基于軟件設計的空間望遠鏡主鏡力促動器控制系統

韓雪，曹小濤，楊維帆

（中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，長春 130033）

望遠鏡的口徑越大，其集光能力越強、分辨能力越高，獲取天體信息的能力也越強，越有利于航空航天、現代天文、國防軍事等領域的深入發展。隨著望遠鏡口徑的增大，主鏡重力變形和熱變形問題尤為突出，嚴重影響成像質量。傳統的被動支撐方式很難保證主鏡的面形精度，因此主動光學技術迅速發展并逐漸成熟［1］。目前大口徑望遠鏡大多采用了主動光學技術［2］，通過檢測望遠鏡的波前像差，利用主鏡背后的力促動器來實現復雜外界因素下主鏡的面形保持或校正，使望遠鏡始終保持優良的成像質量［3，4］。

在主動光學中，力促動器是定位支撐機構，也是校正鏡面面形的執行機構［5-8］。力促動器要保證具有促動精度高、線性度好、響應速率快和運動平滑的特點［9，10］。因此開發一種滿足上述要求的力促動器控制軟件具有重要意義。

本文設計了力促動器的控制系統，該控制系統采用PID控制算法實現力與位移雙閉環控制，由上位機軟件實現系統控制。其中，力促動器采用了結構簡單的電機和絲杠結構，作為空間望遠鏡主鏡面形校正的執行機構。該控制系統包括機械傳動機構、驅動控制系統和反饋環節三大部分。最后對所設計的力促動器控制系統的可靠性和有效性進行了實驗驗證。

1 力促動器控制系統

1.1 系統設計方案

空間望遠鏡系統中常用的力促動器主要有機電式、液壓式和氣動式三種［11］。液壓式力促動器輸出力大，減速比高，但實際操作過程中存在液體泄漏造成主鏡污染的危險。氣動式力促動器結構簡單，無污染，速度快，但控制復雜，低速穩定性差。機電式力促動器響應速度快，控制精度高，但易受電源電壓、頻率變化的影響。結合實際情況和項目實驗要求，本文采用了電機+絲桿的機電式力促動器結構。

本文設計的力促動器控制系統包括機械傳動機構、驅動控制系統和反饋環節三大部分。圖1為力促動器控制系統組成結構。機械傳動結構主要由減速器、聯軸節、螺母絲杠、導向裝置等組成。驅動控制系統包括直流電機、驅動器和控制軟件。力傳感器與編碼器實現反饋控制。

圖1 力促動器控制系統組成結構

圖2為力促動器系統硬件實驗環境。直流電機采用MAXON公司的型號為EC-I 40系列的無刷直流電機；編碼器為1024線增量式編碼器；采集卡為NI公司的型號為NITB4330，集成24bitA/D，轉換范圍±25mV，力的分辨率為0.15mN/bit；驅動器采用MAXON公司的型號為EPOS2 24/5的驅動器；力傳感器采用HBN公司的型號為S9M，測量范圍±500N，分辨率0.02mV/N；NI半實物仿真平臺負責力的采集、上位機軟件編程實現、力閉環控制算法實現，與電機驅動器進行通信。

圖2 力促動器硬件實驗環境

1.2 控制器設計原理

圖3為控制器原理圖。fd表示控制系統給定的力值，xd表示內環給定的位移，x表示內環輸出的位移，f表示力促動器控制系統輸出的外力，G1(s)表示外環力環控制器的傳遞函數，G2(s)表示內環位置環控制器的傳遞函數，G3(s)表示執行器的傳遞函數，G4(s)表示傳動機構的傳遞函數。

圖3 控制器設計原理圖

由于力促動器控制系統設計時，內環帶寬可以設計為遠大于外環帶寬，因此在恰當設計內環位置環控制器G2(s)后，在帶寬低頻范圍內，可以認為xd等于x，上圖等效為圖4。

恰當設計力環控制器G1(s)，即可保證t→∞,f→fd，即力促動器控制系統輸出力值趨近于給定力值。

圖4 控制器設計簡化圖

1.3 系統工作原理

本系統采用了外環力環與內環位移環控制方法，其對應的力環控制器與位置環控制器均由上位機軟件實現。

系統工作時，上位機接收到主鏡面形校正所需的期望值，力環控制器將期望值與力傳感器反饋的測量值進行比較，經控制算法校正處理后，發送控制信號至位置環控制器。位置環控制器對接收到的控制信號與編碼器輸出的旋轉角度信號進行比較，經控制算法校正處理后，發送控制信號至電機驅動器，電機驅動器輸出驅動電壓信號控制直流電機旋轉。電機作為執行機構，主要提供旋轉扭力，通過聯軸節驅動減速器帶動精密絲杠轉動，絲杠將旋轉運動轉換為螺母的直線運動，產生直線方向的拉力或者壓力。與此同時，上位機軟件平臺實時顯示力傳感器反饋的校正力測量值，并對測量值進行存儲。

