隨著我國(guó)宇宙探索和深空探測(cè)工程的不斷推進(jìn),亟需研制高分辨率、大視場(chǎng)的空間天文望遠(yuǎn)鏡。空間天文望遠(yuǎn)鏡在軌工作環(huán)境復(fù)雜,探測(cè)精度會(huì)受航天器姿態(tài)變化和望遠(yuǎn)鏡內(nèi)外部的振動(dòng)等多種因素影響,而光電復(fù)合軸控制是實(shí)現(xiàn)空間望遠(yuǎn)鏡高精度跟蹤和高質(zhì)量成像的重要手段�？鞌[鏡(Fast Steering Mirror,FSM)機(jī)構(gòu)作為空間望遠(yuǎn)鏡復(fù)合軸控制系統(tǒng)的執(zhí)行器單元,其補(bǔ)償精度直接決定著精密穩(wěn)像系統(tǒng)的性能。本文從空間望遠(yuǎn)鏡對(duì)精密穩(wěn)像系統(tǒng)性能的需求出發(fā),在調(diào)研國(guó)內(nèi)外快擺鏡機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)上,提出了一套壓電動(dòng)態(tài)遲滯補(bǔ)償,壓電蠕變抑制和快擺鏡跟蹤控制相結(jié)合的大口徑快擺鏡機(jī)構(gòu)閉環(huán)控制方案,并搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行控制系統(tǒng)性能驗(yàn)證,具體研究?jī)?nèi)容如下:(1)針對(duì)當(dāng)前天文觀測(cè)需求和空間望遠(yuǎn)鏡精密穩(wěn)像系統(tǒng)性能要求,在分析大口徑快擺鏡機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)的基礎(chǔ)上,確定了大口徑快擺鏡機(jī)構(gòu)系統(tǒng)方案和結(jié)構(gòu)模型,提出了大口徑快擺鏡機(jī)構(gòu)閉環(huán)控制方案。(2)針對(duì)基于廣義Play算子Prandtl–Ishlinskii(PI)模型的求逆復(fù)雜性和求逆過程誤差累加的問題,直接構(gòu)造一種基于廣義Stop算子的非對(duì)稱PI逆遲滯模型。在此模型基礎(chǔ)上建立了Hammerstein動(dòng)態(tài)遲滯前饋補(bǔ)償器來消除壓電執(zhí)行器(Piezoelectric Actuators,PZT)動(dòng)態(tài)遲滯非線性,并采用線性二次高斯最優(yōu)控制算法(Linear Quadratic Gaussian,LQG)來進(jìn)一步提高壓電執(zhí)行器定位精度,建模和控制器設(shè)計(jì)過程中利用混沌自適應(yīng)差分進(jìn)化算法(Chaotic adaptive differential evolution,CADE)辨識(shí)和整定模型及控制器參數(shù)。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,基于廣義Stop算子的PI逆遲滯模型和LQG控制算法相結(jié)合的復(fù)合控制策略的優(yōu)越性和有效性。(3)從壓電執(zhí)行器蠕變特性出發(fā),針對(duì)已有的蠕變特性數(shù)學(xué)模型的局限性,構(gòu)建了徑向基函數(shù)(Radial Basis Function,RBF)壓電蠕變預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò),并采用CADE算法來確定RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)速率、動(dòng)量因子和結(jié)構(gòu)參數(shù)初值從而提高收斂速度。模型比較結(jié)果表明,提出的CADE_RBF網(wǎng)絡(luò)蠕變模型對(duì)壓電執(zhí)行器蠕變預(yù)測(cè)效果明顯。(4)根據(jù)系統(tǒng)的輸入和輸出數(shù)據(jù),采用方差比率檢驗(yàn)法(F檢驗(yàn))和遞推最小二乘法建立了大口徑快擺鏡機(jī)構(gòu)開環(huán)系統(tǒng)模型,并基于此模型設(shè)計(jì)了常規(guī)內(nèi)模(Internal Model Control,IMC)閉環(huán)控制器,并利用“支持型”間接模糊控制思想對(duì)IMC控制器參數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)整定。仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明,該控制算法具有優(yōu)越的抗干擾和魯棒性能。(5)根據(jù)大口徑快擺鏡機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)要求,設(shè)計(jì)并搭建了大口徑快擺鏡機(jī)構(gòu)閉環(huán)控制系統(tǒng)驗(yàn)證平臺(tái)。該系統(tǒng)實(shí)時(shí)跟蹤轉(zhuǎn)角范圍為-35"~35",頻率范圍為1~20Hz的變頻、變幅值目標(biāo)輸入信號(hào),x軸的跟蹤精度可以達(dá)到0.089",y軸的跟蹤精度可以達(dá)到0.085";實(shí)時(shí)跟蹤經(jīng)過隔振系統(tǒng)的航天器平臺(tái)擾動(dòng)信號(hào),x軸跟蹤精度為0.047",y軸跟蹤精度為0.049",取得了算法的預(yù)期實(shí)驗(yàn)效果。(6)完成了大口徑快擺鏡機(jī)構(gòu)閉環(huán)控制系統(tǒng)在空間望遠(yuǎn)鏡精密穩(wěn)像光閉環(huán)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的應(yīng)用。在對(duì)最大頻率為6.25Hz的變頻、變幅值模擬星點(diǎn)的二維擾動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償后,精細(xì)導(dǎo)星儀檢測(cè)星點(diǎn)在x軸和y軸方向上的擾動(dòng)程度分別降低了71.81%和73.82%,模擬天文觀測(cè)的CCD長(zhǎng)曝光相機(jī)所成星斑圖像相比于未補(bǔ)償前的彌散星斑,能量集中度提高了53.3%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的大口徑快擺鏡機(jī)構(gòu)閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)空間望遠(yuǎn)鏡視軸偏差補(bǔ)償能力。
【學(xué)位單位】：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)位年份】：2019
【中圖分類】：P111;TP273
【部分圖文】：

