超大型全可動(dòng)反射面天線高指向精度關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、我國(guó)擬在新疆建造口徑為110米的超大型全可動(dòng)反射面天線QTT(Qitai Radio Telescope)，最高工作頻率為117GHz，指向精度要求為2.5'。該天線建成投入使用后，其口徑將成為世界之最，性能將達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。本文以該擬建工程項(xiàng)目為背景，基于前人的工作，主要對(duì)影響該超大型全可動(dòng)反射面天線QTT指向精度的結(jié)構(gòu)和控制因素進(jìn)行了分析，進(jìn)而深入研究了結(jié)構(gòu)和控制的集成設(shè)計(jì)問題。主要工作和取得的成果如下：
　　1.建立了可用

2、于實(shí)時(shí)控制的110米口徑全可動(dòng)天線的近似動(dòng)力學(xué)模型?；?10米口徑全可動(dòng)反射面天線有限元分析，利用少量的模態(tài)坐標(biāo)代替節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)自由度進(jìn)行縮聚，將彈性變形轉(zhuǎn)換到以固有振型為基向量的空間中進(jìn)行描述，從而降低動(dòng)力學(xué)方程的求解規(guī)模。此處縮聚的標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)各階模態(tài)子系統(tǒng)對(duì)應(yīng)傳遞函數(shù)的H2范數(shù)的相對(duì)大小，分別在俯仰輸入-俯仰輸出、方位輸入-方位輸出、俯仰輸入-方位輸出以及方位輸入-俯仰輸出四種情況下對(duì)模態(tài)進(jìn)行選取，然后根據(jù)振型疊加原理，建立描述彈性

3、位移、速度及加速度的動(dòng)力學(xué)方程。結(jié)合天線的剛體位移描述，得到描述整體天線運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)模型。仿真結(jié)果表明，所建模型的時(shí)域響應(yīng)和ANSYS中未縮聚模型的響應(yīng)差別不超過8％，而計(jì)算工作量相對(duì)減少70%，為超大型全可動(dòng)反射面天線的實(shí)時(shí)控制奠定了基礎(chǔ)。
　　2.推導(dǎo)了方位、俯仰軸系誤差及慣性與天線指向精度的數(shù)學(xué)關(guān)系式，研究了載荷、誤差等因素對(duì)天線指向精度的影響。載荷是影響天線指向誤差的結(jié)構(gòu)因素中重要的外部因素，首先結(jié)合110米口徑反射面天線

4、的有限元模型和動(dòng)力學(xué)模型，具體分析了自重和穩(wěn)態(tài)風(fēng)荷所導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生的軸系誤差對(duì)天線指向誤差的影響；然后根據(jù)天線所在地的氣象地理特征，建立了適用于當(dāng)?shù)仉S機(jī)風(fēng)的Davenport功率譜，設(shè)計(jì)相應(yīng)的風(fēng)速濾波器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)隨機(jī)風(fēng)的模擬；最后基于隨機(jī)理論研究了隨機(jī)風(fēng)荷對(duì)天線指向誤差的影響，仿真結(jié)果表明自重和風(fēng)對(duì)天線指向精度的影響較大，對(duì)于2.5角秒的指向精度要求，非常有必要作進(jìn)一步深入研究。
　　3.提出了超大型全可動(dòng)反射面天線的控制方法

5、，建立了110米天線控制理論模型。首先在不考慮干擾的理想情況下，分別對(duì)俯仰輸入俯仰輸出以及方位輸入方位輸出模型，設(shè)計(jì)了PID控制器，其中控制器的比例增益kp、積分增益ki及微分增益kd通過優(yōu)化模型來確定；在考慮隨機(jī)風(fēng)干擾的情況下，通過對(duì)狀態(tài)變量進(jìn)行擴(kuò)維，針對(duì)俯仰輸入俯仰輸出系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)了PI+LQG控制器。仿真結(jié)果表明理想情況下PID基本能滿足系統(tǒng)控制的要求，但是當(dāng)考慮隨機(jī)風(fēng)干擾時(shí)，PID控制器的抗干擾能力滿足不了系統(tǒng)要求，需結(jié)合現(xiàn)代控

6、制理論中的最優(yōu)控制器對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。
　　4.提出了結(jié)構(gòu)因素影響伺服系統(tǒng)性能的影響度函數(shù)。結(jié)合線性二次型LQR控制器，基于最優(yōu)系統(tǒng)的極值條件即庫恩-塔克（KKT）準(zhǔn)則，根據(jù)精細(xì)積分基本原理，推導(dǎo)了該影響度函數(shù)的精確計(jì)算方法，由于不需要進(jìn)行矩陣的求逆運(yùn)算，當(dāng)系統(tǒng)矩陣奇異或接近奇異時(shí)，優(yōu)越性更為明顯。最終得到在110米口徑反射面天線中，結(jié)構(gòu)頻率對(duì)控制性能的影響度指標(biāo)。
　　5.探索了110米口徑天線結(jié)構(gòu)與控制的集成設(shè)計(jì)。針對(duì)