膜基反射镜面形控制系统设计、仿真与分析

论文摘要

随着空间光学系统的发展以及对其分辨率要求的不断提高,研制大孔径、超轻型空间望远镜已经成为空间科学领域的主要任务之一。以柔性薄膜为基坯的膜基反射镜具有重量轻、可折叠和展开、成本低等传统望远镜反射主镜无法比拟的特点,在未来大型空间光学系统中具有广阔的应用前景。研制膜基反射镜需要解决的关键技术之一是膜基反射镜的面形控制。本文在现有研究工作基础上,设计了一种基于模糊逻辑控制理论和技术的膜基反射镜面形控制系统,为进一步研制膜基反射镜提供理论和技术支持。论文首先介绍了膜基反射镜的研究背景及其面形控制的国内外研究现状。随后讨论了设计膜基面形控制系统所涉及的基础理论,说明了采用Zernike多项式进行面形拟合的特点和作用,对为何选择模糊控制技术作为膜基反射镜面形控制方法进行了分析,并对模糊控制理论及其控制器的设计进行了阐述和讨论。根据膜基反射镜面形控制要求,设计了膜基反射镜面形控制系统,系统包括面形设计模块、面形控制模块、面形控制仿真模块以及面形分析模块等,相应的功能分别是标准反射镜面形设计、面形控制与修正、面形控制仿真和面形质量评价等。对系统的工作原理进行了详细说明,并讨论了系统相关核心模块的具体实现方法,给出了系统的集成方案。利用所设计的系统对膜基反射镜进行了面形控制的仿真分析。在系统提供的理论分析模式和有限元分析模式下对不同口径、不同F数的膜基反射镜分别进行了均匀载荷和非均匀载荷作用下的面形控制仿真,测试了系统的稳定性与可靠性。仿真结果表明,采用非均匀载荷进行控制所得膜基反射镜的面形精度,与使用均匀载荷作用所得膜基反射镜面形精度相比可以提高两个数量级。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 膜基反射镜的研究背景及意义
• 1.2 膜基反射镜技术的研究进展
• 1.3 本文的研究目的与研究内容
• 第二章 膜基反射镜面形控制的理论基础
• 2.1 膜基反射镜面形的Zernike 多项式表示
• 2.1.1 Zernike 多项式及其面形表示
• 2.1.2 基于Householder 变换法的Zernike 多项式拟合
• 2.2 膜基反射镜面形控制方法的选择
• 2.3 模糊控制理论
• 2.3.1 模糊控制与模糊控制系统的基本组成
• 2.3.2 模糊控制器的结构与设计方法
• 2.4 本章小结
• 第三章 膜基反射镜面形控制系统设计与实现
• 3.1 总体设计与功能描述
• 3.2 膜基反射镜面形控制系统工作原理
• 3.3 系统控制器设计
• 3.4 仿真子系统的设计
• 3.4.1 仿真系统的两种分析模型
• 3.4.2 仿真系统的实现
• 3.5 硬件设计
• 3.6 系统集成
• 3.7 本章小结
• 第四章 膜基反射镜面形控制仿真与分析
• 4.1 理论分析模式与有限元分析模式的仿真对比
• 4.2 均匀载荷作用下面形控制的有限元仿真分析
• 4.3 非均匀载荷作用下面形控制的有限元仿真分析
• 4.4 控制系统对外部扰动的响应
• 4.5 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的论文
• 攻读学位期间申请的发明专利
• 攻读学位期间参加的科研项目
• 攻读学位期间参加的学术会议
• 附录一 37 项Zernike 多项式及其在单位圆内的形状
• 附录二 膜基反射镜面形控制系统软件安装与使用说明
• 致谢