“FAST馈源支撑控制方法优化与仿真”项目通过验收

2013-09-25

  近日获悉,由复杂系统管理与控制国家重点实验室先进机器人控制与系统研究组承担的“FAST馈源支撑控制方法优化与仿真”项目顺利通过验收。

  FAST是国家重大科技基础设施“500米球反射面射电望远镜”(Five-hundred-meter Aperture Spherical Telescope)简称,建成后将成为世界上最大、最灵敏的单口径射电望远镜,FAST将为众多基础研究领域提供支持,例如宇宙物理学、寻找地外文明等。望远镜在喀斯特洼坑内铺设直径500m球冠状反射面,通过主动控制形成瞬时抛物面以汇聚电磁波。

  FAST馈源支撑系统如图1所示,在直径为600m的圆周均匀分布6座150m高馈源支撑塔,采用6根钢索将馈源悬吊于空中。观测时,通过地面卷扬机构(索驱并联机器人)拖动馈源在馈源球冠上实时跟踪主动反射面焦点运动以接受电磁波;馈源舱内安装A-B转台和Stewart机器人,A-B转台主要用于补偿索并联机器人指向能力不足;Stewart机器人承载接受机,作为精调机构补偿馈源接收机理论位姿与实际位姿间的微小误差,这一系列保障馈源接收机对观测天体高精度定位的机构组合称为馈源支撑系统。FAST馈源接收机设计位置误差为10mm(RMS)。

  

图1 FAST馈源支撑系统示意图

  2011年1月,受国家天文台委托,先进机器人控制与系统研究组承担了“FAST馈源支撑控制方法优化与仿真”项目研究任务,内容包括“FAST原型馈源支撑控制系统仿真”、“Stewart室内模型控制系统升级改造”、“密云模型馈源支撑系统恢复”和“馈源支撑控制软件开发”等。

  FAST的索并联机器人驱动馈源方式使馈源扫描范围更大,但同时使FAST馈源支撑成为大尺度、非线性、大滞后系统,且索只能承受拉力、不能承受压力特性更容易因风载激励、卷扬机构内的摩擦和回程效应激励、Stewart机器人“误”激励等引起馈源舱振动,最终导致馈源接收机运行轨迹与理论轨迹的偏差。针对以上问题并结合FAST原型系统控制方法,研究团队提出了新的馈源支撑系统测量与控制方案,使用ANSYS和MATLAB等工具进行了动力学建模和仿真分析。以国家天文台提供的索并联机器人控制误差为输入条件,着重研究了Stewart机器人的运动控制方案,仿真Stewart机器人驱动腿的伸缩距离、调整速度、驱动功率和控制参数之间的关系,并为Stewart前馈控制中设计了带阻滤波器。仿真结果令人满意,为FAST原型馈源支撑控制系统设计提供理论依据和方法支撑。

  室内Stewart模型主要用于模拟FAST原型系统一次支撑和二次支撑系统之间的运动耦合情况,在上平台晃动的情况下保持终端位姿的稳定,实现Stewart上下平台的耦合控制。室内Stewart模型改造升级是将国家天文台实验室内Stewart平台控制系统由原来的PMAC卡+PCI总线的连接方式改造为TRIO控制器+RTEX总线的连接方式,提高了系统的可靠性。在室内模型上开发一套控制软件,成功模拟出了一次支撑和二次支撑运动耦合情况,验证了一系列精调控制算法。改造升级后的室内Stewart模型如图2所示。

  

图2 改造升级后的Stewart室内模型

  为了进一步模拟FAST运行工况,中国科学院国家天文台在密云观测站建立了一个基于13:1动力学相似律的缩尺模型(简称密云模型)。我们承担的密云模型恢复任务,是在密云模型到前期工作的基础上,找出当前密云模型馈源支撑系统软硬件设计上存在的问题并加以修改,保障模型良好运行的同时,进行一系列的理论分析验证与控制方法实验。通过模型恢复过程加强对模型软硬件系统和模型整体运行状态的了解,掌握馈源支撑控制系统中的难点,为FAST原型系统工程实现积累经验。

  在进行密云模型恢复任务同时,我们开发一套新的控制软件,实现了索并联机器人、A-B转台及Stewart机器人理论姿态规划与精确控制。软件包含本地控制和远程控制两种模式,远程控制时,馈源支撑控制软件可以自动响应总控程序发送控制指令,同时将馈源支撑系统状态反馈到总控程序。目前软件已经在密云模型上成功使用并能够执行换源、完整天文轨迹跟踪和回舱基本等操作。馈源支撑控制软件多次在密云模型上进行天文跟踪模拟实验。数据分析结果表明,控制精度显著提高和换源稳定时间大幅度缩短。现场试验如图3所示。

  

图3 密云现场实验

  由于项目组出色地完成了“FAST馈源支撑控制方法优化与仿真”合同规定条款,中国科学院国家天文台将与中科院自动化所进一步合作完成FAST馈源支撑控制系统在贵州的工程实施。FAST馈源支撑是一个典型的刚柔耦合混联型机器人机构,因此后续的研究重点将主要集中于馈源支撑系统耦合控制方法,同时,对FAST原型中馈源运动规划、多传感器测量数据处理、馈源支撑系统健康监测等问题将展开进一步研究。

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