望远镜主镜余弦调节器升级

背景

这加拿大-法国-夏威夷（CFH）天文台拥有世界一流的3.6米光学/红外望远镜。天文台位于夏威夷岛上4200米的休眠火山莫纳克亚山顶。CFH望远镜于1979年投入使用。CFHT的任务是为其用户群体提供一个多用途的最新天文观测设施，该设施与该群体的科学目标完全匹配，并充分利用莫纳克亚基地的潜力。

需要升级主镜余弦调节器

望远镜的主镜位于一组气动圆盘组件和三个挂载点上。这通过调节从天顶到地平线遵循余弦曲线的压力，通过变化的重力矢量保持镜像。二十四个气动圆盘组件以两个同心圆围绕镜单元放置，十五个垫形成外环，九个垫形成内环。安装在挂载点上的测压元件监控气动支架的性能。

最初的PM余弦调节器是一个被动的、基于机械的开环系统，使用质量和重力来调节驱动支撑系统的气动镜圆盘的内环和外环的压力。在过去的四十多年里，它一直非常可靠，但是机械调节器需要不断放气以保持压力。这导致了空气压缩机的高占空比，这意味着过多的电力成本和空气压缩机的使用。

对现有系统的观察如下:

• 每个调节器的输入压力需要至少0.0353 CFPS、72磅/平方英寸的压力。即3049立方英尺@ 72磅/平方英寸/天/调节器。
• 每个控制器的压力应调节至35磅/平方英寸+/- 2.85磅/平方英寸。
• 控制器（调节器）应在两个平面内对齐，误差不超过2弧分。
• 在90度的天顶角下，3分钟的对准误差将导致0.05%（0.005 psi）的系统误差。
• 9个内部衬垫中的每一个在zenith都提供1086 lbf的力。每15个外垫在顶点提供1034磅力。总计25284磅或12.64吨。
• 9个内衬垫、15个外衬垫和3个定义点的总载荷应为28，433磅。
• 该系统在1974年的价格为65789美元，相当于今天的40万美元左右。

设计目标

除了满足容错和故障安全的必要规范以减少损坏时的维修时间外，新调节器升级的目标还包括:

高度的可靠性

• 最大限度减少元件数量
• 尽可能使用额定海拔部件
• 尽量减少电解电容器的使用
• 防止控制错误的树莓Pi
• 尽可能使用汽车合格零件
• 使用低温相关零件

实现高水平的可维护性

• 测试了手头的备件
• 最小化定制零件
• 军用标准舱壁连接器与外界连接
• 尽可能使用传统的CFHT组件
• 在线参数调整

比例空气提供了一种有效的气动解决方案

设计了一个新的闭环系统来取代旧系统。新方法使用微处理器来控制电子压力调节器和压力传感器以提供反馈。该系统不需要持续放气。

新系统在投入运行前经过了广泛的安装和测试。它经过校准和调整，以匹配先前已有的余弦调节器的性能。由于镜子支撑系统对图像质量至关重要，并且镜子圆盘的损坏可能会导致许多工时，因此新系统设计有多个冗余功能，可以根据故障模式实现假安全或容错。

• 选择组件以确保高可靠性和安全性
• 电路板设计有硬件限制，可以有意防止损坏
• 编程理念来自航天工业，以确保稳健、独立的运行
• 成熟的命令锁定方案和控制原理确保了新系统增益的安全命令和设置
• 通过设计，该系统可防止气动垫过压

大幅节约成本并提高准确性

原始系统成本约为65，000美元，相当于今天的约400，000美元，其中包括非经常性工程（NRE）成本。气动替换系统，包括必要的调节器，仅5000美元，这要归功于它的简单性和不必从头开始。虽然新系统的NRE成本尚未确定，但新系统带来的节省肯定会很大。

客户报告说，虽然以前的系统运行良好，但相当不准确。它还使用了一个持续放气的机械调节器。使用比例空气调节器的新系统更加精确，并使用微处理器控制电子压力调节器和压力传感器进行反馈，并且不需要持续放气。这降低了空气压缩机的占空比、电力成本和使用量。

QBX系列可变压力调节器

• 15磅/平方英寸时的调节精度+/-0.2% FS =+/-0.03磅/平方英寸（需要+/-0.1磅/平方英寸，提高3倍）
• 重复性+/-0.02% FS @ 15 psi = +/-0.003 psi
• 12位数模转换器，4.096伏，4096步= 1毫伏=0.003磅/平方英寸/位（比例阀数模转换器有限）

预计每年可节省17，000美元的能源，干燥空气系统的其他优化可进一步节省能源。