天文望遠(yuǎn)鏡集成建模研究楊德華南京天文光學(xué)技術(shù)研究所30NOV,2006

2006年中國虛擬天文臺年會廣西師范大學(xué)桂林中國科學(xué)院南京天文光學(xué)技術(shù)研究所天文望遠(yuǎn)鏡集成建模研究楊德華中國科學(xué)院1內(nèi)容概述—名詞含義、目的意義、發(fā)展歷程…集成建模的基本方法集成建模的基本工作內(nèi)容涉及的有關(guān)技術(shù)—計算技術(shù)，并行技術(shù)…探討內(nèi)容2天文望遠(yuǎn)鏡設(shè)計方法科學(xué)目標(biāo)技術(shù)要求和誤差分配光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計及分析自動控制系統(tǒng)設(shè)計觀測系統(tǒng)設(shè)計 誤差分配和技術(shù)要求為接口紐帶，交流反饋不即時，總體性能難以優(yōu)化和估價天文望遠(yuǎn)鏡設(shè)計方法科學(xué)目標(biāo)3集成建?！猧ntegratedmodeling基于天文望遠(yuǎn)鏡設(shè)計中光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計及分析和自動控制系統(tǒng)設(shè)計三大基本模塊，建立各自相對獨(dú)立的計算機(jī)模型（一般采用常用軟件），并結(jié)合傳感檢測系統(tǒng)和各種環(huán)境影響因素的計算機(jī)模型，通過編制計算機(jī)程序構(gòu)成一個集成的整體的望遠(yuǎn)鏡模型，經(jīng)仿真分析得到望遠(yuǎn)鏡各種響應(yīng)乃至最終成像質(zhì)量，據(jù)此評價望遠(yuǎn)鏡工作性能和優(yōu)化設(shè)計方案。集成建?！猧ntegratedmodeling4Motivation&Benefit在項(xiàng)目執(zhí)行較早的階段即可評價望遠(yuǎn)鏡工作性能，直到項(xiàng)目結(jié)束識別影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素從系統(tǒng)層面上來優(yōu)化和平衡各子系統(tǒng)的設(shè)計從系統(tǒng)層面上來權(quán)衡和克服各種干擾因素尋求更有效的提升望遠(yuǎn)鏡性能的方法，優(yōu)化設(shè)計方案

集成化模型仿真可較真實(shí)有效地進(jìn)行望遠(yuǎn)鏡設(shè)計方案整體性能造價評估和方便迅速地進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。Motivation&Benefit在項(xiàng)目執(zhí)行較早的階段5簡史和現(xiàn)況可追溯到七十年代提出的虛擬望遠(yuǎn)鏡概念八十年代到九十年代ESOVLT的設(shè)計中就指向性能進(jìn)行了大量研究—簡化的集中質(zhì)量的多自由度的九十年代中期前后以來開始引入集成化模型仿真技術(shù)，北歐提出的50米Euro50方案，美國提出的30米TMT，25米NGST方案，加拿大提出的20米VLOT方案等等我國尚處于傳統(tǒng)設(shè)計方法階段，其實(shí)各部分均有實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和基礎(chǔ)，也擁有和掌握國際上較為通用的相關(guān)軟件，缺的是集成。簡史和現(xiàn)況可追溯到七十年代提出的虛擬望遠(yuǎn)鏡概念6基本方法和流程采用MATLAB/SIMULINK軟件進(jìn)行各子模型集成和仿真運(yùn)行光學(xué)設(shè)計軟件多采用ZEMAX/CodeV對于含自適應(yīng)光學(xué)AO/主動光學(xué)ao拼鏡面望遠(yuǎn)鏡，進(jìn)行波前重建和分解，執(zhí)行和校正用有限元分析軟件ANSYS/I-Deas…來建立望遠(yuǎn)鏡整體結(jié)構(gòu)有限元模型，用來分析外界因素如大氣、熱、風(fēng)載、重力和地震等對望遠(yuǎn)鏡的干擾作用，并提取望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的固有頻率和振型轉(zhuǎn)換和建立為狀態(tài)空間導(dǎo)入SIMULINK進(jìn)行控制系統(tǒng)仿真具有完整性和參數(shù)化設(shè)置功能具有圖形用戶界面（GUI）

基本方法和流程采用MATLAB/SIMULINK軟件進(jìn)行各7功能結(jié)構(gòu)框圖功能結(jié)構(gòu)框圖8光學(xué)模塊兩部分ZEMAX光學(xué)模塊兩部分9光機(jī)接口C-結(jié)構(gòu)坐標(biāo)系M-光學(xué)鏡面坐標(biāo)系 -ZEMAXT-轉(zhuǎn)換矩陣光機(jī)接口C-結(jié)構(gòu)坐標(biāo)系10環(huán)境因素模型—windload一般用Davenport譜和Simiu譜（風(fēng)速功率譜）來描述近地面風(fēng)的運(yùn)動的模型。用后者：轉(zhuǎn)換成風(fēng)壓譜：環(huán)境因素模型—windload一般用Davenport譜和11Wind&StructureinSimulinkWind&StructureinSimulink12涉及的相關(guān)技術(shù)計算機(jī)編程技術(shù)軟件接口技術(shù)計算技術(shù)并行計算技術(shù)涉及的相關(guān)技術(shù)計算機(jī)編程技術(shù)13計算機(jī)編程MATLAB/Simulink開發(fā)界面規(guī)劃和開發(fā)（MATLABGUIDE/VC/VF…）不同軟件的二次開發(fā)，不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和格式，需編程讀出（如ANSYS—UPF-UserProgrammableFeatures,PDL-ParametricDesignLanguage)不同軟件的調(diào)用運(yùn)行和通信管理并行計算:MATLAB并行化—MIT,InteractiveSupercomputingParallelMATLABsurvey

構(gòu)成一個總體軟件計算機(jī)編程MATLAB/Simulink開發(fā)14軟件接口技術(shù)MATLAB和光學(xué)軟件ZEMAX之間采用windowsDynamicDataExchange(DDE)技術(shù)實(shí)現(xiàn)接口，光學(xué)系統(tǒng)的參數(shù)化定義均可采用MATLAB導(dǎo)入ZEMAXANSYS二次開發(fā)功能很強(qiáng)，具有自己的類Fortran解釋語言，并提供高級語言接口和函數(shù)。（UPF/PDL/UIDL-UserInterfaceDesignLanguage） 還具有批處理行命令功能。軟件接口技術(shù)MATLAB和光學(xué)軟件ZEMAX之間采用wind15計算技術(shù)各子模型集成為整體模型后，計算規(guī)模急劇增大從實(shí)用性角度考慮，計算機(jī)能力和計算時間要求進(jìn)行模型簡化有限元分析中單元劃分疏密引起計算規(guī)模懸殊，特別是固有頻率和振型（剛度矩陣的特征向量和特征值）的提取耗時—選合適的模型和計算方法采用狀態(tài)空間描述機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)所需要截取的固有頻率和振型的數(shù)量涉及到存儲空間、仿真精度和計算時間等問題—合適地截取的固有頻率和振型，凝聚自由度自適應(yīng)光學(xué)/主動光學(xué)模塊波面檢測和重建計算技術(shù)各子模型集成為整體模型后，計算規(guī)模急劇增大從實(shí)用性角16并行計算技術(shù)Euro50--ABeowulfclusterwith2mastersand