天线伺服控制算法研究

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为了促进射电天文学的发展进步和满足深空探测的需要,自上世纪五六十年代以来,越来越多先进的大型射电望远镜被不断建立。随之,天线的工作波段也越来越宽。为了促进我国射电天体物理学科的发展和满足我国未来VLBI深空测定轨及深空探测任务的需求,在新疆乌鲁木齐也将建造一个110m口径全方位可动的大型射电望远镜,其工作频率范围为150MHz-115GHz。高的工作频率对天线的指向精度和跟踪精度也提出了更高要求。伺服控制系统采用传统的PID控制算法已经很难满足大型射电望远镜的控制要求,因此,通过对天线伺服系统控制算法的研究,设计满足天线控制要求的算法显得尤为重要。   首先,对天线伺服系统的组成结构及其工作原理进行了深入的研究,尤其是伺服系统的控制单元(软件部分)和驱动系统(硬件部分)。其次,着重研究分析了PID控制算法和LQG控制算法的工作过程与设计原理。最后,以新疆天文台南山基地现在正运行的25m射电望远镜的三环控制系统作为实验对象进行了仿真实验。根据其系统的组成结构和工作原理,求取了闭环系统的传递函数并建立了系统的状态空间方程。分别设计了LQG控制器和PI调节器,利用Simulink工具箱搭建系统模型和控制器模型进行仿真实验,并对两种控制器的仿真结果进行比较分析。在伺服系统的电流环路采用PI调节器,在速度环路采用LQG控制器,而位置环路则分别采用了PI控制算法和LQG控制算法。仿真结果表明,LQG控制算法在调节时间、超调量等控制性能方面优于PI控制算法,且得到的闭环系统具有较好的抗干扰能力和稳定性。为了降低指向误差和跟踪误差、保证大型射电望远镜在误差源干扰下的指向精度和跟踪精度,伺服控制系统采用LQG控制算法是一种比较理想的选择。
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