（机械电子工程专业论文）大射电望远镜控制软件系统研究.pdf

摘要f 本文在全面深入了解大射电望远镜机电光一体化创新设计方案设计思想和技术指标基础上，完成了5 0 m 模型控制系统软件的研制工作。本文提出了基于数字积分插补思想产生伺服控制指令的实现方案；结合具体工程实际，对其分布式控制系统进行了深入的分析研究；对数据通信方案做了有益探讨；提出了基于c a n 总线的分布式控制与数据传输系统设计方案；完成了5 0 m 模型外环控制系统软件的整体规划，软件系统的分析、模块划分及代码实现；针对大射电望远镜悬索与馈源舱控制系统非线性、结构时变、太滞后、控制系统数学模型难以建立的特点，先后对参数模糊自整定f u z z y p i d 控制算法和非参数模型自适应控制算法及其分别在5 m 和5 0 m 模型中的应用做了较为深入的研究。关键词大射电望远镜。控制系统软件参数模糊自整定f u z z y - p i d 控制非参数模型自适应控制、，分布式控制系统a bs t r a c tb a s e do nt h ei n - d e p t hu n d e r s t a n d i n go fb a c k g r o u n da n dr e q u i r e m e n t sf o rt h em e c h a n i c a l ，e l e c t r o n i ca n do p t i c a ld e s i g nf o rt h el a r g er a d i ot e l e s c o p e ，s o f t w a r eo fc o n t r o ls y s t e mf o rt h e5 0m e t e re x p e r i m e n tm o d e li sa c c o m p l i s h e d t h ed i s s e r t a t i o np r e s e n ta na c t u a l i z a t i o no fs e r v od i c t a t ed e r i v e df r o md d a t h ed i s t r i b u t ec o n t r o ls y s t e mh a sb e e ns t u d i e dd e e p l y t h ed i g i t a lc o m m u n i c a t i o nd e s i g no ft h ec o n t r o ls y s t e mi si n t r o d u c e d t h ec a nb u sd e s i g no ft h i sd i s t r i b u t ec o n t r o ls y s t e mi sp r o p o s e d s o f t w a r eg l o b a ls c h e m e ，s y s t e m i ca n a l y s i s ，m o d u l ep a r t i t i o na n dc o d er e a l i z a t i o no ft h eo u t - l o o pc o n t r o ls y s t e mi sp r e s e n t e d b a s e do nc h a r a c t e r i s t i c s ，n o n l i n e a r , s t r u c t u r et i m e v a r i a b l e ，d e l a ya n dc o n t r o ls y s t e mm o d e l i n gd i f f i c u l t y ，p a r a m e t e rf u z z ys e l f - t u r n i n gf u z z y - p i da l g o r i t h m sa n dn o n - - p a r a m e t e rm o d e l i n gs e l f - t u r n i n ga l g o r i t h m sa n de a c ha p p l i c a t i o ni nt h e5a n d5 0m e t e re x p e r i m e n tm o d e li ss t u d i e dd e e p l y k e y w o r d s ：l a r g er a d i ot e l e s c o p e ，s o f t w a r ef o rc o n t r o ls y s t e m ，f u z z y - p 1 d ，s e l f - t u r n i n gc o n t r o l ，d i s t r i b u t ec o n t r o ls y s t e m第一章绪论第一章绪论1 1 大射电望远镜f a s t 介绍f a s t ( f i v e h u n d r e dm e t e ra p e r t u r es p h e r i c a lt e l e s c o p e ) 5 0 0 m 口径球面射电望远镜是国际大射电望远镜计划在中国的一项先导工作。