序言：寫作是分享個人見解和探索未知領域的橋梁，我們?yōu)槟x了8篇的航空航天體系標準樣本，期待這些樣本能夠為您提供豐富的參考和啟發(fā)，請盡情閱讀。

第1篇

從中國科技館獲悉，中國科學院力學研究所研究員、博士生導師、中國科學院院士、力學研究所學術委員會主任李家春日前在中國科技館開辦主題為“身邊的流動”的講座，通過唐代詩人李白和張繼的名詩《早發(fā)白帝城》和《楓橋夜泊》解釋古人觀察到的流動現(xiàn)象。探尋日本“3?11”海嘯與福島核泄漏、2011年極端氣象災害和美國航天飛機退役等事件當中的流體力學的原理。

我們身邊存在著很多流體現(xiàn)象，也許看不見、摸不著，然而它們就像空氣和水，是一種重要的存在，影響著我們的生活。氣象災害、日本海嘯、美國航天飛機的退役等均與流體力學有著密切的關系。由此可見，身邊的流體現(xiàn)象無處不在。日前，中國科學院力學研究所研究員，博士生導師，中國科學院院士李家春來到了中國科學技術館與廣大市民面對面，為我們詳細講解“身邊的流動”。

李家春說，2011年，人們遭遇了眾多極端事件：日本海底地震導致海嘯和福島電站核泄漏；澳大利亞颶風、我國干旱與洪水災害等異常氣候問題，而它們的預測、預警都是流體力學的前沿問題。同樣是在這一年，美國航天飛機歷經(jīng)30年，共飛行130余次，而后全面退役。在其退役的種種原因中，防熱系統(tǒng)不可靠等安全問題，成為流體力學工作者需著力解決的重要課題。

日本海嘯與流體有關

“日本‘3?11’地震海嘯災害傷亡慘重，并導致了福島第一核電站的核泄漏。海嘯災害的發(fā)生需要幾個條件，其中包括6.5級以上的海底地震、震源深度小于50公里、海底板塊垂向運動等。傳播到淺海海灣和海灘地區(qū)，因水的積聚和涌升而致災，在夾帶雜物以后沖擊力更強。利用地震波與海嘯傳播的速度差，可以預警防災?！崩罴掖赫f，“為什么日本這次沒有做好呢？原因有兩個，一個是震源很近，離海岸線僅133公里，時間差很短；第二在于日本沒有預見到九級地震會造成如此大海嘯，防波堤設計標準低。如果核電站建在西海岸就要好得多。”

氣候異常緣于大氣環(huán)流非常不規(guī)則

2011年氣候的異常使人類遭受很多損失。澳大利亞百年難遇的“雅斯”颶風；韓國首爾百年一遇的暴雨；包括北京城區(qū)內(nèi)洪水也相對嚴重。氣候異常究竟緣由何在？李家春對此解釋：“由于海陸分布、地形高低、植被覆蓋、土壤干濕等因素，還有諸如地球自身的公轉和自轉、日地關系、太陽活動、火山爆發(fā)等自然原因，大氣環(huán)流是非常不規(guī)則的。近百年來，還有溫室氣體排放等人類活動的干擾，導致全球變暖，大氣活動增強，表現(xiàn)為平均值緩慢上升，在平均值上下幅度的變化也增大。”

美國航天飛機退役，因為防熱系統(tǒng)沒有設計好

美國航天飛機退役原因也是矚目的焦點之一。我們知道，航天飛機的好處是運送量大，把人和物資運到空間站去，所以人能夠長期地在空間站進行科學活動；可以多次往返，似乎可以節(jié)省費用；還有一個好處就是回地落點比較準確。李家春說：“航天飛機退役最重要的原因是，防熱系統(tǒng)沒有設計好，維修費用很高，失事率高。兩次失事，一次是挑戰(zhàn)者號，一次是哥倫比亞號，犧牲了14個人，這樣就不經(jīng)濟、不安全了。所以在2011年的2月、5月、7月，發(fā)現(xiàn)號、奮進號和亞特蘭蒂斯號最終退役。兩架失事，三架放到博物館。”

詩詞里的“流動”

有誰想到古人的詩詞中蘊藏著豐富的流體現(xiàn)象呢？在講座上，李家春先以大家耳熟能詳?shù)钠哐越^句《早發(fā)白帝城》為例，“朝辭白帝彩云間，千里江陵一日還。兩岸猿聲啼不住，輕舟已過萬重山?！边@首詩將詩人遇赦后愉快的心情以及江山的壯麗多姿融為一體，描寫的淋漓盡致，而“輕舟已過萬重山”這順水行舟的流暢輕快則體現(xiàn)出了一種流動現(xiàn)象。

李家春說：“為什么三峽建成前后，船的航速不一樣？沒建三峽之前可以輕快如飛。三峽工程建成以后，‘高峽出平湖’，流速就大大減緩了。實際上，這是由于河道的比降不同，也就是說水面的坡度不同所致。河水流動的動力，來自于重力沿著底坡的分量，比降大，該分量也大，所以流速也就增加了?！?/p>

