автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.05, диссертация на тему:Методы и средства повышения эффективности поляриметрических наблюдений на мехатронном комплексе 1-метрового телескопа САО РАН

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СПЕЦИАЛЬНАЯ АСТРОФИЗИЧЕСКАЯ ОБСЕРВАТОРИЯ

На правах рукописи

Романенко Владимир Петрович

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПОЛЯРИМЕТРИЧЕСКИХ НАБЛЮДЕНИЙ НА МЕХАТРОННОМ КОМПЛЕКСЕ 1-МЕТРОВОГО ТЕЛЕСКОПА CAO РАН

Специальность 05.02.05-«Роботы, мехатроника и робототехнические системы».

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Нижний Архыз — 2006

Работа выполнена в Специальной астрофизической обсерватории Российской академии наук (пос. Нижний Архыз).

Научный руководитель: член-корреспондент РАН Балега Юрий Юрьевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Гайдук Анатолий Романович

Ведущая организация: Южно-Российский государственный технический университет, г. Новочеркасск.

Защита состоится «8» сентября 2006 г. в 14 20 На заседании диссертационного совета Д 212.259.05 в Таганрогском государственном радиотехническом университете По адресу: 347928, г. Таганрог, ул. Чехова, 2, корп. «И», комн.347

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Таганрогского радиотехнического университета

Просим Вас присылать отзыв, заверенный печатью учреждения по адресу: 347928, г. Таганрог, Ростовская область, ГСП-17 А, пер. Некрасовский, 44, Таганрогский государственный радиотехнический университет, Ученому секретарю диссертационного совета Д 212. 259. 05. Кухаренко Анатолию Павловичу.

кандидат технических наук, доцент Паршин Дмитрий Яковлевич

Автореферат разослан

Ученый секретар диссертационног кандидат технич

Кухаренко А.П.

Общая характеристика работы

Актуальность. Вторая половина XX столетия стала эрой строительства весьма крупных астрономических телескопов, таких, например, как телескопы бинокулярный телескоп КЕК с зеркалами 10 - метрового диаметра, многозеркальный телескоп ММТ, комплекс из 4-х 8 - метровых телескопов Южно-Европейской обсерватории и ряд других вполне успешных проектов, среди которых и 6-метровый телескоп Специальной астрофизической обсерватории РАН. Однако, при этом интерес к телескопы малых и умеренных размеров не потеряли своё значение, поскольку решение многих научных задач с применением этих инструментов оказалось намного более эффективным и выгодным.

Именно поэтому в дополнение к 6- метровому телескопу БТА в CAO РАН был установлен 1- метровый зеркальный телескоп. Основной задачей, которая ставилась при установке этого инструмента, было проведение различных программ по поляриметрии, спектроскопии высокого разрешения и фотометрии относительно ярких астрономических объектов, исследование которых с точки зрения астрофизики представляет не меньший интерес, чем исследование объектов слабых и удаленных. Для реализации таких программ телескопы умеренных размеров (с диаметром входного зрачка от 1 до 2 метров), как правило, оказываются более эффективными, чем крупные инструменты, как по производительности, так и по ряду технико-экономических показателей. Относительно низкая стоимость и существенно более дешевая их эксплуатация позволяют использовать эти инструменты для мониторинговых программ и получения "длинных" рядов наблюдений, что совершенно неприемлемо при использовании больших (тем более, космических) телескопов. Телескопы умеренного размера, как правило, отличаются достаточно совершенной механикой и высококлассной оптикой. Но основная проблема их использования состоит в том, что большинство этих инструментов было создано в 60-х / 70-х годах прошлого века и по уровню автоматизации, использования современных средств управления и наблюдательных приборов они изначально не соответствовали современному уровню. Тем более, телескопы этого типа не могли использоваться для современных астрофизических наблюдений. Имевшееся в его составе стандартное оборудование не обеспечивало достаточный уровень эффективности исследований небесных объектов. Причина этого состоит в том, что астрофизический телескоп — это сложный мехатронный ком-

опеке, состоящий из нескольких систем - оптической, электромеханической (приводы позиционирования), астрофизических приборов, а также систем управления, использующих компьютерные средства и программно — алгоритмическое обеспечение. Кроме того, в него входит защитный купол телескопа и его устройство синхронизации с положением телескопа.

1 -метровый телескоп Ричи-Кретьена был смонтирован в CAO РАН в 1989 г. На сегодняшний день он является третьим по размеру российским телескопом. На момент поставки телескоп имел устаревшее электронное и светоприемное оборудование, т.к. был рассчитан на применение фотографических методов наблюдений, традиционных в "докомпьютерную " эпоху. Наблюдения на нем отличались большой трудоемкостью. Учитывая ночной режим работы наблюдателей, значительное число однообразных, часто повторяемых операций управления приводило к ошибкам операторов и отрицательно сказывалось на безопасности работы. Постановка на 1-метровом телескопе современных поляриметрических наблюдательных программ была вообще невозможна, и он нуждался не просто в модернизации, а в создании совершенно нового оборудования для управления и контроля, а также современной светоприем-ной аппаратуры. В сущности, речь шла о разработке нового комплекса средств, который объединял бы в единой системе электромеханические, электронные, поляриметрические, а также компьютерные устройства и алгоритмы управления с целью полной автоматизации процесса астрофизических наблюдений.

Таким образом, актуальность решаемой проблемы заключается в необходимости автоматизации всего процесса астрофизических наблюдений на базе современных методов и средств управления с целью существенного повышения эффективности поляриметрических наблюдений на 1-метровом телескопе.

Кроме того, актуальность работы по автоматизации наблюдений на данном телескопе и ее особенная важность заключается в том, что на территории СНГ находятся четыре телескопа этого типа, которые по-прежнему остаются на техническом уровне 70-х годов XX в. Распространение опыта автоматизации 1-метрового телескопа CAO РАН, применение апробированных в на нем технических решений и алгоритмов может повысить эффективность имеющихся однотипных инструментов. До настоящего времени этот опыт является уникальным.

Объект исследований. Объектом исследования являются собственно 1 -метровый телескоп и сферический купол с соответствующими электромеханическими приводами, а также процесс поляриметрии с применением электрической модуляции кристалла днгидрофосфата калия (DKDP).

