АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ АЗИМУТАЛЬНОГО ТЕЛЕСКОПА

Предлагаемая полезная модель относится к области создания высокоточных телескопов, в частности, к автоматизированным системам управления (далее - АСУ) азимутальными телескопами.
В настоящее время в связи с существенным расширением сферы наблюдаемых объектов и задач, которые решаются с освоением космоса, в мире широким фронтом проводятся работы по разработке высокоточных телескопов, что в основном выражается в модернизации АСУ телескопом для повышения его характеристик по слежению за объектом.
При работе АСУ телескопом при механических и ветровых нагрузках возникают дополнительные ошибки слежения, которые в конечном итоге снижают проницающую силу телескопа. К механическим возмущениям можно отнести моменты от де балансов и возмущающие моменты, вызванные вращением Земли и динамикой взаимодействия многотонной конструкции, вывешиваемой на специальных гидростатических опорах (для уменьшения моментов трения с опорной пятой в вертикальной плоскости).
Известны азимутальные телескопы типа (1), в которых цифровая АСУ обеспечивает неравномерное знакопеременное слежение за объектом наблюдения по азимуту (А) и зенитному расстоянию (Z) с очень высокой точностью, а также компенсацию эффекта вращения поля в фокальной плоскости, т.е. паралактического угла (Р).
Недостатком АСУ данных телескопов заключаются в том, что в реальных условиях наблюдений эти системы не позволяют компенсировать отрицательное влияние механических и ветровых возмущений на точность слежения.
Известен азимутальный телескоп (2), в котором также реализуется АСУ, что и в вышеуказанном.
Недостатками данной АСУ являются:
- существенное снижение точности слежения за объектом наблюдения в условиях воздействия механических и ветровых возмущений, а также при слежении в условиях отсутствия возмущений вследствие недостаточного контроля положения выходных осей телескопа (например, при ветре 7 м/сек ошибки увеличиваются с 0,2-0,3 угл.сек до 1,2 угл.сек и более, при ветре до 10 м/сек возможны «отскоки» звезды до 20 угл.сек);
- недостаточные запасы устойчивости управления при попытках использования автоматических систем слежения с замыканием обратных связей по объекту наблюдения и полуавтоматических систем с оператором - астрономом-наблюдателем в контуре управления.
Данная АСУ (4) азимутального телескопа взята нами в качестве прототипа предлагаемой, как наиболее близкая по технической сущности и достигаемому техническому эффекту.
Задачей, которую ставили авторы при разработке предлагаемой полезной модели, являлось существенное повышения точности управления азимутальным телескопом в условиях механических и ветровых возмущений, которое достигнуто за счет демпфирования возмущений, возникающих в подвесках приводов телескопа
по каналам А и Z, а также в оптической системе телескопа вследствие несовпадения центра масс и центра инерции несимметричной конструкции.
Эта задача решена в предлагаемом устройстве содержащем, цифровой вычислитель координат слежения за объектом по положению, блок формирования команд управления приводами по осям А, Z и Р, цифро-аналоговый преобразователь, основной сумматор, приводы телескопа по осям А и Z с подпружиненной подвеской червячного зацепления и с клиновидным механизмом крепления червяка в редукторах приводов по скорости, соединенные с червячными шестернями телескопа, цифровые датчики углов обратной связи на осях червяков в каналах А и Z, выходы которых подсоединены к блоку формирования команд управления по осям А и Z, датчики скорости линейного перемещения подвески червячного зацепления и клиновидного механизма относительно неподвижного основания с усилителями, подсоединенные ко входам блока формирования команд гашения колебаний и стабилизации телескопа, выходы которого подсоедины к основному сумматору, установленные на трубе телескопа в каналах А и Z двухкоординатные датчики угловых колебаний в оптической системе и угловой скорости трубы телескопа с усилителями, выходы которых также подключены к основному сумматору в цепи приводов, а также вне контурную подвижную часть телескопа и привод по оси Р.
