摘 要:大射电望远镜(FAST)馈源索支撑系统由于自身索系结构的柔韧性,风载、冰雹等外界激励使得馈源平台有着不同频率响应和位移响应。外界激励对馈源系统的位移响应及频率响应的抑止是最终实现馈源平台在500 m尺度实现4 mm控制精度的关键。馈源系统对外界激励的位移和频率响应特性的理论分析和模型改正,需要通过模型实验进行验证,目前振动检测主要采用加速度计对振动的幅频进行测量,由于加速度计观测量是相对于加速度计本体坐标系下测量的,无法实现统一坐标系下的运动学分析,本文针对这一问题,采用测量机器人测量技术对50 m尺度模型馈源外界激励响应进行检测,可获得统一坐标系下的振动位移,实现运动学分析。实验中,实测数据的分析获得的馈源系统对外界激励的频谱响应特性与加速计检测结果一致,验证了该方法的正确性和有效性。
1 引 言
我国首批重大创新工程500 m口径大射电望远镜,要求馈源系统在500 m尺度上实现4 mm控制精度,针对于传统的工程方案无法实现,西安电子科技大学段宝岩教授首次提出的馈源索支撑光机电一体化的控制方案,通过索系的侍服牵引和外界精密测量反馈实现精密控制[4]。由于大跨度索系结构的柔韧性,风载、冰雹等外界激励对馈源平台有着不同频率响应和位移响应,这成为最终能否实现精密控制的关键,理论仿真表明外界激励响应主要集中在1 Hz以下。因此,索系馈源系统对外界激励的响应分析显得至关重要。本文针对这一问题,对馈源系统外界激励扰动的检测方法、测量技术和检测结果进行了相应的研究,提出的采用测量机器人测量的检测方法,并研制了相应的测量系统,在大射电望远镜馈源索支撑系统西安电子科技大学50 m缩比模型中外界瞬息激励响应检测中得以应用,从实验结果来看,该测量方案自动化程度高,高效便捷,对位移响应十分灵敏,与加速计检测方法相比,可获得在同一坐标系下位移响应的绝对分量,从频谱分析来看,实现了2~3 Hz的低频外界激励的响应检测,可满足馈源系统频率响应检测。
2 检测方法
馈源外界激励响应的检测当中,如图1所示,在馈源舱体下边缘上均匀安置3个360°棱镜作为测量合作目标,采用3台测量机器人TCRA1101plus(测角标称精度1.5″,测距标称精度2 mm+2×10-6)分别对3合作目标进行动态跟踪测量,测量频率为5Hz。在馈源舱体某索连接处(索耳2),通过绳索悬挂一重物,馈源舱体运动到设计的空中位置静止,剪断牵挂重物的绳索,模拟馈源舱体的瞬时外界激励。从馈源舱体开始处于静止状态,到受外界激励产生响应抖动,直至馈源舱体重新恢复到静止状态,测量机器人一直对3测量合作目标进行连续的跟踪测量,获得馈源舱体在整体坐标系下位置的时间序列。
在实验当中,还采用了加速度计测量,在同等的实验条件下对索耳2处的进行了加速度测量。加速度计的测量频率为512 Hz,传感器吸附在馈源舱体索耳2处表面,测量结果为该吸附方向的加速度大小,由于馈源舱体的位置和姿态不断变化,无法获得舱体在整体坐标系下的加速度响应。
3 测量系统灵敏度的测试
在采用测量机器人动态测量检测系统进行馈源的外界激励响应检测之前,对测量系统本身的灵敏度进行了测试:馈源舱体处于静止状态,在3个已知测站上,分别对舱体上的3个合作棱镜进行连续观测。
如图2所示,得到观测量的时间序列,如表1所示,水平角观测量的时间序列,最大互差为10.7″,标准差为1.0″,垂直角的观测量的时间序列,最大互差为11.7″,标准差为0.7″,距离观测量的时间序列,最大互差为4 mm,标准差为0.6 mm。相应的坐标分量测量灵敏度优于0.5 mm。测量系统的测量频率高于5 Hz。
4 外界瞬息激励响应的检测分析
4.1 实验数据
在西安电子科技大学的大射电望远镜馈源索支撑系统50 m缩比模型实验场地,对馈源舱体外界瞬息激励响应进行了检测实验,本文分析的实验数据为该实验中的测量数据。其中水平角、垂直角、距离和测量时间为原始观测量,点位坐标均统一在测量整体坐标系统中。
4.2 激励响应的时域分析
