8Hz,穩(wěn)像精度達(dá)到0.043arcsec。
【圖文】：

第 1 章 緒論粗慣性測(cè)量，太陽(yáng)敏感器用于姿態(tài)探測(cè)，，而星敏感器用于 的指向控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精慣性測(cè)量，它由精細(xì)導(dǎo)星儀( FGS)通過(guò)電子倍增管的干涉模式得到精確的姿態(tài)基準(zhǔn)[4敏感器和 FGS 的姿態(tài)數(shù)據(jù)，可以得到望遠(yuǎn)鏡視軸的速率信息；經(jīng)過(guò)控制系統(tǒng)處理后將驅(qū)動(dòng)反作用輪產(chǎn)生姿態(tài)控制裝了三對(duì)流體阻尼隔振器隔離振動(dòng)。

角位移信息；經(jīng)過(guò)控制系統(tǒng)處理后將驅(qū)動(dòng)反作用輪產(chǎn)生姿態(tài)控制力矩，輪上安裝了三對(duì)流體阻尼隔振器隔離振動(dòng)。圖 1.1 哈勃空間望遠(yuǎn)鏡Figure 1.1 Hubble space telescope
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TH751

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2620443