В вариантах выполнения устройства:
- блок формирования команд гашения колебаний и стабилизации телескопа содержит последовательно соединенные фильтр, блок для выработки несмещенных оценок отклонений телескопа по ускорению, скорости и положению на основе моделирования взаимодействия подпружиненной подвески червячного зацепления в приводе по оси А и клиновидного механизма червяка в приводе по оси Z с вне контурной частью телескопа, и блок формирования по сигналам несмещенных оценок команд динамического управления приводами телескопа по осям А и Z;
- блок выработки несмещенных оценок отклонений телескопа по ускорению, скорости и положению на основе моделирования взаимодействия подпружиненной подвески червячного зацепления в приводе по оси А и клиновидного механизма червяка в приводе по оси Z с вне контурной частью телескопа выполнен в виде последовательно соединенных второго и третьего сумматоров, первого и второго интеграторов, первого дифференциатора и четвертого сумматора, при этом второй выход третьего сумматора подсоединен ко второму входу четвертого сумматора, второй выход второго интегратора подсоединен ко второму входу третьего сумматора и второй выход первого дифференциатора подсоединен ко второму входу первого интегратора;
- блок формирования по сигналам несмещенных оценок команд динамического управления приводами телескопа по осям А и Z содержит три цепи: цепь из первого блока определения модуля сигналов, четвертого дифференциатора и первого блока умножения, цепь из второго дифференциатора, второго блока определения модуля сигнала, второго блока умножения и цепь третьего дифференциатора, входы которых подсоединены соответственно к выходам четвертого сумматора, второго интегратора и первого интегратора блока выработки несмещенных оценок, а выходы к соответствующим входам основного сумматора, при этом выход первого сумматора через блок определения знака сигнала подключен ко второму входу первого блока умножения, а второй выход блока определения знака сигнала подключен ко второму входу второго блока умножения.
Существенно новыми признаками устройства являются:
- введение в каналах А и Z датчиков скорости линейного перемещения подвески червячного зацепления и скорости линейного перемещения клиновидного механизма относительно неподвижного основания с усилителями;
- подсоединение выходов усилителей датчиков скорости линейного перемещения подвесок червячных зацеплений по каналам А и Z ко входу блока формирования команд гашения колебаний и стабилизации телескопа;
- введение блока формирования команд гашения колебаний и стабилизации телескопа, выходы которого подсоединены к основному сумматору;
- установка на трубе телескопа в каналах А и Z двухкоординатных датчиков угловых колебаний в оптической системе и угловой скорости трубы телескопа с усилителями, выходы которых также подключены к основному сумматору в цепи приводов по каналам А и Z.
Существенно новыми признаками в вариантах выполнения устройства являются:
- выполнение блока формирования команд гашения колебаний и стабилизации телескопа в виде последовательно соединенных фильтра и блока выработки несмещенных оценок отклонений телескопа по ускорению, скорости и положению на основе моделирования взаимодействия подпружиненной подвески червячного зацепления в приводе по оси А и клиновидного механизма червяка в приводе по оси Z с вне контурной частью телескопа и блока формирования по сигналам несмещенных оценок команд динамического управления приводами телескопа по осям А и Z.;
- выполнение блока выработки несмещенных оценок отклонений телескопа по ускорению, скорости и положению на основе моделирования взаимодействия подпружиненной подвески червячного зацепления в приводе по оси А и клиновидного механизма червяка в приводе по оси Z с вне контурной частью телескопа, в виде последовательно соединенных второго и третьего сумматоров, первого и второго интеграторов, первого дифференциатора и четвертого сумматора, при этом второй выход третьего сумматора подсоединен ко второму входу четвертого сумматора, второй выход второго интегратора подсоединен ко второму входу третьего сумматора и второй выход первого дифференциатора подсоединен ко второму входу первого интегратора;
- выполнение блока формирования по сигналам несмещенных оценок команд динамического управления приводами телескопа по осям А и Z в виде трех цепей: цепи из первого блока определения модуля сигналов, четвертого дифференциатора и первого блока умножения, цепи из второго дифференциатора, второго блока определения модуля сигнала, второго блока умножения и цепи третьего дифференциатора, входы которых подсоединены соответственно к выходам четвертого сумматора, второго интегратора и первого интегратора блока выработки несмещенных оценок, а выходы к соответствующим входам основного сумматора, при этом выход первого сумматора через блок определения знака сигнала подключен ко второму входу первого блока умножения, а второй выход блока определения знака сигнала подключен ко второму входу второго блока умножения.
