FAST主反射面节点运动控制算法

500 m口径球面射电望远镜FAST的创新技术之一是主动反射面.2 300个控制反射面运动的控制器在收到上位机发送的观测指令后,通过规划算法计算节点的目标长度,驱动电机运动.电机带动促动器丝杠伸缩,使得在照明口径内反射面由球面变成抛物面,实现反射面整网控制.对节点运动速率算法进行了优化,优化目标为在满足控制精度的前提下,选取适当的控制周期,使得电机的启停次数最少,减小电机磨损.为FAST主反射面控制选择何种电机提供参考.     

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<正>(新闻时段2015-02-01至2015-02-15)1世界最大射电望远镜索网完成编织[核心媒体报道频次:22/30]4日11:45,随着最后一根主索安装成功,国家天文台500 m口径球面射电望远镜(FAST)索网制造和安装工程顺利完成,这是FAST工程的又一个里程碑。索网结构是FAST主动反射面的主要支撑结构,是反射面主动变位工作的关键点。国家天文台的FAST索网是世界上跨度最大、精度最高的索网结构,也是世界上第1个采用变位工作方式的索网体系。     

新闻时段2015-02-01至2015-02-15

(新闻时段2015-02-01至2015-02-15)1世界最大射电望远镜索网完成编织[核心媒体报道频次:22/30]4日11:45,随着最后一根主索安装成功,国家天文台500 m口径球面射电望远镜(FAST)索网制造和安装工程顺利完成,这是FAST工程的又一个里程碑。索网结构是FAST主动反射面的主要支撑结构,是反射面主动变位工作的关键点。国家天文台的FAST索网是世界上跨度最大、精度最高的索网结构,也是世界上第1个采用变位工作方式的索网体系。     

自校正模糊PID控制的FAST节点位移控制方法

为了解决FAST项目中2400多个节点在相邻节点拉力、外界风力、温度等环境因素的影响下仍能够达到预期运动位置,利用自校正模糊PID控制与改进型论域伸缩方案相结合的方式对FAST节点位移控制策略进行了研究.通过对FAST节点液压促动伺服系统的分析,得出被控对象的传递函数.根据误差和误差变化率的分析,进行控制器的设计,选择合理且有效的变论域伸缩因子,最后利用Simulink对改进算法进行了建模和仿真.仿真分析结果验证了基于变论域的自校正模糊PID控制对FAST节点位移控制的可行性.     

基于MATLAB/ADAMS的FAST促动器研究

首先针对FAST工程促动器速度需求和受力情况,提出变频电机、蜗轮蜗杆、滚珠丝杠传动的促动器设计方案;然后在ADAMS中建立促动器虚拟样机模型,对其进行运动学及动力学仿真;最后,通过ADAMS和MATLAB搭建促动器的联合仿真系统对其进行性能测试。结果表明：促动器方案设计合理,促动器虚拟样机具有良好的动态响应特性和轨迹跟踪功能,可以满足FAST工程需求。     

FAST瞬时抛物面变形策略优化分析

五百米口径射电望远镜(FAST)反射面采用柔性索网作为主体支撑结构,根据拟定的变形策略要求,通过促动器连接下拉索控制主索节点变位实现巡天观测。变形策略参数值的不同会影响索网节点位移量。因此,本文基于数值计算软件Matlab建立主索节点变位数值模型,分析不同变形策略下主索节点径向、经向、纬向的位移量,在分析现有的三种变形策略的基础上,探索新的合理变形策略降低综合位移量,提高索网运行的可靠性。     

