強風載擾動下大型望遠鏡永磁同步電機控制系統及其方法技術方案

強風載液壓擾動下望遠鏡永磁同步電機控制系統及其方法：大型望遠鏡的PC機與控制系統進行雙向通訊；該控制系統接永磁同步電機控制臺；該控制臺運轉時由液壓支撐，并通過光電編碼器向控制系統輸送速度反饋和位置反饋信號，其特征在于，所述控制系統中的處理器采用DSP處理器，該DSP處理器采用魯棒H∞控制。本發明專利技術的設備和方法克服了傳統技術的不足，并具有以下技術效果：在風載、液壓等外界不確定因素干擾下，該控制器能使得控制系統具有高靈敏度和強抗干擾能力，滿足望遠鏡長期可靠的勻速、超低速、高精度運行。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種控制系統，具體涉及一種強風載液壓擾動下的大型望遠鏡的強魯棒高靈敏永磁同步電機控制系統。該系統能夠實現液壓擾動和風載等外界不確定因素下的大型望遠鏡的永磁同步電機控制。本專利技術還涉及這種強風載液壓擾動下的大型望遠鏡的強魯棒高靈敏永磁同步電機控制系統的工作(運行)方法。
技術介紹
為了提高光學成像分辨率，獲取高質量光學數據，望遠鏡口徑隨之增加，承載望遠鏡機架結構不僅龐大而且變得復雜多樣，這對望遠鏡跟蹤控制系統提出了極高的要求。望遠鏡跟蹤控制系統的抗擾動能力以及高靈敏度特性對直接影響天文觀測數據的質量和被觀測天體的跟蹤精度。望遠鏡跟蹤控制器直接并且唯一決定控制系統的跟蹤質量，對望遠鏡的跟蹤控制起著至關重要的作用。對于大型望遠鏡的直接驅動永磁同步電機(PMSM)控制系統，由于其極大的自身重量和復雜的結構特性，轉子在運轉期間會生產很強的摩擦力，不僅運轉困難，還極大損耗定轉子材料，因此在轉子與定子相接處需要通過液壓支撐來減小摩擦力。但液壓出油量起伏不定，即使有專門的控制系統控制出油量也未必能使液壓面保持在同一水平線，起浮不定的液壓噪聲引起轉子軸向跳動和徑向圓周跳動，因此影響望遠鏡跟蹤精度。風載等外界不確定因素干擾也影響望遠鏡的跟蹤控制質量。強勁的風還會使望遠鏡一時偏離正常軌跡行駛，使觀測數據質量 大大降低，因此有必要設計一套能有效抑制干擾的強魯棒高靈敏控制器。目前國內外大型天文望遠鏡的控制系統中，時常使用PMAC運動控制卡，以及UMAC控制器對望遠鏡進行跟蹤控制。PMAC和UMAC雖然使用方便，但其控制對象沒有針對性，而且控制算法采取的是傳統PID控制。由于模型的不確定性、參數多變性以及各類非線性因素的影響使帶PID控制器的跟蹤控制系統在望遠鏡這一復雜工程上的應用效果并不理想，抗干擾能力較差，靈敏度較低，響應特性緩慢，在外界干擾因素較強情況下，不能有效的滿足望遠鏡超低速、高精度的跟蹤要求。近年來歐洲南方天文臺VLT望遠鏡開始采用魯棒性強的H c?控制器策略抗風載干擾。哈勃太空望遠鏡改進計劃中，為了改進裝于哈勃望遠鏡上的太陽能蓄電池的熱效應對控制系統的干擾，以抗干擾為首要目的研究了對應的控制器。ALMA望遠鏡的控制系統采用了魯棒性強H c?控制策略。正在擬建的30光學望遠鏡TMT (Thirty Meter Telescope)打算采用魯棒性強抑制干擾為目的H c?控制器策略。雖然現有技術中已經有了在大型望遠鏡控制系統上應用H c?