本文關(guān)鍵詞：望遠(yuǎn)鏡中跟蹤架的擾動(dòng)補(bǔ)償及精密控制技術(shù)研究

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【摘要】：本文研究的方向是基于中科院先導(dǎo)專項(xiàng)量子通信項(xiàng)目中所設(shè)計(jì)的1.2m光通信望遠(yuǎn)鏡。該望遠(yuǎn)鏡同時(shí)具備量子激光通信端和天文觀測端。為保證望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)能同時(shí)在量子激光通信端和天文觀測端都具有高指向精度和跟蹤精度,本文對影響望遠(yuǎn)鏡精度的因素進(jìn)行了分析,主要包括兩個(gè)方面,內(nèi)部擾動(dòng)和外部擾動(dòng)。內(nèi)部擾動(dòng)如模型不確定性,電機(jī)力矩波動(dòng),摩擦力擾動(dòng)和傳動(dòng)間隙等。外部擾動(dòng)對于地基式的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)則主要是風(fēng)擾。所有這些因素都將嚴(yán)重影響望遠(yuǎn)鏡的跟蹤觀測性能,為此,本文重點(diǎn)研究了望遠(yuǎn)鏡中跟蹤架的擾動(dòng)補(bǔ)償及精密控制技術(shù)。文中首先建立望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型,并重點(diǎn)分析三個(gè)影響望遠(yuǎn)鏡精度的主要因素:摩擦擾動(dòng),風(fēng)擾和傳動(dòng)間隙。其次分析三種擾動(dòng)給望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)帶來的影響,介紹了這三種擾動(dòng)目前所常用的數(shù)學(xué)模型。最后,針對摩擦擾動(dòng)和傳動(dòng)間隙,介紹了望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中所采用的一些補(bǔ)償控制方法為抑制望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中的風(fēng)擾及摩擦力擾動(dòng),提出一種結(jié)合內(nèi)模與加速度環(huán)的多閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)。首先,深入分析結(jié)合內(nèi)模與加速度環(huán)的多閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)存在的意義,以及該控制結(jié)構(gòu)對擾動(dòng)的抑制能力。對系統(tǒng)的擾動(dòng)能力進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試,證實(shí)了依據(jù)理論分析所得出的結(jié)果。同時(shí),通過給望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)施加低頻擾動(dòng),驗(yàn)證了結(jié)合內(nèi)模與加速度環(huán)的多閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)對擾動(dòng)的抑制能力優(yōu)于傳統(tǒng)位置速度雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)和加入加速度環(huán)的三環(huán)控制結(jié)構(gòu)。在采用引入加速度環(huán)的三環(huán)控制結(jié)構(gòu)后,系統(tǒng)定點(diǎn)位置誤差相比傳統(tǒng)位置速度雙環(huán)結(jié)構(gòu)降低五倍。而在采用結(jié)合內(nèi)模與加速度環(huán)的多環(huán)控制結(jié)構(gòu)后,系統(tǒng)定點(diǎn)誤差進(jìn)一步降低兩倍。由于加速度環(huán)需要安裝一對額外的加速度傳感器,將會(huì)增加系統(tǒng)的成本。因此,文中提出基于改進(jìn)的擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的擾動(dòng)補(bǔ)償控制方法來抑制望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中存在的模型不確定性及摩擦擾動(dòng)等。并從理論上證實(shí)了該控制方法是收斂的。同時(shí)在望遠(yuǎn)鏡實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上,采用基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的擾動(dòng)補(bǔ)償控制方法對系統(tǒng)中的非線性擾動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償。實(shí)驗(yàn)證實(shí)了所提出的基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的擾動(dòng)補(bǔ)償控制方法對于抑制系統(tǒng)中的換向誤差有著明顯的效果。相比傳統(tǒng)PI控制方法,其最大誤差降低百分之三十;相比線性自抗擾控制方法,其最大誤差降低百分之十一。在采用基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的擾動(dòng)補(bǔ)償控制方法對系統(tǒng)非線性擾動(dòng)進(jìn)行抑制時(shí),系統(tǒng)中仍然存在較大的重復(fù)性換向誤差。在此基礎(chǔ)上,提出一種基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的迭代學(xué)習(xí)控制方法。擴(kuò)張狀態(tài)觀測器被用來將非線性系統(tǒng)改為近似的線性系統(tǒng),而迭代學(xué)習(xí)控制方法被用來找出系統(tǒng)最優(yōu)的控制輸入信號(hào)。