本文關(guān)鍵詞：望遠鏡中跟蹤架的擾動補償及精密控制技術(shù)研究

  更多相關(guān)文章： 量子通信 望遠鏡系統(tǒng) 摩擦 風(fēng)擾 自抗擾控制 擴張狀態(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)

【摘要】：本文研究的方向是基于中科院先導(dǎo)專項量子通信項目中所設(shè)計的1.2m光通信望遠鏡。該望遠鏡同時具備量子激光通信端和天文觀測端。為保證望遠鏡系統(tǒng)能同時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,本文對影響望遠鏡精度的因素進行了分析,主要包括兩個方面,內(nèi)部擾動和外部擾動。內(nèi)部擾動如模型不確定性,電機力矩波動,摩擦力擾動和傳動間隙等。外部擾動對于地基式的望遠鏡系統(tǒng)則主要是風(fēng)擾。所有這些因素都將嚴重影響望遠鏡的跟蹤觀測性能,為此,本文重點研究了望遠鏡中跟蹤架的擾動補償及精密控制技術(shù)。文中首先建立望遠鏡系統(tǒng)的動力學(xué)模型,并重點分析三個影響望遠鏡精度的主要因素:摩擦擾動,風(fēng)擾和傳動間隙。其次分析三種擾動給望遠鏡系統(tǒng)帶來的影響,介紹了這三種擾動目前所常用的數(shù)學(xué)模型。最后,針對摩擦擾動和傳動間隙,介紹了望遠鏡系統(tǒng)中所采用的一些補償控制方法為抑制望遠鏡系統(tǒng)中的風(fēng)擾及摩擦力擾動,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)對擾動的抑制能力。對系統(tǒng)的擾動能力進行了實驗測試,證實了依據(jù)理論分析所得出的結(jié)果。同時,通過給望遠鏡系統(tǒng)施加低頻擾動,驗證了結(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)定點誤差進一步降低兩倍。由于加速度環(huán)需要安裝一對額外的加速度傳感器,將會增加系統(tǒng)的成本。因此,文中提出基于改進的擴張狀態(tài)觀測器的擾動補償控制方法來抑制望遠鏡系統(tǒng)中存在的模型不確定性及摩擦擾動等。并從理論上證實了該控制方法是收斂的。同時在望遠鏡實驗平臺上,采用基于擴張狀態(tài)觀測器的擾動補償控制方法對系統(tǒng)中的非線性擾動進行補償。實驗證實了所提出的基于擴張狀態(tài)觀測器的擾動補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。在采用基于擴張狀態(tài)觀測器的擾動補償控制方法對系統(tǒng)非線性擾動進行抑制時,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,提出一種基于擴張狀態(tài)觀測器的迭代學(xué)習(xí)控制方法。擴張狀態(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。兩種控制方法互相彌補,最后,對其實驗驗證,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。針對未來望遠鏡在運動平臺上小型化的發(fā)展趨勢,選擇了直流無刷伺服電機驅(qū)動諧波減速器作為系統(tǒng)的傳動機構(gòu)。分析了諧波減速器的原理及特點。對于諧波傳動系統(tǒng)的搭建作了詳細介紹,最后建立諧波傳動系統(tǒng)的動力學(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,對諧波傳動模型進行建模仿真,證實雙速度環(huán)能更好的克服系統(tǒng)中存在的死區(qū)特性。進一步,為降低系統(tǒng)中較大的換向誤差,采用擴張狀態(tài)觀測器來估計系統(tǒng)中存在的非線性擾動,并與雙速度環(huán)結(jié)構(gòu)相結(jié)合。最后在實驗平臺比較了幾種控制方法的性能。本文最后介紹1.2m量子通信望遠鏡在外場的實驗情況,包括風(fēng)擾的抑制實驗,正弦引導(dǎo)實驗以及恒星跟蹤實驗。
【關(guān)鍵詞】：量子通信 望遠鏡系統(tǒng) 摩擦 風(fēng)擾 自抗擾控制 擴張狀態(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)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：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)外大型望遠鏡的跟蹤精度15-18
• 1.3 影響望遠鏡跟蹤架精度的主要因素18-20
• 1.3.1 內(nèi)部擾動18-20
• 1.3.2 外部擾動20
