[发明专利]用于天文望远镜的非线性干扰模拟与检测控制系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种非线性干扰模拟与检测控制系统，具体涉及一种用于天文望远镜的非线性干扰模拟与检测控制系统。该系统可用于天文望远镜的非线性干扰的特性研究，抗干扰的控制策略和控制算法研究。

本发明是国家自然科学基金面上项目“南极大口径天文光学望远镜低速高精度跟踪中的低温非线性干扰补偿的研究”（11073034）（江苏省“333”工程共同资助项目）和国家自然科学基金“极大望远镜摩擦传动滑移动态修正系统的研究”（10778630）的研究成果。

背景技术

天文望远镜在工作过程中，由于各种非线性干扰，如风载、非线性摩擦、电机齿槽效应、望远镜在不同姿态时的惯量变化等，最终都会使得被驱动负载发生波动，进而影响望远镜的低速平稳性和跟踪天体的精度。目前在天文望远镜领域，对于非线性干扰的研究方式一是理论分析和数字仿真，通过对非线性干扰的建模，采用MATLAB/SIMULINK等软件在计算机上进行实验和研究；另外一种方式是在具体的望远镜上，通过望远镜实际运行过程中的动态特性、静态特性等实验数据，对遇到的主要非线性干扰因素加以分析和解决。望远镜非线性干扰采用数字仿真的费用低而且耗时短，方便灵活，缺点是对快速系统难以实时仿真，预设参数得当与否，直接影响仿真的效果与可信度。而在具体的望远镜上做非线性干扰的研究，缺点有：（1）极大延长了天文望远镜的研制时间；（2）很多情况下是“亡羊补牢”，而不是“防患未然”，已经基本成型的望远镜上发现了非线性干扰问题，实际上由于经费、项目进度等原因，往往无法从根本上改动设计，只好依赖算法、软件等修修补补。因此这不是科学的方式。所以在望远镜建设之初、甚至是设计时就进行非线性干扰的理论分析和仿真是目前大型天文望远镜的一种主流方式。为提高仿真的可信度，国内外知名的大型天文望远镜一般不会只采用数字仿真，而是进一步采用物理仿真，以实物模型介入，效果逼真，精度高，具有实时性与在线性的特点。例如，目前中国最大的天文光学望远镜4米级郭守敬望远镜（即LAMOST），就先期设计建造了一个1米级的装置进行各项研究。尽管这种方法在国内外最为流行，其不足之处也是很明显的：构成复杂，造价较高，耗时过长。而且天文望远镜往往是单件研制，很少有系列化产品，所以每一台都需要做个模型，通用性不强。

发明内容

为给望远镜控制系统的设计提供实验条件，针对上述现有技术的不足，本发明提供一种用于天文望远镜的非线性干扰模拟与检测控制系统，该方案要解决的技术问题是，提供一种半实物仿真方法，其模拟的非线性干扰范围大，动态响应快，模拟精度高，并且能够实现实时动态调整。

本发明的技术方案是：一种用于天文望远镜的非线性干扰模拟与检测控制系统，该系统设有上位机，根据非线性干扰模型，由所述上位机的程序产生模拟的非线性干扰信号；其特征在于：该系统还包括有非线性干扰模拟子系统、非线性干扰检测子系统、软件子系统3大部分，

其中：所述的非线性干扰模拟子系统由PMAC控制器、干扰力矩电机、电机驱动器组成；该子系统中的PMAC运动控制器通过Ethernet或USB端口与上位计算机进行数字通讯，进而通过电机驱动器驱动干扰力矩电机，输出非线性的干扰力矩；该干扰力矩电机的轴通过弹性联轴节与望远镜负载相联；

所述的非线性干扰的检测子系统由扭矩传感器和PMAC控制器组成：扭矩传感器的模拟量信号通过PMAC卡的AD模数转换口输入PMAC运动控制器，与上位机命令实时比较实现力矩的闭环，保证模拟的非线性信号能够准确复现；

所述的软件子系统：根据非线性扰动的数学模型，在Windows下以C语言编程，实现模拟风载等非线性扰动、实时检测与监控、界面的图形显示等。

该软件子系统设置在本非线性干扰模拟与检测控制系统的上位机中。

更具体和更优化地说，本发明的非线性干扰模拟子系统，在实验室模拟时，联接的负载设计为一个摩擦驱动的望远镜仿真转台和一个直接驱动的望远镜仿真转台。在测试刚研制出来的望远镜时，通过联轴节脱开模拟的望远镜转台，直接联接到真正的望远镜即可。

该直流电机设有有测速反馈发电机（也称为测速机），该测速反馈发电机的信号反馈给电机驱动器，实现速度反馈，以保证模拟控制系统速度平稳。

使用直流力矩电机是本发明一个特征，该类型电机出力大，驱动控制简单，造价低而精度高。避免了使用减速器，因为减速器会给此系统带来如下缺点:动态响应慢，减速机的齿隙本身就是就是非线性因素，造成系统的力矩输出产生谐波畸变。

本发明的非线性干扰的检测子系统中所述的扭矩传感器的设置采用以下两种方式之一：