大口徑望遠(yuǎn)鏡主鏡位置檢測(cè)與控制*

劉博婷，李玉霞，孟浩然，楊曉霞，喬　兵

(1.中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長(zhǎng)春 130033；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 101400)

大口徑望遠(yuǎn)鏡主鏡位置檢測(cè)與控制*

劉博婷1,2，李玉霞1，孟浩然1，楊曉霞1，喬兵1

(1.中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長(zhǎng)春 130033；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 101400)

摘要:為了保持主鏡與鏡室的相對(duì)位置不變，提高望遠(yuǎn)鏡的成像質(zhì)量，對(duì)主鏡位置檢測(cè)和控制方法進(jìn)行了研究。主鏡位置檢測(cè)使用了6只高精度LVDT直線位移傳感器，能夠?qū)崟r(shí)地計(jì)算主鏡在5個(gè)自由度上的位移變化和溫度導(dǎo)致的主鏡半徑變化。在主鏡位置檢測(cè)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了主鏡位置的反饋控制方法，采用了PID控制算法對(duì)主鏡位置進(jìn)行閉環(huán)矯正。對(duì)提出的位置檢測(cè)和控制方法進(jìn)行了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該方法能夠?qū)χ麋R位置進(jìn)行精確地解算和控制，滿足工程實(shí)際需要。

關(guān)鍵詞:望遠(yuǎn)鏡主鏡；位置檢測(cè)；位置控制

0引言

大口徑望遠(yuǎn)鏡在跟蹤目標(biāo)時(shí)，主鏡的姿態(tài)不斷地發(fā)生著變化，由于主鏡重量很大，不同的姿態(tài)會(huì)導(dǎo)致支撐結(jié)構(gòu)變形，主鏡在鏡室中的相對(duì)位置會(huì)發(fā)生變化，從而影響望遠(yuǎn)鏡的成像質(zhì)量。因此，需要對(duì)主鏡位置進(jìn)行檢測(cè)和控制,使主鏡位置相對(duì)鏡室不變。針對(duì)此問(wèn)題，歐南臺(tái)的8 m甚大望遠(yuǎn)鏡(VLT)采用液壓Whiffletree結(jié)構(gòu)，分為底部三部分和側(cè)向兩部分對(duì)主鏡進(jìn)行分塊位置控制，利用線性Stewart模型將主鏡位置解算并輸出到各控制單元實(shí)現(xiàn)主鏡位置控制與監(jiān)測(cè)[1]。歐南臺(tái)的2.6 m大觀測(cè)望遠(yuǎn)鏡(VST)的主鏡支撐中提出了位置讀取控制系統(tǒng)，通過(guò)5只傳感器獲得主鏡的5個(gè)自由度位置方案，但它們均未給出具體的實(shí)現(xiàn)方法。文獻(xiàn)[2,3]對(duì)國(guó)外大型望遠(yuǎn)鏡的主鏡支撐控制作了綜述，但偏重于受力分析與機(jī)械設(shè)計(jì)，未給出位置控制系統(tǒng)方案分析[2,3]。

為了研究大型光電望遠(yuǎn)鏡主鏡位置檢測(cè)與控制技術(shù)，本文搭建了主鏡液壓支撐縮比實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。首先對(duì)主鏡位置檢測(cè)方法進(jìn)行了研究，并基于位置檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了主鏡位置控制方案，采用了位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)三閉環(huán)控制的控制方法。最后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的主鏡位置檢測(cè)與控制系統(tǒng)的合理性與有效性。

1望遠(yuǎn)鏡主鏡位置控制原理

主鏡位置控制原理如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)主要由控制系統(tǒng)、液壓支撐系統(tǒng)和位置檢測(cè)系統(tǒng)組成，其中，液壓支撐系統(tǒng)又分為軸向支撐和側(cè)向支撐，分別用于平衡主鏡自重的軸向分量和側(cè)向分量，以及對(duì)主鏡位置進(jìn)行調(diào)節(jié)。位置檢測(cè)系統(tǒng)將主鏡位置反饋給控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)位置閉環(huán)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)位置的精確控制。