控制器的上述成果，但是由于每一架大型天文望遠鏡的結構、參數等基本因素都與以前的天文望遠鏡不同，其控制系統也都是一個全新的系統，其所面臨的風載、摩擦力等因素也都是不確定的因素。所以對于一個新的大型望遠鏡的控制系統，要采用H c?控制器的設計，仍然需要克服很多技術困難。例如:液壓擾動頻帶不穩定性，可能位于低頻帶；風載的隨機性干擾，風力大小的不穩定性和快速性受到地理環境影響。中國大型望遠鏡的控制系統尚未使用H c?控制器策略，也缺乏對大型望遠鏡H ?ο控制關鍵技術的研究和應用，為了望遠鏡在外界不確定因素以及液壓系統等干擾因素下，滿足望遠鏡超低速、高精度等要求，有必要設計一種長期可靠的強魯棒性和高靈敏的控制器。
技術實現思路
本專利技術的目的:是設計一種強風載液壓擾動下大型望遠鏡永磁同步電機控制系統，在風載、液壓等外界不確定因素干擾下，該控制系統能使得控制系統具有高靈敏度和強抗干擾能力，滿足望遠鏡長期可靠的勻速、超低速、高精度運行。本專利技術還將提供這種強風載液壓擾動下的大型望遠鏡的強魯棒高靈敏永磁同步電機控制系統的工作方法。本專利技術專利的技術方案是:一種強風載液壓擾動下大型望遠鏡永磁同步電機控制系統，其中，大型望遠鏡的PC機與控制系統進行雙向通訊；該控制系統接永磁同步電機控制臺；該控制臺運轉時由液壓支撐，并通過光電編碼器向控制系統輸送速度反饋和位置反饋信 號，其特征在于，所述控制系統中的處理器采用DSP處理器，該DSP處理器采用魯棒H c?控制。所述DSP處理器采用魯棒H OO控制的具體結構是:大型望遠鏡的PC機與控制系統中的DSP處理器進行雙向通訊；該DSP處理器的魯棒H c?控制包括:4mPMSM建模與辨識、權函數設置及控制器參數，輸送到大型望遠鏡的PC機；同時通過PWM控制4mPMSM電機的驅動電路；4mPMSM電機的運行信號通過光電編碼器，將其位置反饋與速度反饋輸送給DSP處理器。完成本申請第二個專利技術任務的技術方案是，上述強風載液壓擾動下的大型望遠鏡的強魯棒高靈敏永磁同步電機控制系統的工作方法，其特征在于，步驟如下: (1).大型望遠鏡的PC機開始控制DSP處理器工作； ⑵.PC機進行4mPMSM建模與辨識并運算狀態空間方程 (3).設定混合靈敏度性能； (4).對大型望遠鏡外界干擾抑制進行權函數設置，并將該權函數設置輸入步驟(3)的狀態空間方程的運算； (5).對大型望遠鏡的驅動控制電壓進行權函數設置，并將該權函數設置輸入步驟(3)的狀態空間方程的運算； (6).運算帶權函數的輸出反饋LMI方程； (7).進行控制系統性能指標的判讀；判讀結果為“肯定”時進入步驟⑶；判讀結果為“否定”時返回步驟(3) (8).確定控制參數，DSP運行參數。其中，步驟⑵4mPMSM建模與辨識的具體操作是: (2)-1.角位移數據采集； ⑵-2.針對4mPMSM的建模； ⑵-3.GLS辨識； ⑵-4.4mPMS傳遞函數；(2)-5.建立狀態空間模型。所述步驟⑷權函數設置的具體操作是: ⑷-1.液壓噪聲頻譜分析； (4) -2.風載噪聲頻譜分析； (4) -3.在步驟⑷-1與步驟⑷-2的基礎上確定干擾抑制加權函數； ⑷-4.確定跟蹤指標； (4) -5.在步驟⑷-4的基礎上確定跟蹤性能加權函數； (4)-6.確定控制能量輸入限制； (4)-7.在步驟⑷-6的基礎上確定控制加權函數。所述步驟⑶確定控制參數的具體操作是: ⑶-1.