计划我国贵州南部喀斯特地貌地区建造口径为5 0 0 m 的射电望远镜，频率覆盖米波一分米波一厘米波波段( o 3 8 8 g h z ) 。随着控制、计算机、测量、通讯等技术的发展，球面射电望远镜的成功实例美国a r e c i b 0 3 0 5 m 口径天线越来越呈现造价高、单频工作、精度低等等缺点。着眼于新一代大射电望远镜的工程实际，充分运用现代新理论、新技术，段宝岩教授于1 9 9 5 年提出了大射电望远镜光机电一体化设计方案 2 - - 7 ) j 革命性的将动态悬索应用于大型天线馈源支撑结构( 如图1 - 1 ) 。虽然悬索的大柔性、丈滞后使这一方案的工程实_ 施具有很大的挑战性，但由于这一方案具有极大的工程实施可行性又可大大降低新一代大射电望远镜阵的造价，得到了国际天文学界的极大关注与支持，被国际天文学界称为“革命性的创新设计”。悬索式馈源支撑系统是f a s t 最为关键、最具挑战性的研究课题，是能否实现光机电一体化设计至关重要的决定性因素之一。我们广泛查阅了国内外有关悬索图卜1 人射电望远镜光机电一体化设计方案示意图2大射电望远镜控制软件系统研究的文献，特别是将悬索作为驱动机构来实现物体空间定位的文献，悬索系统的典型应用是起重机领域。美国n i s t 于8 0 年代提出一种基于s t e w a r t 平台概念的六自由度缆式起重机，由于悬索跨度小、动平台质量大且悬索直径细，把悬索近似为只受拉力的刚性杆来考虑因此其逆运动学求解、动力学分析相当容易。系统的控制模型也容易获得。文献【11 】提出了一种用来满足恶劣天气条件下码头货物吊装的并联悬索系统，用四根悬索控制物体在空间的三维运动( 美国，u n i v e r s i t yp a r k ) 。文献【1 2 1 研究了悬索时机器人的逆运动学、静力学和工作空间问题f 美国，f l o r i d as t a t eu n i v e r s i t y n a s ak e n n e d ys p a c ec e n t e r ) 。从查阅的文献看，目前在直径5 0 0 m 这样太的跨度上通过控制六根悬索来实现高精度的空间动态跟踪在历史上尚无先例，与现有的对六自由度缆索起重机器人的研究不同，这样大跨度情况下悬索自重引起的垂度不可忽略，即悬索不能近似为只受拉力的刚性杆，而是悬链线。悬链线方程是非线性方程，必须采取数值方法进行计算，没有解析解；除此而外，共同作用馈源舱的六根悬索的索系力学平衡方程还有张力优化配置的问题。由上述几点可知，悬索式馈源舱支撑系统必然是一个非线性、大柔性、大滞后、时变、控制系统数学模型难以建立的多输入多输出系统。1 2 控制理论的发展控制理沦和其他科学技术理论一样其产生和发展主要是由于人类生产和发展的需求，以及已有的技术与知识水平所决定的。由于生产需求和技术水平的局限，直到1 9 世纪，物理学家m a x s w e l l 才做出关于调速器稳定性的论文。到了上世纪三十年代，由于机电回路的大量使用，加之积分变换在物理和技术科学方面的成功应用，爿产生了以n y q u i s t 的工作为标志的经典控制理论”1 。如果以n y q u i s t 的反馈放大器稳定性论文作为起点，控制理论的发展只有近7 0 年的历程，前3 5 年为经典控制理论的发展与成熟期：后3 5 年为现代控制理论的形成阶段，建立了包括线性系统理论，非线性控制理论，最优控制理论等一批已发展为独立的分支学科弥补了经典控制理论对于多输入多输出系统、时变系统，非线性系统等问题无能为力的缺陷。山于计算机的产生、发展与应用，控制理论由依据物理特征建模、定常线性系统向参数估计和辨识方向、分布参数与非线性方向发展。山于随机过程和数理统计方法的推进，使得基于此的自校正和自适应控制成为广泛发展的研究领域。然而，山于现代控制理论忽略了模型和参数存在不确定的因素，控制器设计方法的研究使得其对于复杂不确定系统的控制显得难以实现：并且由于现代控制理论的研究方法是状态空阳j 法，同样需要建立数学模型；对多变量、变结构的系统控制算法复杂而且可靠性差。近年来为解决不确定性和非线洼问题，研究和发展了自适应控制、变结构控制、预测控制以及复第一章绪论杂系统理论等。一、自适应控制自适应控制分为开环自适应控制和闭环自适应控制，而闭环自适应控制又分为自校正调节器、模型参考自适应控制和非参数模型自适应控制。模型参考自适应控制所需要的动态性能由参考模型的方式确定。模型与过程之间的差被用来作为调节器的参数，自适应过程是非线性的。自校正调节器的过程参数由估计器辨识，其结果用来设计控制器参数。非线性自适应控制“”以两类非线性系统为研究对象：一类是具有特殊结构的非线性系统，一类是具有一般结构的非线性系统。前者是将已有的线性系统的辨识和自适应控制方法加以推广得到的，没有脱离线性自适应控制的框架，要想真正解决非线性系统的自适应控制问题，就必须打破线性系统自适应控制的思路，寻求一条新的非线性系统自适应控制的途径。对于具有一般结构的非线性系统的自适应控制目前研究所采用的方法主要有四种：反馈线性化法、l y a p u n o v 方法、预测控制和神经网络方法。二、智能控制控制智能控制“钉的主要内容有：专家系统中知识的获取、模糊控制、神经网络控制、模糊神经网络控制、学习控制、基于信息熵的智能控制。