柔性喷雾机底盘电液作动器的模糊PID控制

【目的】为了满足复杂农林环境下植保喷雾作业需求,需要解决喷雾机底盘电液作动器采用传统PID(proportional integral differential)控制器控制参数难以自适应调整,以及模糊PID混合控制器难以制定切换策略的难题。【方法】建立了电液作动器系统的几何模型、数学模型和物理模型,采用有限单元法对其进行了结构静力学分析和优化设计; 采用正开口三位四通电磁比例换向阀作为控制元件,设计了模糊PID控制器,并采用MATLAB/SIMULINK进行了控制器建模和仿真,比较了3种控制器的控制效果。【结果】将底盘两横轴直径分别增大10 mm,电液作动器液压缸和活塞杆直径分别增大5 mm,横轴和电液作动器的最大变形量分别减小到4.6 mm和1.1 mm,可满足底盘支撑强度要求; 采用模糊PID控制器控制电液作动器比其他两种控制器有更好的综合特性,其上升时间、调整时间、绝对累积误差和绝对时间累积误差在电液作动器上升运动和下降运动中的取值分别为0.099、0.251、0.013、0.005 s和0.088、0.267、0.009、0.013 s,模糊PID控制器的多项控制指标值均有较明显降低。【结论】模糊PID控制器用于喷雾机底盘电液作动器的位置跟踪控制有更高的控制精度和更快的响应速度。     

电动缸伺服系统中误差平方根控制

针对电动缸带来的速比非线性导致系统快速性和精度之间难以匹配的问题,建立了火炮身管的运动学模型和动力学模型,提出了一种变系数误差平方根和带前馈的比例积分微分(proportion integration differentiation,PID)分段控制策略,利用火炮身管的运动学模型和根据动力学模型拟合的加速度计算误差平方根控制系数,应用于系统的位置控制器设计.利用实际负载进行了台架实验研究,并与传统的误差平方根和带前馈的PID分段控制策略进行了对比.台架实验结果表明:该种变系数误差平方根和带前馈的PID分段控制策略可以明显减小火炮俯仰伺服系统的大调转时间和超调量,且不影响等速和正弦跟踪精度,具有一定的工程应用价值.     

大射电望远镜反射面支承张拉结构非线性分析

根据大射电望远镜 (FAST)反射面系统的要求 ,引入一种新颖轻巧的反射面支承结构方案———张拉整体体系 .通过对多种方案张拉结构体系的承载性能、变形特性、对促动器系统影响的分析以及与传统刚性结构体系(网壳 )的比较 ,并经过反复优化计算 ,确定了张拉整体体系支承结构方案 .计算结构表明 ,用于反射面支承结构的张拉整体体系比网壳结构自重轻约 72 .5 % ,结构作用于促动器的反力减小约 78.5 % .张拉整体体系是一种适合于大射电望远镜的合理的轻型支承结构     

考虑横纵向误差协调的智能汽车路径跟踪控制研究

针对传统轨迹跟踪控制方法应用场景局限,精度不高的问题,为实现车辆横纵向联合控制从而提升无人驾驶汽车在结构化场景下的轨迹跟踪效果,本文建立了自然坐标系下的车辆跟踪误差模型,设计基于LQR与PID相结合的车辆横纵向耦合控制器。在横向控制层面,为消除系统稳定误差,通过引入前馈控制量实现系统的整体稳定,减小车辆在实际运行过程中产生的横向误差,提升控制过程的稳定性;在纵向控制层面,运用PID控制策略进行调节,实现车辆的实际速度与规划速度,实际位置与规划位置之间的精确匹配。通过MATLAB/Simulink与Carsim搭建联合仿真平台,针对日常泊车、驶入主路以及超车多种工况进行仿真验证。仿真结果表明：本文所设计的横纵向联合控制器将车辆的轨迹跟踪误差控制在可接受范围之内的同时,轨迹跟踪效果满足乘客对车辆乘坐舒适性的要求,故本文设计的控制器具备一定的稳定性和准确性。     

基于改进遗传算法的FAST促动器油缸装配机器人运动学

促动器作为500 m口径球面射电望远镜(five-hundred-meter aperture spherical radio telescope,FAST)主动反射面变形的驱动装置,共计2225台,是世界罕见的野外台站大规模应用的设备群.针对促动器油缸组件的实际装配需求,采用D-H法建立油缸装配机器人的关节空间;采用解析法求出装配机器人逆运动学的部分解析解;采用基于自适应多种群的遗传算法通过建立多目标函数得到了其余数值解.结果证明,给出的逆运动学模型正确;相比单种群、定算子概率、定迭代次数的传统遗传算法,给出的改进自适应多种群遗传算法稳定性好、收敛快、求解精度高.研究结果为FAST液压促动器油缸装配机器人末端执行器的运动轨迹规划打下坚实基础,也为相似机器人的运动学研究提供思路.     