Целью работы. Целью диссертационной работы является разработка методов и средств повышения эффективности поляриметрических наблюдений на мехатронном комплексе 1-метрового телескопа CAO РАН.

Задачи диссертационной работы:

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

1) Провести экспериментальные исследования характеристик приводов телескопа и на их основании построить математическую модель телескопа и его электроприводов, как объекта управления;

2) Исследовать влияние упругих деформаций трубы телескопа на точность наведения;

3) Разработать метод и алгоритмы одновременного измерения 4-х параметров Стокса и на их основе создать автоматический электрополяриметр 1-метровго телескопа.

4) Разработать алгоритмы и способы построения интегрированной системы автоматизированного управления 1-метровым телескопом и поляриметрическими приборами, которая позволит проводить поляриметрические наблюдения в автоматическом режиме.

5) Построить математическую модель купола телескопа и разработать систему синхронизации движений телескопа и купола.

6) Провести исследования качества работы интегрированной системы управления телескопом и поляриметрическими приборами.

Методы исследований. При проведении исследований применялись методы теоретической механики, электротехники и электроники, теории управления, а также экспериментальные исследования на стендах и на действующих установках.

Научная новизна работы определяется следующими новыми научными результатами:

1 ) Впервые исследованы динамические характеристики мехатронного комплекса метрового телескопа и построена его математическая модель.

Разработан и внедрен новый алгоритм оптимального по быстродействию управления, что сократило общее время наведения телескопа в заданную точку небесной полусферы;

2) Разработана и внедрена система синхронизации купола и телескопа, которая без применения компьютерных средств обеспечивает уменьшение ошибки синхронизации в три раза по сравнению с допустимой величиной;

3) Разработана и внедрена новая мехатронная система для измерения параметров Стокса, сочетающая электромеханический разворот входного поляроида и модуляцию кристалла DKDP напряжением уменьшенной амплитуды. Это позволило исключить недопустимый перегрев DKDP и повысит точность наблюдений до 0,01%. Достоверность научных исследований, подтверждается результатами испытаний СУ мехатронного комплекса и полным соответствием этих результатов законам теории управления. Испытания автоматического поляриметра проводились по астрономическим объектам стандартной поляризации, которые изучались в разных странах и на различной аппаратуре. Они дали на автоматическом поляриметре 1-метрового телескопа близкие или одинаковые результаты.

Практическая значимость. Практическая реализация полученных теоретических результатов дала возможность повысить эффективность поляриметрических наблюдений в 10 раз, объединить в общем алгоритме как управление самим телескопом, так и управление наблюдениями. Гибкость системы управления позволяет вводить в мехатронный комплекс новые устройства для проведения астрофизических наблюдений. Результаты автоматизации 1-метрового телескопа CAO РАН могут применяться на аналогичных телескопах, находящихся в странах СНГ.

Использование результатов работы. Все теоретические и практические результаты работы использованы при создании систем управления мехатронного комплекса 1 -метрового телескопа, который полностью введен в эксплуатацию и успешно работает в CAO РАН. Апробация работы. Результаты работы докладывались и получили одобрение на следующих научных семинарах и конференциях: общем научном семинаре CAO РАН , Н.Архыз, 2000 г.; семинаре отдела информатики CAO РАН, Н.Архыз, 2005 г.; технического совета CAO РАН, Н.Архыз, 2002 г.; Международной научной конференции "Новые технологии в управлении", г.Невинномысск, 2000г.; научной конференции «15 лет наблюдений на 1-м телескопе» Н.Архыз, 2004 г.; Международной конференции «Интеллектуальные многопроцессорные системы», пос. Дивноморское, 2005 г.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 8 работ

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, списка цитируемой литературы из 56 наименований, содержит 129 страниц основного текста, в том числе 36 рисунков и 9 таблиц.

Содержание работы

Во введении дается обоснование необходимости применения автоматизированных телескопов умеренного размера, приведен принцип оценки эффективности работы астрономических инструментов, обоснована актуальность разработки автоматизированной системы мехатронного комплекса 1-метрового телескопа CAO РАН для поляриметрических исследований. Определены задачи данной работы, которые выполняются с целью повышения эффективности поляриметрических наблюдений на мехатронном комплексе. Оценены новизна и практическая значимость полученных результатов. Сформулированы положения выносимые на защиту. Кратко изложено содержание работы.

В первой главе дается общее описание и состояние построенных к настоящему времени инструментов данного типа и их состояние в настоящее время. Показана целесообразность автоматизации этих инструментов для эффективной работы в современных условиях. Эффективность работы мехатронного комплекса характеризуется отношением Кэт = txp /(texp + tnoflr.) , где texp - время полезной экспозиции (накопления света) , tnoflr - время подготовки. Автором сделан общий анализ схемы телескопа, а также приведены основные особенности конструкции экваториальных телескопов на английской монтировке. Перечислены некоторые особенности поляриметрических наблюдений, которые вносят дополнительные требования к управлению телескопа. Отмечено, что главная из них - необходимость многократных перенаведений «объект-стандарт-фон-объект», что влечет за собой необходимость быстрого и точного позиционирования инструмента во время наблюдений. Автором рассмотрена структура мехатронного комплекса 1-метрового телескопа, его состав, взаимодействие составляющих его систем. Комплекс включает в себя 1-метровый телескоп, автоматический поляриметр, купол с автоматизированным

приводом и вычислительный блок, управляющий мсхатронным комплексом.

Рис.1: Структура мехатронного комплекса 1-метрового телескопа

Здесь же синтезирована структура автоматизированной системы управления, в которую входят: система управления телескопа, выполняющая алгоритм наведения и контроля и алгоритм фокусировки, а также система управления поляриметра, реализующая алгоритм управления электрооптическим модулятором на основе применения кристалла дигидрофосфата калия (БК1>Р), алгоритм сбора данных и алгоритм управления оптическими элементами. В связи с тем, что 1-метровый телескоп создавался как многопрограммный инструмент, в разделе рассматривается возможность применения в составе комплекса и других, различных по назначению астрофизических приборов. Разработка алгоритмов и соответствующих им составных частей системы управления рассматривается в последующих главах. Исходя из задач астрофизических, в том числе и поляриметрических наблюдений, сформулированы основные требования к системе управления телескопа. Обоснована необходимая величина точности наведения телескопа - ± 35" дуги. Точность ведения телескопа в меридиане ± 1" за 10 мин оценена как минимально необходимая. Кроме того, заданы некоторые сервисные функции управления, необходимые для эффективной работы телескопа.

