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亚愽娱乐app助力“大鍋”FAST 研制饋源支撐整體控制系統

  • 發表日期:2014-12-18 【 【打印】【關閉】
  •   201675日,位于貴州黔南州平塘縣大窩凼的世界最大單口徑射電望遠鏡——500米口徑球面射電望遠鏡(FAST)最后一塊(第4450塊)反射面板緩緩起吊,被順利安裝在索網上,標志著這一觀天巨眼主體工程順利完工。在這個備受世界矚目的大科學工程中,亚愽娱乐app也參與其中,亚愽娱乐app復雜系統管理與智能控制國家重點實驗室先進機器人控制與系統研究組承擔了FAST“饋源支撐整體控制系統項目 

      讓望遠鏡的瞳孔精準地運動 

      1994年開始,通過不斷探索,中國天文學家提出在貴州喀斯特洼地中建造“500米口徑球面射電望遠鏡FAST)的建議。歷經12年的預研究,2007年國家重大科學工程——500 米口徑球面射電望遠鏡FAST項目獲國家立項批準。又經過6年的艱苦努力,201312月,FAST主體圈梁合攏,201673日,最后一塊反射面單元被順利安裝在索網上,這標志著觀天巨眼”FAST的主體工程順利完工,預計于今年9月全部竣工。 

      在項目總體組公布的方案中,FAST工作最重要的創新點有三:一是利用獨一無二的貴州天然喀斯特洼地臺址;二是應用主動反射面技術在地面改正球差;三是采用輕型索拖動機構和并聯機器人,實現望遠鏡接收機的高精度定位。這第三點就必須依靠亚愽娱乐app科研人員的智慧。 

      如果說FAST是一只觀天巨眼的話,那么饋源艙就相當于這只眼睛的瞳孔,它起到一個聚焦的作用。項目負責人景奉水研究員告訴我們:FAST工程由于巨大的空間跨度,在接收機與反射面之間難以建立緊密的連接。為此,建設方在望遠鏡的圓周設計了六個均勻分布的支撐塔,采用六根支撐索將望遠鏡的瞳孔——饋源艙——懸吊于空中。支撐索通過支撐塔上的導向滑輪與地面上的驅動設備連接,通過驅動設備改變支撐索的長度,使望遠鏡的瞳孔能夠在百米尺度大工作空間內實現瞬時聚焦,實時地達到毫米級高精度定位,從而實現對天體的高精度指向跟進觀測。如何讓這顆瞳孔在百米高空實現精準運動,這成了亚愽娱乐app科研人員需要攀登的技術高峰。 

      我們的總體設計是,將饋源支撐整體控制系統分解為索驅動控制系統饋源艙控制系統兩個部分,但在實際操作中,還有很多問題要解決,比如:這兩個結構一柔一剛,這種剛柔并存的結構設計方式必然使系統的運動相互影響,在控制上具有強耦合、非線性、大延遲等特性,景老師解釋說,這個復雜的系統是對我們科研能力的極大挑戰。 

     

      饋源支撐控制系統:承上啟下的中樞 

      為了解決精準控制的難題,饋源支撐整體控制系統必須成為整個FAST系統的中樞,起到承上啟下的作用。科研人員告訴我們,饋源支撐整體控制系統有兩大任務:向上——要連接FAST總控系統,接收總控指令并按照要求反饋饋源支撐系統的運行狀態。向下——連接索驅動系統和饋源艙系統,根據不同天文觀測的要求,經過一系列復雜的運算過程,發送指令給索驅動和饋源艙兩個系統。此外,這套系統還要維持實時數據和歷史數據庫,保存各相關系統的運行狀態信息,并能夠按照要求查詢并反饋狀態信息。 

      經過項目組成員的多次討論,饋源支撐整體控制系統的任務逐步明晰起來——既要求實時和非實時的大數據量傳輸(FAST總控和饋源支撐測量系統數據傳輸),也要求實時的關節運動控制(索驅動和饋源艙系統運動控制),這就需要系統具有在遠距離、高速度、大數據量下的實時同步傳輸能力。基于對任務的充分理解,項目組成員創新地提出了“基于POWERLINK的實時工業以太網饋源支撐整體控制系統方案”。 

      

      在這個復雜的方案中,項目組采用模塊化的思想,將饋源支撐整體控制系統劃分成多個互相聯系的功能模塊:人機交互模塊、天文軌跡規劃模塊、通信模塊、數據處理模塊。同時,FAST饋源支撐整體控制與系統外各相關系統(FAST總控系統、反射面控制系統等)通過以太網和光纖交換機相連接,用來傳輸各類數據。 

