FAST反射面采用主动变位工作方式（图6-1），索网变位工作是通过2 225台促动器联动控制实现，实质是一个多自由度、复杂耦合的控制系统。非均匀温度场及促动器故障等诸多因素会在索网变位控制过程中，影响反射面控制精度甚至结构安全。影响因素之间相互耦合，且具有相当大的随机性，故如何实现反射面的控制精度补偿及故障预警，是该望远镜面临的重要课题。如果该问题得不到妥善解决，不仅可能影响反射面的控制精度，正常的观测时间及效率也将难以得到保障。射电望远镜的发展历史是不断提高分辨率和灵敏度的历史。随着望远镜口径的不断增大，望远镜精度受温度、自重及风力的影响也随之加剧。在这种情况下，主动反射面控制技术逐渐发展起来，并得到广泛应用。

主动反射面可以随着望远镜姿态角度的变化，自动调整促动器的伸缩量以补偿自重等因素引起的反射面变形。例如美国GBT望远镜［53］，其反射面板下面装有调整面型的促动器，采用摄影测量技术和微波全息测量技术对天线面型进行测量。然后进行大量实际工况的标定工作，得到在不同温度、不同姿态角度等工况下的反射面形变数据库。利用该形变数据库，促动器可以进行开环补偿控制。在该技术方案下，GBT可以实现90GHz工作频率的射电观测。目前多数巨型射电望远镜的控制方案基本与GBT类似，例如我国上海佘山65 m望远镜［54］等，其测量控制方案实质都是通过预先标定数据实现的开环控制。但是FAST望远镜设计独特，众多促动器与索网组成一个复杂耦合的控制系统。控制难度主要体现在下列几个方面。

1）促动器故障影响评估

索网主动变位动作是通过2 225台促动器的联动控制实现的。由于索网的耦合作用，促动器之间不再是独立的个体，局部促动器故障不仅仅只是影响反射面的控制精度。分析结果表明，局部促动发生锁死的最不利工况下，下拉索承受的载荷将远超过其极限承载力，可导致下拉索发生破断。

下拉索破断将会对既有结构产生冲击，轻则破坏反射面单元或是其他部件，重则会导致人员伤亡，是要极力避免的情况。考虑到望远镜的工作效率，不可能每发生一次促动器故障就启动维修工作、停止观测任务。所以在促动器选型设计时，提出促动器需具备随动功能。当促动器达到一定载荷后，可以保持一定载荷自适应于索网节点的运动。因此，FAST工程最终确定了液压促动器方案，通过溢流阀或泄压阀的油路设计实现随动功能。

出于精度和安全双方面的考虑，促动器故障响应模式设计为三类：小负载随动、大负载随动及无源保位。小负载随动是指系统发现促动器故障时，发出指令开启促动器泄压阀，此时促动器只承受活塞杆和油缸之间约80kg的摩擦力。无源保位则是指促动器电磁阀失控或小区域停电，且促动器在安全载荷以下时（初步考虑为10t左右），促动器锁死在原位的情况。大负载随动是指促动器达到安全载荷后，此时促动器会自动开启安全溢流阀，活塞杆将随着索网运动自动被拔出，这是促动器设置的最后一道安全屏障。

为了尽可能保证反射面的工作效率及面形精度，设计了故障类型与故障响应模式之间的对应关系，如表6-1所示。该措施使索网变位工作对促动器故障工况具备了一定的包容性。也就是说，当个别促动器发生故障时，反射面仍可以在少量牺牲精度的情况下继续执行观测任务。

表6-1　液压促动器故障分类响应

但是，出现了下列问题：反射面的正常工作可以同时容许多少促动器发生故障呢？促动器故障势必会进一步增加索网变位应力幅，会不会导致索网有疲劳破断的风险呢？如何提前了解促动器故障位置、数量及响应模式的随机组合工况对索网安全及精度的影响呢？前面已经提到，为了保证望远镜的有效观测时间，不可能每发生一次促动器故障就停止观测任务去维修，那么我们又该如何制定促动器的批量维修原则呢？

假设促动器容许故障率仅为2%，即索网正常的变位工作可以容许45台促动器同时发生故障。此时，仅故障位置的排列组合工况已经数不胜数了，这里还没有考虑观测工况、故障响应模式及温度等其他因素的组合作用。可见，很难通过典型工况的预先计算或标定工作建立各种故障工况的评估准则。(www.daowen.com)

在这种情况下，针对即时工况的分析方法是非常有效的。它可实时判断反射面系统是否具备执行观测任务的能力，以及判断执行观测任务会有何种风险，必要时给出停止观测、启动维修工作的建议。

2）控制精度影响因素补偿

FAST反射面巨大，促动器数量多，是一个复杂耦合的控制系统。影响反射面控制精度的因素主要可以分为如下几方面：

（1）望远镜受山体遮挡、尺度巨大，温度场的不均匀性明显。对于最长为60m的下拉索，10℃的温度变化就会引起7.2mm的长度变形。对于自由状态下500m直径的圈梁，10℃的温度变化将会产生60mm的径向变形［55］。已有研究表明，该望远镜反射面的控制精度需要考虑温度作用的修正。

（2）索网变位过程中下拉索将会产生4t左右的载荷变化，对于最长为60m的下拉索该载荷变化引起的弹性变形约为180mm。柔性下拉索会在自重作用下产生悬链线效应，导致下拉索的刚度呈明显的非线性。最长的下拉索长度接近60m，需要修正刚度变化对下拉弹性变形的影响。

图6-2　抛物面在不同位置时的侧偏量矢量

（3）主索节点采用单根下拉索控制，在促动器变位控制过程中索网节点并不是严格沿径向运动，我们把节点沿球面的切向运动距离称为侧偏距离或侧偏量。曾对索网变位过程中的侧偏距离进行过分析，侧偏距离主要是与抛物面的相对位置有关，见图6 2所示。在各种分析工况中，最大侧偏距离约为100 mm，该侧偏距离将会引起2.5mm的径向误差［56］。

根据望远镜的工作频段，反射面的面形误差RMS为5mm，分配到主索节点的精度为2.5mm，故上述因素都需要在索网变位控制过程中进行控制补偿。但上述多种因素同时耦合作用。仅以温度作用为例，温度变化不仅影响拉索长度，还会间接影响主索节点的侧偏距离，圈梁也会受温度作用产生变形。如果再考虑促动器故障的耦合作用，相互之间的影响机制势必更加复杂，很难通过理论方法进行事前的解耦分析。另外，由于望远镜尺度巨大且受山体遮挡，不均匀温度场作用明显，其分布特征随天气变化具有相当大的随机性。可能发生的工况组合数量巨大、难以统计，无法通过预先标定方法实现控制精度补偿。