Вторая глава посвящена разработке системы управления 1-метрового телескопа, в ней 1-метровый телескоп рассматривается как объект управления. Для решения задачи автоматизации наведения и контроля

положения осей телескопа автором было проведено исследование динамических характеристик 1-метрового телескопа, рассмотрены конструктивные особенности его монтировки и приводов. На основании анализа схемы редукторов, применяемых в приводах телескопа, выполнены расчеты и измерения наиболее важных параметров для автоматизации наведения - времени разгона и выбега при и торможении для скорости в = (120°/мин). Исходя из результатов этой работы, построена математическая модель движений телескопа. Приводятся формулы усредненных функций, которые приняты для программного расчета времени разгона и остановки приводов: по оси т:

при разгоне юг = 1,2 г-0,09 ^-0,03,

при торможении сох = 2,3 - 0,091 - 0,0812;

по оси 5

при разгоне ю8 = 2,81 - 0,5 12 - 0,04,,

при торможении со« = 23 - 0,61 - 0,0212 .

Рис.2: Структурная схема системы автоматического наведения 1-метрового телескопа. ПРУ - местные пульты ручного управления; БИРС - блок индикации релейных сигналов.

Рис.3: Алгоритм работы системы автоматического наведения 1-метрового телескопа

Функции движения телескопа рассматриваются и как управления на фазовой плоскости. Выделена часть управления, которая показывает возможность наведения на максимальной скорости с предвычислением времени работы и остановки привода.

Один из важных результатов исследования 1-метрового телескопа - определение влияния упругих деформаций трубы телескопа на точность наведения. В связи с тем, что прямые измерения этих величин крайне проблематичны, автором предложен метод дифференциальных измерений с помощью вспомогательного телескопа (гида), закрепленного параллельно трубе телескопа. Измерения на основе наблюдений звезд показали, что это влияние незначительно и не может оказать существенного воздействия на точность наведения при зенитных расстояниях Z<50°. На основе исследований результатов, приведенных во 2-й главе, были разработаны система управления 1-метрового телескопа и соответствующий алгоритм управления. Система управления включает в себя приводы телескопа, цифровые датчики ОС (ДОС), компьютерный блок (КБ) а также блоки передачи и индикации управляющих релейных сигналов (БИРС и БПРС). Привязка системы управления к сети INTERNET позволяет в перспективе решать задачи дистанционного управления. Алгоритм управления реализует точное наведение телескопа в релейном режиме,

который в соответствии с теорией оптимального управления обеспечивает максимальное быстродействие. Точное позиционирование телескопа производится путем ступенчатого уменьшения скорости наведения пропорционально ошибке наведения. Такой метод позволяет в полной мере использовать и конструктивные возможности дифференциальных редукторов телескопа. В отдельном параграфе рассматривается возможность организации автофокусировки изображения с помощью телевизионной системы подсмотра. Здесь же приводится оригинальный алгоритм этой операции. В последнем параграфе главы дана оценка быстродейсвия СУ телескопа, которое составляет величину не более 3 мин. в любую точку небесной полусферы.

Третья глава посвящена разработке автоматической системы синхронизации телескопа. Учитывая тот факт, что движение телескопа в автоматическом режиме должно быть синхронизовано с движением купола, именно в этой главе рассматривается система синхронизации купола 1-метрового телескопа. Сформулированы требования к синхронизированному приводу купола , обоснована необходимость создания системы, работающей автономно от компьютерного блока системы управления. Исходя из этих требований, рассмотрены варианты решения задачи и предложен радиофизический (дфференциально - частотный) метод синхронизации купола и телескопа, на основе сравнения фаз двух ортогональных электромагнитных излучений низкой частоты, как наиболее удобный для двух различных систем координат, в которых происходят движения телескопа и купола. Далее, приводится структурная схема системы синхронизации купола и расчет ожидаемой точности синхронизации, которая должна быть не хуже ± 0,33 м по диаметру купола (±3°). Кроме того, здесь же выполнен расчет динамических характеристик купола и приведена схема размещения аппаратуры его управления. Перечислены основные результаты автоматизации купола телескопа. Выполненные автором исследования системы синхронизации телескопа и купола показали, что точность синхронизации оказалась существенно выше допустимой - ± 0,1м (±1,1°).

Четвертая глава посвящена разработке системы управления автоматического поляриметра для 1-метрового телескопа. Прежде всего, дается обоснование варианта построения автоматического поляриметра как двухканальной системы модуляционного типа, предназначенной для одновременного измерения параметров Стокса как линейной, так

и циркулярной поляризации. Приводится математическая модель для измерения поляризации с помощью электрооптического модулятора на основе анализа матриц Мюллера. Определение параметров Стокса I, О, и, V производится впервые в соответствии с формулами, полученными на основе этого анализа по интенсивностям светового потока, измеренных при различных фазах модуляции кристалла ОКБР. Показано, что интенсивности светового пучка II, Ь, I з, проходящего через модулятор при сдвиге фаз вектора электромагнитных колебаний на -Х/4, 0, и +ХУ4, связаны с параметрами Стокса соотношениями:

1-й '1 + 0' 'I + и

/х = 0,5 1-Я 0 0 /2 = 0,5 1 + Я 0 0 /3 = 0,5 1 + и 0 0

Отсюда вытекают расчетные формулы для определения параметров ,и, V а также суммарной поляризации Р:

и 00= (213- 1,-Ь)/ (11+Ь);

Р = л1и2+У2

Параметр V определяется так же как и, но при удалении из светового пучка поляроида ЯУ4. Автором предлагаются принцип работы автоматического поляриметра, основанный на новом методе управления модулятором -пониженным напряжением и с применение поворота входного поляроида на 90°, что снимает проблему нагрева кристалла модулятора и утраты его свойств. Показана структура алгоритма управления прибором, разработанная автором на основе этого принципа. Отдельным параграфом выделены описание способа и алгоритма управления оптическими элементами, а также расчеты, подтверждающие применимость такого подхода к решению задачи.

