哈勃望远镜指向控制系统设计及性能分析
大射电望远镜精调Stewart平台的优化、分析与控制
大射电望远镜精调Stewart平台的优化、分析与控制大射电望远镜精调Stewart平台的优化、分析与控制摘要：大射电望远镜的精细调整对于获得高质量的观测数据至关重要。
本文针对大射电望远镜的Stewart平台进行了优化、分析与控制的研究。
首先通过对平台结构进行分析，确定了其动力学模型。
然后，基于该模型，通过优化算法对Stewart平台进行了优化设计。
最后，设计了控制系统，并进行了仿真实验。
1. 引言大射电望远镜是研究宇宙中射电波的重要设备，其调整的精度对于获得高质量的观测数据至关重要。
而Stewart平台作为大射电望远镜的关键部件之一，其性能直接影响着望远镜的指向精度和抗干扰性能。
2. Stewart平台的动力学分析2.1 结构特点分析Stewart平台由一个顶部平台和六个支撑杆组成。
其平台结构主要由顶部平台、支撑杆和底座构成，通过支撑杆的伸缩来实现平台的姿态调整。
2.2 动力学模型建立基于Stewart平台的结构特点，可以建立其动力学模型。
在分析支撑杆的运动学关系后，可以得到平台的姿态与杆长之间的关系，进而建立动力学方程。
3. Stewart平台的优化设计3.1 优化目标与指标在进行Stewart平台的优化设计时，需要明确优化的目标与指标。
主要包括望远镜的指向精度、抗干扰性能以及结构的稳定性。
3.2 优化算法针对Stewart平台的优化设计问题，可以采用优化算法进行求解。
常用的优化算法包括遗传算法、粒子群算法等。
本文选择了遗传算法进行优化设计。
4. Stewart平台的控制系统设计4.1 控制系统结构设计控制系统是Stewart平台实现精细调整的关键。
本文设计采用闭环控制系统，其中包括传感器、执行器和控制器三个部分。
4.2 控制器设计控制器是控制系统的核心部分。
针对Stewart平台的控制问题，通常可以设计PID控制器或者模糊控制器。
本文选择了PID控制器进行设计。
5. 仿真实验与分析为了验证Stewart平台的优化设计与控制系统的性能，进行了仿真实验。
哈勃望远镜 大物论文剖析
简谈哈勃望远镜姓名：学号：班级：学院：2013—2014 第一学期哈勃空间望远镜，是以天文学家爱德温·哈勃为名，在轨道上环绕着地球的望远镜，它的位置在地球的大气层之上，因此影像不会受到大气湍流的扰动，视相度绝佳又没有大气散射造成的背景光，还能观测会被臭氧层吸收的紫外线。
它于1990年成功发射，弥补了地面观测的不足，帮助天文学家解决了许多天文学上的基本问题，使得人类对天文物理有更多的认识。
是天文史上最重要的仪器之一。
2011年11月，借助哈勃空间望远镜，天文学家们首次拍摄到围绕遥远黑洞存在的盘状构造。
设计原理哈勃空间望远镜得到的数据首先被储存在航天器中。
在哈勃空间望远镜最开始发射时，储存数据设施是老式的卷带式录音机。
但这些设备在之后的维修任务中得到了替换。
每天哈勃空间望远镜大约分两次将数据传送至地球同步轨道跟踪与数据中继卫星系统，然后数据再被继续发送至位于新墨西哥的白沙测试设备，通过位于白沙测试设备的60英尺（18米）直径的高增益微波电线之一，信息最后被传送到戈达德太空飞行中心和太空望远镜科学研究所处存档。
传送来的数据必须要经过一系列处理才能为天文学家所用。
空间望远镜研究所开发了一套软件，能够自动地对数据进行校正。
然后空间望远镜研究所将利用STSDAS 软件来选取所需要的数据。
哈勃望远镜帮助科学家对宇宙的研究有了更深的了解。
然而，由于美国航空航天局将哈勃SM4确定为最后一次维修任务，因此，哈勃的退役在即，而它新的继任者詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）将发射升空，并逐步接替哈勃太空望远镜的工作。
组合安装望远镜的镜子和光学系统是最关键的部分，因此在设计上有很严格的规范。
一般的望远镜，镜子在抛光之后的准确性大约是可见光波长的十分之一，但是因为空间望远镜观测的范围是从紫外线到近红外线，所以需要比以前的望远镜更高十倍的解析力，它的镜子在抛光后的准确性达到可见光波长的二分之一，也就是大约30纳米。
哈勃望远镜指向控制系统设计及性能分析