出于智能控制理论在实时性、在线性、稳定性、算法速度等方面有待进一步研究，将模糊控制与常规p i d 控制器相结合得到的f u z z y - p i d 成为智能控制实际应用的典范。自从l a z a d e h 提出模糊集和模糊推理的概念以来【3 3 1 ，已在许多领域得到广泛的应用。模糊逻辑控制这一新的控制技术之所以应用广泛，是由于对某一类不确定性的对象，如非线性及没有明确的数学模型和环境干扰因素大，有很大的控制时延以及时变特性的对象的调节控制效果优于直接数字控制，特别是模糊控制对参数变化不灵敏，具有适应性强、鲁棒性的优点。常规p i d 控制器是过程控制中应用最广泛最基本的一种控制器，它具有简单、稳定性好、可靠性高的特点。而p i d 调节规律对线性定常系统的控制是非常有效的。其调节过程的品质取决于p i d 控制器各个参数的整定。然而常规p i d 控制器不能在线整定参数，并且常规p i d 控制器对于非线性，时变的复杂系统和数学模型不清楚的系统就不能很好的控制。尽管模糊控制器由于不具有积分环节，因而在模糊控制系统中很难完全消除稳定误差，而且在变量分级不足够的情况下常常在二产衡点附近会有小的振荡现象，但如果把常规p i d 与模糊控制方法二者结合起来就可以构成兼有这两者优点的模糊p i d 控制器。三、悬索与馈源舱系统的控制算法l 、山于悬索与馈源舱控制系统具有精确控制模型难以得到、结构时变的特点，且控制精度要求很高，可采用的控制算法应能用于动态未知的系统，并能实时的人射电望远镜控制软件系统研究适应受控对象的特性变化。针对设计部分依赖、不完全依赖、不依赖受控系统参数数学模型的控制系统，国内外控制理论界已做了多年的努力，已发展了许多的理论和方法。事实上，智能控制和专家控制”、f u z z y 控制“”多模型方法n 2 2 7 1 等都是由于放松对受控系统数学模型的依赖的期望产生和发展起来的。有两类不依赖受控系统参数数学模型的控制方法已获得了广泛的接收和应用，它们是基于传统p i d 类型的p i d 控制技术和近年来发展起来的神经元网络技术在控制中的应用。虽然它们都不依赖受控系统的数学模型，但它们均受到各自本身的限制。传统的p i d 类控制技术基本上仅能处理线性时不变系统。而在控制系统设计中的人工神经元网络方法则必须首先已知受控系统的阶数及其它一些先验的知识，计算负担大在线运算时间长，节点隐层难以确定，不宜处理时变系统( 尤其是结构时变系统) 难以进行理论分析等问题。根据天文观测的要求馈源舱做扫描运动的线速度为2 c m s ，分析可以知道，悬索与馈源舱系统是一个非线性、慢时变多变量偶合控制系统。文献【2 7 1 、【2 6 1给出了一套新型的“目的于”自适应控制系统设计的一般离散时间非线性系统动态时变存在性线性化方法，也即非线性系统的非参数模型自适应控制。在5 0 m 缩比模型中我们采用这一控制算法，取得了满意的控制效果。2 、参数模糊自整定f u z z y p i d 控制算法是将常规p i d 控制器简单、稳定性好、可靠性高的特点与模糊控制埘非线性、没有明确的数学模型和环境干扰因素大、有很大的控制时延以及时变特性的对象控制效果好的特点相结合，构成兼有这两者优点的模糊p i d 控制器。该算法应用于5 m 模型实验，虽然出于实验条件有限，没有实现馈源舱空间位姿实时动态检测的全闭环，但是在有限的实验条件下的到了较为满意的实验结果，为悬索与馈源舱系统后继控制算法的研究奠定了坚实的基础。1 3 计算机控制技术的发展叫计算机控制技术是自动控制理论与计算机技术相结合的产物，自适应控制、模糊控制、智能控制等等高级控制策略的产生和发展离不开计算机控制技术的发展。计算机控制技术的发展经历了四个时期：丌创时期、直接数字控制时期、小型计算机时期、微型计算机时期。目前采用微型计算机已经出现大量的分级递阶控制系统、分敝型控制系统。计算机控制理论经历了采样定理、差分方程、z 变换法、状态空间理论、最优控制与随机控制、代数系统理论和系统辨识与自适应控制。目前计算机控制技术的发展趋势是向以下几个方面发展：分级递阶智能控制系统、模糊控制系统、专第一章绪论家控制系统、学习控制系统、神经控制系统。计算机控制技术是大射电望远镜光机电一体化设计中尽可能以软件代替硬件、以光、电等现代技术代替古老的纯机械技术、以光机电一体化设计代替传统的单一设计的具体实施。由主控计算机、外环控制计算机、内环控制计算机和测量计算机组成中央控制系统，整个系统为一复合控制系统，控制结构如图1 2 所示。分 工固盟图1 - 2 复台控制系统结掏布在悬索支撑塔下端的六套全数字交流伺服系统构成悬索与馈源舱系统的分布式控制系统( 如图1 3 ) 。主控制柜外脉环列控分制配计k算机阁i - 3 悬索与蚀源舱分m i 式控制系统结构大射电望远镜控制软件系统研究i 4 本文的主要工作本文基于大射电望远镜光机电一体化设计方案的理论分析，从f a s t 工程的实际出发。对其控制系统的设计和工程实现进行了较为系统的研究。作为5 0 m 和5 m缩比模型控制系统软件的主要设计者之一，设计实现了系统的控制软件与控制算法。