兩種控制方法互相彌補(bǔ),最后,對其實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,展示了該方法對于降低系統(tǒng)的換向誤差有著優(yōu)秀的能力。針對未來望遠(yuǎn)鏡在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上小型化的發(fā)展趨勢,選擇了直流無刷伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)諧波減速器作為系統(tǒng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。分析了諧波減速器的原理及特點(diǎn)。對于諧波傳動(dòng)系統(tǒng)的搭建作了詳細(xì)介紹,最后建立諧波傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型。為抑制諧波減速器給系統(tǒng)引入的柔性、齒隙和摩擦等一些非線性死區(qū)特性,提出兩種基于雙速度環(huán)的位置控制方法:雙PI速度環(huán)和雙擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的PI速度環(huán)。首先從理論上,深入分析雙速度環(huán)對系統(tǒng)控制性能的影響。其次,對諧波傳動(dòng)模型進(jìn)行建模仿真,證實(shí)雙速度環(huán)能更好的克服系統(tǒng)中存在的死區(qū)特性。進(jìn)一步,為降低系統(tǒng)中較大的換向誤差,采用擴(kuò)張狀態(tài)觀測器來估計(jì)系統(tǒng)中存在的非線性擾動(dòng),并與雙速度環(huán)結(jié)構(gòu)相結(jié)合。最后在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)比較了幾種控制方法的性能。本文最后介紹1.2m量子通信望遠(yuǎn)鏡在外場的實(shí)驗(yàn)情況,包括風(fēng)擾的抑制實(shí)驗(yàn),正弦引導(dǎo)實(shí)驗(yàn)以及恒星跟蹤實(shí)驗(yàn)。
【關(guān)鍵詞】：量子通信 望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng) 摩擦 風(fēng)擾 自抗擾控制 擴(kuò)張狀態(tài)觀測器 迭代學(xué)習(xí)控制 諧波減速器 加速度環(huán) 齒隙 雙速度環(huán)
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院(光電技術(shù)研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TH743
【目錄】：

• 致謝3-5
• 摘要5-7
• ABSTRACT7-14
• 1 緒論14-26
• 1.1 課題研究背景及意義14-15
• 1.2 國內(nèi)外大型望遠(yuǎn)鏡的跟蹤精度15-18
• 1.3 影響望遠(yuǎn)鏡跟蹤架精度的主要因素18-20
• 1.3.1 內(nèi)部擾動(dòng)18-20
• 1.3.2 外部擾動(dòng)20
• 1.4 望遠(yuǎn)鏡中跟蹤架控制技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀20-23
• 1.4.1 同軸雙電機(jī)同步控制技術(shù)21
• 1.4.2 模型參考自適應(yīng)控制技術(shù)21
• 1.4.3 速度、加速度滯后補(bǔ)償技術(shù)21-22
• 1.4.4 H￥控制技術(shù)22
• 1.4.5 內(nèi)�？刂萍夹g(shù)22
• 1.4.6 其他高精度控制技術(shù)22-23
• 1.5 本課題研究難點(diǎn)23
• 1.6 本文的內(nèi)容安排23-25
• 1.7 本章小結(jié)25-26
• 2 望遠(yuǎn)鏡跟蹤架模型及擾動(dòng)分析26-38
• 2.1 引言26
• 2.2 望遠(yuǎn)鏡跟蹤架系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型26-27
• 2.3 摩擦對望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)影響的分析27-32
• 2.3.1 幾種經(jīng)典的摩擦模型28-30
• 2.3.2 摩擦擾動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)30-32
• 2.4 風(fēng)擾的特性分析32-34
• 2.5 傳動(dòng)間隙特性分析34-37
• 2.5.1 經(jīng)典的間隙模型34-36
• 2.5.2 傳動(dòng)間隙補(bǔ)償方法36-37
• 2.6 本章小結(jié)37-38
• 3 基于加速度計(jì)的擾動(dòng)補(bǔ)償控制技術(shù)研究38-54
• 3.1 引言38
• 3.2 加速度環(huán)的意義38-42
• 3.2.1 經(jīng)典的位置和速度雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)39-40
• 3.2.2 加速度反饋串級(jí)控制40-41
• 3.2.3 加速度環(huán)對摩擦的抑制41-42
• 3.3 基于加速度環(huán)的內(nèi)�？刂茢_動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)42-48
• 3.3.1 內(nèi)�？刂圃�42-45
• 3.3.2 結(jié)合內(nèi)模與加速度環(huán)的多環(huán)控制結(jié)構(gòu)45-47
• 3.3.3 基于內(nèi)模擾動(dòng)補(bǔ)償?shù)募铀俣榷喹h(huán)控制器設(shè)計(jì)47-48
• 3.4 控制性能分析48-50
• 3.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析50-53
• 3.6 本章小結(jié)53-54
