超大型全可动天线伺服系统结构与精密控制设计研究

Large reflector antennas are broadly used in the field of national defense and civilian. The design of its servo system is directly related to the performance of the entire antenna. This project is aimed at the design method of structure and precise control to achieve high pointing accuracy requirements for the servo system of super large movable antenna QTT (Qitai Radio Telescope ). First, the impact of mechanical structural factors on the performance of the servo system is analyzed, and precise control strategy is designed for servo system considering these factors: super large diameter, high band and slow velocity, then the coupling relationship model between the structure and the control is established. Based on the coupling model, design the servo system as a whole with optimization. And with the study of this project, the servo system designers can quantitatively understand the relationship between servo system mechanical structure and the control. More reasonable control design can meet the requirement of high pointing accuracy, and greatly reduce the requirement of the antenna structure. It is of great significance to decrease the difficulty of servo system design and to shorten the development cycle.

大型反射面天线系统在国防和民用领域用途广泛，其伺服系统的设计直接关系到整个天线的性能。本项目以超大型全可动天线QTT(Qitai Radio Telescope)为对象，为了实现高指向精度要求，对其伺服系统的结构与精密控制进行研究。首先研究机械结构因素对伺服系统性能的影响，设计适用于超大口径、高频段、慢速的天线伺服系统的精密控制策略，然后建立伺服系统结构和控制的耦合分析模型。在此基础上对天线伺服系统进行优化设计，使伺服系统整体性能达到最优。基于本项目的研究，伺服设计人员能够深入、定量地认识超大型全可动天线伺服系统中机械结构因素与控制之间的影响关系，制定合理的控制设计方案，并在保证满足控制性能指标的前提下，大大降低对伺服系统结构的要求。这对降低伺服系统设计难度与缩短研制周期意义重大。

项目按照计划要求，完成了规定的研究内容，达到了考核指标要求，实现了研究总目标。项目首先考虑轨道不平度的影响，建立了110米口径全可动反射面天线的方位、俯仰等综合轴系误差及惯性对天线指向误差的影响关系式；其次基于有限元分析，利用少量的模态坐标代替节点坐标对自由度进行缩聚，将弹性变形转换到以固有振型为基向量的空间中进行描述，从而降低动力学方程的求解规模；基于拉格朗日方程，建立了描述天线整体运动的刚柔耦合动力学模型，并且设计了复合PID控制器。最后基于精细积分原理，提出了精确计算结构因素对伺服控制性能影响度函数的方法；并且探索了110米口径天线结构与控制的集成设计，建立了可同时实现结构的轻量化与控制的稳和准的集成设计模型并进行了求解。该项目的研究工作为110米口径天线QTT的工程实施，奠定了坚实的理论技术。.项目取得的创新成果主要包括：针对QTT提出了其关键模态选取准则，建立了刚柔耦合动力学模型，并针对该模型设计了相应的控制器，为反射面天线的结构和控制集成设计奠定了理论基础；其次发掘了结构因素对控制性能的影响机理，建立了可同时实现结构的轻量化与控制稳和准的集成设计模型，并给出了求解的策略。.项目组共发表学术论文6篇，其中SCI/EI 检索3/3篇，申请国家发明专利9项。培养博士研究生1人，硕士研究生2人，获得国家留学基金委公派访学资助1人。