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

作为刚刚兴起的研究热点，南极大口径光学望远镜有很多关键技术急待解决。其中，南极独特的超低温气候带来的各种非线性干扰使主轴跟踪系统难以实现超低速精密跟踪。干扰来自机械传动系统轴承配合间隙和润滑脂特性变化；材料特性变化；积雪，抵御南极低温、风雪而附加的载荷带来变化的干扰矢量；金属结霜，传动副材料表面啮合性改变等众多因素。南极大口径光学望远镜另一特点是跟踪速度远远低于常规望远镜，所以在承受这些非线性干扰时，大惯量超低速运行的望远镜更易出现低速爬行、抖动，直接影响最终的成像质量。本项目将从自动控制、结构原理方面对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进行研究，从运动学、动力学和控制理论的角度，分析非线性干扰的来源、性质，建立干扰的模型和主轴驱动控制系统模型，探索合适的方案、算法。通过仿真和实验验证、完善该研究。本项目的研究可为我国未来大口径南极望远镜的设计提供理论和技术储备。

“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”基金项目从2011年开始，历时3年。项目申请书提出的研究内容已经完成,在南极实验装置、南极巡天望远镜AST3、2.5米望远镜和摩擦驱动实验装置上进行了大量实验，取得了很多宝贵的数据，并验证了本课题的研究成果。.研究了DOME A 的风载对南极2.5米望远镜的非线性干扰模型。并据此提出了对南极大口径KDUST望远镜采用前馈补偿的PID算法的解决方案。经实验研究表明，鲁棒性好，抗干扰能力强。. 针对齿轮和摩擦传动在南极环境下传动表面可能结霜，从而导致非线性滑移问题,研究了正压力动态补偿系统和扭转角动态补偿系统，并在南京天文光学技术研究所的实验转台上进行了验证。. 对望远镜静压轴承的研究表明，油垫的非线性扰动对大口径天文光学望远镜跟踪精度造成了很大的影响，提出了NOTCH数字滤波器进行补偿抑制的解决方案。仿真和2.5米天文望远镜的实验结果表明：通过补偿抑制油垫0.825Hz的主要干扰，望远镜可在保证运动控制系统原有的稳定性和响应能力的情况下，方位轴跟踪精度达到RMS值为0.0837〞，PV值为0.571〞。该方法灵活、简单、通用性好。. 电气元件在南极Dome A 的-40~-80℃低温环境中工作, 而这些元器件的核心部件往往对温度敏感。本项目以南极大口径望远镜的调焦位置反馈元件LVDT（线性可变差动变压器）为对象，研究了其非线性的补偿与校正方法，并在低温实验室进行了实验。.在南极Dome A的极端环境中，地基易变、校准难以精确，温度变化和温度梯度造成望远镜变形等多种因素造成指向误差。本项目通过使用TPOINT对指向误差数据进行拟合，得到望远镜指向误差修正函数，对望远镜的指向进行补偿修正。本方法在南极AST3望远镜上进行了实验, 效果令人满意。. 另外针对计划中的2.5米南极的KDUST望远镜，建立了控制系统的模型。. 本项目研究成果不但为我国未来大口径南极望远镜的设计提供了理论和技术储备，同时对其他南极科研设备的研制也具有一定的参考价值。本项目的研究成果和取得的数据已经运用到KDUST的立项建议书中。. 到目前为止，项目共发表各类文章5篇，其中EI收录4篇，SCI收录1篇。申请发明专利7项，PCT国际专利2项。培养博士生2名，硕士研究2名。