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空间望远镜大口径FSM机构控制及仿真技术研究

【摘要】:为了保证空间望远镜在天文观测过程中的动态稳定成像,望远镜所在航天器平台完成姿态控制,而望远镜自身需要采取振动抑制和精密稳像控制措施,使得来自外部扰动以及系统控制偏差对望远镜视轴造成的影响在指标范围内。精密稳像系统在完成对观测目标快速精确跟踪的同时对低频扰动的进行抑制,这要求精密稳像控制系统在结构基频的限制下具有足够大的带宽同时在低频段具有很强的抑制扰动能力。课题主要面向空间望远镜的高精度稳像需求,开展对精密稳像系统中由压电陶瓷(PZT)驱动的口径为400mm×400mm,结构基频为70Hz的大口径快摆镜(FSM)的控制方法的研究。完成的主要工作有:第一,对国际上使用FSM稳像的先进空间望远镜完成了调研,对大口径FSM的工作原理和技术发展脉络进行了分析比较工作。第二,对望远镜所受扰动完成数据分析得到扰动特性,结合系统结构特性提出由隔振系统,姿态跟踪系统以及精密稳像系统三部分构成的稳像方案。第三,运用Duhem模型对PZT的迟滞特性进行建模并设计控制系统对PZT的迟滞效应进行消除,在频率为10Hz的信号驱动下,PZT的实际位移与目标位移的均方根误差为83.6nm。第四,运用扫频法完成对大口径FSM的系统辨识得到其数学模型,然后运用最优Hankel范数近似算法将传递函数进行降价以利于后续控制器设计。第五,分别运用最优PID、线性二次高斯(LQG)和H_∞算法对FSM设计控制器并进行仿真,仿真结果表明,系统带宽达到20Hz以上,误差抑制带宽达到10Hz以上。第六,结合机械动力学软件Adams,在Simulink中搭建集成仿真系统,对精密稳像系统进行仿真,仿真结果表明,所设计控制系统对平台所造成的扰动有良好的抑制作用,系统带宽达到20Hz,扰动抑制带宽达到8Hz,稳像精度达到0.043arcsec。第七,对所设计的控制器在大口径FSM半实物仿真平台上完成实验验证,以频率为8Hz的正弦信号作为激励信号,FSM的实际摆动位移与目标摆动位移的均方根误差0.077arcsec。课题全面和深入的对空间望远镜稳像系统进行了研究,完成了大口径快摆镜的控制方法与仿真系统研究工作,主要创新点为:第一,针对大口径FSM系统的大摆角范围以及高控制带宽的技术要求,提出了“模型辨识+控制器设计+半实物仿真”一体的高精度控制研究方案。对PZT驱动机制和FSM参数辨识、控制方法做了系统分析和研究,采用Duhem模型对PZT的迟滞特性进行建:筒钩タ刂披采用扫频法完成对大口径FSM的系统辨识;采用最优PID、线性二次高斯(LQG)和H_∞算法对FSM设计控制器并完成对大口径FSM系统的仿真。第二,结合动力学仿真、光学仿真以及控制仿真建立了精密稳像系统模型,用于验证后续所设计控制器的跟踪性能以及扰动抑制能力。针对平台扰动建立了一种功率谱密度(PSD)扰动分析模型,并利用该模型根据扰动的分布特性设计了包络曲线,可用于大口径FSM系统对扰动抑制能力的分析。第三,搭建了半实物仿真平台,对所设计控制器进行验证,跟踪精度达到0.077arcsec。集成仿真结果表明,所设计控制系统对平台扰动有良好的抑制作用,系统带宽达到20Hz,扰动抑制带宽达到8Hz,稳像精度达到0.043arcsec。
【学位授予单位】:中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TH751

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【参考文献】
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