此外李家春還舉出《楓橋夜泊》里的一句“姑蘇城外寒山寺，夜半鐘聲到客船?！睆谋硪鈦碇v，是說蘇州城外的寒山古寺，半夜敲響的鐘聲傳到了詩人的船頭。那為什么晚上寒山寺的鐘聲能傳過來？“這里面反映了一個科學原理，”李家春說，“聲波在大氣當中的折射現(xiàn)象。到了晚上，大氣的密度處于穩(wěn)定層結，上輕下重，這樣聲音就會全反射回來，而白天的分層情況不同，所以可能聽不到鐘聲?！?/p>

延伸閱讀

現(xiàn)代流體力學具有先導作用

什么是流體力學？在講座上李家春通過解答流體和固體的差別、流體的相態(tài)以及流體運動的表現(xiàn)形式等問題，說明了流體力學是研究流體介質(zhì)的對流、擴散，以及相伴的物理、化學、生物過程，導致質(zhì)量、動量、能量輸送的現(xiàn)象。

流體力學既是一門經(jīng)典學科又是一門現(xiàn)代學科。在17世紀，牛頓基于前人的天文觀測和力學實驗，發(fā)明了微積分，并總結出機械運動三大定律和萬有引力定律，發(fā)表了著名的《自然哲學的數(shù)學原理》一書。由于原理是普適自然與工程各個領域的規(guī)律，從而使力學成為自然科學的先導。

自20世紀60年代以來，由于超級計算機、先進測試技術的發(fā)展和應用，力學進一步凸顯宏微觀結合和學科交叉的特征，并進入現(xiàn)代力學發(fā)展新階段。李家春說：“現(xiàn)代流體力學在航空航天、海洋海岸、環(huán)境能源、生物醫(yī)學、材料信息等諸多工程領域都發(fā)揮著不可或缺的作用。因此，現(xiàn)代流體力學不僅是一門重要的基礎學科，而且在同國家經(jīng)濟、社會發(fā)展相關的各個工程技術領域仍具先導作用。”

流體力學的發(fā)展歷程

流體力學歷史悠久，它發(fā)展的過程可以分成四個階段：基于實踐經(jīng)驗的古代流體力學，基于嚴密數(shù)學理論的經(jīng)典流體力學，基于物理洞察力的近代流體力學，以及基于現(xiàn)代高新技術的現(xiàn)代流體力學。

西方的古代力學，最早的有阿基米德的浮力原理和提水機，達?芬奇的撲翼機和降落傘，以及哈根?泊肖葉的管流實驗。這些也都是流體力學，而且西方關于定量化的研究做得好，并上升為規(guī)律和理論。經(jīng)典力學則以牛頓力學體系的建立為代表，主要推廣到連續(xù)介質(zhì)――就是像水、空氣這樣的介質(zhì)。李家春說，經(jīng)典力學可以得到很多理論公式，但是也面臨困難，比如說解決不了飛機的問題。而近代力學靠的是物理思想，在1904年，普朗特在海德堡數(shù)學會上提出了邊界層理論，解決了阻力和飛機設計問題。如果沒有這個理論，到現(xiàn)在為止，我們不可能坐飛機在十幾個小時到達紐約。

“中國古代的流體力學有很多好成就和貢獻，最重要的一個貢獻，就是2000多年前的都江堰水利工程?！崩罴掖赫f，“魚嘴分水堤嚴格控制內(nèi)外江的水沙量，飛沙堰溢洪道控制洪水量，寶瓶口起著一個水庫的作用，這些都是流體力學原理?！?/p>

專家答疑

疑問：要解決比如說航天、海洋、能源、環(huán)境問題，是用數(shù)學模式、物理思想、現(xiàn)代的超級計算機，還是兼而有之？

李家春：關于研究手段，比如氣候預報，需要的計算量非常大，單純靠手算是不現(xiàn)實的。100年以前曾有一位天文學家預測一個天體運動，推導了100多項，后來發(fā)現(xiàn)計算錯了，結果算了一輩子都白算了，所以沒有計算機不行。但是現(xiàn)在有另外一種趨向，就是年輕人不愛學數(shù)學、物理，單單學計算機，而且公式不推了，程序也不編了，為什么??？因為有軟件。人家編好程了，他只需要輸進去數(shù)據(jù)，結果就能出來，挺不錯啊，就是他不了解里邊的含義，錯了也沒法改，這是不行的。只有學習了數(shù)學、物理中基本的知識以后，才能了解算出來東西對還是不對，了解里邊的規(guī)律是什么，才能做到創(chuàng)新。

疑問：如果某些力學問題解決了，它能夠帶動哪些技術，解決人類的哪些問題？

李家春：我舉個例子――湍流，這是一個百年的難題。湍流是1883年雷諾發(fā)現(xiàn)的，實際上在我們周圍到處都是，水流里邊、大氣里邊到處是湍流現(xiàn)象。但解決它又非常難，因它是無規(guī)則運動。20世紀以來有很大進步，第一條，就是把它的發(fā)生原因、轉變過程、統(tǒng)計規(guī)律以及它的結構弄清楚了，但現(xiàn)在要預測它，對飛行力學、空氣阻力、傳熱這些現(xiàn)象十分重要。另一方面，因為它的尺度非常小，計算機能力還不行，現(xiàn)在十的七次方已經(jīng)很多了，它可能要算到十的十五次方，現(xiàn)在做不到，所以還要靠大腦的智慧。大家要知道，不必要把所有物質(zhì)都分辨到原子、分子，這不可能，只有依靠物理思想對小尺度的現(xiàn)象建立模型，進行簡化，計算量就大大減少了。所以還要學普朗特的精神。如果這個問題解決了，實現(xiàn)了減阻，每年都能省很多石油，可以把環(huán)境污染問題做得更好。