• 1.4 望遠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、加速度滯后補償技術(shù)21-22
• 1.4.4 H￥控制技術(shù)22
• 1.4.5 內(nèi)模控制技術(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 望遠鏡跟蹤架模型及擾動分析26-38
• 2.1 引言26
• 2.2 望遠鏡跟蹤架系統(tǒng)動力學(xué)模型26-27
• 2.3 摩擦對望遠鏡系統(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 摩擦擾動補償技術(shù)30-32
• 2.4 風(fēng)擾的特性分析32-34
• 2.5 傳動間隙特性分析34-37
• 2.5.1 經(jīng)典的間隙模型34-36
• 2.5.2 傳動間隙補償方法36-37
• 2.6 本章小結(jié)37-38
• 3 基于加速度計的擾動補償控制技術(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_動補償技術(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)模擾動補償?shù)募铀俣榷喹h(huán)控制器設(shè)計47-48
• 3.4 控制性能分析48-50
• 3.5 實驗結(jié)果及分析50-53
• 3.6 本章小結(jié)53-54
• 4 基于改進的擴張狀態(tài)觀測器的擾動補償技術(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 改進的擴張狀態(tài)觀測器補償技術(shù)58-60
• 4.4 收斂性分析60-61
• 4.5 改進的擴張狀態(tài)觀測器在望遠鏡系統(tǒng)中的應(yīng)用61-67
• 4.5.1 改進的擴張狀態(tài)觀測器仿真分析61-64
• 4.5.2 速度環(huán)控制器設(shè)計64-66
• 4.5.3 位置環(huán)控制器設(shè)計66-67
• 4.6 實驗結(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)控制擾動補償技術(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78-79
• 5.5 收斂性分析79-81
• 5.6 實驗結(jié)果及分析81-84
• 5.7 本章小結(jié)84-86
• 6 基于雙速度環(huán)擾動補償控制技術(shù)研究86-114
• 6.1 引言86
• 6.2 望遠鏡驅(qū)動裝置選擇86-90
• 6.2.1 力矩電機直接驅(qū)動86-87
• 6.2.2 摩擦傳動驅(qū)動87-88
• 6.2.3 蝸輪-蝸桿減速驅(qū)動88
• 6.2.4.齒輪減速驅(qū)動88-90
• 6.3 諧波傳動系統(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 基于擴張狀態(tài)觀測器的雙速度環(huán)控制器設(shè)計101-105
• 6.4.4 設(shè)計負載端位置環(huán)控制器105
• 6.5 實驗平臺搭建及控制系統(tǒng)設(shè)計105-110
• 6.5.1 諧波減速器及電機選擇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108-110
• 6.6 實驗結(jié)果分析110-113
• 6.6.1 基于PI控制雙速度環(huán)實驗結(jié)果分析110-111
• 6.6.2 基于擴張狀態(tài)觀測器的雙速度環(huán)實驗結(jié)果111-113
• 6.7 本章小結(jié)113-114
• 7 1.2m光通信望遠鏡外場風(fēng)擾抑制實驗及主要工作114-122
• 7.1 引言114
• 7.2 消旋驅(qū)動控制器設(shè)計114-116
• 7.3 抗風(fēng)擾實驗116-118
• 7.4 跟蹤引導(dǎo)實驗118-120
• 7.4.1 正弦引導(dǎo)跟蹤實驗118-119
• 7.4.2 對星隨動跟蹤實驗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 論文主要創(chuàng)新點123-124
• 8.3 后續(xù)工作展望124-126
• 參考文獻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

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本文編號：892964