【摘要】：地平式望遠(yuǎn)鏡在跟蹤天體目標(biāo)時(shí),地平經(jīng)圈在望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)接收端視場(chǎng)中的方向始終是不變的,不會(huì)隨著望遠(yuǎn)鏡俯仰、方位軸系的轉(zhuǎn)動(dòng)而發(fā)生變化,但因?yàn)榈厍蜃赞D(zhuǎn),地平經(jīng)圈相對(duì)極軸不停地轉(zhuǎn)動(dòng),造成望遠(yuǎn)鏡視軸中心的點(diǎn)除外,其它點(diǎn)所成的像在圖像中都繞著視場(chǎng)中心旋轉(zhuǎn),導(dǎo)致物方視場(chǎng)旋轉(zhuǎn);同時(shí),因?yàn)镃oude光路中的折轉(zhuǎn)平面反射鏡之間會(huì)隨著望遠(yuǎn)鏡俯仰、方位軸系的轉(zhuǎn)動(dòng)而發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng),造成望遠(yuǎn)鏡出射向量相對(duì)于入射向量繞著主光軸旋轉(zhuǎn)了一定角度,導(dǎo)致像方視場(chǎng)旋轉(zhuǎn)。為實(shí)現(xiàn)對(duì)天體目標(biāo)的實(shí)時(shí)識(shí)別和后續(xù)圖像處理,需要對(duì)地平式跟蹤架造成的物方視場(chǎng)旋轉(zhuǎn)和反射鏡組件造成的像方視場(chǎng)旋轉(zhuǎn)進(jìn)行消旋處理。K鏡消旋作為反射式光學(xué)消旋方式,具有“實(shí)時(shí)性”、“能量損失小”、“全波段”的優(yōu)勢(shì),常用于補(bǔ)償?shù)仄绞酵h(yuǎn)鏡的視場(chǎng)旋轉(zhuǎn)。目前,K鏡已被確定為某地平式望遠(yuǎn)鏡的消旋裝置,結(jié)合K鏡轉(zhuǎn)臺(tái)伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),本文主要的研究?jī)?nèi)容如下:1)如何確定K鏡轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)圖像消旋目的的控制性能指標(biāo);2)如何設(shè)計(jì)K鏡轉(zhuǎn)臺(tái)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng);3)如何辨識(shí)K鏡轉(zhuǎn)臺(tái)的控制模型;4)如何提高K鏡轉(zhuǎn)臺(tái)的位置跟蹤精度。對(duì)地平式望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的原因及其旋轉(zhuǎn)角計(jì)算的數(shù)理公式進(jìn)行了深入研究,分析了K鏡能夠?qū)崿F(xiàn)消旋的原理,給出了K鏡轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)圖像消旋目的的控制性能指標(biāo)。首先,分析了地平式跟蹤架引起物方視場(chǎng)旋轉(zhuǎn)的原因,在球面坐標(biāo)系下,證明了物方視場(chǎng)旋轉(zhuǎn)角度與星位角q變化率的相關(guān)性,在平面直角坐標(biāo)系下,給出了計(jì)算圖像旋轉(zhuǎn)角度的數(shù)理公式;然后,采用矩陣光學(xué)方法,分析了反射鏡組件在望遠(yuǎn)鏡俯仰、方位軸協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的像方視場(chǎng)旋轉(zhuǎn)角度;最后,利用物象變換矩陣和旋轉(zhuǎn)變換矩陣,分析了K鏡轉(zhuǎn)臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)消旋的原理,并結(jié)合地平式望遠(yuǎn)鏡消旋K鏡的實(shí)際情況,確定了圖像消旋的控制指標(biāo)。設(shè)計(jì)了永磁直流力矩電機(jī)的功率驅(qū)動(dòng)器和數(shù)字控制器。逆變器采用IPM模塊,其內(nèi)部集成了功率開關(guān)及驅(qū)動(dòng)電路,同時(shí)設(shè)有過(guò)/欠壓和過(guò)熱等故障保護(hù)電路;伺服控制器以浮點(diǎn)DSP和FPGA為核心器件。DSP負(fù)責(zé)位置/速度環(huán)控制算法的計(jì)算和外部控制接口;FPGA負(fù)責(zé)光電編碼器位置信號(hào)的采集、PWM控制信號(hào)的調(diào)制和故障保護(hù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能夠滿足實(shí)時(shí)性的要求。在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,為了后續(xù)K鏡轉(zhuǎn)臺(tái)伺服控制算法的設(shè)計(jì),對(duì)K鏡轉(zhuǎn)臺(tái)控制模型的階次和參數(shù)進(jìn)行了辨識(shí)研究。首先,采用脈沖信號(hào)作為激勵(lì)輸入信號(hào),推導(dǎo)了基于Hankel矩陣奇異值分解的階次辨識(shí)方法和特征系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)算法的參數(shù)辨識(shí)方法;然后,針對(duì)實(shí)際工程中的正弦掃描激勵(lì)信號(hào),介紹了獲取Hankel矩陣的方法;最后,1)基于正弦掃描輸入序列和開環(huán)響應(yīng)輸出序列,采用頻譜分析方法確定了K鏡轉(zhuǎn)臺(tái)的頻率特性;2)基于輸入和輸出序列,建立了Hankel矩陣;3)采用奇異值分解方法分解Hankel矩陣,確定了K鏡轉(zhuǎn)臺(tái)的階次;4)采用特征系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)算法,估計(jì)了K鏡轉(zhuǎn)臺(tái)的參數(shù)模型。試驗(yàn)結(jié)果表明,與參數(shù)遞階辨識(shí)方法相比,本文提出的系統(tǒng)辨識(shí)算法能夠精確地確定K鏡轉(zhuǎn)臺(tái)的最小階階次為6階,在低頻段對(duì)傳遞函數(shù)幅頻和相頻的辨識(shí)精度分別提高了50.7%和23%。由此得到的相對(duì)均衡的數(shù)學(xué)模型為K鏡轉(zhuǎn)臺(tái)伺服控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)和控制算法的仿真實(shí)現(xiàn)提供了模型基礎(chǔ)�；贙鏡轉(zhuǎn)臺(tái)的控制模型,采用雙閉環(huán)超前滯后校正對(duì)K鏡轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行了仿真和試驗(yàn);為了克服機(jī)械摩擦、力矩波動(dòng)、內(nèi)部參數(shù)攝動(dòng)、外部不確定性擾動(dòng)等非線性因素對(duì)K鏡轉(zhuǎn)臺(tái)控制輸出的影響,針對(duì)速度回路設(shè)計(jì)了一階線性自抗擾控制器,并試驗(yàn)驗(yàn)證其效果;針對(duì)試驗(yàn)結(jié)果中出現(xiàn)的“控制小死區(qū)”和“控制大超調(diào)”的問(wèn)題,將反饋控制律的比例系數(shù)設(shè)計(jì)成一個(gè)隨著系統(tǒng)輸入速度變化而自適應(yīng)調(diào)節(jié)的自適應(yīng)律,提出了自適應(yīng)自抗擾控制方法。試驗(yàn)結(jié)果表明:采用相同的超前滯后校正位置環(huán)控制器,自適應(yīng)自抗擾速度控制器的等效正弦引導(dǎo)位置跟蹤誤差RMS值為0.4437'',對(duì)比于自抗擾速度控制器和超前滯后校正速度控制器,位置動(dòng)態(tài)跟蹤精度分別提高了37%和51%。針對(duì)K鏡轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)圖像消旋的控制性能指標(biāo),在位置回路設(shè)計(jì)了二階線性自抗擾控制器;針對(duì)線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器對(duì)變化擾動(dòng)估計(jì)能力不足和非線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器參數(shù)調(diào)試?yán)щy的問(wèn)題,提出了基于廣義比例積分觀測(cè)器的位置環(huán)自抗擾控制器;實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,采用相同的超前滯后校正速度控制器,基于廣義比例積分觀測(cè)器的位置環(huán)自抗擾控制器的定位精度為±0.01'',等效正弦引導(dǎo)位置跟蹤誤差RMS值為0.3536'',對(duì)比于自抗擾位置控制器,位置定位精度和位置動(dòng)態(tài)跟蹤精度分別提高了50%和8.1%。
【圖文】：