哈勃望远镜指向控制系统设计及性能分析哈勃望远镜的指向控制系统主要由两个部分组成：姿态控制系统和指向控制系统。
姿态控制系统负责维持望远镜的姿态稳定，以确保望远镜能够准确指向目标天体；指向控制系统负责计算和调整望远镜的方位和俯仰角，使望远镜能够精确地指向目标。
在设计姿态控制系统时，需要考虑的因素包括望远镜的惯性特性、环境扰动、气动力学效应等。
通常采用的控制策略是反馈控制，即将望远镜的当前姿态与目标姿态进行比较，根据差异产生的反馈信号来调整望远镜的姿态。
为了提高稳定性和精度，可能还需要采用滤波和校正技术来抑制噪声和误差。
指向控制系统的设计考虑了望远镜的机械结构和测量设备的特点。
通常采用的方法是通过测量目标位置的变化来计算望远镜的方位和俯仰角，并将其与目标位置进行比较，从而调整望远镜的指向。
测量设备可能包括陀螺仪、加速度计、角度编码器等，这些设备需要具有高精度和高可靠性，以确保指向控制系统的性能。
性能分析是评估指向控制系统的效果和可靠性的关键步骤。
一种常用的方法是通过仿真来模拟指向控制系统的行为，从而分析系统的稳定性、精度和鲁棒性等性能指标。
通过调整控制参数和算法，可以进一步优化指向控制系统的性能。
此外，还可以进行实验室测试和地面观测来验证指向控制系统的性能，并调整系统以满足实际需求。
总之，哈勃望远镜的指向控制系统设计和性能分析是一项复杂而关键的任务。
通过仔细考虑望远镜的特性和环境要素，采用适当的控制策略和测量设备，并通过仿真和实验验证，可以实现对望远镜的准确指向和稳定观测，从而为天文研究提供重要的观测数据。
哈勃空间望远镜（天文仪器）详细资料大全
哈勃空间望远镜（天文仪器）详细资料大全哈勃空间望远镜（英语：Hubble Space Telescope，缩写：HST）是以著名天文学家、美国芝加哥大学天文学博士爱德温·哈勃为名，在地球轨道上并且围绕地球的太空空间望远镜，它于1990年4月24日在美国甘迺迪航天中心由“发现者”号太空梭成功发射。
2019年5月，哈勃太空望远镜科学家公布了最新的宇宙照片——“哈勃遗产场”(HLF)，这是迄今最完整最全面的宇宙图谱，由哈勃在16年间拍摄的7500张星空照片拼接而成，包含约265000个星系，其中有些已至少133亿岁“高龄”，对其进行研究有助于科学家深入了解更早的宇宙历史。
基本介绍•中文名：哈勃空间望远镜•外文名：Hubble Space Telescope•缩写：HST•命名：天文学家爱德温·哈勃•发射时间：1990年4月24日•发射地点：美国甘迺迪航天发射中心•重量：11,000 千克（24,250 磅）•设备管理方：NASA和ESA•运行高度：距离地面约575公里上空•后继探索器：詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST）简介,概念设计和目标,规划设计和准备工作,资金需求,设计与制造,光学望远镜的组合安装（OTA）,太空平台系统,地面支持,挑战者号爆炸事故,仪器,问题和维修,镜片的瑕疵,问题的根源,解决方案,COSTAR,维护任务和新仪器,维护任务1,维护任务2,维护任务3A,维护任务3B,最近的维护任务（SM4）,科学上的成就,重要的发现,军事用途,相关影视作品, 简介哈勃空间望远镜（英语：Hubble Space Telescope，HST），是以天文学家爱德温·哈勃为名，在地球轨道的望远镜。
哈勃望远镜接收地面控制中心（美国马里兰州的霍普金斯大学内）的指令并将各种观测数据通过无线电传输回地球。
由于它位于地球大气层之上，因此获得了地基望远镜所没有的好处：影像不受大气湍流的扰动、视相度绝佳，且无大气散射造成的背景光，还能观测会被臭氧层吸收的紫外线。
2 m级望远镜跟踪架控制系统动态性能分析
