变重载和非线性扰动下超大口径望远镜三镜系统低速高精度控制研究

The tertiary mirror system (M3S) of super large telescope realizes the function of relaying optical ray, and is the key to steady imaging of scientific instruments on the Nasmyth platforms. The variable heavy load and non-linear torque disturbance in the tracking of M3S, make the design of control system be very challenging. The structural filter with constant parameters, cannot solve the problem of M3S oscillation excited by the resonant frequency drift, which caused by the variable heavy load. And the traditional acceleration feedback control cannot realize high-precision compensation for the M3S. Therefore, this research proposes an adaptive structural filter, which implements the real-time analysis of the resonant frequency and adjusts the filter parameters adaptively, to solve the problems of instability caused by the variable heavy load; furthermore, the acceleration feedback control strategy is proposed based on internal model approach, where the acceleration signal is estimated and it is fed forward to the output of the speed loop, then the resisting-disturbance capacity and low speed tracking accuracy of the M3S can be improved effectively. This research will not only solve the aporia on the control of M3S, but also provide the significant control strategy and technology for developing the super large telescopes of our country in the future.

超大口径望远镜的三镜系统主要实现光束中继功能，是保证奈氏平台上科学仪器稳定成像的关键。三镜系统跟踪过程中的重负载变化和非线性扰动力矩，对控制系统的设计提出了极大的挑战。已有的常系数结构滤波器不能解决重负载变化引起的三镜系统谐振频率偏移，进而造成系统振荡的问题，且直接加速度反馈控制无法实现三镜系统中非线性扰动力矩的高精度补偿。因此，本研究提出自适应结构滤波器，通过实时分析三镜系统的谐振频率，自适应调整结构滤波器的参数，以克服重负载变化造成的三镜系统不稳定性问题；提出基于内模方法的加速度反馈控制策略，通过估计三镜系统的加速度，将加速度信号前馈补偿到速度回路的输出端，以提高三镜系统的抗扰动能力和低速跟踪精度。本研究不但可以解决三镜系统中的控制难题，而且相关控制技术可以直接应用于我国未来超大口径望远镜的研制。

超大口径望远镜的三镜系统主要实现光束中继功能，是保证奈氏平台上科学仪器稳定成像的关键。三镜系统跟踪过程中的重负载变化和非线性扰动力矩，对控制系统的设计提出了极大的挑战。已有的常系数结构滤波器不能解决重负载变化引起的三镜系统谐振频率偏移，进而造成系统振荡的问题，且直接加速度反馈控制无法实现三镜系统中非线性扰动力矩的高精度补偿。因此，本项目针对三镜系统运动过程中变重载引起的谐振频率偏移，导致的控制系统不稳定性问题，提出了自适应结构滤波器，通过实时分析三镜系统的谐振频率，自适应调整结构滤波器的参数，以克服重负载变化造成的三镜系统不稳定性；针对三镜系统运动过程中的非线性干扰力矩，提出了基于内模方法的加速度反馈控制策略，通过估计三镜系统的加速度，将加速度信号前馈补偿到速度回路的输出端，以提高三镜系统的抗扰动能力和低速跟踪精度。以三镜缩比系统为实验对象，模拟三镜实际工作状况，展开了控制模型辨识、自适应结构滤波器设计及基于内模方法的加速度反馈控制的实验，验证了自适应结构滤波器的有效性和基于内模方法的加速度反馈控制策略对扰动力矩的抑制能力，达到了三镜系统3.5"的重复定位精度和0.1"的低速跟踪抖动的预期控制目标，最终实现了三镜系统的低速、高精度控制。本研究不但可以解决三镜系统中的控制难题，而且相关控制技术可以直接应用于我国未来超大口径望远镜的研制。