Ночоло ноблю^енио

Рис.4: Алгоритм работы автоматического поляриметра

В пятой главе приведены результаты исследований качества автоматизированного мехатронного комплекса 1-метрового телескопа. Приводятся результаты исследования ошибок наведения, которые показывают, что телескоп наводится на астрономические объекты с точностью, лучшей заданной, т.е. лучше ± 30" (Рис.5). Показано также, что в отличие от состояния мехатронного комплекса до автоматизации (Кэт = 0,3), после автоматизации Кэт= 3, т.е. реальная эффективность мехатронного комплекса выросла не менее, чем в 10 раз.

Приводятся также результаты выполненных автором испытаний автоматического поляриметра при наблюдениях звезд-стандартов поляризации и звезд ближайшей окрестности Солнца. Испытания показали, что применяемые алгоритмы и методы управления БКСР и сбора данных обеспечивают точность измерений порядка сотых процента, что соответствуют мировой практике исследований.

-2 0 2 4

Ошибка неведения Ах

сек.Ы

а)

угл.сек.(") б)

Рис.5 Гистограммы ошибок наведения телескопа по часовому углу (а) и по склонению (б)

Табл.1: Результаты испытаний и наблюдений, звезд- стандартов поляризации проведенных на автоматическом поляриметре.

Объект Зв.велич. Р ср.(%) Д Р% 0 (град)

55 Суд 4,9 2,75(2,8) 0.020 3,69 (3.00)

НР 154445 5,7 3,74(3,8) 0,033 87.40 (91)

Н 0 7927 5.0 3,39 (3,41) 0.021 89.40 (91)

184085 6,01 6,05 (6,1) 0.035 0,52 (0,5)

Н0204827 7, 93 5,18(5,21) 0, 057 57,41(58,6)

Н023512 8,1 2,23 (2,3) 0,071 29,23 (30)

В последнем разделе главы представлены некоторые результаты наблюдений кометы Хейла-Боппа, дающие новую научную информацию о природе этого объекта и его структуре.

Р% 12 _

Р%

0° - 120

10 -

"100

8 -

- 80

6 -

- 60

4--

- 40

2 -

-20

19 Ь 50 ш 51т 52т 53т 54т 55т 56т

Рис.6. Быстрая переменность поляризации хвоста кометы Хейла-Боппа Р(%), обнаруженная при наблюдениях на мехатронном комплексе 1-метрового телескопа.

В частности, была обнаружена аномально высокая поляризация света, отраженного частицами, составляющими хвост кометы Хейла-Боппа и быстрая (на временах до 1 мин) переменность поляризации (Рис.6) Эти результаты получены благодаря высокой точности работы и надежности систем управления мехатроннош комплекса 1-метрового телескопа.

Основные результаты диссертации

В Заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.

В результате проведенных исследований решена актуальная научная задача по разработке методов и средств повышения эффективности поляриметрических наблюдений на мехатронном комплексе 1 -метрового

телескопа CAO РАН. При этом были получены следующие научные и практические результаты:

1 ) проведены экспериментальные исследования приводов и построена математическая модель движения телескопа в экваториальной системе координат. На основе проведенных исследований и математической модели разработан алгоритм управления телескопа, оптимальный по быстродействию и создана система управления телескопа;

2) исследованы упругие деформации трубы телескопа, результаты исследований показали, что эти деформации не оказывают существенного влияния на точность наведения;

3) разработан метод управления электрооптическим модулятором поляриметра с предварительным разворотом входного поляроида, который позволил вдвое понизить величину управляющего напряжения, что позволило снять проблему перегрева кристалла DKDP;

4) разработаны алгоритмы управления и сбора наблюдательных данных, которые позволили полностью автоматизировать электрополяриметр. В результате был создан прибор для исследования звезд до 11-12 зв. величины, работающий в общем алгоритме управления комплекса, точность измерения линейной и циркулярной поляризации составляет сотые доли процента, что соответствует мировой практике поляриметр ии;

5) разработан метод синхронизации купола и телескопа на основе сравнения фаз управляющих сигналов, позволяющий синхронизировать работу устройств, движущихся в различных системах координат при точности втрое превышающей предельно допустимую (± О, 1 м по диаметру купола);

6) проведен ряд астрофизических наблюдений, которые подтвердили высокую эффективность мехатронного комплекса 1-метрового телескопа и дали новую научную информацию;

7) в результате выполненной работы общая эффективность поляриметрических наблюдений на мехатронном комплексе 1-метрового телескопа повысилась в 10 раз.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1 ) Романенко В.П.. Автоматизация 1 -метрового телескопа CAO РАН. «Мехатроника, автоматика, управление». Часть 1 - № 4, стр.51-55; часть 2 -№5, стр. 42-46,2006 г.

2) Романенко В.П., Бондарь С.Ф. Автоматизированный привод купола 1-метрового телескопа. Известия ТРТУ, Тематический выпуск ИМС, №10,2005 г, с.161-166.

3) Гнедин Ю.Н.,. Нацвлишвили Т.М, Бычков В.Д., Романенко В.П. Поляриметрические наблюдения кометы Хейла-Боппа. Письма в Астрономический журнал,1999,т 25, с. 233-239.

4) Romanenko V.P., Naidenov I.D., Moiseev S.V., Bychkov V.D. A test speciment of a two- channel Polarimeter. Bull. Spec.Astrophis.Obs., 2001,51,115-121.

5) Романенко В.П. Управление астрономическими инструментами-эволюция технологий. Тезисы докладов и сообщений международной конференции "Новые технологии в управлении", г. Невинномысск, 2000г.

6) Романенко В.П. Модернизация 2-канального поляриметра 1-метрового телескопа CAO РАН. . Сборник докладов международного совещания "Magnetic fields of Cemically Peculiar and Related Stars", Yu.V. Glagolevsky and I.I.Romanyuk (eds), Moscow, 2000.

7) Панчук В.E., Клочкова В.Г., Романенко В.П., Емельянов Э.В., Аппаратура телескопов малых и умеренных размеров. Препринт CAO РАН №195,2004 г.

8) Романенко В.П. Система управления I-метрового телескопа CAO РАН - результаты модернизации и опыт эксплуатации. Препринт CAO РАН №.136Т, 1999 г.