另外，污染處理問題。流水不腐，戶樞不蠹。水流動起來了就不會發(fā)生污染，這是非常簡單的原理。但是處理污染事件時，做環(huán)境的人往往只用化學的方法，或者只用生態(tài)的方法，而不用流動的辦法。實際上處理蘇州河的時候，做流體力學就考慮利用潮水漲落把污染物帶出去，這能提高效率、節(jié)省費用。昆明的滇池到現(xiàn)在為止也沒有解決好。所以光靠化學不行，一定要用流體力學原理，利用或產(chǎn)生流動，使得水活起來，污染就可以治理好了。

第2篇

關鍵詞： 控制系統(tǒng)； 激光測距； 望遠鏡； 位置二次閉環(huán)； 混合PID

中圖分類號： TN911?34； TP273 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）16?0001?07

Design and implementation for control system of 53 cm binocular laser ranging telescope

HUANG Tao1， 2， LI Zhu?lian1， ZHANG Hai?tao1， LI Yu?qiang1， XIONG Yao?heng1

（1. Yunnan Astronomical Observatory， Chinese Academy of Sciences， Kunming 650011， China；

2. University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049， China）

Abstract： The rapid and steady control system of the 53 cm binocular laser ranging telescope is constructed to realize the tracking and measurement of fast space targets. The modularized control system of the telescope was designed， in which the closed?loops of current and velocity are achieved by the servo driver， and the composite PID algorithm and feedback of position are realized by the motion controller. The control case is integrated and the controller is embedded. The controller is arranged to take charge of the real?time motion control， while the task management and human?computer interaction are realized by the host computer. Additionally， the user?defined communication protocol is formulated to overcome the communication delay and low timing precision of VC++. The control strategies of the 2th position closed?loop and the mixture PID are proposed to improve the tracking precision of the telescope. Experimental results indicate that the telescope can satisfy the precision of 5″ at the uniform speed of 3（°）/s and in the tracking process of low orbit satellites. Meanwhile， it reaches the precision of arc?second scale in the tracking of medium and high orbit satellites. The telescope has been proved that it is able to realize the rapid and steady tracking of space targets which are beyond 400 km far from the ground station， and can satisfy the demand of the property index.

Keywords： control system； laser ranging； telescope； 2th position closed?loop； mixture PID

0 引 言

為了發(fā)展和拓寬空間目標監(jiān)測的新技術方法和手段，中科院云南天文臺新建一臺53 cm收發(fā)分光路的雙筒激光測距[1]望遠鏡，以解決現(xiàn)有的1.2 m收發(fā)共光路望遠鏡[2]中的單光子探測器（Single?Photon Detector）[3?4]易受強激光后向散射影響的問題，并可聯(lián)合1.2 m望遠鏡實現(xiàn)空間目標的多角度多方位測量。此外53 cm激光發(fā)射望遠鏡可為1.2 m望遠鏡成像系統(tǒng)提供激光導引星[5]，可進一步提高空間暗弱目標的探測能力，而成像系統(tǒng)對空間目標的可視性，在很大程度上也能提高衛(wèi)星激光測距（Satellite Laser Ranging）成功的概率。

衛(wèi)星激光測距的原理是通過精確測定激光脈沖在地面觀測站與衛(wèi)星之間的往返時間間隔，從而算出地面觀測站到衛(wèi)星的距離。自1997年美國航空航天局的John J. Degnan提出高重復率的激光測距[6]，kHz衛(wèi)星激光測距技術在近幾年迅速發(fā)展起來，它通過高測距頻率來增加觀測數(shù)據(jù)以提高標準點精度。大型的激光測距望遠鏡是集光機電于一體的綜合系統(tǒng)，伺服控制系統(tǒng)是其重要組成部分，直接影響了望遠鏡的跟蹤精度、激光光束的指向和數(shù)據(jù)的測量采集。對于低軌衛(wèi)星的跟蹤，伺服系統(tǒng)應具有較好的快速響應能力；對于高軌衛(wèi)星的跟蹤，伺服系統(tǒng)則應具有較好的低速平穩(wěn)性。而伺服控制系統(tǒng)涉及到電力電子技術、電機技術、控制技術、計算機技術、通信技術等多技術領域[7]。在驅(qū)動方式上，Keck，LAMOST等采用摩擦傳動[8]，而VLT，Subaru等采用直接驅(qū)動[8]，國內(nèi)大型望遠鏡一般采用控制簡單、低速穩(wěn)定性好的大功率直流力矩有刷電機。在主控單元的選擇中，普遍會采用高速的DSP、FPGA、工控機或?qū)Ｓ玫倪\動控制器。集驅(qū)動、保護、功率轉換拓撲的智能型功率模塊紛紛涌現(xiàn)，特別是集成智能功率模塊IPM逐漸成為了伺服驅(qū)動的優(yōu)選方案。在望遠鏡的控制算法上，最普遍的是各種改進的PID算法，如變結構PID[9]、內(nèi)模PID[10]等，還有速度滯后補償、速度前饋、動態(tài)高型控制等都是常用的提高精度的方法[11]，另外模糊控制[12]、重復控制[13]、H～∞控制[14]和自抗擾控制[15]等也取得很好的控制效果。

