强风载液压扰动下望远镜永磁同步电机控制系统及其方法：大型望远镜的PC机与控制系统进行双向通讯；该控制系统接永磁同步电机控制台；该控制台运转时由液压支撑，并通过光电编码器向控制系统输送速度反馈和位置反馈信号，其特征在于，所述控制系统中的处理器采用DSP处理器，该DSP处理器采用鲁棒H∞控制。本发明专利技术的设备和方法克服了传统技术的不足，并具有以下技术效果：在风载、液压等外界不确定因素干扰下，该控制器能使得控制系统具有高灵敏度和强抗干扰能力，满足望远镜长期可靠的匀速、超低速、高精度运行。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种控制系统，具体涉及一种强风载液压扰动下的大型望远镜的强鲁棒高灵敏永磁同步电机控制系统。该系统能够实现液压扰动和风载等外界不确定因素下的大型望远镜的永磁同步电机控制。本专利技术还涉及这种强风载液压扰动下的大型望远镜的强鲁棒高灵敏永磁同步电机控制系统的工作(运行)方法。
技术介绍
为了提高光学成像分辨率，获取高质量光学数据，望远镜口径随之增加，承载望远镜机架结构不仅庞大而且变得复杂多样，这对望远镜跟踪控制系统提出了极高的要求。望远镜跟踪控制系统的抗扰动能力以及高灵敏度特性对直接影响天文观测数据的质量和被观测天体的跟踪精度。望远镜跟踪控制器直接并且唯一决定控制系统的跟踪质量，对望远镜的跟踪控制起着至关重要的作用。对于大型望远镜的直接驱动永磁同步电机(PMSM)控制系统，由于其极大的自身重量和复杂的结构特性，转子在运转期间会生产很强的摩擦力，不仅运转困难，还极大损耗定转子材料，因此在转子与定子相接处需要通过液压支撑来减小摩擦力。但液压出油量起伏不定，即使有专门的控制系统控制出油量也未必能使液压面保持在同一水平线，起浮不定的液压噪声引起转子轴向跳动和径向圆周跳动，因此影响望远镜跟踪精度。风载等外界不确定因素干扰也影响望远镜的跟踪控制质量。强劲的风还会使望远镜一时偏离正常轨迹行驶，使观测数据质量 大大降低，因此有必要设计一套能有效抑制干扰的强鲁棒高灵敏控制器。目前国内外大型天文望远镜的控制系统中，时常使用PMAC运动控制卡，以及UMAC控制器对望远镜进行跟踪控制。PMAC和UMAC虽然使用方便，但其控制对象没有针对性，而且控制算法采取的是传统PID控制。由于模型的不确定性、参数多变性以及各类非线性因素的影响使带PID控制器的跟踪控制系统在望远镜这一复杂工程上的应用效果并不理想，抗干扰能力较差，灵敏度较低，响应特性缓慢，在外界干扰因素较强情况下，不能有效的满足望远镜超低速、高精度的跟踪要求。近年来欧洲南方天文台VLT望远镜开始采用鲁棒性强的H c?控制器策略抗风载干扰。哈勃太空望远镜改进计划中，为了改进装于哈勃望远镜上的太阳能蓄电池的热效应对控制系统的干扰，以抗干扰为首要目的研究了对应的控制器。ALMA望远镜的控制系统采用了鲁棒性强H c?控制策略。正在拟建的30光学望远镜TMT (Thirty Meter Telescope)打算采用鲁棒性强抑制干扰为目的H c?控制器策略。虽然现有技术中已经有了在大型望远镜控制系统上应用H c?控制器的上述成果，但是由于每一架大型天文望远镜的结构、参数等基本因素都与以前的天文望远镜不同，其控制系统也都是一个全新的系统，其所面临的风载、摩擦力等因素也都是不确定的因素。所以对于一个新的大型望远镜的控制系统，要采用H c?控制器的设计，仍然需要克服很多技术困难。例如:液压扰动频带不稳定性，可能位于低频带；风载的随机性干扰，风力大小的不稳定性和快速性受到地理环境影响。中国大型望远镜的控制系统尚未使用H c?控制器策略，也缺乏对大型望远镜H ?ο控制关键技术的研究和应用，为了望远镜在外界不确定因素以及液压系统等干扰因素下，满足望远镜超低速、高精度等要求，有必要设计一种长期可靠的强鲁棒性和高灵敏的控制器。
技术实现思路
本专利技术的目的:是设计一种强风载液压扰动下大型望远镜永磁同步电机控制系统，在风载、液压等外界不确定因素干扰下，该控制系统能使得控制系统具有高灵敏度和强抗干扰能力，满足望远镜长期可靠的匀速、超低速、高精度运行。本专利技术还将提供这种强风载液压扰动下的大型望远镜的强鲁棒高灵敏永磁同步电机控制系统的工作方法。本专利技术专利的技术方案是:一种强风载液压扰动下大型望远镜永磁同步电机控制系统，其中，大型望远镜的PC机与控制系统进行双向通讯；该控制系统接永磁同步电机控制台；该控制台运转时由液压支撑，并通过光电编码器向控制系统输送速度反馈和位置反馈信 号，其特征在于，所述控制系统中的处理器采用DSP处理器，该DSP处理器采用鲁棒H c?控制。所述DSP处理器采用鲁棒H OO控制的具体结构是:大型望远镜的PC机与控制系统中的DSP处理器进行双向通讯；该DSP处理器的鲁棒H c?控制包括:4mPMSM建模与辨识、权函数设置及控制器参数，输送到大型望远镜的PC机；同时通过PWM控制4mPMSM电机的驱动电路；4mPMSM电机的运行信号通过光电编码器，将其位置反馈与速度反馈输送给DSP处理器。