2 m级望远镜跟踪架控制系统动态性能分析邓永停;李洪文;陈涛【摘要】为了增强望远镜的抗风载扰动能力,提高望远镜跟踪架的跟踪精度,本文对2 m望远镜跟踪架伺服控制系统的动态性能进行了测试和分析.首先,采用正弦扫描信号对望远镜跟踪架的结构和伺服系统进行了频率特性测试;其次,采用基于观测器/卡尔曼滤波器的辨识算法,对跟踪架控制系统的频率特性进行了模型辨识;最后,依据辨识获得的控制模型设计了位置和速度控制器,然后对2 m望远镜跟踪架伺服控制系统进行了目标观测实验,实验结果表明:当跟踪最大速度为3.5(°)/s,最大加速度为1(°)/s2的目标时,方位轴和俯仰轴的最大跟踪误差均小于4.5",跟踪误差的RMS值分别为0.378 6"和0.151 6",实验验证了跟踪架控制系统的良好性能.%In order to enhance the ability of disturbance rejection for the telescope,and improve the tracking accuracy of the telescope mount control system,this paper analysis the dynamic of mount control system for the two meters telescope.Firstly,the frequency response of telescope mount control system is test using swept sine.Secondly,the Observer/Klaman filter algorithm is employed to identify the model for the mount control system.Finally,the position controller and speed controller are designed based on the mount control model.The experimental results of target observation show that max tracking errors of the azimuth and elevation axis are less than 4.5",and the tracking error RMS are 0.378 6" and 0.151 6",when the target moving with the max speed 3.5 (°)/s and the max acceleration 1 (°)/s2.The experiments verify the good dynamic of telescope mount control system.【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2018(026)003【总页数】8页(P654-661)【关键词】望远镜;频率响应;模型辨识;伺服系统【作者】邓永停;李洪文;陈涛【作者单位】中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130033【正文语种】中文1 引言地基大口径光电望远镜在实现对空间目标精密跟踪时，需要重点考虑跟踪架伺服控制系统的定点和跟踪误差[1]。
哈勃空间望远镜的研究
哈勃空间望远镜的研究哈勃空间望远镜（Hubble Space Telescope）是由美国国家航空航天局（NASA）和欧洲航天局（ESA）合作建造和运行的一种大型光学望远镜。
它于1990年4月24日发射升空，是迄今为止最著名的和最重要的空间望远镜之一哈勃望远镜之所以非常重要，是因为它的先进技术和无与伦比的观测能力使得科学家能够观测到远超地球大气干扰范围的天体，并获得高分辨率和精确测量的图像。
哈勃望远镜是第一台被部署在太空中的望远镜，远离了地球的大气，这样就避免了大气湍流的影响，使得它能够拍摄到非常清晰和详细的图像。
它发现了许多重要的天文现象，带来了许多突破性的成果。
此外，哈勃望远镜还在行星科学研究方面做出了许多贡献。
它观测到了许多行星和卫星的表面和大气，帮助我们了解地球之外的行星系统的形成和演化。
例如，它观测到了火星上的冰帽，揭示了火星的水资源以及潜在的生命之迹。
它还发现了土星的环，解决了许多关于环的起源和演化的问题。
除了研究行星和宇宙学，哈勃望远镜还在恒星和银河系的研究方面产生了重要的成果。
它帮助我们了解了银河系中恒星的形成和演化过程，发现了许多恒星的残骸和行星系统。
例如，它发现了一颗被称为“哈勃深空”的遥远星系。
它还发现了超新星爆炸、黑洞和行星状星云等现象，为我们提供了关于宇宙中各种天体的深入了解。