云南天文臺自主研制53 cm雙筒kHz激光測距望遠鏡的控制系統(tǒng)，采用力矩電機直接驅(qū)動的方式，使用圓光柵編碼器作為測量反饋元件，選用工控機和運動控制器為主控單元，應用位置二次閉環(huán)和帶前饋補償[16]等多種PID的控制算法，現(xiàn)已完成了控制系統(tǒng)的集成設計和控制軟件的開發(fā)，并進行了基本的調(diào)試和測試工作。1 控制系統(tǒng)的總體方案

1.1 53 cm激光測距望遠鏡概述

53 cm kHz激光測距望遠鏡主要由機械系統(tǒng)、光學系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)、控制系統(tǒng)四大系統(tǒng)組成，總重約4 200 kg。該望遠鏡采用地平式結構，機械部分主要由激光發(fā)射望遠鏡主鏡筒、激光接收望遠鏡主鏡筒、中間連接塊、高度軸系、方位軸系、方位底座和安全保護等組成。光學系統(tǒng)分激光發(fā)射光路和回波接收光路，發(fā)射光路采用反射式系統(tǒng)，激光經(jīng)過二次擴束發(fā)射，接收光路采用RC系統(tǒng)，視場角0.5°，接收380～780 nm的光譜，通過半透半反分成兩路：一路為接收終端，一路為監(jiān)視終端。激光器采用Nd：YAG激光器，經(jīng)單脈沖選擇三級放大和晶體二次諧波倍頻后產(chǎn)生532 nm的激光。

接收器件要求高靈敏度和盡可能小的電子渡越時間，本系統(tǒng)選用制冷單光子雪崩二極管（C?SPAD），它具有量子效率高、輸出信號強等優(yōu)點。為確保機架運行的安全性，軸系上設置了三重限位保護，分別為軟件限位、電限位和機械限位，此三重限位依次順序起作用?？刂葡到y(tǒng)由力矩電機、伺服驅(qū)動器、運動控制器和工控機等組成。

1.2 技術指標

建立53 cm激光發(fā)射雙筒望遠鏡的伺服控制系統(tǒng)，并與1.2 m望遠鏡聯(lián)合實現(xiàn)具有跟蹤測量快速空間目標能力的多功能同步觀測系統(tǒng)。該伺服系統(tǒng)帶有電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)的三環(huán)反饋，并采用CCD圖像跟蹤的光電閉環(huán)得到目標的實時脫靶量，以使該望遠鏡能快速高精度跟蹤400 km以上的空間目標，跟蹤精度需優(yōu)于10″。根據(jù)400 km以上空間目標的運動特性，為該望遠鏡制定表1所示的指標。

表1 控制系統(tǒng)的精度指標

1.3 系統(tǒng)方案

圖1為控制系統(tǒng)的結構框圖。相比于摩擦傳動，直接驅(qū)動具有高傳動剛度、少摩擦、易安裝調(diào)試和弱非線性特性等優(yōu)點[17]。故53 cm雙筒望遠鏡的方位軸和高度軸都采用直流力矩電機直接驅(qū)動的方式，解決了高低速比差問題，同時減少了機械傳動系統(tǒng)造成的傳動短周期誤差，得到較好的跟蹤平穩(wěn)性。為滿足測角分辨精度，測角元件使用了RENISHAW增量式編碼器，直徑為Φ255，分辨率為32.4″，經(jīng)200倍頻細分后分辨率可達0.162″，滿足指向及電修正分辨精度。主控制器選用工控機和運動控制器，輸出標準的-10～10 V的工業(yè)控制信號，通過伺服驅(qū)動器控制電機的轉速和轉向，來驅(qū)動望遠鏡在高度軸和方位軸上的運轉。

圖1 控制系統(tǒng)結構圖

為達到精確穩(wěn)定控制，引入三環(huán)反饋和CCD圖像閉環(huán)[18?19]。位置反饋采用編碼器讀取位置值，速度反饋采用對位置信號差分的方法得到速度值，電流反饋采用電機內(nèi)部的電流傳感器自行完成。其中位置反饋為外反饋，進入運動控制器中運算，經(jīng)過調(diào)節(jié)器輸出速度給定，同時位置信息傳送回工控機進行決策和顯示，而速度反饋形成內(nèi)反饋，與給定的速度值進行比較調(diào)節(jié)，輸出調(diào)節(jié)電流。CCD圖像閉環(huán)采用CCD對空間目標成像，送回工控機作圖像識別與跟蹤處理，實時計算目標脫靶量，并傳送給控制系統(tǒng)，對望遠鏡進行跟蹤指向修正。對于空間目標檢測，考慮夜空背景和衛(wèi)星的成像特性，先對數(shù)字圖像濾波增強，提高目標與背景的對比度，再采用自適應局部閾值分割，檢測出目標，然后計算目標的質(zhì)心，并得出質(zhì)心與視場中心的位置偏差。對于空間目標跟蹤，既要保證目標檢測與脫靶量傳送的實時性，還要設計目標運動軌跡的預測算法對脫靶量進行滯后補償。同時需提高算法的抗干擾性，以防止高頻噪聲和其他天體等因素的影響。