完成本申请第二个专利技术任务的技术方案是，上述强风载液压扰动下的大型望远镜的强鲁棒高灵敏永磁同步电机控制系统的工作方法，其特征在于，步骤如下: (1).大型望远镜的PC机开始控制DSP处理器工作； ⑵.PC机进行4mPMSM建模与辨识并运算状态空间方程 (3).设定混合灵敏度性能； (4).对大型望远镜外界干扰抑制进行权函数设置，并将该权函数设置输入步骤(3)的状态空间方程的运算； (5).对大型望远镜的驱动控制电压进行权函数设置，并将该权函数设置输入步骤(3)的状态空间方程的运算； (6).运算带权函数的输出反馈LMI方程； (7).进行控制系统性能指标的判读；判读结果为“肯定”时进入步骤⑶；判读结果为“否定”时返回步骤(3) (8).确定控制参数，DSP运行参数。其中，步骤⑵4mPMSM建模与辨识的具体操作是: (2)-1.角位移数据采集； ⑵-2.针对4mPMSM的建模； ⑵-3.GLS辨识； ⑵-4.4mPMS传递函数；(2)-5.建立状态空间模型。所述步骤⑷权函数设置的具体操作是: ⑷-1.液压噪声频谱分析； (4) -2.风载噪声频谱分析； (4) -3.在步骤⑷-1与步骤⑷-2的基础上确定干扰抑制加权函数； ⑷-4.确定跟踪指标； (4) -5.在步骤⑷-4的基础上确定跟踪性能加权函数； (4)-6.确定控制能量输入限制； (4)-7.在步骤⑷-6的基础上确定控制加权函数。所述步骤⑶确定控制参数的具体操作是: ⑶-1.确定系统性能指标； (8) -2.进行线性矩阵不等式计算； (8)-3.确定控制器参数。 本技术方案的特征在于: 1.在H C?控制器设计时，针对望远镜建立模型，通过系统辨识方法得到模型具体参数。在望远镜工作频段设定不同加权函数，有效保证实际工作频段控制器性能的优化，限制控制输入加权函数矩阵和跟踪性能加权函数矩阵，使得控制器性能在跟踪控制区域的频段最优。液压噪声、风载噪声干扰带加权函数的设置，使望远镜抗干扰能力更具针对性。综合考虑跟踪性能、控制输入以及干扰抑制的混合灵敏度的选取。这加权特性的设置见图1，是目前市场上生产的所有控制器未曾有的功能特性。图2(a)是哈勃望远镜权函数设置图，哈勃望远镜权函数只涉及到干扰抑制和跟踪性能，并没有对控制输入加以限制，其结果有可能会产生控制性能无限好但需要的输入能量无限制大的结果。图2(b)是欧洲南方天文台的极大望远镜的权函数设置，同样没有对控制能量进行限制。在欧洲南方天文台公开的资料中表明，望远镜的硬件设备性能跟不上H c?控制器增益要求，只能退而求其次的修改控制算法。因此对于控制输入的能量限制的权函数是必要条件。权函数的设置位置的不同代表控制目的的不同。2.鲁棒控制器是以H c本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种强风载液压扰动下大型望远镜永磁同步电机控制系统，大型望远镜的PC机与控制系统进行双向通讯；该控制系统接永磁同步电机控制台；该控制台运转时由液压支撑，并通过光电编码器向控制系统输送速度反馈和位置反馈信号，其特征在于，所述控制系统中的处理器采用DSP处理器，该DSP处理器采用鲁棒H∞控制。
【技术特征摘要】
2014.04.18 CN 201410159265.61.一种强风载液压扰动下大型望远镜永磁同步电机控制系统，大型望远镜的PC机与控制系统进行双向通讯；该控制系统接永磁同步电机控制台；该控制台运转时由液压支撑，并通过光电编码器向控制系统输送速度反馈和位置反馈信号，其特征在于，所述控制系统中的处理器采用DSP处理器，该DSP处理器采用鲁棒H C?控制。2.根据权利要求1所述的强风载液压扰动下大型望远镜永磁同步电机控制系统，其特征在于，所述DSP处理器采用鲁棒H c?控制的具体结构是:大型望远镜的PC机与控制系统中的DSP处理器进行双向通讯；该DSP处理器的鲁棒H c?控制包括:4mPMSM建模与辨识、权函数设置及控制器参数，输送到大型望远镜的PC机；同时通过PWM控制4mPMSM电机的驱动电路；4mPMSM电机的运行信号通过光电编码器，将其位置反馈与速度反馈输送给DSP处理器。3.权利要求1所述的强风载液压扰动下的大型望远镜的强鲁棒高灵敏永磁同步电机控制系统的工作方法，其特征在于，步骤如下:.大型望远镜的PC机开始控制DSP处理器工作；.PC机进行4mPMSM建模与辨识并运算状态空间方程；.设 定混合灵敏度性能；.对大型望远镜外界干扰抑制进行权函数设置，并将该权函数设置输入步骤(3)的状态空间方程的运算；.对大型望远镜的驱动控制电压进行权函数设置，并将该权函数设...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈丽燕，宋晓莉，张振超，汪达兴，张超，
申请(专利权)人：中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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