The Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopic Telescope

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望远镜集成建模仿真研究介绍 杨德华，徐灵哲

Nanjing Institute of Astronomical Optics & Tech.(NIAOT)/National Astronomical Observatories, CAS (NAOC)

Presented by: 徐灵哲At: 威海

Date: Wednesday, April 19, 2023

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研究基础 光学系统设计 机械结构设计及分析 自动控制系统设计 计算机程序设计

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望远镜集成仿真建模的定义 基于天文望远镜设计中光学系统设计、机械结构设

计及分析和自动控制系统设计三大基本模块的常用软件，建立各自相对独立的模型，由计算机程序将三者之间相互关系有机地联系起来，并结合传感检测系统和各种环境影响因素的计算机模型，构成一个集成的整体的望远镜模型，用以对各模块之间的相互作用和接口进行校验以及工作性能分析和优化设计。

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传统的望远镜设计方法 各相关领域的负责人，负责本子系统的设计 根据科学目标提出光学系统和机架型式 有关参数，往往需要不断协调和更新，提供

给控制系统的设计 三者之间的信息联系由严格的误差分配和技

术要求维系，从而保证望远镜最终设计性能

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传统的望远镜设计方法缺陷 效率较低 不能及时沟通 各子系统之间数据和信息交流中容易产生讹

错

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望远镜仿真建模的历史 七十年代提出的虚拟望远镜概念 九十年代中期前后一些天文望远镜和仪器工

程开始引入集成化模型仿真技术，并作为工程实施前进行早期全面模拟仿真的手段来分析评估性能和造价。

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望远镜仿真建模的历史 英国等欧洲国家提出的 50 米 Euro50 方案 美国提出的 30 米 TMT 方案 加拿大提出的 20 米 VLOT 方案

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望远镜仿真建模的历史 集成建模分析，获得了望远镜在各种环境因

素，诸如热、风、地震等载荷和大气湍动作用下的响应和工作性能，为优化和平衡各子系统设计提供了方便有效的手段。这种集成化模型仿真带来的大规模数值计算、软件集成、模型简化以及载荷模拟等等问题都得到了解决和正在研究解决之中

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我国望远镜仿真建模的现状 停留在传统的各子系统分立设计、交流协调

的阶段 光学设计、机械结构设计和电控设计各部分均有实际经验和基础，也拥有和掌握国际上较为通用的相关软件

综观现况，国内还没有开展天文望远镜集成化建模仿真分析的系统工作

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我国开展望远镜仿真建模的意义 鉴于集成化建模仿真设计方法已成为国际上天文望

远镜设计方法的发展方向和研究前沿，并结合我国在该领域的研究现状和工作基础，提出在我国开展天文望远镜集成化建模仿真设计方法的研究申请，研究成果首先可应用于我国天文望远镜设计工作之中，并且，长远地，由于未来极大望远镜造价巨大，国际合作为大势所趋，该集成化望远镜建模仿真的研究不仅可为我国提出自己极大望远镜的设计进行方案探讨和性价评估，还为我国可能加入未来极大望远镜建造的国际合作打下基础。

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项目的研究目标 子系统建模包括光机电三大基本模块的计算机模型建立，这方面已有工作经验和基础。基于现用软件分别建立光学系统、机械系统和控制系统的参数化计算机模型并封装起来，各模型内部具有分析优化迭代过程，并根据整体集成模型的要求设置各自输入输出接口参数

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项目的研究目标 环境因素和载荷建模

为使集成化模型可接受外界干扰因素和载荷的作用并自动进行分析，需要建立相应的计算机模型进行模拟。外界干扰因素和载荷主要指热、视宁度、重力、风载及地震作用等，着重考虑重力、热、风载和地震作用的建模。这方面也具有经验基础。

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项目的研究目标 模型集成这是工作核心。需要确定子系统之间的相互作用和反馈关系；定义各子系统模型的数据结构以及它们之间的输入输出接口；选择合适的计算机硬件平台和编程软件平台，以及最终编程实现各子模型的软件集成，用以进行望远镜在各种工况或干扰下的定量性能分析和优化改进。

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项目的研究目标 模型简化

各子系统计算机模型首先需要表征本子系统本身的静态和动态等特征，直接的，各子系统模型越细致具体越好，但由于望远镜系统的复杂性，首先未知因素必须加以简化或作为不确定性分析的内容。同时，由于各子模型集成为整体模型后，计算规模急剧增大，从实用性角度考虑，计算机能力和计算时间也要求进行模型简化。因此在精度满足要求的前提下，应用简单化的模型。

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项目的研究目标 数据储存和显示

数据是仿真的基础，仿真的结果也是数据，比如时程迭代分析计算将产生大量中间结果和最终数据。为便于记录和读出以及索引和查找，大规模数据的存档需要足够重视，必须考虑规定归档要求和格式。为直观表达仿真过程和仿真结果，图形 /图像显示是必不可少的，需要考虑实现实时显示和对仿真数据进行事后显示问题。

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拟采取的研究方案

针对于一个传统单口径的望远镜的集成化建模的研究目的，拟采取实现方案为：在 MS Windows 环境下采用 MATLAB/SIMULINK软件进行各子模型集成和仿真运行。光学设计软件拟采用 ZEMAX 或自己编制的程序，可采用Windows Dynamic Data Exchange (DDE)技术设计 ZEMAX和 MATLAB之间的接口，主要数据相互交换为光学系统定义、光线追迹结果以及外界因素对镜面干扰的结果。

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拟采取的研究方案

采用有限元分析软件 ANSYS建立望远镜整体结构有限元模型，用来分析外界因素如热、风载、重力和地震等对望远镜的干扰作用，结果可由 MATLAB代码读入集成化模型。 ANSYS 还用来提取望远镜系统的固有频率和振型，并考虑采用模态截取法进行模型的简化，然后采用 MATLAB代码读出并转换和建立为状态空间导入 SIMULINK进行控制系统仿真

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拟采取的研究方案

拟建成的集成化模型具有完整性和参数化设置功能；MATLAB或相关代码具有封装性，对不同望远镜可通过比如配置文件方式进行调整；并可交互式，比如通过设计图形用户界面（GUI ），操控模型仿真的运行。

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谢谢 … … Contact: 210042 Email: lzhxu@niaot.ac.cn Information: www.LAMOST.org …