控制算法主要采用經(jīng)典實用的PID控制。而在高速高精度的望遠鏡控制中，傳統(tǒng)的PID具有非線性、時變不確定和控制精度有限等缺點，不能達到理想的控制效果，故考慮采用復合控制，即在閉環(huán)的基礎上，引入一個輸入信號或擾動信號的前饋通路，這既不影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，還使系統(tǒng)近似等效為高階無差系統(tǒng)，從而提高系統(tǒng)的跟蹤精度。

同時本文還在復合PID的基礎上應用多種PID，即混合PID算法，以進一步提高該控制系統(tǒng)的跟蹤性能如圖2所示。

圖2 控制算法示意圖

圖2中[KP，KI，KD]分別為比例增益，積分增益和微分增益。[KVf]為速度前饋增益，對速度變化指令以較低的跟隨誤差給予較快響應，對系統(tǒng)穩(wěn)定性不影響；[KA]為加速增益，用來降低高加速度運動時的速度過沖；[KV]為速度增益，對整體響應具有減震作用。

式（1）～式（5）在時域上描述了圖2的算法過程，其中[Pd（t）]和[Pm（t）]分別為[t]時刻的給定位置和測量位置，[u（t）]為調(diào)節(jié)后的控制量。

[e（t）=Pd（t）-Pm（t）] （1）

[u1（t）=KPe（t）+KI0te（t）dt+KDde（t）dt] （2）

[u2（t）=KVfdPd（t）dt+KAd2Pd（t）dt2] （3）

[u3（t）=KVdPm（t）dt] （4）

[u（t）=u1（t）+u2（t）-u3（t）] （5）

2 控制系統(tǒng)的關鍵技術點

2.1 控制機箱的集成設計

系統(tǒng)集成（System Integration）是通過結構化的綜合布線系統(tǒng)和計算機網(wǎng)絡技術，將各個分離的設備、功能和信息等集成到相互關聯(lián)的、統(tǒng)一和協(xié)調(diào)的系統(tǒng)之中，使資源達到充分共享，實現(xiàn)集中、高效、便利的管理。系統(tǒng)集成實現(xiàn)的關鍵在于解決系統(tǒng)之間的互連和互操作性問題，它是一個多廠商、多協(xié)議和面向各種應用的體系結構。

該望遠鏡的控制機箱主要集成了一臺運動控制器、兩臺伺服驅(qū)動器、散熱風扇等，同時提供了電機接口、編碼器接口、串口、USB、限位信號、電源等外部接口，控制機箱的基本結構如圖3所示。

圖3 控制機箱框圖

運動控制器采用Baldor的NextMove系列，它是一種用于伺服和步進電機的高性能多軸智能控制器。NextMove結構使用浮點數(shù)字信號處理器（DSP）技術加上一個現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）。FPGA負責處理通常為外部離散邏輯器件保留的功能，如輸入/輸出、編碼器反饋等。伺服驅(qū)動器采用Xenus的XTL系列，根據(jù)電機型號選配不同帶負載能力的驅(qū)動器。工控機通過USB 1.1與控制器通信，傳送控制信號和數(shù)據(jù)信息，控制器輸出工業(yè)標準的±10 V模擬控制信號給伺服驅(qū)動器，經(jīng)過功率放大驅(qū)動電機運轉。編碼器讀出頭提供編碼器信息給伺服驅(qū)動器，經(jīng)過差分得到速度信息形成速度反饋。同時驅(qū)動器把位置和速度信息都傳送給控制器，完成位置閉環(huán)和控制算法。另外電限位開關采用霍爾器件，通過霍爾信號讀出電路輸出一個脈沖信號到控制器的數(shù)字輸入端口，以提供限位警報信號，并采取急剎車和反向運動的措施。

2.2 軟件設計

運動控制器通過Mint語言實現(xiàn)運動控制。Mint是一種結構化的、基礎的、根據(jù)用戶需求定制的步進或伺服運動控制語言。Mint提供了ActiveX控件，它支持所有以Mint為基礎的程序事件，還可訪問控制器上所有運動控制和I/O功能，此外采用ActiveX控件開發(fā)的上位機軟件可與運動控制器的Mint或嵌入的C語言程序同時運行。

53 cm雙筒光電望遠鏡控制軟件對伺服控制系統(tǒng)中各硬件設備進行管理控制，并在人機界面中顯示其運行狀態(tài)，保證各設備工作的穩(wěn)定性和實時性，同時還可對控制系統(tǒng)內(nèi)異常情況及時處理并報警?？刂栖浖\行環(huán)境為Windows操作系統(tǒng)，采用的開發(fā)環(huán)境是Visual C++ 6.0。軟件的主要功能包括衛(wèi)星預報、實時控制和信息顯示等功能，如圖4所示。

圖4 控制軟件界面

衛(wèi)星預報功能是根據(jù)衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)對當天經(jīng)過測站上空的衛(wèi)星進行總體預報，生成可觀測衛(wèi)星列表，以幫助觀測人員合理規(guī)劃衛(wèi)星的觀測計劃，然后根據(jù)各衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)計算出各衛(wèi)星在方位和高度上的預報位置，即望遠鏡跟蹤引導數(shù)據(jù)。

