斜軸式望遠(yuǎn)鏡機(jī)架運(yùn)動(dòng)建模與控制.pdf

1、斜軸式機(jī)架能夠有效克服傳統(tǒng)地平式機(jī)架垂直軸系過(guò)中天振動(dòng)問(wèn)題，且高度方向驅(qū)動(dòng)更平穩(wěn)，成為當(dāng)前天文望遠(yuǎn)鏡機(jī)架結(jié)構(gòu)新的研究熱點(diǎn)。但該結(jié)構(gòu)的方位軸和斜軸之間呈45度夾角，垂直位移由斜軸在切面方向旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生，導(dǎo)致兩方向運(yùn)動(dòng)耦合、跟蹤系統(tǒng)圖像旋移以及縱向不易平衡等難點(diǎn)，給控制帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。國(guó)內(nèi)外斜軸驅(qū)動(dòng)的相關(guān)控制研究尚處探索階段，因此，有必要系統(tǒng)地分析驅(qū)動(dòng)難點(diǎn)成因，提出相應(yīng)對(duì)策，進(jìn)而給出一整套切實(shí)可行的控制方案。
　　首先分析斜軸式機(jī)架的動(dòng)力學(xué)

2、特性，研究其兩軸之間運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的復(fù)雜耦合關(guān)系，根據(jù)機(jī)械傳動(dòng)原理，結(jié)合三維空間圓參數(shù)方程，建立機(jī)架運(yùn)動(dòng)軌跡的精確數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)運(yùn)動(dòng)仿真，分析機(jī)架跟蹤點(diǎn)空間軌跡的整體及局部特征，為運(yùn)動(dòng)解耦、像場(chǎng)旋移補(bǔ)償和抗干擾控制算法奠定理論基礎(chǔ)。其次，針對(duì)運(yùn)動(dòng)耦合問(wèn)題，結(jié)合機(jī)架運(yùn)動(dòng)軌跡的數(shù)學(xué)模型和各坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，分別從前饋補(bǔ)償和參數(shù)分解兩個(gè)不同的視角展開(kāi)研究，確立兩種解耦方案。經(jīng)測(cè)試，兩者都能較好地解決運(yùn)動(dòng)耦合問(wèn)題，但是前饋補(bǔ)償有更好的穩(wěn)定性。再次

3、，針對(duì)像場(chǎng)旋移問(wèn)題，通過(guò)構(gòu)造天球映射和空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換求出目標(biāo)質(zhì)心位置，再基于解耦算法分離出精確的兩軸方向獨(dú)立參考量，并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該算法的可行性。同時(shí)，針對(duì)斜軸系統(tǒng)干擾問(wèn)題，基于內(nèi)模原理，設(shè)計(jì)雙閉環(huán)PID控制算法，在簡(jiǎn)化控制器參數(shù)的同時(shí)，顯著提高控制系統(tǒng)的抗干擾性能。
　　最后，基于上述研究，依托現(xiàn)有的斜軸式樣機(jī)，搭建機(jī)架驅(qū)動(dòng)的軟硬件控制系統(tǒng)，并對(duì)所提方法進(jìn)行驗(yàn)證。測(cè)試結(jié)果顯示，機(jī)架在水平和垂直方向的平均定位誤差分別為5.496