大型反射面天线具有增益高、波束窄的特点,被广泛用于射电天文、卫星通讯、深空探测等领域。为了提高天线的增益和分辨率,一方面要求增大其口径,导致波束变窄,因此对天线的指向精度要求愈来愈高;另一方面要求提升其工作频段,导致结构和环境因素对电性能的影响愈发显著;同时随着天线口径的增大,天线结构刚度降低,过大的迎风面积致使风扰的影响也更加突出,二者综合作用往往引起天线的柔性振荡,从而导致其性能显著下降。加之风扰具有随机性,对其难以准确预测并进行实时补偿;虽然可通过建造大型天线罩的方式隔绝风对天线的影响,但大型天线罩不但成本高昂,而且对电性能的影响更加显著(对高频段天线尤为突出)。因此有效抑制风扰对电性能的影响,已成为大型反射面天线研制中最关键也最难以解决的问题之一。本文针对典型的大型反射面天线,以提高在风扰下的指向精度为目标,从建模、控制、结构设计等主要环节入手,深入研究了大型反射面天线抗风扰设计的关键技术。本文主要工作和取得的成果如下:1.建立了面向指向控制的大型反射面天线的动力学模型。首先基于天线有限元模型,利用广义模态坐标及模态叠加法将结构弹性变形转变为以固有振型为基的空间向量,建立了可描述其柔性振荡的大型反射面天线动力学模型。在此基础上,分析了各阶振动模态对天线指向精度的影响机理,依据振动模态对指向的影响程度对动力学模型进行缩聚,从而建立了面向指向控制的大型反射面天线动力学模型。7.3米口径Ka波段卡塞格伦天线的仿真结果表明:在保留相同阶数的前提下,上述方法可将模型缩聚误差从21.51%降低到7.35%,模型的正确性为大型反射面天线的指向控制奠定了基础。2.分析了风扰对大型反射面天线指向精度的影响。采用达文波特风谱分别分析了风扰力矩对天线转角的影响和风压引起的反射面变形对天线指向的影响。对于前者,通过将等效风扰力矩引入伺服控制系统,得到天线转角误差;对于后者,则是利用面向指向控制的大型反射面天线动力学模型,将风压离散为不同节点的输入作用力,得到在不同风力下的指向误差,即柔性指向误差。7.3米口径和110米口径天线的仿真分析结果表明,随着口径的增大,柔性变形所导致的指向误差与转角误差的比值由0.93倍增加到2倍。因此,必须对其进行有效的抑制,以提高指向精度。3.为了有效地抑制柔性变形对指向误差的影响,本文提出了基于干扰观测的前馈补偿控制方法和基于线性二次高斯Linear-Quadratic-Gauss(LQG)的抗风扰控制方法。前者将结构变形所引起的指向误差视为干扰力矩,同时将模型摄动、非线性扰动等不确定性因素融入观测所得干扰力矩中,并利用前馈控制给予补偿;后者将结构变形所引起的指向误差视为状态扰动,利用二次性能指标求得最优控制作用。7.3米口径天线的仿真结果表明:在平均风速为10m/s的风扰下,基于干扰观测前馈补偿控制可将最大指向误差减小至传统 Propotion Integration Differentiation(PID)控制下指向误差的 25.4%,LQG控制可将其进一步减小至23.3%。4.为了有效地抑制突发阵风的影响,进一步提高指向精度,提出了基于风速预测的抗风扰动预测控制方法。利用最小二乘支持向量回归函数,建立了天线位置处的风速预测模型,以估计天线位置处若干采样周期后的风速,进而预估出指向误差并引入模型预测控制算法,通过将最优估计问题转化为二次规划问题求得最优控制作用。7.3米口径天线的仿真结果表明:在平均风速为10m/s的风扰下,基于风速预测的抗风扰动预测控制方法可将最大指向误差减小至传统PID控制所产生指向误差的17.5%,在控制器补偿初始阶段,该方法的最大误差仅为LQG控制误差的一半。5.为了解决大型反射面天线由大惯量而导致的补偿响应慢的问题,提出了一种波束波导天线抗风扰自适应主动补偿控制方法。利用响应快、精度高的主动反射镜,通过选择适当的波束偏转放大因子,使得驱动器在满足行程约束的条件下,风扰导致的指向偏差得以迅速补偿。65米口径波束波导天线的仿真结果表明:在平均风速为10m/s的风扰下,基于主动镜面调整的抗风扰自适应主动补偿控制方法可将最大指向误差减小至传统PID控制所产生指向误差的5.4%。上述方法不但适用于新研制的大型反射面天线,也可应用于已建成天线的升级改造,对于提高大型反射面天线的性能和观测能力有着事半功倍的作用。