主要完成的工作有：( 1 ) 完成5 0 m 模型外环计算机控制系统软件的整体规划软件系统分析，模块划分和程序实现：( 2 ) 针对悬索与馈源舱控制系统非线性、结构时变、大滞后、控制系统数学模型难以建立的特点，先后将参数模糊自整定f u z z y p i d 控制算法和非参数模型自适应控制算法应用于5 m 和5 0 m 模型实验，获得良好控制效果；r 3 ) 结合具体工程，对控制系统的多种通信模式做了有益的探讨，提出基于c a n 总线的分布式控制与数据传输系统；( 4 ) 系统数据通信协议、控制协调性的设计与实现；( 5 1 软件用户界面及风格的统一设计；第二章5 0 米模型悬索馈源舱控制系统软件第二章5 0 米模型悬索馈源舱控制系统软件f a s t 控制系统软件是整个f a s t 系统的核心，是运动执行的控制中枢；是大射电望远镜光机电一体化创新设计工程实现的关键技术之一；是其创新设计中尽可能咀软件代替硬件、以光、电等现代技术代替古老的纯机械技术、以光机电一体化设计代替传统的单一设计的具体实施。2 15 0 米模型控制系统软件业务描述与需求分析一、控制系统软件完成的主要功能采用现代计算机技术、测量技术和通信技术实现大射电望远镜光机电一体化创新设计的控制系统软件，是在a r e i c b o 天线基础上，用一套完整的信息系统实现机构的控制、信息的采集、处理、信息的传送与管理、系统的协调与优化等功能。它是一个多处理机的分布式系统。系统的结构配置，按照分布式系统的设计原则，尽量将计算机处理能力安排到执行节点，就近进行控制，就近采集与处理，只有参与协调控制的有用信息才进行相互间的通信，以提高系统的运行效率减少系统对通信的依赖型提高整体系统的可靠性。完成的主要功能有：1 ) 悬索与馈源舱外环闭环控制算法；2 ) 根据天文观测要求在主控计算机设置馈源舱扫描运动轨迹参数，系统内外环轨迹规划、闭环反馈数据同步；3 ) 外环控制计算机实现对悬索与馈源舱系统六套伺服驱动机构的协调、控制、伺服数据发送、运行情况监测和报警；4 ) 调整系统力学模型物理参数，为力学模型的试验验证提供良好的试验平台；5 )内环s t e w a r t 平台控制调试；6 ) 系统运行情况实时显示；7 ) 调整轨迹规划算法参数：8 ) 调整控制算法参数；9 ) 设罱与主控计算机的串行通信数据传输参数：1 0 ) 软件系统支持离线组态功能，程序具有良好的可扩展性和可维护性；1 1 1 系统数据的记录；1 2 ) 操作界面直观方便符合天文观测试验人员习惯：!盔塾皇望垂壁塑型塾丛墨堕堑塞幽2 2 主控程序参数设置界面星三至! ! 鲞垡型量室堕塑墼塑型墨丝堑堡!幽2 - 4 外环悬索一馈源舱系统控制程序界0人射电望远镜控制软件系统研究2 25 0 米模型外环控制系统软件总体设计方案一、操作系统为满足控制算法试验需要自行设计开发电机脉冲分配卡，由于在短时间内w i n d o w s 平台下的虚拟设备驱动程序刀= 发难以完成，选用d o s 作为本系统的操作系统平台。充分利用d o s 下对用户丌发硬件口地址直接寻址的优势实现系统软件功能。设计完成d o s 下图形方式软件界面，串行通信等等。二、开发语言由于主要的编程工作集中在对硬件口地址的操作和数值计算，考虑对硬件操作的效率和数值计算方便选用b o r l a n dc + + 。三、软件系统的分析方法一般系统分析方法分为自顶向下、自底向上和面向对象分析方法。而传统的自顶向下分析方法是面向服务功能的系统分析方法，分析的结果依赖于应用的服务功能要求，项层服务功能的变化很容易影响到整个软件的结构，而服务功能恰恰是系统中最易变动的。自底向上底分析方法是面向数据的系统分析方法，而在服务功能一级却是开放的，只要系统的底层( 主要指基本硬件结构及数据结构) 不发生结构性变化，则在服务功能一级的扩展和变更都不会影响到系统结构。目前角流行的面向对象分析方法是以对象为中心，将问题空间中的现实事物( 系统中最稳定的元素) 抽象为系统分析范畴中对象，将现实事物的数据和服务功能分别封装为对象的属性和方法，这样，只要系统问题空阃中的现实事物不发生根本性变化，在数据和服务功能一级的变更和扩展都不会造成系统整体结构的变化，只需修改和扩展相应“对象”的属性和方法。在实际的工控系统中问题空间中的现实事物是最稳定的元素；系统的数据来源基本不会发生大的变化，但在开发过程中常常要加入新的服务或修改旧的服务内容所以采用面向对象和自底向上相结合的分析方法。四、外环控制程序功能模块的划分程序分为三个模块：主监控模块、通信模块及组奄模块。主监控模块的功能：系统运行的初始化配置；对六套全数字交流伺服系统的控制、协调、监测和实时数据显示；系统参数设置；系统报警。通信模块的功能：利用计算机c o m l ( c o m 2 ) 串行口实现于主控计算机的通信完成通信命令及数掘的编解码和特殊处理，向外环监控模块提供一个通信对象。第二章5 0 米模型悬索馈源舱控制系统软件圈2 ，5 外环控制释序总流程闰人射电望远镜控制软件系统研究组态模块的功能：实现轨迹规划与控制算法输出量到伺服指令脉冲数的转化功能，实现对六套全数字交流伺服系统的监控信号采样。外环控制系统程序的总流程图如图2 5 所示。2 3 数据通信协议设计在分布式控制系统中，数据通信是至关重要的。f a s t 控制系统的数据通信包括主控计算机和外环控制计算机的通信、主控计算机和内环计算机的通信、主控计算机和动态检测计算机的通信、外环控制计算机和六套伺服系统之间的通信。