望遠(yuǎn)鏡集成建模仿真研究介紹

1、望遠(yuǎn)鏡集成建模仿真研究介紹 研究基礎(chǔ)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析 自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì) 望遠(yuǎn)鏡集成仿真建模的定義基于天文望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)中光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析和自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)三大基本模塊的常用軟件，建立各自相對(duì)獨(dú)立的模型，由計(jì)算機(jī)程序?qū)⑷咧g相互關(guān)系有機(jī)地聯(lián)系起來，并結(jié)合傳感檢測(cè)系統(tǒng)和各種環(huán)境影響因素的計(jì)算機(jī)模型，構(gòu)成一個(gè)集成的整體的望遠(yuǎn)鏡模型，用以對(duì)各模塊之間的相互作用和接口進(jìn)行校驗(yàn)以及工作性能分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。 傳統(tǒng)的望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)方法各相關(guān)領(lǐng)域的負(fù)責(zé)人，負(fù)責(zé)本子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)根據(jù)科學(xué)目標(biāo)提出光學(xué)系統(tǒng)和機(jī)架型式 有關(guān)參數(shù)，往往需要不斷協(xié)調(diào)和更新，提供給控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 三者之間

2、的信息聯(lián)系由嚴(yán)格的誤差分配和技術(shù)要求維系，從而保證望遠(yuǎn)鏡最終設(shè)計(jì)性能 傳統(tǒng)的望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)方法缺陷效率較低 不能及時(shí)溝通各子系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)和信息交流中容易產(chǎn)生訛錯(cuò) 望遠(yuǎn)鏡仿真建模的歷史七十年代提出的虛擬望遠(yuǎn)鏡概念 九十年代中期前后一些天文望遠(yuǎn)鏡和儀器工程開始引入集成化模型仿真技術(shù)，并作為工程實(shí)施前進(jìn)行早期全面模擬仿真的手段來分析評(píng)估性能和造價(jià)。 望遠(yuǎn)鏡仿真建模的歷史英國(guó)等歐洲國(guó)家提出的50米Euro50方案 美國(guó)提出的30米TMT方案 加拿大提出的20米VLOT方案 望遠(yuǎn)鏡仿真建模的歷史集成建模分析，獲得了望遠(yuǎn)鏡在各種環(huán)境因素，諸如熱、風(fēng)、地震等載荷和大氣湍動(dòng)作用下的響應(yīng)和工作性能，為優(yōu)化和平衡各子

3、系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了方便有效的手段。這種集成化模型仿真帶來的大規(guī)模數(shù)值計(jì)算、軟件集成、模型簡(jiǎn)化以及載荷模擬等等問題都得到了解決和正在研究解決之中 我國(guó)望遠(yuǎn)鏡仿真建模的現(xiàn)狀停留在傳統(tǒng)的各子系統(tǒng)分立設(shè)計(jì)、交流協(xié)調(diào)的階段 光學(xué)設(shè)計(jì)、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電控設(shè)計(jì)各部分均有實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和基礎(chǔ)，也擁有和掌握國(guó)際上較為通用的相關(guān)軟件 綜觀現(xiàn)況，國(guó)內(nèi)還沒有開展天文望遠(yuǎn)鏡集成化建模仿真分析的系統(tǒng)工作 我國(guó)開展望遠(yuǎn)鏡仿真建模的意義鑒于集成化建模仿真設(shè)計(jì)方法已成為國(guó)際上天文望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)方法的發(fā)展方向和研究前沿，并結(jié)合我國(guó)在該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀和工作基礎(chǔ)，提出在我國(guó)開展天文望遠(yuǎn)鏡集成化建模仿真設(shè)計(jì)方法的研究申請(qǐng)，研究成果首先可應(yīng)用于我國(guó)天

