刘博婷，李玉霞，孟浩然，杨晓霞，乔　兵

(1.中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033；2.中国科学院大学，北京 101400)

大口径望远镜主镜位置检测与控制*

刘博婷1,2，李玉霞1，孟浩然1，杨晓霞1，乔兵1

(1.中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033；2.中国科学院大学，北京 101400)

摘要:为了保持主镜与镜室的相对位置不变，提高望远镜的成像质量，对主镜位置检测和控制方法进行了研究。主镜位置检测使用了6只高精度LVDT直线位移传感器，能够实时地计算主镜在5个自由度上的位移变化和温度导致的主镜半径变化。在主镜位置检测的基础上，设计了主镜位置的反馈控制方法，采用了PID控制算法对主镜位置进行闭环矫正。对提出的位置检测和控制方法进行了验证实验，实验结果表明：该方法能够对主镜位置进行精确地解算和控制，满足工程实际需要。

关键词:望远镜主镜；位置检测；位置控制

0引言

大口径望远镜在跟踪目标时，主镜的姿态不断地发生着变化，由于主镜重量很大，不同的姿态会导致支撑结构变形，主镜在镜室中的相对位置会发生变化，从而影响望远镜的成像质量。因此，需要对主镜位置进行检测和控制,使主镜位置相对镜室不变。针对此问题，欧南台的8 m甚大望远镜(VLT)采用液压Whiffletree结构，分为底部三部分和侧向两部分对主镜进行分块位置控制，利用线性Stewart模型将主镜位置解算并输出到各控制单元实现主镜位置控制与监测[1]。欧南台的2.6 m大观测望远镜(VST)的主镜支撑中提出了位置读取控制系统，通过5只传感器获得主镜的5个自由度位置方案，但它们均未给出具体的实现方法。文献[2,3]对国外大型望远镜的主镜支撑控制作了综述，但偏重于受力分析与机械设计，未给出位置控制系统方案分析[2,3]。

为了研究大型光电望远镜主镜位置检测与控制技术，本文搭建了主镜液压支撑缩比实验平台。首先对主镜位置检测方法进行了研究，并基于位置检测系统设计了主镜位置控制方案，采用了位置环、速度环和电流环三闭环控制的控制方法。最后，通过实验验证了所设计的主镜位置检测与控制系统的合理性与有效性。

1望远镜主镜位置控制原理

主镜位置控制原理如图1所示，整个系统主要由控制系统、液压支撑系统和位置检测系统组成，其中，液压支撑系统又分为轴向支撑和侧向支撑，分别用于平衡主镜自重的轴向分量和侧向分量，以及对主镜位置进行调节。位置检测系统将主镜位置反馈给控制系统，实现位置闭环，进而实现位置的精确控制。

图1　主镜位置控制系统架构Fig 1　Architecture of primary mirror position control system

2主镜位置检测方法

由于大口径望远镜断电后再次通电工作时，需要获得主镜当前的位置，因此,本系统选用了绝对式位置传感器，其具有1个绝对式零点，能够在通断电的情况下准确测量到主镜的实时位置[4,5]。

为了能够实时计算主镜的5个自由度变化和温度导致的主镜半径变化ΔR，使用了6只高精度LVDT直线位移传感器进行姿态解算，它们的相对位置关系如图2所示[6]。

将主镜视为一个刚体，可将主镜等效为一个圆形。图2中X,Y定义为主镜的自由度坐标系，传感器a,b,c每隔120°均匀安装于主镜底部，用于解算轴向位移z、旋转自由度Rx，Ry三个自由度的变化量。传感器d，e，f每隔120°均匀安装于主镜侧向，用于解算轴向位移x，y和温度变化导致主镜半径变化ΔR。

图2　位置传感器分布Fig 2　Layout of position sensor

传感器的测量值与自由度之间的关系为几何位置关系。轴向解算通过底部3只传感器测量值与自由度的几何位置关系来解算出z，Rx和Ry的位移变化量，如式(1)所示

(1)

式中a0,b0,c0为主镜所在初始值。侧向解算通过安装在主镜径向的3只传感器解算出x,y,ΔR的变化量,如式(2)所示

(2)

式中Δd,Δe,Δf为 3只传感器的实时位移变化量。

3主镜位置控制方法

主镜位置控制采用液压伺服系统，分为轴向和侧向两部分，轴向控制主镜在z，Rx和Ry三个自由度上的位移变化，侧向控制主镜在x，y两个自由度上的位移变化，每一个自由度上的位置调整结构框图如图3所示。伺服电动缸是整个系统的驱动单元，通过它可以调节调整液压缸的油量，从而控制支撑液压缸的油面高度，达到主镜姿态调整的目的[7]。

图3　位置控制结构框图Fig 3　Structure block diagram of position control

上述主镜位置控制系统是一个闭环控制系统，主镜位置的实时检测构成了系统的反馈回路。位置闭环控制器采用PID控制算法，能够保证系统静态精度和动态跟踪性能，使整个伺服系统能稳定、高性能运行。另外，为了提高系统的抗扰性和快速性，设计了速度内环和电流内环[8,9]。

4实验结果分析

为验证所提出位置检测和控制方法的合理性与可靠性，根据现有的实验条件设计以下实验予以验证。实验分为两部分，首先对位置检测方法进行验证。依据上述第2节所述原理，首先利用轴向3只传感器对 z,Rx,Ry进行了单自由度运动解算，然后由侧向3只传感器对x，y进行解算，由于实验铝镜直径较小(R=310 mm)，1 ℃温差情况下的线性膨胀量为310 mm×1 ℃×23.2×10-6/℃=0.007 2 mm，但是实验室没有准确的温度测量设备和温控条件，所以，温度变化导致的ΔR没有进行实验。对解算出的各自由度位移误差进行分析，解算结果的误差曲线如图4所示。

图4　各自由度运动解算结果Fig 4　Calculating result of each freedom degree movement

从误差曲线中可以看出，在x,y,z轴的平移位移量程-2.2～2.2 mm范围内，它们的解算结果与基准位移差均在10 μm以内。在Rx,Ry的旋转位移量程-1 500″～1 500″范围内，其结算结果与基准位移差均在15″以内。实验结果说明,该位置检测方法满足大口径望远镜主镜位置解算要求。

位置控制系统采用松下MSME011G1*伺服电机及对应型号驱动器对液压系统进行控制，利用位置检测系统将主镜的位置实时反馈给控制器，实现位置环、速度环和电流环的闭环控制。实验过程中，通过上位机给出300的阶跃指令，取Kp=5 000，Ki=1 200，Kvff=1 200，得到如图8所示的支撑液压缸响应结果。它的上升时间tr=0.051 s，调整时间ts=0.125 s，满足大口径望远镜主镜位置调整指标。

图5　位置控制响应曲线Fig 5　Response curve of position control

5结论

本文根据大口径望远镜主镜位置控制的需求，首先设计了主镜位置检测方案，该方案能够实时地解算主镜在5个自由度上的位移变化和温度导致的主镜半径变化。其次，设计了基于位置检测的主镜位置控制方案，采用了位置环、速度环和电流环三闭环控制的控制方法对主镜位置进行控制。实验结果表明:该系统解算精度和控制精度均能达到主镜位置检测与控制指标。

参考文献:

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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

*基金项目：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所三期创新工程资助项目(065X32CN60)

中图分类号:TP 273

文献标识码:A

文章编号:1000—9787(2016)05—0132—03

作者简介:

刘博婷(1991-)，女，吉林省吉林人，硕士研究生，主要研究方向为伺服系统控制。