圖1　主鏡位置控制系統(tǒng)架構(gòu)Fig 1　Architecture of primary mirror position control system

2主鏡位置檢測(cè)方法

由于大口徑望遠(yuǎn)鏡斷電后再次通電工作時(shí)，需要獲得主鏡當(dāng)前的位置，因此,本系統(tǒng)選用了絕對(duì)式位置傳感器，其具有1個(gè)絕對(duì)式零點(diǎn)，能夠在通斷電的情況下準(zhǔn)確測(cè)量到主鏡的實(shí)時(shí)位置[4,5]。

為了能夠?qū)崟r(shí)計(jì)算主鏡的5個(gè)自由度變化和溫度導(dǎo)致的主鏡半徑變化ΔR，使用了6只高精度LVDT直線位移傳感器進(jìn)行姿態(tài)解算，它們的相對(duì)位置關(guān)系如圖2所示[6]。

將主鏡視為一個(gè)剛體，可將主鏡等效為一個(gè)圓形。圖2中X,Y定義為主鏡的自由度坐標(biāo)系，傳感器a,b,c每隔120°均勻安裝于主鏡底部，用于解算軸向位移z、旋轉(zhuǎn)自由度Rx，Ry三個(gè)自由度的變化量。傳感器d，e，f每隔120°均勻安裝于主鏡側(cè)向，用于解算軸向位移x，y和溫度變化導(dǎo)致主鏡半徑變化ΔR。

圖2　位置傳感器分布Fig 2　Layout of position sensor

傳感器的測(cè)量值與自由度之間的關(guān)系為幾何位置關(guān)系。軸向解算通過(guò)底部3只傳感器測(cè)量值與自由度的幾何位置關(guān)系來(lái)解算出z，Rx和Ry的位移變化量，如式(1)所示

(1)

式中a0,b0,c0為主鏡所在初始值。側(cè)向解算通過(guò)安裝在主鏡徑向的3只傳感器解算出x,y,ΔR的變化量,如式(2)所示

(2)

式中Δd,Δe,Δf為 3只傳感器的實(shí)時(shí)位移變化量。

3主鏡位置控制方法

主鏡位置控制采用液壓伺服系統(tǒng)，分為軸向和側(cè)向兩部分，軸向控制主鏡在z，Rx和Ry三個(gè)自由度上的位移變化，側(cè)向控制主鏡在x，y兩個(gè)自由度上的位移變化，每一個(gè)自由度上的位置調(diào)整結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。伺服電動(dòng)缸是整個(gè)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)單元，通過(guò)它可以調(diào)節(jié)調(diào)整液壓缸的油量，從而控制支撐液壓缸的油面高度，達(dá)到主鏡姿態(tài)調(diào)整的目的[7]。

圖3　位置控制結(jié)構(gòu)框圖Fig 3　Structure block diagram of position control

上述主鏡位置控制系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，主鏡位置的實(shí)時(shí)檢測(cè)構(gòu)成了系統(tǒng)的反饋回路。位置閉環(huán)控制器采用PID控制算法，能夠保證系統(tǒng)靜態(tài)精度和動(dòng)態(tài)跟蹤性能，使整個(gè)伺服系統(tǒng)能穩(wěn)定、高性能運(yùn)行。另外，為了提高系統(tǒng)的抗擾性和快速性，設(shè)計(jì)了速度內(nèi)環(huán)和電流內(nèi)環(huán)[8,9]。

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為驗(yàn)證所提出位置檢測(cè)和控制方法的合理性與可靠性，根據(jù)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件設(shè)計(jì)以下實(shí)驗(yàn)予以驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)分為兩部分，首先對(duì)位置檢測(cè)方法進(jìn)行驗(yàn)證。依據(jù)上述第2節(jié)所述原理，首先利用軸向3只傳感器對(duì) z,Rx,Ry進(jìn)行了單自由度運(yùn)動(dòng)解算，然后由側(cè)向3只傳感器對(duì)x，y進(jìn)行解算，由于實(shí)驗(yàn)鋁鏡直徑較小(R=310 mm)，1 ℃溫差情況下的線性膨脹量為310 mm×1 ℃×23.2×10-6/℃=0.007 2 mm，但是實(shí)驗(yàn)室沒(méi)有準(zhǔn)確的溫度測(cè)量設(shè)備和溫控條件，所以，溫度變化導(dǎo)致的ΔR沒(méi)有進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。對(duì)解算出的各自由度位移誤差進(jìn)行分析，解算結(jié)果的誤差曲線如圖4所示。

