结合摩擦力矩补偿与高阶滑模控制器的光电望远镜抗扰研究

As the existing nonlinear disturbance resistance control method is with low model accuracy, poor applicability and weak disturbance resistance, a study of nonlinear disturbances rejection for meter-scale telescope low-speed stability is needed. The main innovations include the following two aspects. 1) If the friction torque is larger than that of other nonlinear disturbances, and it has obvious influence on the low-speed stability of the telescope control system (TCS), a high-accuracy friction compensation controller which combines with the LuGre friction model, the friction torque measurement basing on the fusion of the torque feedback technology and disturbance observer technology (DOB), as well as the HSPSO friction model parameters identification basing on K - means sample optimization and is proposed basing the original PI controller. 2) If the friction torque is not outstanding in total disturbances, and the total influence on the low-speed stability of TCS is serious, a fuzzy high-order sliding mode controller (SMC) with strong robustness to the external disturbances and Internal parameter perturbation is put forward. Compared with the average tracking error of PI controller and second-order SMC, the tracking error of the TCS is expected to be reduced by at least 75%, and the low-speed working mode of the TCS is stable. The research results can provide a theoretical and practical basis for improving nonlinear disturbance resistance for TCS.

本课题针对已有抗非线性扰动方法存在模型精度低、适用性差、抗扰能力易受限等问题，基于米量级光电望远镜低速平稳性开展非线性扰动抑制研究。主要创新研究包括：1）针对摩擦力矩相比于其他非线性扰动所占比重较大，对望远镜低速平稳性影响突出的情况，在原有PI控制器基础上，提出一种结合LuGre摩擦模型、带力矩反馈矫正的摩擦干扰观测器和基于K-means改进的HSPSO摩擦模型参数辨识的快速高精度摩擦补偿控制器。2）针对摩擦力矩相比于其他非线性扰动比重不突出，而总扰动对望远镜低速平稳性影响突出的情况，提出一种基于米量级光电望远镜伺服平台，对外界扰动和内部参数摄动具有强鲁棒性的带切换增益模糊控制的高阶滑模变结构控制器。相较现有PI控制器或普通二阶滑模控制器跟踪误差，实现跟踪误差至少削弱75%，低速运动平稳。研究成果可为提高望远镜抗非线性扰动能力提供新的理论方法和技术途径。

随着对空间探索范围的不断扩大，星地量子通信等新领域新科技的迅速发展，光电望远镜口径不断增大，对其跟踪平稳性、抗扰动等坏境适应能力提出更加苛刻的需求。目前光电跟踪伺服系统抗扰方案，尤其是抗非线性扰动方案存在拟合扰动模型精度低、普适性低、抗扰能力受约束条件较多等问题，为此，针对摩擦力矩对望远镜低速平稳性影响突出这一问题，研究并设计实现了基于LuGre模型高精度辨识的跟踪控制系统摩擦力矩补偿方法；针对其它非线性扰动，研究并设计了基于高阶滑模控制器的抗非线性扰动方法。.针对非线性摩擦力矩扰动抑制，本课题提出了一种基于遗传算法和粒子群优化算法混合算法（GA-PSO）的LuGre摩擦模型参数的高精度辨识方法。通过设计扰动观测器实时获得摩擦力矩，然后设计粒子群优化算法与遗传算法相结合的PSO-GA优化算法实现LuGre摩擦模型参数的高精度辨识，设计基于LuGre摩擦模型的望远镜双PID控制系统，实现摩擦力矩的补偿。经验证，该方法应用于新疆南山站1.2 m望远镜跟踪控制系统后，跟踪误差由减小了36.2%，方位轴速度过零点扰动得到明显抑制。.针对抗非线性扰动普适性方法的研究，提出了基于模糊控制切换增益的高阶滑模变结构控制器的方法。设计并优化了切换增益模糊控制器来抑制滑模控制器的抖振问题，基于该模糊控制器，设计三阶滑模控制器，并将1 m望远镜方位轴作为研究对象进行算法验证。验证显示，相比二阶带增益切换的模糊滑模控制器，望远镜方位轴跟踪控制系统跟踪精度提高40.9%，使得望远镜控制系统在受到外界扰动和系统内部参数变化时具有强鲁棒性。.本课题提高了光电望远镜的抗干扰能力，提升了大口径望远镜的低速平稳性，系统可更准确的跟踪瞄准。本课题也可被应用于或借鉴于其它领域跟踪控制系统，如射电天文望远镜等大型伺服转台应用系统，同时可为更大口径的光电望远镜抗扰研究提供理论支撑和工程实践经验。

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