一種望遠鏡反射面的準實時輔助控制方法及系統的制作方法
【專利摘要】一種望遠鏡反射面的準實時輔助控制方法及系統，包括數據接口系統、數據前處理系統、力學仿真系統和數據后處理系統，其中，力學仿真系統中設置有簡化仿真分析模塊和反射面精度補償模塊，數據前處理系統獲得的數據經過簡化仿真分析模塊和反射面精度補償模塊處理后獲得促動器控制數據，該促動器控制數據經過數據后處理系統處理，獲得促動器控制目標曲線，該促動器控制目標曲線通過數據接口系統反饋至望遠鏡總控系統以對望遠鏡運行進行準實時輔助控制。本發明可為望遠鏡反射面的運行和維護提供決策性建議。
【專利說明】
一種望遠鏡反射面的準實時輔助控制方法及系統
技術領域
[0001 ]本發明涉及一種望遠鏡反射面的準實時輔助控制方法及系統。
【背景技術】
[0002]中國科學院國家天文臺建造的500米口徑球面射電望遠鏡(Five-hundredneterAperture Spherical rad1 Telescope，簡稱FAST)，是世界最大的單口徑射電望遠鏡，其突破了地面望遠鏡的百米工程極限，開創了建造巨型射電望遠鏡的新模式。FAST的總體技術指標:口徑為500m，反射面曲率半徑為300m;照明區口徑為300m，焦比f/D =0.467。
[0003]FAST主動反射面是由圈梁、反射面、索網、促動器、地錨等組成。索網安裝在圈梁上，有2225個節點，在索網節點上安裝有約4450個反射面單元形成反射面，每個節點下方連有下拉索和促動器，促動器再與地錨連接。通過控制促動器，實現300米口徑瞬時拋物面進行天文觀測。
[0004]反射面單元分為三角形和四邊形兩大類，其中三角形反射面單元為空間網架結構，邊長約為10.4?12.4米。反射面單元背架在頂點上均裝有連接關節，通過這些連接關節將其懸掛在索網節點上形成望遠鏡反射表面。
[0005]FAST在運行過程中會受到多種外界因素的干擾，如機械故障、溫度、風力、節點側偏等，且現有測量系統的反饋速度不足以支撐反射面的實時控制。因此，需要有輔助控制系統，來輔助望遠鏡反射面實現準實時的控制精度補償，以保證望遠鏡的正常運行。
【發明內容】
[0006]針對現有技術存在的問題，本發明的目的在于提供一種望遠鏡反射面的準實時輔助控制方法，該方法對望遠鏡的運行提供準實時的輔助控制信息。本發明的另一目的是提供一種望遠鏡反射面的準實時輔助控制系統。
[0007]為實現上述目的，本發明一種望遠鏡反射面的準實時輔助控制方法，具體為:
1)利用望遠鏡總控系統監測構件溫度、望遠鏡擬執行任務波段、望遠鏡擬執行觀測軌跡；
2)基于若干個個溫度傳感器的測量數據，利用插值法推算得到每個構件的溫度，并將構件溫度加載到有限元模型中；
3)將監測的望遠鏡擬執行任務波段、望遠鏡擬執行觀測軌跡轉化為觀測任務模擬工況；
4)將溫度場邊界條件和觀測任務模擬工況輸入至有限元模型中，利用迭代方法針對望遠鏡擬執行的觀測任務進行全過程模擬，輸出促動器在每個拋物面工況為達到理想面型精度所對應位置；
5)基于最小二乘法采用多項式函數對觀測過程的促動器時間-位置離散點進行擬合，以得到促動器控的制目標曲線；
6)將促動器控制目標曲線反饋至望遠鏡總控系統，來對望遠鏡的運行進行準實時輔助控制。
[0008]進一步，所述步驟I)中的構件溫度通過布置在索網及圈梁結構上的若干個光纖傳感器來測量特定位置構件的溫度。
[0009]進一步，所述步驟2)中插值方法采用牛頓線性插值方法，得到每個構件的溫度。