第 1 章 緒論第1章 緒論1.1 引言像旋是指光學(xué)系統(tǒng)在焦平面上形成的目標(biāo)像圍繞視軸中心旋轉(zhuǎn)[1]，如圖 1.1所示的原始圖像（像旋）與消旋后圖像。許多光學(xué)系統(tǒng)在運(yùn)行期間都會(huì)產(chǎn)生像旋[2-4]，如：機(jī)載光電平臺(tái)[5,6]、船載攝像系統(tǒng)[7]、航空遙感器[8]、海洋水色儀[9]及某些地基望遠(yuǎn)鏡[1,10]等。像旋產(chǎn)生的原因可能有：1）光測(cè)設(shè)備旋轉(zhuǎn)軸與地球自轉(zhuǎn)軸不平行產(chǎn)生的物方視場(chǎng)旋轉(zhuǎn)；2）光學(xué)系統(tǒng)中光學(xué)器件的位置及其它們之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的像方視場(chǎng)旋轉(zhuǎn)。

圖 1.2 赤道式跟蹤架結(jié)構(gòu)（左）和 ESO 3.6m 赤道式望遠(yuǎn)鏡（右）Fig 1.2 Structure of the equatorial tracker (Left) and ESO 3.6m equatorial telescope (Right)圖 1.3 水平式跟蹤架結(jié)構(gòu)（左）和 40cm 水平式望遠(yuǎn)鏡（右）Fig 1.3 Structure of the alt-alt tracker (Left) and 40cm alt-alt telescope (Right)
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TH743;TP273

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本文編號(hào)：2640908