此外，哈勃望远镜对于太阳系的研究也做出了重要贡献。
它观测到了太阳系各个行星的大气层和天体表面，提供了许多有关太阳系中行星和卫星的详细信息。
例如，它观测到了冥王星（当时还是行星）的表面特征，并帮助科学家们了解了这颗遥远天体的性质和演化过程。
总结来说，哈勃空间望远镜是迄今为止最重要和著名的空间望远镜之一、它的先进技术和无与伦比的观测能力使得科学家们能够研究宇宙的起源、演化和结构，探索行星科学、恒星和银河系的形成和演化，以及太阳系的各个成员。
它的重要成果改变了我们对宇宙和我们所在的世界的认识，对天文学和宇宙学的发展做出了巨大贡献。
自动控制技术控制系统时域设计
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例 哈勃太空望远镜指向控制
上式表明， Ka的选取应尽可能地大。
最后，从减小单位阶跃扰动的影响考虑Ka与 K1的选取。因为扰动作用下的稳态误差
essn limsEn (s) limsCn (s)
s0
s0
lim G(s)
s
N (s)
s0 1 G0 (s)
lim
2020年2月15日
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例 哈勃太空望远镜指向控制
N(s)
G(s)
R(s) +
E(s) Ka
-
++
1 s(s K1)
C(s)
首先选择Ka与K1以满足系统对阶跃输入 超调量的要求：令
G0 可得
(s)
Ka s(s K1)
s(s
wn2
2
wn )
wn
Ka ,
K1 2 Ka
2020年2月15日
2020年2月15日
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例 哈勃太空望远镜指向控制
N(s)
G(s)
R(s) + E(s) Ka -
++
1 s(s K1)
C(s)
设计目标是选择放大器增益Ka和具有增益调 节的测速反馈系数K1，使指向系统满足如下 性能：
（1）在阶跃指令r(t)作用下，系统输出的超 调量小于或等于10%； （2）在斜坡输入作用下，稳态误差达到最小； （3）减小单位阶跃扰动的影响。
E(s) 100
+ +
1 s(s 12)
C(s)
-
2020年2月15日
图3(a) 所设计的系统
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太空望远镜指向系统设计
太空望远镜指向系统设计专业：自动化班级：2007级1班姓名：目录引言 (3)1太空望远镜 (6)1.1 太空望远镜概述 (6)1.2 太空望远镜的原理 (7)1.3 太空望远镜的种类划分 (8)1.4 八部最了不起的太空望远镜 (9)1.5 太空望远镜的发展历程 (17)2 太空望远镜系统（以哈勃望远镜为例） (20)2.1 光学望远镜的组合（OTA） (20)2.2 仪器 (21)2.2.1哈勃空间望远镜携带的仪器 (21)2.2.2科学仪器 (22)2.3 航天器系统 (26)2.4 太空望远镜-太空船系统 (30)3 反馈控制 (31)3.1反馈控制原理 (31)3.2 自动控制系统的组成及常用术语 (34)3.3 自动控制系统的分类 (35)3.4 自动控制系统的性能指标 (38)4 控制系统的结构图 (41)4.1 结构图简述 (41)4.2 系统结构图的组成和绘制 (41)4.3 系统结构图的等效变换 (42)5 MATLAB软件 (47)5.1 MATLAB介绍 (47)5.2 传递函数 (47)5.3 频率特性 (51)6 太空望远镜指向系统设计 (55)6.1 太空望远镜指向系统结构图 (55)6.2 太空望远镜指向系统设计指标 (56)6.3 太空望远镜指向系统参数确定及仿真验证 (56)结论 (61)致谢 (63)参考文献 (64)太空作为天文研究地盘的太空望远镜，大部份皆为欧美国家所发射(只有少许例外地由日本发射)。
在地球大气外装设观测设施有两大好处，首先，影像可更为清晰，否则大气的阻隔会使影像变得模糊（情形就像身处充满蒸气的浴室之中）；其次，可以侦察到那些从恒星和星系而来，却被大气层阻挡着的辐射，例如紫外线、X射线和伽玛射线。