[0010]進一步，所述步驟2)中的有限元模型為利用有限元軟件ANSYS，建立FAST反射面支撐結構的整體模型，索網采用LINKlO單元模擬，圈梁則采用BEAM44單元。
[0011]進一步，所述步驟4)中的限元模型結合簡化仿真分析方法和反射面精度補償方法來進行全過程模擬。
[0012]進一步，所述簡化仿真分析方法，具體為:將望遠鏡跟蹤或掃描的連續觀測過程簡化為一系列離散的拋物面仿真工況，相鄰拋物面的中心線夾角為0.5度，以保證對連續觀測過程的準確描述。
[0013]進一步，所述反射面精度補償方法，具體為:
A)基于光纖傳感器的溫度測量數據，獲得所有構件的溫度參數；
B)對FAST反射面支撐結構的整體模型施加溫度載荷；
C)同時運用所述簡化仿真分析方法獲得的所述拋物面仿真工況，利用迭代算法模擬拋物面工況，并控制主索節點到達目標位置；
D)獲得所述促動器控制目標曲線。
[0014]進一步，若干個所述光纖傳感器測得的溫度數據進行線性插值處理，以得到每個構件的溫度。
[0015]進一步，當測得的所述溫度數據最大波動達到5度時，則需要更新溫度場參數，保證系統的準實時特性。
[0016]—種實施上述方法的望遠鏡反射面的準實時輔助控制系統，包括數據接口系統、數據前處理系統、力學仿真系統和數據后處理系統，其中，力學仿真系統中設置有簡化仿真分析模塊和反射面精度補償模塊，數據前處理系統獲得的數據經過簡化仿真分析模塊和反射面精度補償模塊處理后獲得促動器控制數據，該促動器控制數據經過數據后處理系統處理，獲得促動器控制目標曲線，該促動器控制目標曲線通過數據接口系統反饋至望遠鏡總控系統以對望遠鏡運行進行準實時輔助控制。
[0017]本發明輔助望遠鏡反射面實現準實時的控制精度補償和故障預警功能。該系統是總控系統的輔助系統，需要與總控系統實時交互數據，一方面從總控系統獲取所需的測量數據，另一方面向總控系統輸出控制指令，來為望遠鏡反射面的運行和維護提供決策性建議。
【附圖說明】
[0018]圖1為本發明結構框架圖；
圖2為簡化分析前的連續變位觀測過程示意圖；
圖3為簡化分析后的連續變位觀測過程示意圖；
圖4為圈梁上光纖傳感器布置圖；
圖5為索網上光纖傳感器布置圖；
圖6為反射面精度補償力學分析流程框架圖。
【具體實施方式】
[0019]下面，參考附圖，對本發明進行更全面的說明，附圖中示出了本發明的示例性實施例。然而，本發明可以體現為多種不同形式，并不應理解為局限于這里敘述的示例性實施例。而是，提供這些實施例，從而使本發明全面和完整，并將本發明的范圍完全地傳達給本領域的普通技術人員。
[0020]為了易于說明，在這里可以使用諸如“上”、“下”“左” “右”等空間相對術語，用于說明圖中示出的一個元件或特征相對于另一個元件或特征的關系。應該理解的是，除了圖中示出的方位之外，空間術語意在于包括裝置在使用或操作中的不同方位。例如，如果圖中的裝置被倒置，被敘述為位于其他元件或特征“下”的元件將定位在其他元件或特征“上” O因此，示例性術語“下”可以包含上和下方位兩者。裝置可以以其他方式定位(旋轉90度或位于其他方位)，這里所用的空間相對說明可相應地解釋。
[0021 ]如圖1所示，本發明一種望遠鏡反射面的準實時輔助控制方法，具體為:
1)利用望遠鏡總控系統監測構件溫度、望遠鏡擬執行任務波段、望遠鏡擬執行觀測軌跡；
2)基于若干個個溫度傳感器的測量數據，利用插值法推算得到每個構件的溫度，并將構件溫度加載到有限元模型中；
3)將監測的望遠鏡擬執行任務波段、望遠鏡擬執行觀測軌跡轉化為觀測任務模擬工況；
