發(fā)布時間：2020-04-26 01:14

【摘要】：地平式望遠鏡在跟蹤天體目標時,地平經(jīng)圈在望遠鏡系統(tǒng)接收端視場中的方向始終是不變的,不會隨著望遠鏡俯仰、方位軸系的轉(zhuǎn)動而發(fā)生變化,但因為地球自轉(zhuǎn),地平經(jīng)圈相對極軸不停地轉(zhuǎn)動,造成望遠鏡視軸中心的點除外,其它點所成的像在圖像中都繞著視場中心旋轉(zhuǎn),導(dǎo)致物方視場旋轉(zhuǎn);同時,因為Coude光路中的折轉(zhuǎn)平面反射鏡之間會隨著望遠鏡俯仰、方位軸系的轉(zhuǎn)動而發(fā)生相對轉(zhuǎn)動,造成望遠鏡出射向量相對于入射向量繞著主光軸旋轉(zhuǎn)了一定角度,導(dǎo)致像方視場旋轉(zhuǎn)。為實現(xiàn)對天體目標的實時識別和后續(xù)圖像處理,需要對地平式跟蹤架造成的物方視場旋轉(zhuǎn)和反射鏡組件造成的像方視場旋轉(zhuǎn)進行消旋處理。K鏡消旋作為反射式光學(xué)消旋方式,具有“實時性”、“能量損失小”、“全波段”的優(yōu)勢,常用于補償?shù)仄绞酵h鏡的視場旋轉(zhuǎn)。目前,K鏡已被確定為某地平式望遠鏡的消旋裝置,結(jié)合K鏡轉(zhuǎn)臺伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計,本文主要的研究內(nèi)容如下:1)如何確定K鏡轉(zhuǎn)臺實現(xiàn)圖像消旋目的的控制性能指標;2)如何設(shè)計K鏡轉(zhuǎn)臺的驅(qū)動系統(tǒng);3)如何辨識K鏡轉(zhuǎn)臺的控制模型;4)如何提高K鏡轉(zhuǎn)臺的位置跟蹤精度。對地平式望遠鏡視場旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的原因及其旋轉(zhuǎn)角計算的數(shù)理公式進行了深入研究,分析了K鏡能夠?qū)崿F(xiàn)消旋的原理,給出了K鏡轉(zhuǎn)臺實現(xiàn)圖像消旋目的的控制性能指標。首先,分析了地平式跟蹤架引起物方視場旋轉(zhuǎn)的原因,在球面坐標系下,證明了物方視場旋轉(zhuǎn)角度與星位角q變化率的相關(guān)性,在平面直角坐標系下,給出了計算圖像旋轉(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鏡俯仰、方位軸協(xié)調(diào)聯(lián)動時產(chǎn)生的像方視場旋轉(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)臺能夠?qū)崿F(xiàn)消旋的原理,并結(jié)合地平式望遠鏡消旋K鏡的實際情況,確定了圖像消旋的控制指標。設(shè)計了永磁直流力矩電機的功率驅(qū)動器和數(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)動電路,同時設(shè)有過/欠壓和過熱等故障保護電路;伺服控制器以浮點DSP和FPGA為核心器件。DSP負責位置/速度環(huán)控制算法的計算和外部控制接口;FPGA負責光電編碼器位置信號的采集、PWM控制信號的調(diào)制和故障保護。實驗結(jié)果表明,該驅(qū)動系統(tǒng)能夠滿足實時性的要求。在驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)上,為了后續(xù)K鏡轉(zhuǎn)臺伺服控制算法的設(shè)計,對K鏡轉(zhuǎn)臺控制模型的階次和參數(shù)進行了辨識研究。首先,采用脈沖信號作為激勵輸入信號,推導(dǎo)了基于Hankel矩陣奇異值分解的階次辨識方法和特征系統(tǒng)實現(xiàn)算法的參數(shù)辨識方法;然后,針對實際工程中的正弦掃描激勵信號,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)臺的階次;4)采用特征系統(tǒng)實現(xiàn)算法,估計了K鏡轉(zhuǎn)臺的參數(shù)模型。試驗結(jié)果表明,與參數(shù)遞階辨識方法相比,本文提出的系統(tǒng)辨識算法能夠精確地確定K鏡轉(zhuǎn)臺的最小階階次為6階,在低頻段對傳遞函數(shù)幅頻和相頻的辨識精度分別提高了50.7%和23%。由此得到的相對均衡的數(shù)學(xué)模型為K鏡轉(zhuǎn)臺伺服控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計和控制算法的仿真實現(xiàn)提供了模型基礎(chǔ)�；贙鏡轉(zhuǎn)臺的控制模型,采用雙閉環(huán)超前滯后校正對K鏡轉(zhuǎn)臺進行了仿真和試驗;為了克服機械摩擦、力矩波動、內(nèi)部參數(shù)攝動、外部不確定性擾動等非線性因素對K鏡轉(zhuǎn)臺控制輸出的影響,針對速度回路設(shè)計了一階線性自抗擾控制器,并試驗驗證其效果;針對試驗結(jié)果中出現(xiàn)的“控制小死區(qū)”和“控制大超調(diào)”的問題,將反饋控制律的比例系數(shù)設(shè)計成一個隨著系統(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,位置動態(tài)跟蹤精度分別提高了37%和51%。針對K鏡轉(zhuǎn)臺實現(xiàn)圖像消旋的控制性能指標,在位置回路設(shè)計了二階線性自抗擾控制器;針對線性擴張狀態(tài)觀測器對變化擾動估計能力不足和非線性擴張狀態(tài)觀測器參數(shù)調(diào)試困難的問題,提出了基于廣義比例積分觀測器的位置環(huán)自抗擾控制器;實驗結(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'',對比于自抗擾位置控制器,位置定位精度和位置動態(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)在運行期間都會產(chǎn)生像旋[2-4]，如：機載光電平臺[5,6]、船載攝像系統(tǒng)[7]、航空遙感器[8]、海洋水色儀[9]及某些地基望遠鏡[1,10]等。像旋產(chǎn)生的原因可能有：1）光測設(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運動引起的像方視場旋轉(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】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TH743;TP273

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本文編號：2640908