      在介紹項目的整體情況時,景老師特別提到多通道、多源數據的采集和處理,這是項目組面臨的又一大難題。由于測量系統使用的儀器設備包括多臺GPS-RTK和全站儀,本身就存在數據的時滯和不同步現象,而控制任務又要保證實時性,要讓大量的數據在同一個系統中運行。經過多番的研究,項目組又提出了“基于新息重組的卡爾曼濾波算法”,通過選擇高頻通道測量數據重采樣或高頻通道測量數據間隔采樣的思路,有效地解決測量時滯和不同步帶來的狀態估計問題。關于該成果的學術論文已被控制領域的頂級刊物TAC所錄用。 

       “在我們目前的方案和前期模型中,饋源支撐整體控制系統已經能出色的實現上述功能。20151028日該系統已順利通過了國家天文臺組織的出廠驗收,并已在貴州大窩凼的FAST建設工作中發揮了作用。除此之外,我們開發的測量子系統以及5個相關子系統的POWERLINK通信接口,也受到了高度評價。目前項目組人員正在現場與多個相關系統聯調,計劃今年9月底完成項目驗收工作。”景老師欣慰地說。 

      厚積薄發顯真功 

       “饋源支撐整體控制系統”花落亚愽娱乐app并非偶然,這得益于亚愽娱乐app前期雄厚的技術積累。 

      為了保證FAST工程的順利實施,國家天文臺在密云觀測站建立了一個基于131動力學相似律的縮尺模型(簡稱密云模型)。早在20111月,研究團隊便和國家天文臺合作,承擔了“FAST饋源支撐控制方法優化與仿真”項目研究任務,先后完成了“FAST原型饋源支撐控制系統仿真”“Stewart室內模型控制系統升級改造”“密云模型饋源支撐系統恢復”和“饋源支撐控制軟件開發”等任務,為承擔FAST系統工程任務積累了大量寶貴的經驗。 

      項目組副組長楊國棟老師告訴我們,在密云模型上,研究團隊提出了新的饋源支撐系統測量與控制方案,進行了一系列的理論分析驗證與控制方法實驗。通過模型恢復過程加強對模型軟硬件系統和模型整體運行狀態的了解,掌握饋源支撐控制系統中的難點。正是在預研階段的全力投入,才有了后期項目的落地花開。 

      201481日,“FAST饋源支撐整體控制系統”中標通知書正式下達,標志著科研人員前期的努力有了結果,也標志著一個新階段的開始,研究團隊將面臨前所未有的調整,遇到的困難也會是難以想象的。 

      首先是理論成果與實際應用的有機結合,特別是在國家重大工程任務中安全、可靠、高效地實施我們的前期研究成果是團隊需要面對的第一個難題;其次是各個系統的協調與協作,我們的工作在整個FAST工程中起到承上啟下的重要作用,與相關系統的銜接以及與數個承擔單位的溝通配合將會給大家帶來全新的考驗;最后是體力和精力的考驗,FAST是一個工程項目,需要項目組長期駐扎在貴州偏遠的大窩凼現場,條件艱苦。 

      景老師說,正因這個項目的難度和影響較大,團隊領導譚民研究員極為重視該項目,親自指導。另外,梁自澤、李恩、張雪貞等老師和孫堯、鄧賽等多位研究生也先后參加了該項目。同時復雜系統管理與智能控制國家重點實驗室辦公室主任閆研也做了大量與天文臺的協調和溝通工作。 

      譚民研究員對項目組寄予了厚望:“這個項目的難度很大,但能參與到國家重大的工程任務中,真正為國家重大需要做出貢獻,我們認為是一件很有意義的事情!亚愽娱乐app擁有2.16米天文望遠鏡控制系統的成就,雖然我們的工作不能與之相提并論,但希望通過我們的努力,讓大家看到亚愽娱乐app機器人團隊的實力!” 

      1992年,由國家天文臺和亚愽娱乐app等單位共同完成的“2.16光學天文望遠鏡”榮獲國家科技進步一等獎,該望遠鏡是當時東亞最大口徑的望遠鏡,對我國天文學的發展起到重要推動作用。其中,亚愽娱乐app完成的“2.16光學天文望遠鏡控制系統”在定位精度和跟蹤運動能力方面達到了同期同類國際控制系統的水平。