斜軸式望遠鏡機架運動建模與控制.pdf

1、斜軸式機架能夠有效克服傳統(tǒng)地平式機架垂直軸系過中天振動問題，且高度方向驅(qū)動更平穩(wěn)，成為當前天文望遠鏡機架結構新的研究熱點。但該結構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，導致兩方向運動耦合、跟蹤系統(tǒng)圖像旋移以及縱向不易平衡等難點，給控制帶來巨大挑戰(zhàn)。國內(nèi)外斜軸驅(qū)動的相關控制研究尚處探索階段，因此，有必要系統(tǒng)地分析驅(qū)動難點成因，提出相應對策，進而給出一整套切實可行的控制方案。
　　首先分析斜軸式機架的動力學

2、特性，研究其兩軸之間運動狀態(tài)的復雜耦合關系，根據(jù)機械傳動原理，結合三維空間圓參數(shù)方程，建立機架運動軌跡的精確數(shù)學模型，并通過運動仿真，分析機架跟蹤點空間軌跡的整體及局部特征，為運動解耦、像場旋移補償和抗干擾控制算法奠定理論基礎。其次，針對運動耦合問題，結合機架運動軌跡的數(shù)學模型和各坐標系間的轉(zhuǎn)換關系，分別從前饋補償和參數(shù)分解兩個不同的視角展開研究，確立兩種解耦方案。經(jīng)測試，兩者都能較好地解決運動耦合問題，但是前饋補償有更好的穩(wěn)定性。再次

3、，針對像場旋移問題，通過構造天球映射和空間坐標轉(zhuǎn)換求出目標質(zhì)心位置，再基于解耦算法分離出精確的兩軸方向獨立參考量，并通過仿真實驗驗證該算法的可行性。同時，針對斜軸系統(tǒng)干擾問題，基于內(nèi)模原理，設計雙閉環(huán)PID控制算法，在簡化控制器參數(shù)的同時，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，搭建機架驅(qū)動的軟硬件控制系統(tǒng)，并對所提方法進行驗證。測試結果顯示，機架在水平和垂直方向的平均定位誤差分別為5.496