虽然我们有赖大气层保护免受太阳紫外线和X射线的灼伤，但是这也意味着如果我们留在地面上，便会错失大量来自宇宙的信息。
太空望远镜在拍摄时必须一直锁定某个目标，这一过程可能要保持数小时，具体取决于观测者使用的仪器。
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自动控制原理课程设计题目哈勃太空望远镜指向系统建模及性能分析学生姓名学号学院专业指导教师二Ｏ一一年月日目录1．系统介绍 (1)2．物理模型图 (1)3. 系统分析 (2)3.1哈勃太空望远镜指向系统的结构框图 (3)3.2 系统的信号流图 (3)3.3 相关函数的计算 (3)4.系统稳定性分析 (4)4.1 代入参数值 (4)4.2 根轨迹 (4)4.3 Bode图 (5)4.4 系统阶跃响应 (6)5 系统动态性能分析 (8)5.1延迟时间的计算 (8)5.2 上升时间的计算 (8)5.3峰值时间的计算 (8)5.4 超调量的计算 (9)5.5 调节时间的计算 (9)5.6 使用MATLAB求系统各动态性能指标 (9)6系统仿真 (12)7总结与体会 (14)参考文献 (15)1．系统介绍哈勃太空望远镜的2.4米的镜头拥有所有镜头中最光滑的表面，其指向系统能在644km以外将事业聚集在一枚硬币上。
望远镜的偏差在一次太空任务中得到了大范围的校正。
系统设计的目标是选择放大器增益Ka和具有增益调节的测速反馈系数K1，使指向系统满足如下的性能：1)在阶跃指令r(t)作用下，系统输出的超调量小于或等于10%；2）在斜坡输入作用下，稳态误差较小。
2．物理模型图图（1）3. 系统分析1）首先满足对阶跃输入超调量的要求。
令G(s)=K as(s+K1)=ωn2s(s+2ζωn)可得ωn=√K a,ζ=12√K a 因为σ%=100e−πζ√1−ζ2%解得ζ=√1+π（lnσ）2代入求出σ=0.1，求出ζ=0.59，取ζ=0.6，因而，在满足σ%≤10%的指标要求下，应选K1=2ζ√K a=1.2√K a2）满足斜坡输入作用下稳态误差的要求。
令r(t)=Bt,可知e ssr(∞)=BK =BK1K a其K a与K1选择应满足σ%≤10%要求，即应有K1=1.2√K a，故有e ssr(∞)=1.2B√K a上式表明，K a的选取应尽可能的大。
在实际系统中，K a的选取必须受到限制，以使系统工作在先行区。
当K a= 100时，有K1=12，系统对阶跃输入和单位节约扰动的响应中，易看出e ssn(∞)= 0.12B,e ssr(∞)=−0.01得到一个很好的系统。
3.1哈勃太空望远镜指向系统的结构框图图（2）简化结构图3.2 系统的信号流图3.3 相关函数的计算开环传递函数G(s)=K as(s+K1)=Ks(sK1+1)，K=K aK1⁄4.系统稳定性分析4.1 代入参数值⁄假设K a=100，K1=12，则系统开环传递函数为G(s)=100s(s+12) 4.2 根轨迹用如下程序将传递函数在MATLAB中表示出来:num=[100]den=[1,12,0]sys=tf(num,den)用MATLAB显示为:用如下程序将传递函数的根轨迹图在MATLAB中表示出来: num=[100]den=[1,12,0]rlocus(num,den)用MATLAB做出的根轨迹如图所示:图（4）根轨迹图由于系统在右半平面没有极点,因此为稳定系统.4.3 Bode图开环传递函数相角裕度增益裕度仿真程序：num=[100]den=[1,12,0]sys=tf(num,den)[mag,phase,w]=bode(num,den)[gm,pm,wcg,wcp]=margin(mag,phase,w)margin(sys)图（5）Bode图4.4 系统阶跃响应因为求单位阶跃响应要求在闭环条件下,求出闭环传递函数为: 闭环传递函数：F(s)=100s2+12s+100利用如下程序在MATLAB中对系统绘制单位阶跃响应:num=[100]den=[1,12,100]step(num,den)系统单位阶跃响应如图所示:图（6）5 系统动态性能分析经以上分析可知该系统闭环传递函数为：闭环传递函数：F(s)=100s2+12s+100由222()()()2nn nC ssR s s sωζωωΦ==++，得ξ=0.6nω=10 由此可知该系统为欠阻尼系统。