Личный вклад автора в статьях, написанных в соавторстве.

[2] - структура устройства, анализ точности работы и исследование динамических характеристик.

[3] - характеристика поляриметрического оборудования, наладка систем управления поляриметра и телескопа, участие в получении наблюдательных данных;

[4] - структура системы управления поляриметром, алгоритмы управления и измерений, метод измерения поляризации;

[7] - обзор поляриметрического оборудования телескопов умеренного размера и двухканальных систем;

I Введение.

Глава 1. Мехатронный комплекс 1-метрового телескопа.

1.1 . Обзор существующих систем управления 1-метровых телескопов.

1.2. Структура мехатронного комплекса 1-метрового телескопа.

1.3. Задачи астрономических наблюдений на 1-метровом телескопе и требования к системе автоматизированного управления мехатронным комплексом ф 1-метрового телескопа.

1.3.1. Точность наведения телескопа.

1.3.2. Точность ведения объекта.

1.3.3. Сервисные функции системы управления.

1.4. Структура автоматизированной системы управления мехатронным комплексом 1-метрового телескпа.

1.5. Результаты и выводы по главе 1.

Глава 2. Разработка системы управления движениями телескопа.

2.1. Описание 1-метрового телескопа.

2.2. Измерение характеристик приводов и телескопа.40.

2.3. Исследование деформаций трубы телескопа.

2.4. Математическая модель движений телескопа. ф 2.5. Структура и алгоритм автоматизированной системы управления движениями телескопа.

2.6. Подсистема фокусировки телескопа.

2.7. Исследование быстродействия автоматизированной системы управления телескопом.

2.8. Результаты и выводы по главе 2.

Глава 3. Разработка автоматической системы синхронизации движений купола.

• и телескопа

3.1. Описание системы перемещений купола 1-метрового телескопа.

3.2. Разработка структуры системы для синхронизации движений купола и телескопа.

3.3. Исследование автоматической системы синхронизации. ф 3.4. Результаты и выводы по главе 3.

Глава 4. Разработка автоматического поляриметра для 1-метрового 1 телескопа

4.1. Алгоритм проведения поляриметрических наблюдений на 1-метровом телескопе.

4.2. Математическая модель процесса измерения поляризации света звезд.

4.3. Разработка структуры автоматического поляриметра.

4.4. Разработка электронных элементов двух канального поляриметра.

4.5.Разработка системы управления оптическими элементами поляриметра.

1 1 4.6. Результаты и выводы по главе 4.

Глава 5. Исследование качества автоматизированного мехатронного комплекса

1-метрового телескопа.

5.1. Исследование ошибок наведения телескопа. k 5.2. Оценка эффективности поляриметрических наблюдений звезд.ПО

5.3. Поляриметрические наблюдения кометы Хейла-Боппа с применением поляриметра MINTPOL.

5.4. Результаты и выводы по главе 5.

Актуальность темы. Вторая половина XX столетия стала эрой строительства весьма крупных астрономических телескопов, таких, например, как телескопы КЕК. с 10- метровым зеркалом [49], многозеркальный телескоп ММТ [6], связка из 2-х 8 - метровых телескопов ES А, ряд других вполне успешных проектов, среди которых и 6-метровый телескоп Специальной астрофизической обсерватории РАН [27]. Однако при этом интерес к телескопам малых и умеренных размеров не уменьшился, поскольку решение многих научных задач с применением этих инструментов оказалось существенно более эффективным и выгодным [32].

Именно поэтому в дополнение к 6- метровому телескопу БТА в САО РАН (п.Нижний Архыз) был установлен 1- метровый зеркальный телескоп. Основной задачей, которая ставилась при установке этого инструмента, было проведение различных программ по поляриметрии и фотометрии астрономических объектов средней и большой яркости, исследование которых с точки зрения астрофизики представляет не меньший интерес, чем исследование объектов слабых и удаленных. Для реализации таких программ телескопы умеренных размеров (с диаметром входного зрачка от 1 до 2 метров), как правило, оказываются более эффективными, чем крупные инструменты, как по производительности, так и по ряду технико-эконмических показателей. Относительно низкая стоимость и существенно более дешевая их эксплуатация позволяют использовать эти инструменты для мониторинговых программ и получения "длинных" рядов наблюдений, что совершенно неприемлемо при использовании больших (тем более, космических) телескопов. Основная проблема использования телескопов умеренных размеров состоит в том, что большинство этих инструментов были созданы в 60-х/70-х годах прошлого века и по уровню автоматизации, использования современных средств управления и наблюдательных приборов изначально не соответствуют современному уровню. При этом они отличаются достаточно совершенной механикой, высококлассной оптикой, и успешное создание на базе этих телескопов полностью автоматизированных комплексов может позволить эффективно использовать их и с современными наблюдательными средствами в течение еще очень длительного времени.

1-метровый телескоп Ричи-Кретьена был смонтирован в С АО РАН в 1989 г. В настоящее время он является третьим по размеру российским телескопом. На момент поставки телескоп имел устаревшее электронное и све-топриемное оборудование, т.к. был рассчитан на применение фотографических методов наблюдений, традиционных в "докомпьютерную " эпоху. Поэтому постановка на нем современных поляриметрических наблюдательных программ была невозможна, и он нуждался в создании новой современной светоприемной аппаратуры. В сущности, речь шла о создании на базе 1-метрового телескопа современного мехатронного комплекса, который объединял бы в единой системе механические, электронные, оптические, компьютерные устройства управления и сбора наблюдательных данных с целью автоматизации всего процесса астрофизических наблюдений.

Таким образом, актуальность темы диссертационной работы заключается в необходимости автоматизации всего процесса астрофизических наблюдений на базе современных методов и средств управления с целью существенного повышения эффективности поляриметрических наблюдений на 1 -метровом телескопе. Актуальность диссертационной работы обусловлена и тем, что на территории СНГ находится четыре телескопа аналогичного типа, которые так же остро нуждаются в автоматизации процессов наблюдений. Применение разработанных методов существенно повысит эффективность имеющихся однотипных инструментов [32]. 1-метровый телескоп, сферический купол, оборудованные электромеханическими приводами, а также поляриметр с соответствующими электронными элементами систем управления (СУ) с точки зрения современной теории управления представляет собой мехатронный комплекс. Фактически он состоит из ряда подсистем автоматического управления, синер-гетически взаимодействующих между собой в процессе проведения поляриметрических наблюдений. В настоящее время наиболее эффективными и технологичными являются СУ на основе цифровых средств - ЭЦВМ, которые позволяют естественно интегрировать различные взаимодействующие подсистемы в единую систему.