實時控制功能是通過工控機與控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換，實時控制望遠鏡實現(xiàn)對衛(wèi)星的跟蹤測量。工控機將引導數(shù)據(jù)發(fā)送到控制系統(tǒng)，控制望遠鏡機架的運動；同時控制系統(tǒng)將編碼器數(shù)據(jù)、硬件狀態(tài)等信息發(fā)送給工控機。使用定時精度較高的多媒體定時器[20]作為軟件內(nèi)部的定時。通過多線程為不同任務分配合理的優(yōu)先級，實現(xiàn)對資源的合理利用。

信息顯示功能實現(xiàn)望遠鏡運行中信息的顯示，利用GDI繪圖，將編碼器數(shù)值、預報數(shù)據(jù)曲線、傳動誤差曲線和各分系統(tǒng)狀態(tài)等及時顯示出來，反饋給觀測人員，還對系統(tǒng)內(nèi)的異常情況及時報警。

2.3 自定義通信協(xié)議

對于望遠鏡機架的運動控制，有兩種方案：一種是通過計算機高級語言調(diào)用ActiveX控件實現(xiàn)運動控制，而運動控制器只需配置控制系統(tǒng)的參數(shù)；另一種是在運動控制器內(nèi)直接進行嵌入式開發(fā)，計算機控制軟件主要負責任務管理和傳送引導數(shù)據(jù)。經(jīng)過試驗，運動控制器對高級語言控制指令響應較慢，實時性很難保證。故本文采用第二種方式實現(xiàn)望遠鏡機架的運動控制。上位機程序只需將方位軸和高度軸位置信息發(fā)送給控制器，而實時的運動控制由下位機實現(xiàn)。NextMove提供了一個專用的COMMS通信數(shù)組，通過讀/寫該存儲單元來實現(xiàn)上位機和下位機的數(shù)據(jù)交換。計算機可調(diào)用ActiveX來實現(xiàn)對COMMS數(shù)組的讀寫操作。COMMS數(shù)組包含99個讀寫單元，其中前5個元素發(fā)生變化，會觸發(fā)相應的COMMS事件，計算機或運動控制器中相應的程序能實時響應這些事件。制定上位機對下位機管理控制的通信協(xié)議如下：

（1） Comms（1） = 1，打開驅(qū)動器使能；

（2） Comms（1） = 2，打開驅(qū)動器使能并準備運動；

（3） Comms（1） = 3，運動停止；

（4） Comms（1） = 4，運動停止并關閉驅(qū)動器使能。

經(jīng)試驗，上位機以20 Hz或10 Hz的控制頻率實時傳送引導數(shù)據(jù)給運動控制器，運動控制器實時響應執(zhí)行運動指令，實測的誤差數(shù)據(jù)總存在一個固定偏差。本文采用預報數(shù)據(jù)超前載入和自內(nèi)插的方案以克服通信延時帶來的穩(wěn)偏，并使用硬件自定時執(zhí)行的方式以大幅度減小VC++定時精度不高所帶來的隨機誤差，從而實現(xiàn)真正的實時精確控制。為此制定的引導數(shù)據(jù)通信協(xié)議如下：

（1） 預報位置傳送到Comms的18～97單元中，共80個單元。方位軸用18～57單元，高度軸用58～97單元，如圖5所示，兩個預報位置間的間隔暫定為100 ms。

圖5 引導數(shù)據(jù)通信協(xié)議示意圖

（2） 98和99兩個單元用來存儲控制系統(tǒng)當前執(zhí)行到第幾組第幾個單元的預報數(shù)據(jù)，以便工控機讀取運行狀態(tài)并執(zhí)行校驗工作。

（3） 跟蹤過程中，判斷時間，提前載入即將開始的A1和H1段的20組預報數(shù)據(jù)（2 s的預報數(shù)據(jù)）。

（4） 當運行到A1，H1段的第3個數(shù)據(jù)時，即第一段開始200 ms后，此時Comms（98）=20， Comms（99）=60，控制器置Comms（3）=2，觸發(fā)上位機發(fā)送A2，H2段的20組數(shù)據(jù)。

（5） 當運行到A2，H2段的第3個數(shù)據(jù)時，即第二段開始2 s后，此時Comms（98）=40， Comms（99）=80，控制器置Comms（3）=1，觸發(fā)上位機發(fā)送A1，H1段的20組數(shù)據(jù)。

（6） A1，H1段和A2，H2段輪流存儲預報數(shù)據(jù)，由運動控制器執(zhí)行基于加速度預測的內(nèi)插算法，50 ms或100 ms一個控制量，并作實時的速度控制和調(diào)節(jié)。

（7） 在預報數(shù)據(jù)結束時，計算機發(fā)送結束指令，控制器清空數(shù)據(jù)，停止運動。

2.4 位置二次閉環(huán)與混合PID

該望遠鏡控制系統(tǒng)的位置環(huán)主要采用帶前饋補償?shù)腜ID算法，速度環(huán)采用帶濾波器的PI算法。由于機架是大慣量負載，在望遠鏡已運行到初始預報位置正在待命的情況下，突然起動會產(chǎn)生一個較大的滯后，而在衛(wèi)星預報時刻已開始的情況下，望遠鏡以較大的速度運行到預報位置會產(chǎn)生一個較大的過沖。NextMove提供的位置運動指令有一個加減速的過程，為保證運動的流暢性，本文采取速度控制模式，并以理論位置與實際位置之差作為反饋量來實時調(diào)控運行速度，最終達到逼近理論位置的效果，本文暫稱此方法為位置二次閉環(huán)。即在帶前饋的PID的基礎上，再添加一次位置閉環(huán)，以克服上述的滯后與過沖現(xiàn)象帶來的累積誤差。式（6）、式（7）是速度實時調(diào)整的基本表達式：