圖4　各自由度運(yùn)動(dòng)解算結(jié)果Fig 4　Calculating result of each freedom degree movement

從誤差曲線中可以看出，在x,y,z軸的平移位移量程-2.2～2.2 mm范圍內(nèi)，它們的解算結(jié)果與基準(zhǔn)位移差均在10 μm以內(nèi)。在Rx,Ry的旋轉(zhuǎn)位移量程-1 500″～1 500″范圍內(nèi)，其結(jié)算結(jié)果與基準(zhǔn)位移差均在15″以內(nèi)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明,該位置檢測(cè)方法滿足大口徑望遠(yuǎn)鏡主鏡位置解算要求。

位置控制系統(tǒng)采用松下MSME011G1*伺服電機(jī)及對(duì)應(yīng)型號(hào)驅(qū)動(dòng)器對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行控制，利用位置檢測(cè)系統(tǒng)將主鏡的位置實(shí)時(shí)反饋給控制器，實(shí)現(xiàn)位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)的閉環(huán)控制。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)上位機(jī)給出300的階躍指令，取Kp=5 000，Ki=1 200，Kvff=1 200，得到如圖8所示的支撐液壓缸響應(yīng)結(jié)果。它的上升時(shí)間tr=0.051 s，調(diào)整時(shí)間ts=0.125 s，滿足大口徑望遠(yuǎn)鏡主鏡位置調(diào)整指標(biāo)。

圖5　位置控制響應(yīng)曲線Fig 5　Response curve of position control

5結(jié)論

本文根據(jù)大口徑望遠(yuǎn)鏡主鏡位置控制的需求，首先設(shè)計(jì)了主鏡位置檢測(cè)方案，該方案能夠?qū)崟r(shí)地解算主鏡在5個(gè)自由度上的位移變化和溫度導(dǎo)致的主鏡半徑變化。其次，設(shè)計(jì)了基于位置檢測(cè)的主鏡位置控制方案，采用了位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)三閉環(huán)控制的控制方法對(duì)主鏡位置進(jìn)行控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該系統(tǒng)解算精度和控制精度均能達(dá)到主鏡位置檢測(cè)與控制指標(biāo)。

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Large diameter telescope primary mirror position detection and control*

LIU Bo-ting1,2,LI Yu-xia1,MENG Hao-ran1,YANG Xiao-xia1,QIAO Bing1

(1.Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics,Chinese Academy of Sciences,Changchun 130033,China;2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 101400,China)

Abstract:In order to maintain relative position of main mirror and mirror chamber unchanged,improve image quality of telescope,main mirror position detection and control method is studied.Primary mirror position detection system uses six high precision LVDT straight line displacement sensors,which can calculate displacement change of primary mirror on five degrees of freedom and radius change of major mirror caused by temperature in real-time.On the basis of the primary mirror position detection,feedback control method for primary mirror position is designed,using PID control algorithm for closed-loop correction of primary mirror position.The proposed position detection and control methods is validated,experimental results show that this method can accurately calculate and control the primary mirror position,which can meet actual needs of engineering.

Key words:telescope primary mirror;position detection;position control

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)05—0132—03

收稿日期：2015—09—08

*基金項(xiàng)目：中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所三期創(chuàng)新工程資助項(xiàng)目(065X32CN60)

中圖分類號(hào):TP 273

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1000—9787(2016)05—0132—03

作者簡(jiǎn)介:

劉博婷(1991-)，女，吉林省吉林人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樗欧到y(tǒng)控制。