数控机床高速高加速进给下的跟随误差控制策略

针对数控机床在高速加工中,各进给轴的进给速度和进给加速度高、跟随误差难以控制、零件加工精度无法保证的问题,提出一种模态滤波器与零相差跟踪控制器的综合控制策略。首先通过零极点对消的原理,得到设置在速度环内的模态滤波器,对滚珠丝杠进给系统的一阶和二阶扭转振动模态进行抵消,消除这两阶模态对伺服带宽的限制以继续提高伺服带宽;然后通过对整个伺服进给系统的传递函数近似取逆,得到设置在位置环之前的零相差跟踪控制器,改善伺服进给系统的相位滞后,最终实现数控机床高速高加速进给下的跟随误差控制。仿真结果表明,当进给速度为30m/min、加速度为10m/s2时,与传统的PID控制策略相比,所提出的综合控制策略将跟随误差降低到原来的0.1%以下。     

FAST地锚基础工程中的若干问题探讨*

FAST工程主动反射面为一半径300 m、口径500 m的球冠面,是一种基于柔性基底的预应力整体索网结构,索网包括2225个主索节点及下拉索驱动装置和地锚。由于台址岩土单元复杂,地锚点多、分布范围广、定位精度要求高、与场地其他基础设施的相互干涉大,给地锚基础的设计带来了一定的难题。本文针对FAST地锚基础中的特殊问题一一展开研究:以工程地质调查和测绘为基础,通过抓台址区主控因素,集合影响台址岩土性质的自然因素,对岩土单元进行了合理的分区;通过建立台址开挖后的BIM模型,利用极射投影技术实现了地锚中心点的精确定位;利用极射投影结果,对设备之间的相互干涉情况进行了调节和处理。研究成果最终确保了FAST地锚基础工程的顺利竣工。     

基于改进PID控制的机床滑台运动位移跟踪误差研究

采取改进PID控制方法,通过仿真验证机床滑台跟踪结果.采用直角坐标系建立机床滑台二维简图模型,设计机床滑台闭环控制流程,定义机床滑台位置传递控制函数.采用BP神经网络结构对PID控制器进行改进,给出机床滑台位置输出误差评价指标函数.采用MAT-LAB软件检验不同控制系统跟踪结果.结果表明:在无干扰状态下,采用传统PID控制系统,滑台位置跟踪误差最大值为0.05m,采用改进PID控制系统,滑台位置跟踪误差最大值为0.02m.两种控制系统跟踪误差相差不大,都能实现滑台位置的精确定位.在有干扰状态下,采用传统PID控制系统,滑台位置跟踪误差较大,误差最大值为0.19m,而采用改进PID控制系统,滑台位置跟踪误差较小,误差最大值为0.02m.采用改进PID控制系统,能够实现机床滑台位置的精确定位,提高机床主轴对零件的加工精度.     

FAST反射面测量样机中反射镜对摄影测量算法的影响分析

FAST(500 m口径球面射电望远镜)是中国在贵州依托当地特有的卡斯特地貌建造的球面射电望远镜,建成后它将成为全世界最大的射电望远镜。其反射面结构由锁网张拉而成,在其500 m口径的反射面内共有约2 200个锁网节点,节点的准确测量是保证望远镜运行精度的重要因素。反射面测量样机采用的是高精度摄影测量相机与精密转台结合的方式,通过旋转转台上的反射镜对反射面内不同位置的目标点进行对准、测量。在常见的摄影测量算法基础上,研究了反射镜的反射对于摄影测量算法的影响;并给出了理想情况下与存在安装误差的情况下两旋转轴在旋转不同角度时反射镜的反射作用在摄影测量算法中的等效转换矩阵。     