在5 0 m 模型的工程实施中除外环控制计算机与六套伺服系统采用r s 一4 8 5 串行通信标准外，其余均采用r s 。2 3 2 串行通信标准。下面主要介绍在5 0 m 模型实验中采用的串行通信网络协议，基于c a n 总线网络通信模式设计方案的通信协议见【3 2 1 。在f a s t 系统中主控计算机、外环控制计算机、动态测量计算机安装在中央控制室内内环控制计算机安装在馈源舱内六套伺服系统分布在支撑塔下。主控计算机向内环控制计算机和外环控制计算机传输的数据信息主要有：馈源扫描轨迹参数、内外环轨迹规划同步数据、内外环动态检测数据、系统运行指令( 启动、停止、暂停、复位、外环丌闭环控制) 。主控计算机向内环控制计算机传输的数据信息有：伺服控制指令、s t e w a r t 平台参数设置、单轴点动、六轴联动。主控计算机采用串行通信接口中断收中断发数据，内外环控制计算机采用中断接收方式接受数据，波特率统一为9 6 0 0 b p s 。对异步接收发送器8 2 5 0 的编程采用1 个起始位、8 个数据位、一个奇偶校验位的方式。除此而外为保证数据传输的可靠性帧术尾发计一个对发送数据全部取异或的奇偶校验位。具体的数据帧格式为：主控计算机与幼忿检测计算机的通信即检测数掘通信，动忿检测系统将三台激光全空f l i 仪的枪洲数掘经l 刊步、颅报处州历，以5 h z 的采样频率发送给主控汁算机。为保* e 系统稳定性和内外环控制算法的连续性，根据激光全站仪跟踪目标的儿何位置关系以及馈源舱： 作空n u 判断异常测量数据：当现异常数据时，将异常数据剔除，剔除的异常点保持i 订一寸刻的测量值。2 4 丰控程序设计主控计算机将外环控制计算机和内环控制计算机统一起来监控管理，实时显第二章5 0 米模型悬索馈源脆控制系统软件恻2 - 6 土控科序流雅幽太射电望远镜控制软件系统研究示系统运行情况，为内环控制远程控制( 主控计算机位于中央控制室内，s t e w a r t平台控制计算机位于馈源舱内，在5 0 m 模型中两者相距大约5 0 m ) 提供良好的实验平台。一方面通过以固定的外环控制d d a 时间精确定时向内外环发送轨迹规划数幽2 7 外环初始化璀序流程幽第二章5 0 米模型悬索馈源舱控制系统软件据，另一方面通过将测量计算机送来的馈源舱空间坐标实时同步发送给内外环保证内外环闭环控制协调性，不至于产生强烈耦合，致使系统不稳定。( 图2 - 6 )2 5 初始化程序设计悬索牵引伺服系统上电后外环控制程序运行，首先执行初始化程序。初始化程序的主要功能是：初始化外环控制程序图形界面、初始化电机脉冲分配卡、初始化串行通信接口、初始化定时中断、系统数据初始化、开启电机驱动器s e r v o o n 、电机s e r v o e r r o r 自检。在确定六套伺服系统硬件都正常后，才允许进入工作状态。检测时出错，则提示错误，待故障排除后再进入。( 图2 7 )图2 - 8 数据输入程序流挫幽2 6 数据输入程序数据输入程序使外环控制计算机在主控计算机串行通信数据指令作用下- 按1 6大射电望远镜控制软件系统研究照主控计算机规划的扫描轨迹控制六套伺服系统工作。主控计算机精确定时向内、外环控制计算机发送轨迹规划数据，同步发送激光全站仪测量数据，从而使外环全闭环、内环半闭环协调一致的工作，外环控制计算机需要对接受到的各种类型的串口通信数据进行分别处理，然后进行闭环控制。( 图2 8 )图2 - 9 中断服务程序流程图塑三童! ! 鲞堡型：壁窒塑塑堕塑型墨垫墼笪卫2 7 中断服务程序由于电机驱动卡脉冲频率与脉冲计数个数可编程当前一伺服指令执行结束后需要更新分频系数和脉冲计数个数。为了使电机运转连续以保证悬索一馈源舱系统做平稳的扫描运动，要求更新电机驱动卡可编程参数在几毫秒内完成，同时又必须有很好的实时性。所以采用中断服务程序方式实现。( 图2 - 9 )i 引2 i o 睢参数收7 诅适应针法流“2 8 非参数模型自适应控制算法控制程序实现一j 二悬索与馈溺i 舱控制系统具有柑砷控制模型难以得到、结构时变的特点，1 控制精度要求很岛，i l j 。采川们控制算法应能川二j iz 幽志未知的系统并能实时的适应受控刘象的特性变化。大射电望远镜控制软件系统研究自适应控制系统不论是对线性系统还是对非线性系统其设计思想是一样的，主要包括两部分：其一是在线估计器；其二是控制器。在线估计器利用受控系统的i o 数据在线地估计出模型参数或控制器参数，而控制器则是时时地计算出控制输入，使得受控系统在此控制输入的控制下输出跟踪给定地期望输出信号。非线性系统的自适应控制是当前控制理论界热点的研究问题之一。目前非线性自适应控制的研究对象主要有两类非线性系统：一类是具有特殊结构的非线性系统，如：具有输入或输出非线性的系统，双线性系统，非线性n a r m a x 模型；另一类是具有一般结构的非线性系统。根据天文观测的要求馈源舱做扫描运动的线速度为2 c r r d s ，分析可以知道，悬索与馈源舱系统是一个非线性、慢时变多变量偶合控制系统。文献【2 7 】给出了一套新型的“目的于”自适应控制系统设计的一般离散时间非线性系统动态时变存在性线性化方法，也即非线性系统的非参数模型自适应控制。设悬索与馈源舱系统的输出输入关系可以表示为：匕( ) = u ( k 1 ) o ( k 一1 )( 2 一1 )玎。