第 1 章 緒論及其穩(wěn)像系統(tǒng)國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀望遠(yuǎn)鏡望遠(yuǎn)鏡(Hubble Space Telescope, HST)是人類第一座3.3m，直徑 4.3m，重 11.6t，于 1990 年 4 月 24 日在現(xiàn)者”號(hào)航天飛機(jī)成功發(fā)射，如圖 1.2 所示。HST 的 10 倍以上，人類利用 HST 首次觀測(cè)到了土星的北極暴系統(tǒng)的形成，并針對(duì) HST 所獲得的近距星系光譜存在，揭示了黑洞質(zhì)量和星系核球質(zhì)量之間的聯(lián)系

圖 1.2 哈勃空間望遠(yuǎn)鏡Figure 1.2 Hubble Space Telescope口徑達(dá) 2.4m，觀測(cè)波段為 0.11~1.1μm，角分辨率高7"。HST 的指向控制系統(tǒng)由精密傳感器和執(zhí)行器組組件結(jié)合來自恒星跟蹤器和精細(xì)導(dǎo)星儀的姿態(tài)數(shù)據(jù)出精確的姿態(tài)基準(zhǔn)，并經(jīng)控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)反作用輪組件細(xì)指向過程中所需的精確控制扭矩，磁力矩器用于

圖 1.4 詹姆斯.韋伯空間望遠(yuǎn)鏡[10]Figure 1.4 James Webb Space Telescope道位于日-地第二拉格朗日點(diǎn)，能夠?qū)τ钪婺硞�(gè)區(qū)域勃望遠(yuǎn)鏡一樣會(huì)被地球遮擋，其革命性的紅外傳感器塵埃和氣體，從而揭示恒星起源和形成[10]。JWS，衍射極限 2.0μm，視軸穩(wěn)定度高達(dá) 0.0073arcsec[11]態(tài)控制系統(tǒng)，精細(xì)導(dǎo)星儀(FineGuidanceSensor, FGS系統(tǒng)組成，如圖 1.5 所示。其中，精細(xì)導(dǎo)星儀控制系定控制，即精細(xì)導(dǎo)星儀檢測(cè)并反饋星點(diǎn)質(zhì)心偏移量控制系統(tǒng)在進(jìn)行俯仰和偏航時(shí)產(chǎn)生的視軸偏差[12]。
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本文編號(hào)：2892035