Предложенное устройство представлено на фиг.1-5, где:
- на фиг.1 представлена схема предложенной АСУ азимутальным телескопом;
- на фиг.2 представлена фотография датчика колебаний в оптической системе (оптического двухкоординатного пеленгатора);
- на фиг.3 представлена фотография датчика скорости линейного перемещения подвески привода;
- на фиг 4 представлена фотография двухкоординатного датчика угловых скоростей трубы телескопа.
- на фиг 5 представлена фотография азимутального тлескопа Хобби-Эберли телескоп НЕТ. Техас. США.
- На фиг.1 обозначено:
1 - цифровой вычислитель координат слежения за объектом по положению;
2 - блок формирования команд управления приводами по каналам азимута - А, зенитного расстояния - Z и паралактического угла - Р;
3 - цифро-аналоговый преобразователь;
4 - основной сумматор;
5 - привод телескопа по каналу А;
6 - редуктор привода телескопа по каналу А с подпружиненной подвеской червячного зацепления;
7 - привод телескопа по каналу Z;
8 - редуктор привода телескопа по каналам Z с клиновидным механизмом червячного зацепления;
9 - червячное колесо телескопа привода по каналу А;
10 - червячное колесо телескопа привода по каналу Z;
11 - цифровой датчик угла обратной связи по каналу А;
12 - цифровой датчик угла обратной связи по каналу Z;
13 - вне контурная часть телескопа (ось телескопа 42, колеса телескопа 9, 10, труба телескопа 41, масляные подушки вывески телескопа 43);
14 - датчик скорости линейного перемещения подвески червячного зацепления по каналу А;
15 - датчик скорости линейного перемещения подвески червячного зацепления по каналу Z;
16 - усилитель датчика 14;
17 - усилитель датчика 15;
18 - блок выработки несмещенных оценок отклонений телескопа по ускорению, скорости и положению на основе моделирования взаимодействия подпружиненной подвески червячного зацепления в приводе по каналу А и клиновидного механизма червяка по каналу Z с вне контурной частью телескопа,
19 - фильтр;
20 - блок формирования по сигналам несмещенных оценок команд динамического управления приводами телескопа по осям А и Z;
21 - блок формирования команд гашения колебаний и стабилизации телескопа;
22 - второй сумматор;
23 - третий сумматор;
24 - первый интегратор;
25 - второй интегратор;
26 - привод по каналу Р;
27 - первый дифференциатор;
28 - четвертый сумматор;
29 - второй дифференциатор;
30 - второй блок определения модуля сигнала;
31 - блок определения знака сигнала;
32 - третий дифференциатор;
33 - первый блок определения модуля сигнала;
34 - второй блок умножения;
35 - четвертый дифференциатор;
36 - первый блок умножения;
37 - двухкоординатный датчик угловых колебаний в оптической системе;
38 - усилитель датчика 37;
39 - двухкоординатный датчик угловой скорости трубы телескопа;
40 - усилитель датчика 39;
41 - труба телескопа.
42 - ось телескопа;
43 - масляные подушки вывески телескопа.
Причиной создания предложенного устройства явилось то, что в конструкции существующего телескопа - прототипа (4) выявлены кинематические узлы (подвески червячных приводов 5 и 7 телескопа по каналам А и Z), реагирующие на внешние возмущения.