Объект исследований. Объектом исследования является мехатронный комплекс собственно 1-метрового телескопа и сферического купола с соответствующими электромеханическими приводами, а также процесс поляриметрии с применением электрической модуляции кристалла дигидрофосфата калия (DKDP).

Целью диссертационной работы является разработка методов и средств повышения эффективности поляриметрических наблюдений на мехатронном комплексе 1-метрового телескопа С АО РАН.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

1) Провести экспериментальные исследования характеристик приводов телескопа и на их основании построить математическую модель телескопа и его электроприводов, как объекта управления;

2) Исследовать влияние упругих деформаций трубы телескопа на точность наведения;

3) Разработать метод и алгоритмы одновременного измерения 4-х параметров Стокса и на их основе создать автоматический электрополяриметр 1-метровго телескопа.

4) Разработать алгоритмы и способы построения интегрированной системы автоматизированного управления 1-метровым телескопом и поляриметрическими приборами, которая позволит проводить поляриметрические наблюдения в автоматическом режиме.

5) Построить математическую модель купола телескопа и разработать систему синхронизации движений телескопа и купола.

6) Провести исследования качества работы интегрированной системы управления телескопом и поляриметрическими приборами.

Положения, выносимые на защиту:

1) методика исследования динамики мехатронного комплекса 1-метрового телескопа и его математическая модель как объекта управления;

2) оптимальная по быстродействию система управления движениями телескопа, обеспечивающая наведение на астрономические объекты с точностью ±15 угловых секунд при быстродействии не хуже 3 мин. времени;

2) радиофизический метод измерения положения купола относительно трубы телескопа, позволяющий обеспечить автоматическую синхронизацию движений купола и телескопа с ошибкой не более 0, 1 м;

3) алгоритм и программы автоматизированного управления системами мехатронного комплекса, обеспечивающие точность наведения не хуже ± 15 угловых секунд и повышение эффективности поляриметрических наблюдений в 10 раз;

4) новый способ поляриметрических измерений с разворотом поляроида, позволяющий снизить в два раза максимальное напряжение электрооптического модулятора с сохранением точности измерений.

Научная новизна работы определяется следующими новыми научными результатами:

1) Впервые исследованы динамические характеристики мехатронного комплекса метрового телескопа и построена его математическая модель. Разработан и внедрен новый алгоритм оптимального по быстродействию управления телескопом, что сократило общее время наведения в заданную точку небесной полусферы;

2) Разработана и внедрена система синхронизации купола и телескопа, которая обеспечивает уменьшение ошибки синхронизации в три раза по сравнению с допустимой величиной;

3) Разработан и внедрен новый автоматический электрополяриметр, позволяющий измерять параметры Стокса, сочетающий электромеханический разворот входного поляроида и модуляцию кристалла DKDP напряжением уменьшенной амплитуды. Это позволило исключить недопустимый перегрев DKDP и повысит точность наблюдений до 0,01 %.

Достоверность научных исследований подтверждается результатами испытаний мехатронного комплекса. Поляриметрические наблюдения астрономических объектов, которые изучались в разных странах, на различной аппаратуре, дали на автоматическом поляриметре мехатронного комплекса 1-метрового телескопа близкие или одинаковые результаты.

Практическая и теоретическая значимость. Практическая реализация полученных теоретических результатов дала возможность объединить в общем алгоритме как управление самим телескопом, так и управление наблюдениями. Гибкость системы управления позволяет вводить в мехатронный комплекс новые устройства для проведения астрофизических наблюдений. Кроме того, применение результатов диссертации возможно на каждом из 4-х однотипных телескопов, находящихся в странах СНГ, также нуждающихся в автоматизации.

Апробация работы: Результаты работы докладывались и получили одобрение на следующих научных семинарах и конференциях: общем научном семинаре САО РАН, Н.Архыз, 2000 г.; семинаре отдела информатики САО РАН, Н.Архыз, 2005 г.; технического совета САО РАН, Н.Архыз, 2002 г.; Международной научной конференции "Новые технологии в управлении", г.Невинномысск, 2000г.; научной конференции «15 лет наблюдений на 1-м телескопе» Н.Архыз, 2004 г.; Международной конференции «Интеллектуальные многопроцессорные системы», пос. Дивноморское, 2005 г.

Использование результатов работы. Все теоретические и практические результаты работы использованы при создании автоматизированной системы управления мехатронного комплекса 1-метрового телескопа, который полностью введен в эксплуатацию и успешно работает в САО РАН, пос.Нижний Ар-хыз. Акты внедрения приведены в приложении.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, библиографического списка и приложений.

Заключение

В результате проведенных исследований решена актуальная научная задача по разработке методов и средств повышения эффективности поляриметрических наблюдений на мехатронном комплексе 1-метрового телескопа САО РАН. При этом были получены следующие научные и практические результаты:

1) проведены экспериментальные исследования приводов и построена математическая модель движения телескопа в экваториальной системе координат. На основе проведенных исследований и математической модели разработан алгоритм управления телескопа, оптимальный по быстродействию и создана система управления телескопа;

2) исследованы упругие деформации трубы телескопа, результаты исследований показали, что эти деформации не оказывают существенного влияния на точность наведения;

3) разработан метод управления электрооптическим модулятором поляриметра с предварительным разворотом входного поляроида, который позволил вдвое понизить величину управляющего напряжения, что позволило снять проблему перегрева кристалла DKDP.

4) разработаны алгоритмы управления и сбора наблюдательных данных, которые позволили полностью автоматизировать электрополяриметр. В результате был создан прибор для исследования звезд до 11-12 зв. величины, работающий в общем алгоритме управления комплекса, точность измерения линейной и циркулярной поляризации составляет сотые доли процента, что соответствует мировой практике поляриметрии.

5) разработан метод синхронизации купола телескопа на основе сравнения фаз управляющих сигналов, позволяющий работать автономно от компьютерных устройств при точности ± 0,1м, втрое превышающей предельно допустимую.