2 軟件設計

2.1 PID控制算法

PID控制算法可靠性高、算法簡單、魯棒性好、參數整定方便，廣泛應用于工程實際中。PID控制算法根據給定值與實際輸出值構成偏差值，將偏差值的比例、積分和微分通過線性組合構成控制量，對控制對象進行控制。

PID算法表達式為：

式中，Kp為比例系數，TI為積分時間常數，TD為微分時間常數，u(t)為輸出的控制量，e(t)為偏差信號。

工程上PID參數的整定方法主要有臨界比例度法、過渡過程響應法、試湊法等。本文采用試湊法來確定PID參數，通過控制系統的閉環測試結果，反復調節PID參數，來確定最終參數值。經過反復實驗，得到位置環參數為P位=2.5、I位=0、D位=0.5，力環參數為P力=3、I力=0.35、D力=0，此時控制精度較理想。

2.2 軟件設計

軟件設計時，要滿足以下三方面的需求：

（1）穩定性需求：要求軟件系統在工作時具有穩定性，在控制系統發生故障和校正力測量值超出閾值時，能夠及時、可靠的處理，使控制系統快速恢復到正常狀態，確保實驗環境安全可靠。

（2）實時性需求：校正力期望值發送后，及時接收校正力測量值，期望值與測量值經過控制算法處理后，輸出控制信號，整個過程要保證實時性。

（3）擴展性需求：隨著項目要求的變化，軟件系統后期可能需要進行相應的修改和完善，例如增加新的功能模塊、控制算法的更改，因此，軟件設計上要考慮方便進行修改和維護的需求。

軟件設計基于LabWindows語言，圖5為上位機界面。用戶界面包括力信號采集通道選擇、采樣頻率設置、采集卡參數設置、力傳感器參數設置、校正力期望值讀入、校正力測量值保存、數據顯示、力促動器位移與力值上升時間測量等。

圖5 上位機界面

圖6為一個執行周期的系統軟件流程圖，系統上電后，初始化配置，設置系統定時中斷，中斷到來時，根據力給定值和測量值計算力控制誤差，若誤差大于零，電機正轉，如誤差小于零，電機反轉，力控制算法對誤差進行校正。

圖6 軟件流程圖

3 力促動器性能測試

為了驗證所設計的力促動器控制系統性能，進行了一系列測試，主要包括開環線性度測試、力穩態精度測試、控制系統抗干擾能力測試，以及系統階躍響應測試。

3.1 線性度測試

在±200N測量行程內，測試系統開環狀態下，系統輸出的線性度。上位機發送位移指令，力傳感器反饋輸出力值。測試結果如圖7所示。由圖7可知，在測試范圍內，系統輸出是線性的。

3.2 力穩態精度測試

表1為系統閉環狀態下，一組力穩態精度測試結果。經多次測試，結果表明±50N輸出力范圍內，力的穩態精度優于50mN，均方根誤差為0.0298N。

3.3 抗干擾能力測試

力促動器不僅要準確地輸出指定的力值，還要具有良好的抗干擾能力，力促動器系統的穩定性關系到整個主動光學系統穩定性。

當力促動器的輸出力穩定時，對其施加外力進行干擾。圖8所示是壓力為10N時的抗干擾試驗結果。從力變化曲線可以看出，力促動器未出現振蕩等不穩定的情況，系統能夠有效克服外界干擾，快速恢復到穩定值，使輸出力保持穩定。

圖8 抗干擾測試結果

3.4 系統階躍響應測試

在初值為0時，分別進行了1N和10N的階躍響應測試，測試結果如圖9和圖10所示。結果表明，輸出力上升時間均在3s之內，并且系統超調量很小。

圖9 輸出1N力值時階躍響應測試

圖10 輸出10N力值時階躍響應測試

4 結論

本文設計了基于上位機軟件的空間望遠鏡主鏡力促動器控制系統?？刂撇呗詾榛赑ID控制算法的力與位移雙閉環控制，由LabWindows軟件實現。測試結果表明，在±200N測量行程內，該系統具有良好的線性度和響應特性，穩態精度優于0.05 N，系統抗干擾能力強，滿足項目對主鏡力促動器控制系統的要求。

參考文獻

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