Кроме того, при поворотах трубы 41 телескопа за счет деформаций выявлены угловые отклонения в оптической системе до 1 угл.сек, и возникновение так называемого осциляторного эффекта (колебаниий трубы) вследствие несовпадения центра масс и центра инерции несимметричной конструкции.
Внешние возмущения в подвеске червячных приводов предложено измерять датчиками 14 и 15 скоростей линейного перемещения (см.фиг3).
Для устранения влияния деформаций в оптической системе и осциляторного эффекта введены обратные связи с датчика 37 угловых колебаний в оптической системе (выполненного, например, на основе оптического пеленгатора - см. фиг.2) и датчика 39 угловой скорости трубы 41 телескопа (построенного, например, на основе высокоточного гироскопа - см. фиг4).
Используя обратные связи на приводы 5 и 7 с датчиков 14, 15 скоростей перемещения подвесок, датчика 37 угловых колебаний в оптической системе и датчика 39 угловой скорости, предложенная автоматизированная система позволяет подавить колебания телескопа и повысить точность управления в несколько раз.
Алгоритм формирования команд демпфирования и стабилизации по каналам с датчиков 14 и 15 перемещения подвесок является нелинейным и позволяет в зависимости от знаков сигналов моделирования отклонений телескопа по скорости и ускорению сформировать с необходимым быстродействием управление, обеспечивающее гашение и стабилизацию телескопа с учетом инерционности приводов 5 и 7.
Поскольку отклонения телескопа по несмещенным оценкам малы (не более 20 угл.сек) по сравнению с абсолютными максимальными координатами (12960000 угл.сек), то демпфирование и стабилизация телескопа производится приводами, работающими в форсированном режиме в области малых отклонений.
Алгоритм дополнительной стабилизации телескопа по сигналам с датчика 37 угловых колебаний в оптической системе и датчика 39 угловой скорости линеен.
Блок 18 выработки несмещенных координат отклонений телескопа по скорости, ускорению и положению работает в несколько ускоренном масштабе времени (в контуре на третьем сумматоре 23 реализован коэффициент 10), т.е. является быстродействующим следящим контуром с отрицательной обратной связью за сигналами датчиков 14 и 15 скоростей перемещения подвесок приводов 5 и 7, что позволяет достаточно быстро и точно оценивать необходимые отклонения.
Структура блока 18 выбрана такой, что отклонения ее параметров, например, в два раза практически не влияет на конечный результат повышения точности слежения, что является достоинством схемы, работающей с минимальным количеством дополнительных датчиков (датчик 14 в канале азимута и датчик 15 в канале зенитного расстояния).
Измерения угловых колебаний в трубе телескопа могут быть выполнены с использованием датчика 37, выполненного, например, в виде оптического координатора, содержащего оптический пеленгатор, оптический излучатель с усилителем 38.
Оптический излучатель и оптический пеленгатор крепятся к противоположным концам трубы телескопа. При колебаниях трубы 41 смещение излучателя относительно оптической оси пеленгатора преобразуются объективом последнего в перемещения светового пятна на чувствительной площадке его фотоприемника.
С выхода усилителя 38 поступают электрические сигналы, характеризующие колебания в оптической системе телескопа в двух взаимно перпендикулярных направлениях.
Оптический излучатель может состоять из световода и объектива. Световод излучает в инфракрасном диапазоне. Для исключения влияния фоновых засветок на работу пеленгатора световой поток излучения промодулирован по амплитуде за счет электрической модуляции тока световодов, а электрические сигналы фотоприемника селектируются полосовыми фильтрами, настроенными на частоту модуляции. Угловое разрешение оптического координатометра составляет около 0,05 угл.сек.
Основу оптического пеленгатора составляет позиционно-чувствительный фотоприемник с радиальным электрическим полем.
Принцип его действия заключается в том, что при попадании на чувствительную площадку оптического излучения в виде светового пятна на 2-х парах снимаемых электродов образуются разности потенциалов, соответствующие величине и направлению смещения светового пятна относительно центра приемника.