[Vk+1=Vk+1+α?ΔPk+β?j=1kΔPj] （6）

[ΔPk=Pt，k-Po，k] （7）

式中：[Vk+1]是[k+1]時刻的理論速度；[Vk+1]是修正后的給定速度；[Pt，k]是[k]時刻理論的位置；[Po，k]是[k]時刻實際觀測的位置；[α]和[β]都為調(diào)節(jié)參數(shù)，應取值較小，尤其是[β]，過大會引起運動的振蕩，具體應由多次的調(diào)試結果來確定。

實際應用中，本文采用混合PID的方式，即融合多種PID算法來保證望遠鏡運行的跟蹤精度、快速性、穩(wěn)定性和安全性，如變增益的PID、積分分離的PID、帶死區(qū)的PID、帶速度和加速度限幅的PID等。當衛(wèi)星預報的起始時間未到，望遠鏡有足夠的時間提前運行到起始位置；而當預報的起始時間已經(jīng)開始，望遠鏡需要以較大的速度追及到理論的位置。那么[α]和[β]需要根據(jù)[ΔPk]的大小而自動調(diào)整，當[ΔPk]較大，[α]可取稍大一些，以加快收斂速度，[β]直接取0，以免超調(diào)量過大和系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度降低；當[ΔPk]較小，[α]可取稍小一些，以保證收斂精度，同時引入[β]，以便減小靜差，進一步提高精度；當[ΔPk]小到一定程度，[α]和[β]可直接取0，設置一個死區(qū)，消除由于頻繁動作所引起的大機械系統(tǒng)的振蕩。同時望遠鏡的速度和加速度應作必要的限幅，以避免個別奇異數(shù)據(jù)點或者噪聲對跟蹤過程的過大影響，并確保運動的平穩(wěn)性和安全性，以免飛車事故造成不可修復的破壞。具體的調(diào)節(jié)算法如下：

（1） 根據(jù)實際情況，確定誤差閾值[E]和[e]；

（2） 當[ΔPk>E]時，[α=α1]，[β=0]；

（3） 當[e

（4） 當[ΔPk

（5） 作限幅處理：[Vk+1≤Vm]，[Vk+1-Vk≤amΔt]。

其中[E>e]，[α1>α2]，[Δt]為控制間隔，最大速度[Vm]和最大加速度[am]的取值決定于不同空間目標的運動參數(shù)，可根據(jù)衛(wèi)星軌道預報數(shù)據(jù)事先獲得，并隨空間目標不同而不同。實際上控制系統(tǒng)由于自身機械特性等因素無法達到無差的理想狀態(tài)，位置二次閉環(huán)和混合PID的控制策略不僅滿足該望遠鏡跟蹤空間目標的實際需求，還在一定程度上彌補了控制系統(tǒng)自身的不足。

3 測試實驗與結果

3.1 系統(tǒng)調(diào)試曲線

本實驗分別給出速度環(huán)和位置環(huán)最終的響應曲線。先不考慮位置環(huán)，直接在速度環(huán)施加一個幅度0.5 r/m的5 Hz脈沖信號，圖6（a）和（b）分別為方位軸和高度軸的響應曲線。

由于方位軸承受著整個望遠鏡機架的重量，慣性力矩和摩擦力矩都較大，在5 Hz的脈沖信號下，很難做到快速響應，而高度軸的慣性力矩較小，其快速性較好。速度環(huán)的作用是調(diào)節(jié)望遠鏡的動態(tài)性能并抑制外界干擾從而保證望遠鏡運行的平滑性，因此在速度環(huán)的調(diào)節(jié)中，應盡量提高各軸系的快速性，同時確保速度響應曲線的平滑性，以避免電機振動。在位置環(huán)上，輸入一個100線（16.2″）的階躍信號，圖6（c）和（d）分別是方位軸和高度軸的階躍響應。

可見方位軸超調(diào)量約7%，上升時間約96 ms，調(diào)整時間較長；高度軸超調(diào)量約7%，上升時間約54 ms，調(diào)整時間較短。增加積分系數(shù)，會減小穩(wěn)態(tài)誤差，但也會增加上升時間，還會引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定，因此積分增益一般取較小。而合適的前饋量既能提高響應速度，又能減小穩(wěn)態(tài)誤差。實際調(diào)試中，階躍響應曲線僅作參考，需根據(jù)實測跟隨誤差進行參數(shù)調(diào)整。

3.2 實測系統(tǒng)誤差及比較實驗

本實驗分別測試了望遠鏡在3 （°）/s和0.05 （°）/s勻速下的系統(tǒng)跟隨誤差（Following Error）。圖7可以看出，高度軸較方位軸的精度要高一些，這是由于兩軸各自的機械特性所致。在3 （°）/s的較高速度下，高度軸誤差在±2″之內(nèi)，而方位軸大部分情況也能保持在±6″之內(nèi)，基本能滿足要求。由于直驅(qū)的方式和機架的剛性較好，在低速運行中，兩軸都能達到較高的精度。