4)將溫度場邊界條件和觀測任務模擬工況輸入至有限元模型中，利用迭代方法針對望遠鏡擬執行的觀測任務進行全過程模擬，輸出促動器在每個拋物面工況(即不同時間)為達到理想面型精度所對應位置；
5)將觀測過程的促動器控制數據轉化為促動器控制目標曲線；
6)將促動器控制目標曲線反饋至望遠鏡總控系統，來對望遠鏡的運行進行準實時輔助控制。
[0022]如圖4、圖5所示，步驟I)中的構件溫度通過布置在索網及圈梁結構上的若干個光纖傳感器來直接測量構件的溫度。為了獲取溫度場參數，索網及圈梁結構共布置500余個光纖傳感器，可以直接測量構件溫度，精度可達到0.1度。其次，大部分影響索網位形精度的關鍵構件位于面板下方，受日照因素影響較小。構件溫度與環境溫度的關系更加密切，對500余個溫度數據作線性插值處理，便可得到每個構件的溫度。
[0023]當溫度測量數據最大波動達到5度時，則需要更新溫度場參數，保證系統的準實時特性。
[0024]步驟2)中的有限元模型為利用有限元軟件ANSYS，建立FAST反射面支撐結構的整體模型，索網采用LINKlO單元模擬，圈梁則采用BEAM44單元。步驟4)中的限元模型結合簡化仿真分析方法和反射面精度補償方法來進行全過程模擬。
[0025]簡化仿真分析方法，具體為:將望遠鏡跟蹤或掃描的連續觀測過程簡化為一系列離散的拋物面仿真工況，相鄰拋物面的中心線夾角為0.5度，以保證對連續觀測過程的準確描述。
[0026]當望遠鏡進行換源、跟蹤或掃描等觀測任務時，索網變位工作是近似的準靜態過程。因此，可將望遠鏡跟蹤或掃描的連續觀測過程簡化為一系列離散的拋物面狀態，如圖1、圖2所示。
[0027]由于連續變位觀測過程被簡化為一系列拋物面狀態的迭加，仿真結果所輸出的控制數據也不可能是促動器行程-時間的連續曲線，而是一系列的離散點。基于三角函數和多項式函數的組合函數，利用最小二乘法對離散點擬合，給出可以用于反射面控制的促動器行程-時間控制目標曲線。
[0028]可以預見，離散點取得越密集即d0越小(參見圖5)，促動器控制目標曲線擬合精度越高。但如果取得過于密集，過大的計算量會使簡化分析方法失去其原有意義。通過對比分析，取(10為0.5°即可。
[0029]反射面精度補償方法，具體為:
A)基于光纖傳感器的溫度測量數據，獲得所有構件的溫度參數；
B)對FAST反射面支撐結構的整體模型施加溫度載荷；
C)同時運用所述簡化仿真分析方法獲得的所述拋物面仿真工況，利用迭代算法模擬拋物面工況，并控制主索節點到達目標位置；
D)獲得所述促動器控制目標曲線。
[0030]實際工作中，FAST工作風速為4m/s，饋源系統定位精度要求是該工作風速的主要制約因素。而索網是通過下拉索控制，下拉索載荷一般在3噸到10噸之間。該工作風速只會微弱地影響下拉索載荷，可以忽略風載對索網控制精度的影響。而單元面板的設計剛度已經考慮了工作風速的影響，同樣不用再考慮風載修正。
[0031]濕氣作用與風載類似，這里不再贅述。另外，望遠鏡地處黔東南地區，氣候溫暖，一般不會發生凍雨、雪氣候，所以雪載及凍雨載荷只在設計階段作為安全較核因素考慮，至于對控制精度的影響可以忽略。
[0032]自重、索節點側偏及下拉索彈性變形等因素的影響，都屬于該結構體系自身的力學響應，可在力學模擬過程中自動體現出來，采用圖6所示的迭代控制方法即可修正。
[0033]下拉索的懸鏈線效應對其剛度的影響，可考慮采用懸索理論中等效彈性模量方法進行分析，必要時運用Ernst公式對其進行彈性模量修正。此部分工作已經在模型的修正工作中考慮。