4、文望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)工作之中，并且，長(zhǎng)遠(yuǎn)地，由于未來極大望遠(yuǎn)鏡造價(jià)巨大，國(guó)際合作為大勢(shì)所趨，該集成化望遠(yuǎn)鏡建模仿真的研究不僅可為我國(guó)提出自己極大望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)進(jìn)行方案探討和性價(jià)評(píng)估，還為我國(guó)可能加入未來極大望遠(yuǎn)鏡建造的國(guó)際合作打下基礎(chǔ)。項(xiàng)目的研究目標(biāo)子系統(tǒng)建模包括光機(jī)電三大基本模塊的計(jì)算機(jī)模型建立，這方面已有工作經(jīng)驗(yàn)和基礎(chǔ)?；诂F(xiàn)用軟件分別建立光學(xué)系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的參數(shù)化計(jì)算機(jī)模型并封裝起來，各模型內(nèi)部具有分析優(yōu)化迭代過程，并根據(jù)整體集成模型的要求設(shè)置各自輸入輸出接口參數(shù) 項(xiàng)目的研究目標(biāo)環(huán)境因素和載荷建模為使集成化模型可接受外界干擾因素和載荷的作用并自動(dòng)進(jìn)行分析，需要建立相應(yīng)的計(jì)算機(jī)模型進(jìn)行模擬

5、。外界干擾因素和載荷主要指熱、視寧度、重力、風(fēng)載及地震作用等，著重考慮重力、熱、風(fēng)載和地震作用的建模。這方面也具有經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)。項(xiàng)目的研究目標(biāo)模型集成這是工作核心。需要確定子系統(tǒng)之間的相互作用和反饋關(guān)系；定義各子系統(tǒng)模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及它們之間的輸入輸出接口；選擇合適的計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)和編程軟件平臺(tái)，以及最終編程實(shí)現(xiàn)各子模型的軟件集成，用以進(jìn)行望遠(yuǎn)鏡在各種工況或干擾下的定量性能分析和優(yōu)化改進(jìn)。項(xiàng)目的研究目標(biāo)模型簡(jiǎn)化各子系統(tǒng)計(jì)算機(jī)模型首先需要表征本子系統(tǒng)本身的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)等特征，直接的，各子系統(tǒng)模型越細(xì)致具體越好，但由于望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的復(fù)雜性，首先未知因素必須加以簡(jiǎn)化或作為不確定性分析的內(nèi)容。同時(shí)，由于各子模

6、型集成為整體模型后，計(jì)算規(guī)模急劇增大，從實(shí)用性角度考慮，計(jì)算機(jī)能力和計(jì)算時(shí)間也要求進(jìn)行模型簡(jiǎn)化。因此在精度滿足要求的前提下，應(yīng)用簡(jiǎn)單化的模型。項(xiàng)目的研究目標(biāo)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存和顯示數(shù)據(jù)是仿真的基礎(chǔ)，仿真的結(jié)果也是數(shù)據(jù)，比如時(shí)程迭代分析計(jì)算將產(chǎn)生大量中間結(jié)果和最終數(shù)據(jù)。為便于記錄和讀出以及索引和查找，大規(guī)模數(shù)據(jù)的存檔需要足夠重視，必須考慮規(guī)定歸檔要求和格式。為直觀表達(dá)仿真過程和仿真結(jié)果，圖形/圖像顯示是必不可少的，需要考慮實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示和對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行事后顯示問題。 擬采取的研究方案 針對(duì)于一個(gè)傳統(tǒng)單口徑的望遠(yuǎn)鏡的集成化建模的研究目的，擬采取實(shí)現(xiàn)方案為：在MS Windows環(huán)境下采用MATLAB/SIMU

7、LINK軟件進(jìn)行各子模型集成和仿真運(yùn)行。光學(xué)設(shè)計(jì)軟件擬采用ZEMAX或自己編制的程序，可采用Windows Dynamic Data Exchange (DDE)技術(shù)設(shè)計(jì)ZEMAX和MATLAB之間的接口，主要數(shù)據(jù)相互交換為光學(xué)系統(tǒng)定義、光線追跡結(jié)果以及外界因素對(duì)鏡面干擾的結(jié)果。 擬采取的研究方案 采用有限元分析軟件ANSYS建立望遠(yuǎn)鏡整體結(jié)構(gòu)有限元模型，用來分析外界因素如熱、風(fēng)載、重力和地震等對(duì)望遠(yuǎn)鏡的干擾作用，結(jié)果可由MATLAB代碼讀入集成化模型。ANSYS還用來提取望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的固有頻率和振型，并考慮采用模態(tài)截取法進(jìn)行模型的簡(jiǎn)化，然后采用MATLAB代碼讀出并轉(zhuǎn)換和建立為狀態(tài)空間導(dǎo)入SIMULINK進(jìn)行控制系統(tǒng)仿真 擬采取的研究方案 擬建成的集成化模型具有完整性和參數(shù)化設(shè)置功能；MATLAB或相關(guān)代碼具有封裝性，