天文望遠鏡主動光學主動支撐的電控系統的製作方法
2023-06-11 01:20:06
專利名稱：天文望遠鏡主動光學主動支撐的電控系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種天文望遠鏡的控制設備，特別是一種天文望遠鏡主動光學主動支撐的電控系統。
背景技術：
主動光學天文望遠鏡是現代天文觀測新技術。該技術的出現，是為了解決建造超大口徑的大型天文望遠鏡的技術困難，而採用多塊子鏡拼接成大型天文望遠鏡；拼接結構中的各子鏡在控制系統操縱下同時動作，可以形成整個鏡面的形變，達到天文觀測的需要，即構成主動光學天文望遠鏡。這種拼接結構的大型主動光學天文望遠鏡的技術難點在於控制系統它需要滿足所有子鏡同時接到指令，同時動作的技術要求，動作中還包括有位移動作和形變動作，需要控制的因子數量是巨大的，同時還要滿足毫牛頓級的控制精度。01113669.3號中國發明專利提供了一種「大型天文望遠鏡鏡面位移控制系統」，其方案是鏡面由若干塊六角形的子鏡拼接而成，每一塊子鏡的背面放置微位移促動器及微位置傳感器，微位置傳感器的輸出連接到計算機，計算機的輸出接各促動器，形成閉環控制系統，其特徵是由上位機連接主控制機，主控制機分別連接若干個位移控制器，每個位移控制器分別連接若干個位移促動器的驅動器，每個驅動器連接一個位移促動器。
01113668.5號中國發明專利提供了一種「大型天文望遠鏡中力促動器的電控系統」，其方案是鏡面由若干塊六角形薄鏡面的子鏡拼接而成，每一塊子鏡的背面設置力促動器，並設置力傳感器，傳感器連接計算機閉環控制系統，計算機對每個力促動器發出實時指令，其特徵是控制系統的組成是，由主動光學控制器分別連接若干通用數字接口，數字接口接用戶接口控制器，控制器再接力促動器控制器，力促動器控制器接力促動器，子鏡上的力傳感器接用戶接口控制器。
這兩個技術方案基本解決了所有子鏡同時接到指令，同時動作的技術要求，也基本滿足了毫牛頓級的控制精度。但是以上方案中，三級計算機之間的信號傳遞是通過有線連接進行控制，而這種超大型望遠鏡的規模宏大，完全靠有線連接和有線控制，在使用中會造成很大困難和問題，天文觀測的實踐證明在這種大型天文望遠鏡上實現遠程控制是非常必要的。同時，隨著需要控制的因子數量成幾何級數的增加，上述的三級計算機控制已經無法進一步提高控制精度，這種控制模式已不能成為新一輪技術進步的基礎。
發明內容
本實用新型目的在於提供一種天文望遠鏡主動光學主動支撐的電控系統，該技術方案要對現有技術中「大型天文望遠鏡中力促動器的電控系統」進一步改進，以便在這種系統中實現遠程控制，提供能夠不斷提高控制精度的新的控制模式，並適應「需要控制的因子數量成幾何級數增加」的技術要求。
完成上述發明任務的方案是天文望遠鏡主動光學主動支撐的電控系統，主控計算機分別連接若干臺從計算機；每臺從計算機分別連接若干個智能控制器(子計算機)；每個智能控制器又分別連接若干套力促動器，其特徵在於在主控計算機的上級設置有總控計算機，總控計算機與主控計算機連接，實現四級控制，同時，在總控計算機、主控計算機、每個從計算機上都設有通訊接口，每個智能控制器上設有獨立的、帶有通訊接口的嵌入式CPU主板。所說的「四級控制」，第一級為主動光學總控制計算機；第二級由三個主控制計算機分別控制主動支撐、位移促動器和位移傳感器；第三級為控制主動支撐的從計算機；第四級為智能控制器。
本方案的進一步優化，在總控計算機、主控計算機、從計算機及智能控制器上還同時設有光纖通訊模塊(例如使用高速網絡處理器模塊MPC85XX或MPC82XX系列電路)，構成光纖通訊接口板，利用光纖通訊實現遠程高速監測與控制。
設置總控計算機以後，整個控制系統的控制數據按照前臺管理和後臺管理分別由總控計算機和主控計算機處理，大幅度增加了處理容量與處理速度；每個智能控制器設置獨立的嵌入式CPU主板(例如586/300M)作為控制處理，同時通過主板上的通訊接口，例如RS232/485進行串行通訊與乙太網通訊，優化方案還可進行光纖通訊，從而實現遠程監測與控制。