( k + 1 ) = u ( ) 7o ( k )( 2 2 )y ( k ) k 时刻的索长实际输出相对变化量；u ( k ) 为k 时刻的规划索长相对变化输入量：o ( k ) 表示k 时刻的系统结构参数。由于i j 是一个慢时变系统，若时删间隔取得比较小，则可认为o ( k ) 在f = f ( 女+ 1 ) 一t ( k ) 内不变，即o ( k ) = o ( k 一1 ) 。由式( 2 一1 ) 和( 2 - 2 ) 可得a y7 1 ( + 1 ) = a u ( k ) 70 ( k )( 2 - 3 )其中a y ( k + 1 ) = y ( k + 1 ) 一y ( k ) ，a u ( k ) = u ( k ) 一u ( k 1 ) 。针对公式( 2 3 ) 的这种非线性离散控制模型，我们提出了如下所示的多输入多输出结构参数矩阵目( - i ) 的自适应辩识算法，目( + 1 ) = 臼( ) + i 器( g a y ( + 1 ) r - a u ( k ) r 0 ( 女) ) ( 2 - 4 )其中t ，i 表示权重因子。在5 0 m 缩比模型中我们采川这一控制算法，取得了满意的控制效果。控制算法程序实现流程图如图2 1 0 ；馈源舱扫描轨迹分别为直线、圆、天文观测曲线的理论规划轨迹与实际扫描轨迹曲线以及空间坐标误差曲线如图2 1 1 2 - 2 8 。箜三垩塑鲞燮型量室塑塑墼塑型墨垫塑壁! !t i m e ：s图4 - 11 直线轨迹开闭环控制结果对比情况( x 坐标)i i m e ：s幽4 - 1 2 直线轨迹开闭环控制误差图( x 坐标)eo-o廿m三djooul 昱c oo u le u 嗣- oloem廿毋妄口looulhcou1人射电望远镜控制软t i ：系统研究t i m es圈4 1 3 直线轨迹开闭环控制结果对比情况( y 坐标)t i m e ：s图4 1 4 直线轨迹开闭环控制误著剧( y 坐标)eu王lo符uldjoou毒lumu5eu王右jojjmm苗兰pjoou每luum 第二章5 0 米模型悬索馈源舱控制系统软件2 1t i m e ：s图4 - 1 5 直线轨迹开闭环控制结果对比情况( z 坐标)幽4 - 1 6i - i - 线轨迹 环控制理芳n ( z 坐标)eono一毋lpjooul m 芒m um 暑eun右苦jjmml窖uidloou奄lumum s2 2大射电望远镜控制软件系统研究i i m es图4 - 1 7 圆轨迹开闭环控制结果对比情况( x 坐标)t i m e ：s幽4 1 8 剧轨迹开环控制误著幽( x 坐标)eu芑。符兰它oouj 9 芒o oo seo右吕匕mmle三廿looo岳lumos第二章5 0 米模型悬索馈源舱控制系统软什t i m e ：s图4 1 9 剧轨迹开闭环控制结果对f f , n 况( y 坐标)t i m e ：s幽4 - 2 0 倒轨迹开闭环控制误差i 警l ( v 坐标)eu卜告m鬲eeooo岳一coo5eu右言匕中。一日ui口looo岳hcou5型查墅坐望玺望丝剑堑丛墨竺盟窒120 806040200204t i m e ：s图4 - 2 1 圆轨迹开闭环控制结果对比清况( z 坐标)；iiiii!：i辆m 、艚州屯万鸭毋1ii叩州_ k 1 氟，l “叫呱li、1t h el o o p e dtr a c k i n ge r r orm 胡一t h eu n l o o p e dtr a c ki n ger r oriiv 。l w05 01 0 01 5 02 0 02 5 03 0 03 5 0t i m es图4 - 2 2 圆轨迹开闭环控制误著图( z 坐标)eu叫古高三巳ooo岳芒o5e u 吣j ol o j j 搴廿l eul口joou每芒u5第二章5 0 米模型悬索馈源舱控制系统软件5 6 05 5 05 4 05 3 05 2 05 1 05 0 04 9 0； r 1 鬈 0 0 一j 尹。l，i，：，：-ir e 一- e n t e rcoordinateunloopedc e n t er c o r d i n a t ei - l o o p e dc e n t erc o o r d i n a t e 一；7 一一一一一i：ii-ii-一一一一r 一一一一一1 一一广一一。iliiiilli105 01 d 01 5 02 0 02 5 03 0 03 5 04 0 0埘n e ：s图4 2 3 观测曲线开c j 环控制结果对比情况( x 坐标t l m e ：sl 刳4 - 2 4 舰测曲线j ：耶控制误筹图( x 坐标)euj。m箭ldjoou矗lumu旨eu苦l已奄里l口joou苗芒ooul火射电望远镜控制软什系统研究2 0 01 0 050曼1 0 0o o 2 0 0：3 0 04 0 05 0 0：一一z illi- i：i jlil，rrjiii11id e s i r e dc e n t e rc o o r d l n a t e- -u n l o o p e dc e n t erc o o r d i n a t e- - - - - - - - l o o p e dc e n t erc o or d i n a t el_y05 01 0 01 5 02 0 02 5 03 0 03 5 04 0 0t i m e ：s倒4 2 5 观测曲线开| = j j 环控制结果对比图( y 坐标)t i m e ：s图4 2 6 观测曲线开王1 、控制误著( y 坐枷；)eu占le苗o_叮量口若ouj a 芒m o 廿s里三里苎鲞堕型墨室堡塑堕堡型墨堑竺壁! !