確定系統性能指標； (8) -2.進行線性矩陣不等式計算； (8)-3.確定控制器參數。 本技術方案的特征在于: 1.在H C?控制器設計時，針對望遠鏡建立模型，通過系統辨識方法得到模型具體參數。在望遠鏡工作頻段設定不同加權函數，有效保證實際工作頻段控制器性能的優化，限制控制輸入加權函數矩陣和跟蹤性能加權函數矩陣，使得控制器性能在跟蹤控制區域的頻段最優。液壓噪聲、風載噪聲干擾帶加權函數的設置，使望遠鏡抗干擾能力更具針對性。綜合考慮跟蹤性能、控制輸入以及干擾抑制的混合靈敏度的選取。這加權特性的設置見圖1，是目前市場上生產的所有控制器未曾有的功能特性。圖2(a)是哈勃望遠鏡權函數設置圖，哈勃望遠鏡權函數只涉及到干擾抑制和跟蹤性能，并沒有對控制輸入加以限制，其結果有可能會產生控制性能無限好但需要的輸入能量無限制大的結果。圖2(b)是歐洲南方天文臺的極大望遠鏡的權函數設置，同樣沒有對控制能量進行限制。在歐洲南方天文臺公開的資料中表明，望遠鏡的硬件設備性能跟不上H c?控制器增益要求，只能退而求其次的修改控制算法。因此對于控制輸入的能量限制的權函數是必要條件。權函數的設置位置的不同代表控制目的的不同。2.魯棒控制器是以H c本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種強風載液壓擾動下大型望遠鏡永磁同步電機控制系統，大型望遠鏡的PC機與控制系統進行雙向通訊；該控制系統接永磁同步電機控制臺；該控制臺運轉時由液壓支撐，并通過光電編碼器向控制系統輸送速度反饋和位置反饋信號，其特征在于，所述控制系統中的處理器采用DSP處理器，該DSP處理器采用魯棒H∞控制。

【技術特征摘要】
2014.04.18 CN 201410159265.61.一種強風載液壓擾動下大型望遠鏡永磁同步電機控制系統，大型望遠鏡的PC機與控制系統進行雙向通訊；該控制系統接永磁同步電機控制臺；該控制臺運轉時由液壓支撐，并通過光電編碼器向控制系統輸送速度反饋和位置反饋信號，其特征在于，所述控制系統中的處理器采用DSP處理器，該DSP處理器采用魯棒H C?控制。2.根據權利要求1所述的強風載液壓擾動下大型望遠鏡永磁同步電機控制系統，其特征在于，所述DSP處理器采用魯棒H c?控制的具體結構是:大型望遠鏡的PC機與控制系統中的DSP處理器進行雙向通訊；該DSP處理器的魯棒H c?控制包括:4mPMSM建模與辨識、權函數設置及控制器參數，輸送到大型望遠鏡的PC機；同時通過PWM控制4mPMSM電機的驅動電路；4mPMSM電機的運行信號通過光電編碼器，將其位置反饋與速度反饋輸送給DSP處理器。3.權利要求1所述的強風載液壓擾動下的大型望遠鏡的強魯棒高靈敏永磁同步電機控制系統的工作方法，其特征在于，步驟如下:.大型望遠鏡的PC機開始控制DSP處理器工作；.PC機進行4mPMSM建模與辨識并運算狀態空間方程；.設 定混合靈敏度性能；.對大型望遠鏡外界干擾抑制進行權函數設置，并將該權函數設置輸入步驟(3)的狀態空間方程的運算；.對大型望遠鏡的驅動控制電壓進行權函數設置，并將該權函數設...

【專利技術屬性】
技術研發人員：陳麗燕，宋曉莉，張振超，汪達興，張超，
申請(專利權)人：中國科學院國家天文臺南京天文光學技術研究所，
類型：發明
國別省市：江蘇;32