Электрические потенциалы на снимаемых электродах возникают в результате диффузии и дрейфа не основных носителей от центра к периферии под действием тянущего электрического поля, создаваемого в полупроводнике за счет приложения разности потенциалов к кольцевому и центральному электродам.
Датчики 14 и 15 скоростей линейного перемещения подвесок червячного зацепления по каналу А и Z (может быть выполнен, например, в виде конструкции (см.фиг.3), содержащей основание (1а), микрометр (2а), подпружиненный механизм преобразования линейных перемещений (3а), магнитно-электрический измеритель угловой скорости (4а) с чувствительным элементом (5а), четырех секционными обмотками (ба), электронным усилителем (7а) и пружинным механизмом (8а).
Чувствительный элемент 5а содержит два постоянных магнита, которые конструктивно встроены непосредственно в чувствительном элементе. При этом последний соединен с корпусом с помощью прецизионных шарикоподшипников.
Датчики 37 угловых колебаний в оптической системе и 39 - скорости линейного перемещения подвески использовались на реальном телескопе БТА в исследованиях его динамики и точности штатной системы управления.
Работа предложенной системы по выработке демпфирующих команд заключается в следующем.
При введении расчетных данных по наблюдаемому объекту (прямое восхождение - α, склонение - β, часовой угол - t, в цифровой вычислитель 1 команд слежения по положению, последний вычисляет необходимые данные для блока 2 формирования команд управления приводами по каналам азимута А, зенитному расстоянию - Z и паралактическому углу - .Р.
Команды с блока 2 проходят через блоки 3 и 4 поступают на соответствующие червячные приводы 5 и 7, которые начинают отрабатывать соответствующие перемещения элементов телескопа.
При этом работают одновременно датчики углов обратной связи 11, 12 по каналам А и Z, датчики 14, 15 скоростей линейного перемещения подвесок червячных зацепления по каналам А и Z, датчик 39 угловой скорости трубы телескопа и датчик 37 угловых колебаний в оптической системе телескопа.
упp
Сигналы с датчиков 14 и 15 обрабатываются в блоках 18 и 20, совместно образующих блок 21 формирования команд динамического управления приводами по каналам А и Z по сигналам несмещенных оценок, и совместно с сигналами с блоков 38 и 40 и блока 22 поступают в сумматор 4, где вырабатывается суммарный управляющий сигнал на приводы 5 и 7 с учетом моделирования влияния факторов деформации трубы телескопа и возмущениях на подвесках приводов в соответствии с алгоритмом и выбранной структурой коэффициентов передачи передаточных функций в реализуемой функции преобразований Лапласа U.(P):
где: р - оператор преобразования Лапласа;
- модули несмещенных оценок отклонений телескопа по скорости, ускорению и положению;
- сигналы соответственно с датчика 37 угловых колебаний в оптической системе и датчика 39 угловой скорости трубы телескопа;
- расчетные угловые скорости движения телескопа.
Sign - знак отклонений координат телескопа относительно среднего текущего положения по скорости и ускорению.
T
Таким образом, вне контурная подвижная часть телескопа 13 косвенным способом охвачена обратными связями по несмещенным оценкам колебаний телескопа по величине рассогласования ΔА, скорости рассогласования  и ускорению рассогласования , что обеспечивает повышение качества управления телескопом путем гашения колебаний вне контурной части и улучшением точности при механических и ветровых возмущениях
В настоящее время разработчиками проведено экспериментальное моделирование работы системы, подтвердившее возможность достижения положительного эффекта, указанного в заявке.
Проводятся работы по промышленному освоению предложенной конструкции.
Литература.
1. Хобби-Эберли телескоп (НЕТ), Техас, США. Реферат из Интернет фиг.5.
2. Телескоп БТА. Техническое описание. Книга 5. Комплекс управления. Система цифровых следящих приводов. ЛОМО 1974 г.