基于GPS的FAST望远镜馈源平台自动测量控制系统

500m直径大射电望远镜(简称FAST望远镜)的跟踪观测是由馈源的空间运动来实现,因此馈源在搜索运动过程中要保持很高的稳定性。就馈源平台自动控制系统对位置和姿态测量精度要求进行分析,提出了采用实时动态技术和全球定位系统(GPS)姿态测量技术进行馈源平台的实时监控,以实现整个FAST望远镜对宇宙射电源的自动化跟踪。介绍了GPS时实动态姿态测量原理和FAST监测系统的构成,以及姿态测量的数学模型和解算方法。该方法在50mFAST馈源模型上试验得到馈源平台中心点位精度为5.65mm、姿态精度0.345°可以满足FAST望远镜一次支撑的精度要求。     

基于改进型变步长扰动观察法的光伏系统MPPT研究

为了提高光伏系统的发电效率,需要运用最大功率点跟踪控制技术,文中针对传统变步长扰动观察法当外界环境剧烈变化时会造成跟踪速度变慢和存在一定跟踪死区的问题,提出了一种可以根据外界环境的变化情况自动调整扰动步长系数的变步长扰动法,解决了传统变步长不能找到一组最大步长ΔDmax和比例因子K来满足不同光照强度下跟踪需要的问题,并通过仿真和实验对定步长扰动观察法、变步长扰动观察法和改进型变步长扰动观察法的跟踪效果进行了对比分析。结果表明,改进型扰动观察法具有良好的动态跟踪速度和稳态跟踪精度,能够有效消除定步长扰动观察法和传统变步长扰动观察法存在的不足,具有较好推广应用价值。     

基于双目视觉传感的计算机辅助骨外科手术导航模型

针对骨外科手术导航中对手术器械位置和姿态的定位与跟踪需要。研究了基于面阵CCD（Charge Couple Device）双目视觉传感的被动式光学立体定位跟踪模型与系统．试验结果表明，空间目标深度方向的位置变动范围在700～1000mm时，其Z坐标方向由所研制的系统立体定位得到的坐标值与真实值的误差仅为0．65mm；在执行机构运动速度为100mm／s的情况下，跟踪到的空间目标运动路径与其真实值的最大偏差只有0．3mm．说明所研制的系统能满足骨外科手术导航中对手术器械定位与跟踪的精度要求．     

基于功率预测变步长扰动观察法的最大功率追踪

为解决传统扰动观察法误判、振荡和追踪速度慢的问题,提出一种基于功率预测变步长扰动观察法的控制策略.当采样频率固定,光强不变温度变化的情况下,单位时间内光伏电池的输出功率曲线可近似为线性变化.利用步长较大的传统扰动观察法的快速性追踪到最大功率点附近,然后进行线性化功率预测,进而精确地追踪到最大功率点.并在仿真平台中搭建仿真模型,结果表明新的控制策略提高了系统的跟踪速度和精度,优化了系统的输出性能.     

大型射电望远镜天线主动面补偿研究进展

随着射电望远镜全可动天线的口径扩大与频段提升,天线在观测时的高电性能难以保障,必须采用机械补偿与电子补偿等手段.为确保天线的指向精度与作用距离,有必要对天线赋形反射面的空间位置与几何形状进行调整,即主动面调整,这是补偿天线电性能最有效的手段.为此,本文阐述了国内外有关主动面补偿的应用情况,总结了大型天线主动面补偿的基本原理及适用范围,详细分析了面形调整量计算、主面分块设计、促动器设计、主动面控制系统及面形检测五项关键技术,并对世界上已采用主动主反射面调整的四部大天线进行了对比讨论,最后给出了主动面补偿技术在未来大型射电望远镜天线上的研究方向.