[0034]由于望遠鏡受山體遮擋且尺度巨大，非均勻溫度場作用不能忽視。其影響作用主要體現在面板單元溫度變形及主索節點的空間位置變化。
[0035]其中，溫度對于面板單元的作用已經在其設計階段有非常詳細的分析結論，20度左右的溫度變化導致面板單元產生最大的面外變形不足0.3mm(這里忽略面內變形)。而根據望遠鏡的設計指標，面板分配的精度為RMS小于2mm，所以該影響可以忽略。
[0036]綜上所述，本發明中將主要考慮溫度作用下主索節點的控制精度修正。針對某個拋物面工況i時，實際上如果已經知道構件溫度，反射面溫度變形補償量的計算比較容易實現，補償模型的工作流程如圖6。而對于連續的變位過程，則可將其簡化為一系列的離散拋物面工況。通過重復圖6所示的流程，對每個拋物面工況進行處理，即可得到每個促動器的目標控制曲線。
[0037]如圖1所示，一種實施上述方法的望遠鏡反射面的準實時輔助控制系統，包括數據接口系統、數據前處理系統、力學仿真系統和數據后處理系統，其中，力學仿真系統中設置有簡化仿真分析模塊和反射面精度補償模塊，數據前處理系統獲得的數據經過簡化仿真分析模塊和反射面精度補償模塊處理后獲得促動器控制數據，該促動器控制數據經過數據后處理系統處理，獲得促動器控制目標曲線，該促動器控制目標曲線通過數據接口系統反饋至望遠鏡總控系統以對望遠鏡運行進行準實時輔助控制。
[0038]其中，數據接口系統:數據接口系統應滿足望遠鏡總控系統的接口協議，能實現與望遠鏡總控系統數據交互功能。一方面，能通過該數據接口系統從總控系統中讀取必要參數，例如天文觀測軌跡、促動器故障及溫度場等信息；另一方面，能向總控系統傳輸計算結果數據，例如促動器控制目標曲線及故障預警信息。
[0039]數據處理系統:數據處理系統主要分為兩部分，即數據前處理系統和數據后處理系統。數據前處理系統主要是處理總控系統的輸入數據，形成可輸入到力學仿真系統中的力學邊界條件。例如，將輸入的天文觀測軌跡按一定原則離散化處理，形成可供力學仿真系統使用的輸入工況，或將輸入溫度數據進行處理，形成可輸入到力學仿真系統的溫度載荷；數據后處理系統是對相關算法編程，可以實現對力學仿真系統的計算結果進行實時處理，得到促動器的行程-時間控制目標曲線及反射面的故障預警信息。
[0040]力學仿真系統:力學仿真系統是實現反饋控制系統和故障預警系統的仿真計算平臺，也是本發明的核心工作。首先將嘗試基于ANSYS商業有限元軟件，利用APDL參數化編程軟件編程，必要時考慮自行編制有限元程序，實現溫度補償、促動器故障模擬及力學模型修正等算法;最后根據望遠鏡的指標及安全要素，分析望遠鏡準實時控制對力學仿真系統計算效率的需求。在此基礎上，合理設計計算機系統，必要時采用并行計算機系統。
[0041]本發明解決了以下關鍵問題:
(I)發展高效的模擬計算方法，以實現系統的準實時反饋功能。
[0042]為實現望遠鏡的準實時反饋控制功能，需要虛擬輔助控制系統能快速地反饋數據處理結果。如果采用時程分析方法對索網變位過程進行模擬，模擬所需要的時間可能要比實際變位觀測的時間還要長。所以必須簡化索網變位過程的分析方法，大幅提高系統計算效率。在此基礎上，選擇合適的商業有限元軟件和計算機系統，必要時自行編制有限元程序或采用并行計算設備。
[0043](2)分析控制精度的諸多影響因素，發展基于力學仿真技術的補償算法。