馈源舱对外界激励响应的力学效应来看,馈源舱体处于静止平衡状态悬挂在索耳2处的重物突然剪断,馈源舱体等同于在索耳2处的铅垂方向受到该重物重量的外界瞬息激励,舱体的平衡状态破坏,发生激励振荡响应,舱体及其索系结构发生位移和姿态调整,振荡效应逐步衰减直至恢复到新的静止平衡状态。
如图3所示,观测量的时间序列,由测量结果的时间序列来看,真实的反应了这一过程:棱镜1距离索耳2(激励源)最近,所受激励程度最大,响应时间最长;铅垂方向的激励振荡程度大于水平面方向的激励程度;馈源舱体发生振荡,受到外界阻尼逐步减弱直至达到新的平衡位置。
馈源舱体的系统重量在激励前后发生了变化,在前后的静止平衡状态馈源舱体的位置和姿态发生了变化,如表2所示(原始观测量中,扣除了相应的原始观测量时间序列的平均值),棱镜1水平方向发生了近20″的变化,垂直方向发生了25″的变化,相当于棱镜1处的平衡位置,在垂直方向发生了31 mm的改变,水平位置发生了20 mm的变化;3个棱镜观测目标前后的平衡位置都在水平角方向都增加了20″,表明了馈源舱体的平衡位置在水平面顺时针方向旋转了约20″;棱镜1在垂向方向升高了25″,而棱镜3发生了8″的变化,棱镜2没有大的明显变化,表明馈源舱体系统在前后达到平衡位置时,发生了俯仰变化。
4.3 激励响应的频域分析
对于将来整个控制系统要实现馈源舱体的4 mm的精确控制,控制系统的控制周期及其控制调整量,必须优于整个馈源舱体外界激励条件下的响应频率及其相应的响应位移大小。馈源舱体在实验检测中,取棱镜1振荡过程中约20 s的数据,并对其进行FFT变换,如图4所示,为观测量的时间序列与频谱分析,从频谱图示中可以看出:各观测量均存在一低频的长周期变化,这同整个振荡系统在外界阻尼情况下逐步衰减这一现象吻合;其中,水平角在频率1.08Hz和频率1.33 Hz存在明显的周期变化,垂直角在频率1.28 Hz,1.08 Hz,1.43 Hz存在明显的周期变化,距离在频率1.08 Hz和频率1.38 Hz存在明显的周期变化。
同时,外界激励利用加速度计进行了类似的实验,实验所测的频谱图示如图5所示(加速度计的x方向与测站1的观测仪器的横向方向一致):从加速度计测量结果来看,存在一长周期项,同时在1.18 Hz和1.25 Hz有一明显的周期项,这与全站仪测量的结果一致。
5 结 论
本文针对大射电望远镜中索系馈源对外界激励位移响应和频谱响应检测这一问题,对馈源系统外界激励扰动的检测方法、测量技术和检测结果进行了相应的研究,提出了采用测量机器人测量的检测方法,并研制了相应的测量系统,在大射电望远镜馈源索支撑系统西安电子科技大学50 m缩比模型中外界瞬息激励响应检测中得以应用。从实验结果来看:
(1)该测量方案自动化程度高,高效便捷,对位移响应可达到亚毫米级的灵敏度;
(2)与加速计检测方法相比,可获得在同一坐标系下位移响应的绝对分量;
(3)从频谱分析来看,实现了低于2 Hz外界激励的响应检测,并与加速度计测量的结果一致。
参考文献
[ 1 ] QIU Y H. A novel degsign for a gaint arecibo2typespherical radio telescope with an active main reflector[J].MNRAS,1998,301:827.
[ 2 ] QIU Y,ZHU L. The control system of the active mainrefkector for FAST,Ap&SS,2001 [Z].
[ 3 ] NAN R,PENG B. A chinese concept for the 1 km2ra2dio telescope [ J ]. Acta Astronautica, 2000, 46(12):667.
[ 4 ] DUAN B Y,NAN R,PENG B. A new design project ofthe line feed structure for large spherical radio telescopeand its nonlinear dynamic analysis[J]. Int.J.Mecha2troNIcs,1999,(1):53264.
