《Photonics》：Damping–Positioning Mechanisms in Segmented Mirror Systems: Principle, Integrated Design and Control Methods
Wuyang Wang,
Qichang An and
Xiaoxia Wu
拼接式望远镜在复杂扰动条件下实现高细分段定位精度面临重大挑战，这直接影响观测灵敏度与分辨率。传统刚性执行器受限于带宽（如凯克望远镜约20 Hz），难以维持控制稳定性。新型结合粗调与细调的双级执行器（如音圈电机）现已实现毫米级行程下优于8 nm的精度。此外，其更高的闭环带宽（如三十米望远镜约60 Hz）可确保快速稳定且无超调，并有效抑制高频扰动（如脉动风与机械振动）。与此同时，系统级控制策略也相应更新。地基系统侧重于实时多模态解耦，而天基系统则强调非接触式振动隔离与嵌套多回路控制以实现亚角秒级指向稳定性。本综述调研了拼接式望远镜阻尼—定位机构的设计与控制策略，并讨论了分辨率、行程和负载能力等关键性能指标之间的核心权衡。特别关注了欧洲极大望远镜"硬"执行器方案中实施的扰动敏感性分析与主动阻尼技术（可达约50%的振动抑制）。未来方向包括跨尺度协同控制、智能材料应用以及基于人工智能的自适应参数优化，这些共同为下一代高度分段望远镜的高精度成像提供技术路径。
2 阻尼—定位机构设计
2.1 单级执行器
凯克望远镜作为首座拼接式望远镜，其主镜布局及主动光学系统展示了早期技术路径。该执行器采用伺服电机驱动滚珠丝杠-螺母组件，配合24:1液压减速机构实现轴向位移输出，电机端旋转编码器实现精确步进控制，分辨率达4.15 nm，行程1.1 mm。此设计为后续格拉纳达·特内里费天文台望远镜（GTC)、霍比-埃伯利望远镜(HET)、南非大望远镜(SALT)及中国大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜(LAMOST)（含两块拼接镜：非球面改正镜MA与固定球面主镜MB）提供了参考。然而该系统单套成本约7000美元。类似地，HET、SALT和LAMOST分别采用11.9:1、12:1和10:1的柔性杠杆机构以放大执行器负载能力并提高定位分辨率。即便21世纪建造的日本清明天文台望远镜仍沿用此类杠杆执行器。尽管迟滞与死区问题随后通过消隙机构得以解决，但单级驱动仍难以解决"误差追逐"问题——即响应速度滞后于误差更新频率，这源于其低带宽与固有刚性的根本限制。
当前液压执行器技术正经历重大创新。2025年，Zhan等人提出了一种用于快速转向镜的压电-液压执行器，采用基于帕斯卡定律的液压微位移放大器(HMDA)实现高精度运动放大。与凯克执行器相比，该设计位移放大比高达12.61:1，同时保持紧凑外形（Φ44 mm×71 mm），可支撑2 kg镜片段，一阶共振频率高达1356 Hz。通过柔性活塞与硅膜有效缓解泄漏问题，在150 V驱动下输出行程达104.9 μm，为精密驱动系统（如拼接镜定位系统）中长期存在的大行程与高带宽矛盾提供了实用解决方案。
2.2 双级执行器
针对下一代拼接望远镜如三十米望远镜(TMT)和欧洲极大望远镜(ELT)，影响其拼接主镜共相维持的扰动可归纳为：由重力、热效应和稳态风主导的低频大尺度形变，主要通过主动光学控制回路抑制；以及由内部机械振动和外部脉动风引起的高频小位移振动，需要在执行器层面实现高带宽局部控制。
2.2.1 解耦型执行器
此类执行器采用单一步进电机实现粗精双调。典型代表为詹姆斯·韦伯空间望远镜(JWST)执行器。每个镜片段配备六台定制化位移执行器，集成粗传动耦合轴与细定位复合柔性机构。粗调级采用齿轮耦合滚珠丝杠配合预紧弹簧消除间隙并增大负载能力；细调级采用偏心凸轮驱动柔性结构以提高位移分辨率，扭稳定器确保纯轴向运动。该架构实现21 mm行程与7 nm分辨率。为适应深冷空间环境，所有摩擦接触面均采用干膜润滑处理以防止低温润滑剂冻结。
基于JWST执行器理念，Wu提出了解耦型粗—细执行器，采用单台TUNYO 35 mm减速步进电机（带制动器）驱动，实现20 mm行程下3 nm定位精度。动力学仿真表明粗—细切换过程无缝过渡，接近指令位置时执行器相对于目标位移呈现ppm量级的可忽略超调比，随后精确收敛至终态。该微小偏差（含为间隙管理而设计的故意分量）伴随可忽略的振荡或残余振动，反映了解耦执行器中三类主要阻尼机制的综合效应：输出级柔性铰链的有效结构阻尼（通过弹性能量耗散实现微振动衰减）、粗—精传动链中防间隙柔性片及机构引入的摩擦阻尼，以及步进电机制动器在定位锁定期间提供的制动阻尼。需注意上述均为被动阻尼机制，依赖结构、摩擦和制动诱导的能量耗散，而非主动反馈控制。