幽4 - 2 7 观测曲线开川环控制结果对比幽( z 坐标圜4 - 2 8 观测曲线川埘环控制误差捌( z 坐标)e on芑lo匕oleepjoou岳芒muo s- 人射电望远镜控制软件系统研究索与馈源舱系统属于一般结构的非线性、慢时变多变量耦合系统。在5 0 m 模型实验中我们采用了文献1 2 7 】的非参数模型自适应控制算法，取得了很好的控制效果。2 9 小节，本章涉及f a s t 诸多控制实现的实际问题，在5 0 m 模型实验均实现。本章程序实现了非参数模型自适应控制算法，即采用多输入多输出结构参数矩阵自适应辩识算法得出非线性离散控制模型由控制器时时计算出悬索长度调整量，同时给出了实验结果。对主控计算机及外环控制计算机控制系统软件进行了整体规划，软件系统分析和模块划分；设计分析了控制系统数据通信协议，从而保证馈源舱与s t e w a r t 平台协调一致的工作，最终使馈源点达到4 m m 的精度要求。本章还根据天文观测和研究大射电望远镜光机电一体化设计方案的需求，设计了主控软件和外环控制系统软件的界面及风格。第三章悬索式馈源舱支撑系统轨迹规划第三章悬索式馈源舱支撑系统轨迹规划3 1f a s t 工程的控制实现从并联机器人机构分析理论来看，由六根大跨度悬索和馈源舱组成的系统可以认为是一种柔性并联机构。出并联机器人控制系统的研究可以知道，整个馈源舱支撑悬索机构的控制分为动作规划级控制和驱动机构的执行级控制。动作规划级的任务就是根据天文观测要求馈源跟踪达到的位置和姿态信息综合成各伺服执行机构的动作指令，这实际上是一个机器人机构的运动学逆解问题。而执行级的控制就是根据所给出各伺服执行机构的指令值完成相应速度与准确的驱动机构的伺服控制。在f a s t 控制系统中，以大地坐标系给出的天文观测轨迹可分解为六根悬索的运动轨迹，即六根悬索的轨迹作为伺服系统的输入来控制各悬索的收放运动。图1 1 所示的馈源支撑悬索机构由6 套伺服机构驱动，称之为6 通道并联馈源支撑悬索机构。由于6 套伺服机构并联设置，共同驱动馈源舱，各伺服机构需要协调一致的动作，整个系统在运动过程中才不至于产生不稳定和破坏现象，尽管考虑到与串联机器人相同主要要求点位控制，但仍需要考虑点到点之间的过程，这一点是并联机器人和串联机器人在控制策略上的区别。串联机器人在点位控制时，基本上不考虑中间过程，仅对到达目标点的准确性和快速性感兴趣。鉴于馈源的悬索支撑机构对各伺服机构运动要求的特殊性，驱动机构的执行级控制采用对各伺服机构的悬索收放速度进行控制。在整个悬索与馈源舱系统的运动过程中，同时检测各伺服执行机构悬索的位移和速度信号，速度信号用于闭环控制以跟踪输入速度，从而控制馈源舱的位置和姿态，位移信号用于位置监控。动作规划级控制是将馈源舱的扫描运动轨迹离散成若干个点，这样系统的轨迹跟踪问题就转化位逐点跟踪问题。如图3 1 所示，假设a 点为起始点b 、c 等一系列点为轨迹上的离散点。由非线性静力学平衡方程计算出每一个点剥应的索长f 。( i = 1 6 ) 、，。( i = 1 6 ) 、，。( i = 1 6 ) ，从而可以得到两个离散点之间索长的相对变化量为：“州，】= f m 一，巾( f = 1 6 )w 。= ，f ，一h( f = 1 6 )( 3 1 )血1 1 果馈源舱扫描运动的线速度为v 把两个轨迹离敞点之间馈源舱运动轨迹近似为一条直线段a b 那么馈源舱山a 点到b 点运动时间为：大射电望远镜控制软件系统研究t = a b t v( 3 - 2 )如果悬索在这一离散段内匀速收放，则悬索的速度为：v ，= ，t t( f _ l 6 )( 3 - 3 )刘：v ，= a m l v t a b( f - 1 6 )( 3 4 )只要轨迹离散足够细密，以每一离散段内各悬索匀速收放束近似悬索的实际变化速度是切实可行的。通过实验证明，在充分保证系统平稳性和协调性的同时。对开环控制精度的提高也有促进作用。将索长的相对变化量作为并联柔索机构的输入，即得到外环控制系统输出：馈源舱的位置、姿态和运动速度。根据馈源舱的运动状态，由外环控制计算机算出各伺服机构的速度指令信号以控制馈源舱的动作，保证馈源舱以一定的姿态运动，当运动到要求的位置时，各伺服机构的速度指令信号重新给定，整个馈源支撑悬索机构继续以新的输入速度信号为速度跟踪目标这样就既达到了天文观测轨迹的连续跟踪又达到了点位控制的目的。r l1 7 2t 4i ( s )l i3 1 怂索一 ：! j 洳! 舱系统挖制原理闭环控f l l i l l l g i i l 测域褂剑的韫垃源舱实h ；- t ：i d t 4 7 t 迹如图3 1i i 一的虚线所示b t 俑ic 点足理论规划点b 血和cj i 阳q 实际值。山逆运动学分析可以得出b 点和c 点的恳索k 度：，m ( f _ 1 6 ) 、，。n ( i = 1 6 ) 同i i , j 。也就得到悬索长度的实际变化量：a 。