子系統結構信息傳輸方式與可靠性每個智能控制器的信息傳輸與RS232/485串行通訊與乙太網通訊的兩種方式相互分工又相互備份。
1、在正常運行的情況下，智能控制器與主控機之間通過RS232/485用點對點方式傳輸，實時指令與數據；通過乙太網傳輸執行文件與數據文件。
2、各智能控制器默認執行程序固化在受保護的EPROM中；負責控制程序的升級、實現通訊的自檢安全、與默認的採集與控制算法。
3、當各智能控制器的控制程序需要修改或者需要通過INTERNET進行遠程修改時，各智能控制器的默認執行程序通過乙太網核查主控制機中的安全自檢程序，在確定控制程序的安全無誤後，通過乙太網將控制程序下載至智能控制器且執行。主控機的新控制程序與安全自檢程序文件可以通過INTERNET遠程傳輸或下載。
4、經過安全與級別認證後，可以在全世界任何地方通過INTERNET觀測到每塊子鏡加力的實時控制狀態。
5、當發生意外，如果主機與智能控制器的某一通訊線短路，指令與數據的實時傳輸可以通過乙太網，控制文件的下載，也可以通過RS232/485發送和接收數據與命令。
6、5個智能控制器組成子通訊網。
本實用新型設置總控計算機以後，整個控制系統的四級控制數據按照前臺管理和後臺管理分別由總控計算機和主控計算機處理，大幅度增加了處理容量與處理速度；子通訊網設置三種通訊方式1、高速光纖通訊網，它通過專用電路模塊與從控制計算機的專用模塊實現命令和數據交換。2、從控制計算機通過多路通訊板連接智能控制器實現程序升級修改等操作。3、各個智能控制器相互之間採用RS232/485互相通訊從而保證命令、數據和程序的升級修改的可靠性同時在這種系統中實現了遠程控制，新的控制模式能夠適應「需要控制的因子數量成幾何級數增加」的技術要求，為進一步提高控制精度奠定了基礎。
圖1為主動支撐的電控系統的結構方框圖；圖2為一塊子鏡的監測與控制的結構示意圖；圖3為PR0676高精度數據採集卡框圖；圖4為ISO32步進電機控制卡(在該板上放置8套步進電機驅動器)框圖；圖5為PRO624力傳感器的小信號放大器板(該板上放置8套激勵源)框圖；圖6為智能控制器組成控制盒框圖。
具體實施方式
實施例1，LAMOST望遠鏡MA中主動光學1∶1子鏡實驗的電控系統方案設計、控制方法以及主動光學天文望遠鏡中主動支撐的電控系統。參照圖1～圖6本實施例根據主動光學的實驗要求使用34套力促動器，進行控制一塊子鏡改變鏡面面形的實驗。由總控計算機下轄主控制計算機，主控制機通過多路通訊控制器控制6臺從計算機；每臺從計算機又控制20個智能控制器；每個智能控制器又通過本實用新型專門設計的ISO32步進電機控制卡控制8套力促動器，專用的ISO32步進電機控制卡的結構是PCI04總線通過總線接口電路與邏輯控制與寄存器雙向連接，邏輯控制與寄存器通過光隔離分別與各步進電機驅動模塊連接。共控制24塊子鏡，每塊子鏡用5個智能控制器，每個智能控制器接8個力傳感器的信號輸入(包括激勵)，數據採集，8路步進電機控制輸出，每個智能控制器具有獨立的嵌入式CPU主板(586/300M)作為控制處理，同時通過RS232/485進行通訊與乙太網通訊，從而實現遠程監測與控制，結構示意圖如圖1、圖2。從計算機通過乙太網控制5個智能控制盒很方便的實現了發布命令、接受命令和數據交換等控制。使用了力傳感器作為加(拉)力閉環控制的反饋器件。採用軟硬結合的方法，進行邏輯組合的控制思想。對該系統已經實現了同時控制34套力促動器操作。加力的範圍為±150N，計算機對力促動器的閉環控制精度達到了萬分之五，均方根值≤50mN。該系統通過區域網得到控制參數控制改變MA子鏡的非球面面形。
智能控制器硬體、軟體控制結構硬體結構智能控制器由1、嵌入式CPU主板，主動光學實驗現使用586/300M，2、電子盤，3、16位的A/D卡，型號PRO16AD，4、步進電機控制卡，型號ISO32(在該板上放置8套步進電機驅動器)，5、力傳感器的小信號放大器板，型號PRO624，該板上放置8套激勵源，組成。