[0044]如前所述，影響該望遠鏡反射面控制精度的因素相互耦合，需要對各個影響因素獨立分析處理，定量分析每個因素對反射面控制精度的影響程度。對于不重要的影響因素需進行排除，提高系統的計算效率。對于重要的影響因素，則要分門別類地建立補償算法，并將這些算法在基于力學仿真技術的輔助控制系統中給予實現。
【主權項】
1.一種望遠鏡反射面的準實時輔助控制方法，其特征在于，該具體為: 1)利用望遠鏡總控系統監測構件溫度、望遠鏡擬執行任務波段、望遠鏡擬執行觀測軌跡； 2)基于若干個個溫度傳感器的測量數據，利用插值法推算得到每個構件的溫度，并將構件溫度加載到有限元模型中； 3)將監測的望遠鏡擬執行任務波段、望遠鏡擬執行觀測軌跡轉化為觀測任務模擬工況； 4)將溫度場邊界條件和觀測任務模擬工況輸入至有限元模型中，利用迭代方法針對望遠鏡擬執行的觀測任務進行全過程模擬，輸出促動器在每個拋物面工況為達到理想面型精度所對應位置； 5)將觀測過程的促動器控制數據轉化為促動器控制目標曲線； 6)將促動器控制目標曲線反饋至望遠鏡總控系統，來對望遠鏡的運行進行準實時輔助控制。2.如權利要求1所述的望遠鏡反射面的準實時輔助控制方法，其特征在于，所述步驟I)中的構件溫度通過布置在索網及圈梁結構上的若干個光纖傳感器來直接測量構件的溫度。3.如權利要求1所述的望遠鏡反射面的準實時輔助控制方法，其特征在于，所述步驟2)中的有限元模型為利用有限元軟件ANSYS，建立FAST反射面支撐結構的整體模型，索網采用LINKlO單元模擬，圈梁則采用BEAM44單元。4.如權利要求1所述的望遠鏡反射面的準實時輔助控制方法，其特征在于，所述步驟4)中的限元模型結合簡化仿真分析方法和反射面精度補償方法來進行全過程模擬。5.如權利要求4所述的望遠鏡反射面的準實時輔助控制方法，其特征在于，所述簡化仿真分析方法，具體為:將望遠鏡跟蹤或掃描的連續觀測過程簡化為一系列離散的拋物面仿真工況，相鄰拋物面的中心線夾角為0.5度，以保證對連續觀測過程的準確描述。6.如權利要求5所述的望遠鏡反射面的準實時輔助控制方法，其特征在于，所述反射面精度補償方法，具體為: A)基于光纖傳感器的溫度測量數據，獲得所有構件的溫度參數； B)對FAST反射面支撐結構的整體模型施加溫度載荷； C)同時運用所述簡化仿真分析方法獲得的所述拋物面仿真工況，利用迭代算法模擬拋物面工況，并控制主索節點到達目標位置； D)獲得所述促動器控制目標曲線。7.如權利要求2所述的望遠鏡反射面的準實時輔助控制方法，其特征在于，若干個所述光纖傳感器測得的溫度數據進行線性插值處理，以得到每個構件的溫度。8.如權利要求7所述的望遠鏡反射面的準實時輔助控制方法，其特征在于，當測得的所述溫度數據最大波動達到5度時，則需要更新溫度場參數，保證系統的準實時特性。9.一種望遠鏡反射面的準實時輔助控制系統，包括數據接口系統、數據前處理系統、力學仿真系統和數據后處理系統，其中，力學仿真系統中設置有簡化仿真分析模塊和反射面精度補償模塊，數據前處理系統獲得的數據經過簡化仿真分析模塊和反射面精度補償模塊處理后獲得促動器控制數據，該促動器控制數據經過數據后處理系統處理，獲得促動器控制目標曲線，該促動器控制目標曲線通過數據接口系統反饋至望遠鏡總控系統以對望遠鏡運行進行準實時輔助控制。
【文檔編號】G06F17/50GK105868475SQ201610193369
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年3月30日
【發明人】姜鵬, 李慶偉, 南仁東
【申請人】中國科學院國家天文臺