大型天文望远镜状态监控与故障诊断技术研究

大型天文望远镜是一个由复杂系统组成的科学装置，由于天文观测的苛刻要求，望远镜台站多处于边远的特殊环境下，在观测时系统如果发生故障，往往不能快速确定故障发生的原因和迅速恢复使用，导致望远镜使用效率降低，对科学观测产生影响，因此急需一种状态监控与故障诊断技术支撑望远镜装置。本研究在状态监控与故障诊断常规方法与步骤的基础上，通过状态监控信号处理算法、故障诊断与决策等一系列关键技术的解决和开放的通用模块化设计，实现一个开放式状态监控与故障诊断系统平台，为大型望远镜的状态监控与故障诊断提供解决方案，旨在提高大型望远镜的观测效率和科学寿命。本研究的实施对象是我国正在研制的500m口径大射电望远镜FAST(Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope)。研究成果将形成大型望远镜系统运行保障的重要技术路线。

本项目以500米口径球面射电望远镜（FAST）主动反射面系统为实施对象，研究了开放式的大型望远镜状态监测与故障诊断系统。在调研国内外大型天文望远镜的基础上，本项目提出了大型望远镜状态监测与故障诊断系统总体拓扑架构；在对FAST主动反射面系统总体及关键部件进行了结构分析的基础上，通过对其关键部件失效路径的研究找到各部件的薄弱环节，进而确定其状态监测的测点，并考虑到成本、布设难度等因素对测点进行多次优化，最终确定了406个索网监测测点，110个圈梁结构监测测点，2225台促动器内置测点和6个风速风向测点。本项目对传感器选型进行了重点研究，除了进行常规监测系统的选型试验外，还根据大射电望远镜的特点探讨了电磁干扰问题并做了相应的选型试验，最终优选了光纤光栅传感器和振弦传感器用于FAST主动反射面系统结构监测。同时，开展了状态监测信号处理算法和故障诊断样本分析算法的研究，基于3准则针对监测数据的特点提出一种新的异常数据处理方法。根据已研究的模块化状态监测与故障诊断模型，结合传感器选点及选型的结果，搭建了FAST望远镜主动反射面系统状态监测与故障诊断的硬件系统。然后，在故障诊断与决策技术的算法研究的基础上，基于Lab Windows平台开发了软件系统。调试及试运行表明，该状态监测与故障诊断系统具备FAST主动反射面系统安全性监测与故障诊断的功能。此外，在对促动器状态监测重点及故障特点研究的基础上，本项目又对液压促动器进行了关键元件的可靠性试验、可靠性在线监测及故障诊断试验和可靠性评估方法三个方面的研究。通过本项目的研究，已经对在建的FAST望远镜的主动反射面系统提供了施工过程中的安全监测和故障诊断，即将对其运行提供安全监测与故障诊断，保证FAST望远镜的正常运行。本项目将状态监控与故障诊断的概念系统地应用于天文望远镜系统中，形成天文望远镜状态监控与故障诊断的技术路线，为天文望远镜系统的状态监控、故障诊断和综合管理奠定技术基础，为我国天文技术的稳步前进提供技术保障。