6) проведен ряд астрофизических наблюдений, которые подтвердили высокую эффективность мехатронного комплекса 1-метрового телескопа и дали новую научную информацию.

7) В результате выполненной работы общая эффективность поляриметрических наблюдений на мехатронном комплексе 1-метрового телескопа повысилась в 10 раз.

Автор выражает глубокую благодарность Ю. Н. Гнедину и И.И. Романюку за помощь в интерпретации материалов поляриметрических измерений. Автор благодарит также В.В. Власюка и В.П. Михайлова за их организационную и техническую помощь в создании системы управления 1-метрового телескопа САО РАН. ft

1. Amirkhanyan V.R.et all. Automatik CCD photometer. Bull. Spec. Astrophis. Obs., 2000, 50, p. 142.

2. Амирханян В.P.и др. Оптические спктры и красные смкщения радиоисточников Зеленчукского обзора. Письма в АЖ, №12 , 2004 г.

3. Артоболевский И.И. Теория механизмов и машин. М.: Наука, 1988

4. Арнольд В.И. Математические методы классической механики. М. «Наука», 1989г.

5. Бакулин П.И. и др. Курс общей астрономии. М., «Наука», 1977г.

6. Под ред. Дж. Бербиджа и А.Хьюит. Современные телескопы М. «Мир», 1984 г.

7. Beskrovnaya N.G.,.Pogodin М.А, Naidenov I.D. and Romanyuk I.I. Short-term spectral and polarimetric variability in the Herbig Ae star AB Aurigae as indicator of the circumstellar inhomogeneity (Astronomy & Astrophisics», 298,1994г.)

8. Болтянский В.Г. Математические методы оптимального управления. М., «Наука», 1969 г.

9. Болтянский В.Г. Оптимальное управление дискретными системами. М. «Наука», 1973 г.

10. Бычков В.Д., Фабрика С.Н., Штоль В.Г. Измерения магнитных полей белых карликов. Письма в АЖ, 1991, т. 17, стр 43-49.

11. Борра Е.Р и Вогхан А.Х. ( Borra E.R. & Vaughan А.Н. ) High-resolution polarization observations inside spectral lines of magnetic Ар-stars I. Instrumentation and observations of p Corone Borealis , 1977, Astrophis. J., 216, 462.

12. Гайдук A.P. Непрерывные и дискретные динамические системы. М., УМ и НЦ, 2002 г.

13. Гнедин Ю.Н. и др. (Gnedin Yu.N., Natsvlishvili Т.М., Bychkov V.D., Ro-manenko V.P.) Поляриметрические наблюдения кометы Хейла-Боппа. Письма в астрономический журнал, 1999, т. 25, № 3, 233 -240.

14. Гнедин Ю.Н. Астрономические наблюдения кометы века: новые неожиданные результаты. Соросовский образовательный журнал, 1999, № 6, стр.82.

15. Грюн Е., Джессбергер Е.К (Grun Е., Jessberger Е.К) Phisics and Chemistry of Comets. ( ed. Ed.Huebner W.F.), Springer- Verlag, 1990, p.l 13. 16. Добровольский О.В. Кометы. М. Наука. 1966.

16. Кикучи С и др. (Kikuchi S., Mikami Y., Mukai S., Mukai T. Hough J.H.) Polarimetry of comet Р/ Halley. Astron. Astrophys.,1987,v.l87, p. 689.

17. Klochkova V.G,.Panchuk V.E, .Romanenko V.P,.Naidenov I.D. Polarimetry and spectropolarimetry of stars. Devces and methods. Bull. Of the special astro-phisical observatory, 48., 2005 r.

18. Комплект технической документации Z-1000. Карл-Цейсс-Йена, 1975 г.

19. Лерой Дж. Л. (Leroy J. L.) Optical polarization of 1000 stars withing 50 pc from the Sun. 1993, Astron.Astrophis. Suppl. Ser., 101, 551

20. Лами П (Lami P.) Adv.Space Res.,1985,v.5,p.317.

21. Лис Д.Ц. и др. (Lis D.C., Gardner M., Philips T.G.) IAU Circ., 1997a, № 6566.

22. Лис Д.Ц. и др. (Lis D.C., Gardner т.,Philips T.G., Bokelee- Morvan D. et al). IAU Circ.,19976, № 6573.

23. Мак Брайд H. и др. (McBride N., Green S.F., Levasseru-Regourd A.C., Goidet Dovel b., Renard J.-B.) MNRAS,1997, v.289,p.535.

24. Мак Доннел Дж.А. и др. (McDonnel J.A.M.JLfvy P.L., Pankevich G.S.) Comets in Post Halley Era. (eds Newburn R.L., Neugebauer M., Pahe J.). Kluwer Acad. Publ Dordrecht. Netherlands, 1991, v2, p. 1043

25. Курс астрофизики и звездной астрономии под ред. Михайлова А.А., "Наука", М.,1973 Т.1 , гл. XXI, стр.362

26. Михельсон Н.Н. Оптические телескопы. Теория и конструкция. М.«Наука», 1976 г.

27. Т. Мукаи и др. ( Mukai T.,Mukai S., Kikuchi S.) Complex refractive index of grain material deduced from the visible polarimetry of comet Р/ Halley Astron.Astrophis., 1987,v.l87,p.650.

28. М.Ю.Мумма и др.( Mumma M.J., DiSanti M.A., Deool Russo п., Nagee-Sauer k., Fomenkova M.), IAU Circ., 19976, № 6573.

29. I.D.Najdenov. The tecnique of measuring four Stokes parameters, 1998, Bull. Of Special astrophysicail observatory, 45, p.l 17.

30. Под ред. С.Б.Новикова и др. Астроклимат и эффективность телескопов. Л. «Наука», 1984 г

31. Панчук В.Е., Емельянов Э.В., Клочкова В.Г., Романенко В.П. Аппаратура телескопов малых и умеренных размеров. Препринт САО РАН №195, 2004 г.

32. Розенбуш В.К. и др. (Rosenbush V.K., Rosenbush А.Е., Dement'ev M.S.) Icarus, 1994, с. 108,p.81.

33. Романенко В.П. Система управления 1-метрового телескопа САО РАН-результаты модернизации и опыт эксплуатации. Препринт САО РАН Ж136Т, 1999 г.