8套激勵源採用SM9XXX的模塊電路組成。高精度的激勵穩定度，10V的電壓穩定在10-7。從而保證了力傳感器輸出的信號穩定和可靠性。採用了AD6XX電路構成力傳感器的小信號放大器，把μV級的信號放大333倍後送到16位的A/D卡，進行計算機數據採集處理。
軟體控制結構下面是一塊子鏡的控制算法
Y=KX+B--(1)]]>其中；Y=y1y2y34---(2)]]>K=k11k12k1nk21k22k2nkm1km2kmn---(3)]]>X=x1x2x34---(4)]]>B=b1b2b34---(5)]]>其中當m＝n時是預先測的K值，這個值是從m＝n＝1，2，…3，4以數據文件的方式存在計算機中；其餘K值為0。B是望遠鏡運行時不同的高度函數bn*cos(α)關係。X是從檢測中得到的數組。計算機通過解算求出數組Y的值，根據Y的值控制促動器運行。
第四級其中一塊子鏡用五個智能控制器控制34套力促動器同時運行。每個智能控制器中具有獨立的軟體作業系統和軟體控制系統；解析上一級的命令與實施並報告本機的運行狀態。
第三級其中每個從計算機分別負責它所屬的子鏡，每個從計算機中具有獨立的軟體作業系統和軟體控制系統；解析上一級的命令與實施並報告本機的運行狀態。
第二級由三個主控制計算機分別控制主動支撐、位移促動器和位移傳感器；分別負責它所屬的控制部分，每個主計算機中具有獨立的軟體作業系統和軟體控制系統；解析上一級的命令與實施並報告本機的運行狀態。
第一級主動光學總控計算機負責接收光學檢測的數據、望遠鏡運行的方位和高度的狀態、命令等；解析並向下一級發布命令，檢測命令的執行情況，並向觀測控制系統報告主動光學電控裝置的運行狀態。
本實用新型不限於這些公開的實施方案，本實用新型將覆蓋在專利權利要求書中所描述的範圍，以及權利要求範圍的各種變型和等效變化。
權利要求1.一種天文望遠鏡主動光學主動支撐的電控系統，主控計算機分別連接若干臺從計算機；每臺從計算機分別連接若干個智能控制器；每個智能控制器又分別連接若干套力促動器，其特徵在於在主控計算機的上級設置有總控計算機，總控計算機與主控計算機連接，實現四級控制，同時，在總控計算機、主控計算機、每個從計算機上都設有通訊接口，每個智能控制器上設有獨立的、帶有通訊接口的嵌入式CPU主板。
2.按照權利要求1所述的天文望遠鏡主動光學主動支撐的電控系統，其特徵在於在總控計算機、主控計算機、從計算機及智能控制器上還同時設有光纖通訊模塊，構成光纖通訊接口板。
3.按照權利要求1或2所述的天文望遠鏡主動光學主動支撐的電控系統，其特徵在於所述的智能控制器與力促動器的連接方式是，每個智能控制器通過ISO32步進電機控制卡控制8套力促動器，ISO32步進電機控制卡的結構是PCI04總線通過總線接口電路與邏輯控制與寄存器雙向連接，邏輯控制與寄存器通過光隔離分別與各步進電機驅動模塊連接。
專利摘要天文望遠鏡主動光學主動支撐的電控系統，主控計算機分別連接若干臺從計算機；每臺從計算機分別連接若干個智能控制器；每個智能控制器又分別連接若干套力促動器，其特徵在於在主控計算機的上級設置有總控計算機，總計算機與主控計算機連接，實現四級控制，同時，在總計算機、主控計算機、每個從計算機上都設有通訊接口，每個智能控制器上設有獨立的、帶有通訊接口的嵌入式CPU主板。優化方案在總計算機、主控計算機、從計算機及智能控制器上還同時設有光纖通訊模塊，構成光纖通訊接口板，利用光纖通訊實現遠程高速監測與控制。本實用新型四級控制大幅度增加了處理容量與處理速度，並實現了遠程控制，為進一步提高控制精度奠定了基礎。
文檔編號G06F9/00GK2711759SQ200420025619
公開日2005年7月20日 申請日期2004年3月23日 優先權日2004年3月23日
發明者張振超, 崔向群, 王佑, 李國平, 畢汪虹, 馬禮勝 申請人:中國科學院國家天文臺南京天文光學技術研究所