圖7 系統(tǒng)跟隨誤差

系統(tǒng)跟隨誤差是系統(tǒng)計算位置設定值與實際位置值的偏差，反映了系統(tǒng)自身的性能，而跟蹤誤差在此可認為是預報數(shù)據(jù)的位置設定值與實際位置值的偏差，表明了實際的跟蹤能力。本實驗分別采用高軌激光測距衛(wèi)星GLONASS?118（約19 140 km）和低軌激光測距衛(wèi)星GRACE?B（485～500 km）的軌道信息作為引導數(shù)據(jù)，來驗證望遠鏡的快速跟蹤能力和低速平穩(wěn)性，并比較了單一的復合PID和位置二次閉環(huán)（結合混合PID）的運行效果，圖8截取了穩(wěn)定跟蹤并具有代表性的一段。圖8（a）和（b）顯示了GLONASS?118的跟蹤誤差，在單一的復合PID控制的情況下，跟蹤誤差會不斷累積而增大；而在位置二次閉環(huán)與混合PID的共同作用下，兩軸的跟蹤誤差分別始終保持在同一水平，其均方根明顯優(yōu)于1″。圖8（c）和（d）顯示了GRACE?B的跟蹤誤差，在130～220 s期間，GRACE?B經(jīng)過天頂區(qū)域，方位軸存在急劇的加減速過程，其速度在167～183 s期間超過了3 （°）/s，故跟蹤誤差有一個較大的抖動。在單一的復合PID控制下，由于起動延遲或速度過沖，跟蹤誤差始終維持一定的偏差量（正或負）并此起彼伏。在位置二次閉環(huán)與混合PID的共同作用下，方位軸跟蹤誤差的均方根仍在2″以內(nèi)，峰峰值為17.76″，其異常率（±5″以外）為3.9%，而高度軸誤差均方根在1″以內(nèi)，峰峰值為7.0″。

此外強電等外界干擾導致通信數(shù)據(jù)的誤碼、衛(wèi)星預報數(shù)據(jù)出錯或人為的失誤，都會造成望遠鏡機架的劇烈運動，這一方面會導致跟蹤誤差急劇加大甚至目標丟失，另一方面會對望遠鏡造成一定程度的損害。

為進一步說明位置二次閉環(huán)與混合PID的實際作用，在中軌激光測距衛(wèi)星LAGEOS?1（約5 850 km）的預報數(shù)據(jù)中人為添加一個0.5°的強擾動，即引導數(shù)據(jù)中存在一個奇異點。

如圖9所示，改變[k]時刻的預報數(shù)據(jù)，會引起[k-1]，[k]和[k+1]時刻的抖動，可以看到：在單一的復合PID下，擾動嚴重影響了跟蹤效果；在位置二次閉環(huán)與混合PID下，方位軸和高度軸分別在1 s和0.4 s之內(nèi)重新回到±5″以內(nèi)的誤差范圍，具有一定的自修正能力。

4 結 語

本文根據(jù)53 cm雙筒激光測距望遠鏡的科學使命和技術指標，設計并實現(xiàn)了其控制系統(tǒng)。文中概述了系統(tǒng)的整體方案，包括結構組成、控制算法等，還論述了控制機箱的集成設計和軟件實現(xiàn)。提出自定義的通信協(xié)議以優(yōu)化望遠鏡的管理與控制過程，成功克服了通信延時與VC++定時精度不高的瓶頸，從而盡可能做到實時精確控制。提出位置二次閉環(huán)與混合PID的控制策略，大大減小了因起動滯后、高速過沖和干擾引起的累積誤差，并兼顧了控制系統(tǒng)的快速性、穩(wěn)定性和安全性，提高了望遠鏡實際的跟蹤性能。

本文最后給出了控制系統(tǒng)速度環(huán)和位置環(huán)的調(diào)試曲線以及系統(tǒng)的跟隨誤差曲線，并對望遠鏡在衛(wèi)星預報數(shù)據(jù)的引導下進行了跟蹤誤差的測量，還給出了單一的復合PID和位置二次閉環(huán)（結合混合PID）的比較實驗。

圖8 高低軌衛(wèi)星跟蹤誤差比較

圖9 強擾動下衛(wèi)星LAGEOS?1跟蹤誤差

實驗結果證明：在跟蹤400 km以上的快速空間目標時，方位軸跟蹤誤差基本在±5″范圍內(nèi)，其誤差均方根在2″以下，高度軸跟蹤誤差基本在±3″范圍內(nèi)，其誤差均方根在1″以下；在跟蹤中高軌等慢速空間目標時，方位軸和高度軸的跟蹤精度（誤差均方根）約在1″之內(nèi)；該望遠鏡具有跟蹤400 km以上空間目標的能力，同時具有較強的魯棒性和抗干擾能力。鑒于地平式望遠鏡在天頂區(qū)存在一個盲區(qū)，機架運行速度趨于無窮大，跟蹤誤差也隨之急劇增大，在將來的工作中作者將研究合適的控制策略以減小該階段的跟蹤誤差，同時將綜合物理建模與系統(tǒng)辨識的方法對該控制系統(tǒng)進行建模仿真，對現(xiàn)有的控制算法作進一步的優(yōu)化和改進，以獲得更高的跟蹤精度。

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