[发明专利]一种望远镜故障预警方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种望远镜故障预警方法及系统。

背景技术

中国科学院国家天文台建造的500米口径球面射电望远镜(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope，简称FAST)，是世界最大的单口径射电望远镜，其突破了地面望远镜的百米工程极限，开创了建造巨型射电望远镜的新模式。FAST的总体技术指标：口径为500m，反射面曲率半径为300m；照明区口径为300m，焦比f/D =0.467。

FAST主动反射面是由圈梁、反射面、索网、促动器、地锚等组成。索网安装在圈梁上，有2225个节点，在索网节点上安装有约4450个反射面单元形成反射面，每个节点下方连有下拉索和促动器，促动器再与地锚连接。通过控制促动器，实现300米口径瞬时抛物面进行天文观测。

反射面单元分为三角形和四边形两大类，其中三角形反射面单元为空间网架结构，边长约为10.4～12.4米，是由背架、调整装置、面板及连接关节等组成，每个三角形反射面单元重量约为500公斤。反射面单元背架在顶点上均装有连接关节，通过这些连接关节将其悬挂在索网节点上形成望远镜反射表面。

由于索网的耦合作用，导致促动器故障对反射面控制的影响机理十分复杂。促动器可能发生的故障组合工况难于预先统计，所以无法通过事先标定建立数据库的方法实现开环控制。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种望远镜故障预警方法，该方法对即时工况实时评估各种促动器故障组合工况，以及其对面型精度及结构安全的影响，为望远镜反射面的运行和维护提供决策性建议。本发明的另一目的是提供一种实施上述方法的望远镜故障预警系统。

为实现上述目的，本发明一种望远镜故障预警方法，具体为：

1）利用望远镜总控系统监测构件温度、促动器故障模式、故障促动器位置、望远镜拟执行任务波段、望远镜拟执行观测轨迹；

2）将监测的构件温度数据转化为有限元模型的温度场边界条件；

3）将监测的促动器故障模式、故障促动器位置转化为促动器故障模拟工况；

4）将监测的望远镜拟执行任务波段、望远镜拟执行观测轨迹转化为观测任务模拟工况；

5）将温度场边界条件、促动器故障模拟工况和观测任务模拟工况输入至有限元模型中，来针对望远镜拟执行的观测任务进行全过程模拟，得到关键部件的应力时程数据；

6）将关键部件的应力时程数据转化为构件疲劳预警信息、构件强度预警信息；

7）构件疲劳预警信息和构件强度预警信息形成促动器故障预警信息，该促动器故障预警信息将反馈至望远镜总控系统，来对望远镜的故障进行预警。

进一步，所述步骤1）中的构件温度通过布置在索网及圈梁结构上的若干个光纤传感器来直接测量构件的温度。

进一步，所述步骤2）中的有限元模型为利用有限元软件ANSYS，建立FAST反射面支撑结构的整体模型，索网采用LINK10单元模拟，圈梁则采用BEAM44单元。

进一步，所述步骤5）中的限元模型结合简化仿真分析方法和促动器故障模拟方法来进行全过程模拟。 

进一步，所述简化仿真分析方法，具体为：将望远镜跟踪或扫描的连续观测过程简化为一系列离散的抛物面状态,相邻抛物面的中心线夹角为0.25度，以保证对连续观测过程的准确描述。

进一步，所述促动器故障模拟方法，具体为：所述促动器发生故障的响应模式分为三类：小负载随动、大负载随动及无源保位;其中，无源保位故障模式的模拟通过施加位移约束实现；小负载随动和大负载随动通过载荷约束和位移约束的结合实现；并且每发生一次促动器故障，立即更新模型里的促动器故障边界条件，重新触发计算。

一种实施上述方法的望远镜故障预警系统，包括数据接口系统、数据处理系统和力学仿真系统，其中，数据接口系统满足望远镜总控系统的接口协议，实现与望远镜总控系统的数据交互功能；数据处理系统包括数据前处理系统和数据后处理系统，数据前处理系统主要是处理望远镜总控系统的输入数据，形成输入到力学仿真系统中的力学边界条件，数据后处理系统是实现对力学仿真系统的计算结果进行实时处理，得到促动器的行程-时间控制目标曲线及反射面的故障预警信息；力学仿真系统是实现反馈控制和故障预警的仿真计算平台。