• 4 基于改進(jìn)的擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的擾動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)54-72
• 4.1 引言54
• 4.2 自抗擾控制技術(shù)的提出及存在的難點(diǎn)54-58
• 4.2.1 傳統(tǒng)經(jīng)典控制結(jié)構(gòu)存在的問題54-55
• 4.2.2 非線性自抗擾控制結(jié)構(gòu)55-57
• 4.2.3 線性自抗擾控制結(jié)構(gòu)57-58
• 4.3 改進(jìn)的擴(kuò)張狀態(tài)觀測器補(bǔ)償技術(shù)58-60
• 4.4 收斂性分析60-61
• 4.5 改進(jìn)的擴(kuò)張狀態(tài)觀測器在望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中的應(yīng)用61-67
• 4.5.1 改進(jìn)的擴(kuò)張狀態(tài)觀測器仿真分析61-64
• 4.5.2 速度環(huán)控制器設(shè)計(jì)64-66
• 4.5.3 位置環(huán)控制器設(shè)計(jì)66-67
• 4.6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析67-69
• 4.7 本章小結(jié)69-72
• 5 基于帶遺忘因子的迭代學(xué)習(xí)控制擾動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)72-86
• 5.1 引言72
• 5.2 迭代學(xué)習(xí)控制算法72-76
• 5.2.1 迭代學(xué)習(xí)控制簡介72-73
• 5.2.2 迭代學(xué)習(xí)控制的研究內(nèi)容73-76
• 5.3 擴(kuò)張狀態(tài)觀測器線性化系統(tǒng)76-78
• 5.4 帶遺忘因子的迭代學(xué)習(xí)控制器設(shè)計(jì)78-79
• 5.5 收斂性分析79-81
• 5.6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析81-84
• 5.7 本章小結(jié)84-86
• 6 基于雙速度環(huán)擾動(dòng)補(bǔ)償控制技術(shù)研究86-114
• 6.1 引言86
• 6.2 望遠(yuǎn)鏡驅(qū)動(dòng)裝置選擇86-90
• 6.2.1 力矩電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)86-87
• 6.2.2 摩擦傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)87-88
• 6.2.3 蝸輪-蝸桿減速驅(qū)動(dòng)88
• 6.2.4.齒輪減速驅(qū)動(dòng)88-90
• 6.3 諧波傳動(dòng)系統(tǒng)模型90-94
• 6.3.1 諧波減速器原理90-91
• 6.3.2 諧波傳動(dòng)系統(tǒng)模型建立91-94
• 6.4 速度環(huán)控制性能分析及控制器設(shè)計(jì)94-105
• 6.4.1 速度環(huán)魯棒性能分析95-98
• 6.4.2 速度環(huán)性能仿真分析98-101
• 6.4.3 基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的雙速度環(huán)控制器設(shè)計(jì)101-105
• 6.4.4 設(shè)計(jì)負(fù)載端位置環(huán)控制器105
• 6.5 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)105-110
• 6.5.1 諧波減速器及電機(jī)選擇106-107
• 6.5.2 控制芯片的選擇107
• 6.5.3 主控系統(tǒng)關(guān)鍵器件選擇107-108
• 6.5.4 主控系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)108-110
• 6.6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析110-113
• 6.6.1 基于PI控制雙速度環(huán)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析110-111
• 6.6.2 基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的雙速度環(huán)實(shí)驗(yàn)結(jié)果111-113
• 6.7 本章小結(jié)113-114
• 7 1.2m光通信望遠(yuǎn)鏡外場風(fēng)擾抑制實(shí)驗(yàn)及主要工作114-122
• 7.1 引言114
• 7.2 消旋驅(qū)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)114-116
• 7.3 抗風(fēng)擾實(shí)驗(yàn)116-118
• 7.4 跟蹤引導(dǎo)實(shí)驗(yàn)118-120
• 7.4.1 正弦引導(dǎo)跟蹤實(shí)驗(yàn)118-119
• 7.4.2 對星隨動(dòng)跟蹤實(shí)驗(yàn)119-120
• 7.5 本章小結(jié)120-122
• 8 總結(jié)與展望122-126
• 8.1 全文工作總結(jié)122-123
• 8.2 論文主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)123-124
• 8.3 后續(xù)工作展望124-126
• 參考文獻(xiàn)126-138
• 作者簡介及在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與研究成果138-140

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：892964