34. Romanenko V.P., I.D. Naidenov, S.V. Moiseev, V.D.Bychkov. A test speci-ment of a two-channel polarimeter. Bull. Spec.Astrophis.Obs., 2001, 51, 115121.

35. Романенко В.П. Управление астрономическими инструментами эволюция технологий. Тезисы докладов и сообщений международной конференции "Новые технологии в управлении", г.Невинномысск, 2000г.

36. Романенко В.П., Бондарь С.Ф. Автоматизированный привод купола 1-метрового телескопа. Известия ТРТУ, Тематический выпуск ИМС, №10, 2005 г, с.161-166.

37. Романенко В.П. Автоматизация наведения 1-метрового телескопа САО РАН, «Мехатроника, автоматика, управление», Часть 1- №4, стр. 51-55; часть 2- №5 стр. 42-46, 2006 г.;

38. Расчет деформаций механических узлов телескопа, Под ред.П.В.Щеглова.Изд. МГУ, 1963 г.

39. Расчеты крановых механизмов и их деталей. ВНИИПТМАШ, М. «Машиностроение», 1971г.

40. Тапиа С. (Tapia S.) Discovery of a magnetic compact star in the Am Hercu-lis/3U 1809+50 system. ApJ,Vol.212,L125

41. Техническое описание 1-метрового телескопа, 1972, НП "Карл-Цейсс-Йена".

42. Техническая документация купола 1-метрового телескопа RC . Издание предприятия Карл-Цейсс-Йена

43. Фернандес И.Р. и др. (Fernandez Y.R., Lisse С.М., Wellnitz D.D. et al). Multiwavelength observations of the nucleus and coma of comet Hale-Bopp Bull. Amer. Astron. Soc.,1997, v. 29, p. 1047.

44. Фрекер.Дж.Э., Серковский К. (Freker J.E., Serkowski К.) Fppl Optics, 1976,v.l5, p.605.

45. Фабрика C.H., Штоль В. Г.,Валявин Г. Г, Бычков В.Д., Письма в АЖ , 1997, т.23, стр. 47-52. Измерения магнитных полей белых карликов.

46. Хилтнер В.A. (Hiltnth W.A), 1951,Observfitory,71,234.

47. Оптические и инфракрасные телескопы 90-х годов. Под ред. Хьюит.М. А. «Мир», 1983 г.

48. Шайн Г.А., Мельников О.А. Систематические и случайные ошибки при определении лучевых скоростей.

49. Курс астрофизики и звездной астрономии под ред. Михайлова А. А., "Наука", М.,1973 Т.1 , гл. XXI, стр.362

50. Шерклифф В.А. ( Shurcliff W.A.), 1962, "Polarized Light", Harvard Unv. Press, Cambridge, Massashusetts.

51. Шутов A.M. Методы оптической астрополяриметрии. Мин. обр. и науки, Федеральное агентство по образованию, Нижегородский государственный педагогический университет, Нижний Новгород, 2005 г.

52. Шмидт Г.Д. и др.(Schmidt G.D.,Smihh P.S,) Ap.J, 1995, v.448, p.305-312. A search magnetic fields among DA white dwarfs.

53. Энджел Дж.К.П. и. Ландстрит Дж. Р.П. (Angel J.R.P., Lanstreet J.D.), 1970, ApJ, 160ДЛ47.

54. Динамика управления роботами. Под ред.Е.И.Юревича.М, «Наука», 1984 г.

55. Е.И.Юревич. Основы робототехники. С-Пб, «БХВ-Петербург», 2005 г.

56. СПЕЦИАЛЬНАЯ АСТРОФИЗИЧЕСКАЯ ОБСЕРВАТОРИЯ1. РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК• •■>.■ ■-<■ ; • , (елоРАН)' (пос. НИЖНИЙ АРХЫЗ. КАРАЧАЕВО-ЧЕРКЕСИЯ,369167 тсл.,факс(«7*7?)46527,тел. (87878)46436, bttp7/»-ww.$aoju

57. ОКПО 02698306. ОГТН 1020900974104,НШ1/КПП090400432СУ0904010011. АКТIвнедрения результатов диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Романенко Владимира Петровича1. Состав комиссии:

58. Узденов Абдуллах Чопбаевич технический директор САО РАН, председатель комиссии,

59. И.И.Романюк -зав.группой САО РАН, д.ф-м.н., член комиссии, И.Д.Найденов старший научный сотрудник САО РАН, д.ф-м.н, член комиссии.

60. Комиссия отмечает целесообразность технических решений и алгоритмов управления, примененных в разработке системы управления телескопа, а также оригинальность и эффективность устройства управления купола телескопа.

61. Решение комиссии: Автоматизированную систему управления мехатронного комплекса 1-метрового телескопа в эксплуатацию принять.1. Член комиссии1. Председатель комиссии1. А. Ч. Узденов1. Член комиссии1. И.Д.Найденов

62. И. И. Романюк зав.группой САО РАН, д.ф-м.н., председатель комиссии,

63. И. Д. Найденов старший научный сотрудник САО РАН, д.ф-м.н, член комиссии.

64. В. Д. Бычков старший научный сотрудник, к.ф-м.н. член комиссии,

65. Комиссия рассмотрела результаты практического использования диссертационной работы Романенко Владимира Петровича в части разработки и изготовления автоматического электрополяриметра 1-метрового телескопа и установила следующее.

66. Комиссия отмечает целесообразность технических решений и алгоритмов управления, примененных в разработке поляриметра, а также оригинальность и эффективность электронных устройств, обеспечивающих работу прибора.

67. ОКПО 02698306, ОГРН J 020900974104. ИНН/КПП 0904004320/09CM0100I

68. Ю:-зам. директора САО РАН,к.ф-м.н. В.В.Власюк.1. АКТ

69. Автоматический электрополяриметр использовался в ходе исследований с 2002 по 2004 гг. и показал высокую точность, надежность и полное соответствие требованиям в выполнении научных программ в области астрономии и астрофизики.

70. Решение комиссии: Автоматический поляриметр в эксплуатацию принять.1. Председатель комиссии1. Член комиссии1. В.Д.Бычков1. Член комиссии1. HaZte-rJ11. И.Д.Найденов