= ，一，( i = 1 6 )m 】= f n 一，m( i = l 6 )( 3 - 5 )笫三章悬索式馈源舱支撑系统轨迹规划1 。，( f - 1 6 ) 、，。* ( f _ 1 6 ) 、f “( f _ 1 6 ) 和式( 3 5 ) 作为参数实现闭环控制算法。3 2 运动轨迹的插补原理”1悬索式馈源舱支撑系统可以视为柔性并联机构，所以与多轴并联数控加工机器人相似其运动规律有点位控制和运动轨迹( 轮廓) 控制。对于点位控制馈源舱从某一空间位置移动到另一空间位置的过程中不进行观测，因而无轨迹要求，仅要求定位的准确性。这种控制模式，在执行输入信息方面可采用将扫描轨迹的位置数据经处理变换成六套伺服系统相应的指令脉冲数输出，同时用计数器累计输出的脉冲数、或用角位移传感器累计悬索收放的实际长度，当两者相等时就停止。在数控加工中对于要形成几何轨迹或轮廓控s f j ( 通常是任意直线和圆弧) ，必须使二坐标或二坐标以上的行程信息的指令进给脉冲用适当方法进行分配，从而合成出所需的运动轨迹。对于f a s t 光机电一体化创新设计中通过对六根悬索控制馈源舱以一定的姿态跟踪扫描轨迹，类似的必须使六根悬索的收放控制信息的指令脉冲用适当的方法进行分配。这种方法就是所谓“插补”算法。数控技术中常用的插补方法有：逐点比较法、数字积分法、比较积分法、矢量判别法和最小偏差法。3 2 1 逐点比较法逐点比较法最初称区域判别法。它的原理是：计算机在控制轨迹过程中，逐点计算和判别执行偏差以控制坐标进给方向，从而按规定的图形控制刀具加工：出合格工件。这种插补方法的特点在于每控制机床坐标( 拖板) 走一步时都要完成四个工作节拍：偏差判别、进给、偏差计算、终点判断。对被控对象的控制取决于实际控制轨迹与规划轨迹偏差的判别，而偏差判别的依据是偏差计算。每执行一个伺服指令，下一伺服指令的偏差用前一点的偏差递推出来。3 2 2 数字积分法数字积分法( 又称微分分析器d d a ) 不仅可以实现一次、二次甚至高次曲线的插补，而且易于实现多坐标联动控制只要输入不多的几个数据，就能加工出较为复杂晌轮廓曲线。【嗣此d d a 方式已破广泛应圳。1 基本原理髟 分的儿何概念i ：u i ：，函数x = f ( t ) 的积分运算就是求此函数l l | | 线所包川大射电望远镜控制软件系统研究的向积s ( 见图3 - 2 ) 。s = f x d t如果从f - 0 开始，取自变量，的一系列等间隔值为z l t ( d d a 时f n j ) ，当a t 足够小时，可得近似公式：s = f 融= 宝x , a tt l。t it图3 - 2 积分公式的几何含义图3 - 3 数字积分器原理如果取，_ l ，即一个脉冲当量占则s = t山此可见函数的积分运算变成了变勤求和运算。若耿的脉冲当量j 足够小则用求和运算代替积分运算所引起的误差可以不超过容许的数值。这样，可以采用两个寄存器( 被积函数寄存器j ，和累加寄存器或称余数寄存器j 。) 和一个全加器构成数字积分器，如图3 3 所示。图中，每当来一个，信号，就使寄存器，中的y 值往寄存器i ，。中累加一次。若取以寄存器的容量作为一个单位面积值，则在累加过程中以溢山一个脉冲就表示获得一个单位面积值。因此j 。的总溢出脉冲数s 即为求得的积分值。3 2 3 电机驱动卡实现数字积分法数字积分法巾，速度脉冲发生器侮发 【卜一个脉冲就代表一单位时间增量出，通常发出脉冲的频率是固定的! l ! i j f i f 符伺服指令的时叫m 隔也足不变的，这是因为不论控制量大小，都必须司样完成h 次累加运算。这样就造成伺服系统执行速度的4 ：一致，丽1 1 不一致的_ f ! i ! 度越人剥跟踪轨迹的插补效! l ! 就越差。在f a s t分m 】式控制系统h 借鉴数字积分法的思想，母一伺服指令的时间问隔不变，但每一伺服指令的脉冲数多少和频率可编程。每一伺服指令执行时间( d d a 时问) r恒定，那么脉冲数和频率必须满足：t = 加第三章悬索式馈源舱支撑系统轨迹规划根据轨迹规划得到的离散段内悬索的变化量，和电机角位移传感器( 光电编码盘) 线数可以计算得到伺服指令的脉冲数为：月，= a i ，( 加) x 2 0 0 0 0相应得可汁算出对应的频率与分频系数：z = r ( 加) 2 0 0 0 0 a i 。k ，= 4 1 0 6 ，选择电机驱动器工作在位置控制模式下运转，最高指令脉冲频率为5 0 0 k l t z ，对应电机可以达到的最高转速3 0 0 0 f f m i n 。根据天文观测换源跟踪要求，馈源舱的最大运动速度为2 0 c m s ，悬索的最大收放速度接近2 0 c m s ，得到电机的实际最高转速：n 。= 。1 8 7 ( 咒d )其中绕钢索的卷简直径d = 4 0 0 m m ，。= 17 8 5 7 2 ，+ 7 j + 7 0( 3 6 )考虑到实时控制对悬链线方程的解算将占用一个伺服指令周期的绝大部分时间，观测轨迹的数字积分插补算法d d a 时间选取较大。图- 3 5 是d d a 时间为6 0 0 m s 时各d d a 时间段内悬索变化曲线。可见选取d d a 时间为6 0 0 m s 悬索运行的速率是连续的可以充分保证系统协调性、保持系统稳定性。解决运动规划的实时性问题的另一