5.1延迟时间的计算t d=1+0.7ζωn =1+0.4210=0.1425.2 上升时间的计算ζ=cosβ=0.6β=53.13°=0.926ωd=ωn√1−ζ2=8t r=π−βωd=0.28 5.3峰值时间的计算t p=πωd=0.39255.4 超调量的计算σ%=e −πζ√1−ζ2⁄%=9.49%5.5 调节时间的计算t s= 3.5ζωn=0.5835.6 使用MATLAB求系统各动态性能指标在MATLAB输入的指令为：num=[100];den=[1,12,100];G=tf(num,den);t=0:0.01:20;c=step(G,t);plot(t,c)grid[y,x,t]=step(num,den,t);maxy=max(y)ys=y(length(t))pos=(maxy-ys)/ysn=1;while y(n)<0.5*ysn=n+1;endtd=t(n)n=1;while y(n)<ysn=n+1;endtr=t(n)n=1;while y(n)<maxyn=n+1;endtp=t(n)L=length(t);while (y(L)>0.95*ys)&(y(L)<1.05)*ys L=L-1;endts=t(L)软件输出如下为：图（7）maxy = 1.0947ys = 1.0000pos =0.0947td =0.2800tr =0.1400tp = 0.3900ts =0.52005.7 人工计算与MATLAB计算的结果比较及误差分析两次计算对比表：由上表可以看出人工计算的和用MATLAB 计算的值相差不大，差异有可能是在计算过程中认为的四舍五入保留小数点后两位，从而导致计算结果有所差别。
在可接受范围内。
6系统仿真在MATLAB命令窗口中输入SIMULINK,然后点File→New→Model,在SOURCE中选择STEP模块,在SINKS中选择SCOP模块,在CONTINUOUS中选择传递函数,双击更改极点和零点，用直线将模块连接后，点击START,双击示波器,即可看到仿真图形.系统MATLAB仿真图形如图所示;图（8）图（9）图（10）7总结与体会自动控制技术已广泛应用于制造业、农业、交通、航天及航空等众多产业部门，极大地提高了社会劳动生产率，改善了人们的劳动环境，丰富和提高了人们的生活水平。
在今天的社会生活中，自动化装置无处不在，为人类文明进步做出了极大的贡献。
这次自动控制原理课程设计中也让我了解到了自动控制在多方面的应用。
平常我们上自动控制原理课时，老师讲的都是理论知识，没有试验的验证与对比，我感觉很难理解这些知识，为了应付作业和考试，我也只是略微了解了些原理，把公式记牢就够了。
然而在这次自动控制原理课程设计中，就暴露了许多问题。
我开始在做哈勃太空望远镜指向控制系统设计时，按部就班的套用书上的公式，算完系统开环传递函数时域性能指标后，在MATLAB中仿真分析，发现得到的阶跃响应曲线与理想中的有差距，并且知道从图中就可以看出来只满足了部分时域性能指标，于是在查找了很多资料之后，重新设置参数，进行系统分析，得到相对稳定和准确的参数，重新进行了系统仿真，熟练运用matlab软件进行各种分析。
通过我在做课程设计时，翻书、上网查资料，与同学讨论，让我的实际动手能力增强的很多，让我对自动控制原理这门课程所学的知识有了进一步的理解，加深了对理论基础知识的掌握，让我们学以致用，使我们的知识掌握的更加牢固，感谢老师们耐心的辅导和参考模板，感谢老师们能理解我们有考试的苦衷，感谢老师们给我们时间独立的思考。
这激发了我们的创新思想，我希望我们可以多点课程设计、多点试验，让理论与试验结合，我们才能更好的理解、掌握。
参考文献[1]胡寿松.自动控制原理（第五版).科学出版社，2007[2] 黄忠霖,自动控制原理的MATLAB实现,国防工业出版社,2007-2[3] （美）富兰克林（Franklin G.F.），（美）鲍威尔（Powell J.D.），（美）那诶尼（Naeini A.E.）著，李中华，张雨浓译，自动控制原理与设计，人民邮电出版社，2007-11-1[4]王万梁.自动控制原理.北京高等教育出版社，2008[5]师黎.反馈控制系统导论.科学出版社，2005。