2.2.2 双驱型执行器
双驱型执行器采用两套独立驱动单元分别实现粗精定位，细调级最常用音圈电机(VCM)实现。该架构已应用于30米级TMT和39米级ELT。TMT镜片段执行器采用VCM作为细调级驱动以实现纳米级定位，为补偿VCM有限的出力能力，引入自调整弹簧—杠杆负载分担机制，杠杆支点采用C型柔性轴承以消除摩擦和间隙，同时提供针对横向和微振动的被动结构阻尼。除被动阻尼外，通过VCM闭环控制实现主动阻尼，实时位移反馈允许动态调制VCM电流，使控制力与结构阻尼协同作用，从而实现集成振动抑制与精确镜片段指向。该执行器有效行程达4.3 mm（满足TMT基于最大预期重力诱导镜片段变形推导的>1.2 mm需求），分辨率达1.2 nm，在±2000 nm/s跟踪速度下跟踪误差低于5 nm RMS，与凯克所用刚性执行器相比将共振频段振动响应降低约一个数量级。
ELT定位执行器(PACT)中，粗调级采用无刷直流电机以获得比步进电机更平滑的运动，避免阶跃不连续性。细调考虑两种方案："软"方案为VCM驱动柔性设计配合平弹簧卸载，实现低摩擦、快速驱动并最小化迟滞；"硬"方案为压电陶瓷驱动的刚性压电执行器(PZT执行器)，提供高刚度和对稳态风扰动的强抗扰能力。欧洲南方天文台在M1平台上的测试表明，PACT执行器提供15 mm行程，定位误差1.4 nm RMS。荷兰应用科学研究组织专门设计的反馈控制器使基于VCM的设计实现100 Hz闭环带宽和120 Hz以上轴向刚度共振频率。实验结果表明该执行器有效抑制地面振动和风扰动，抑制因子超过10
3。最终ELT PACT的批量生产由德国Physik Instrumente公司承担，采用"硬"概念确保高被动刚度，并依赖正位置反馈(PPF)实现主动阻尼。
双级执行器因其特性被TMT和ELT等大型口径望远镜广泛采用，但也正因其多功能性和高精度而越来越多地应用于较小系统。例如，1.5 m原型拼接镜望远镜(PSMT)采用VCM驱动柔性执行器配合盘式柔性弹簧，有效防止径向偏差并隔离输出轴以实现所需的"柔性"性能。采用组合位置、卸载和调谐回路配合继电器PID整定，满足350 nm/s跟踪速率要求，误差仅10.15 nm。为防止俯仰/倾斜修正期间镜片负压，Liu将低刚度负压弹簧与VCM集成，实现拉力自适应，达成2.5 nm的出色分辨率。
2.2.3 三级延迟线驱动
源于Mark III干涉仪的经典移动延迟线架构中，光程控制通过嵌套三级驱动方案实现，将精度、带宽和行程分布于不同尺度。PZT驱动的回射镜实现亚波长分辨率细延迟修正，典型行程数十微米，带宽达千赫兹量级。为避免该细调级饱和，音圈驱动的中级提供毫米至厘米级连续运动，带宽数十至数百赫兹，为PZT重新定心同时保持无间隙平滑动力学。作为粗细控制间的关键桥梁，音圈级吸收中频扰动和慢漂移，有效解耦高速光学修正与大行程定位。最后，直线电机驱动的粗调级实现米级延迟调整，带宽较低，用于几何光程补偿。本质上其功能与执行器相同，输出微小位移，但三级执行器尚未见实际应用。
2.3 关键性能指标的权衡
为清晰分析阻尼—定位机构的发展趋势，上述典型执行器的关键性能指标包括分辨率、行程、负载能力（以镜片段质量表征）和执行器带宽在表中总结。此外，两类执行器架构的主要优缺点在表中提炼对比。有必要区分执行器局部工作带宽与全局主动光学闭环带宽。对于传统单级执行器，全局主动光学回路通常受限至亚赫兹水平（如凯克约0.5 Hz）以避免控制—结构相互作用(CSI)。相比之下，TMT和ELT的双级执行器将这些功能解耦：其细调级组件提供高局部带宽（60–100 Hz），专用于主动阻尼和高频扰动抑制，而全局系统级修正保持保守以确保整体结构稳定性。
单级执行器采用单一驱动源，结构简单，通过大机械减速比提高输出分辨率。但给定缩放比下，获取足够输出行程需要丝杠提供相应大输入位移， inevitably增加累积传动误差，故可实现行程通常限制在2 mm以内，难以同时满足大行程和高精度需求。 fortunately，基于HMDA–PZT堆栈架构的执行器（Zhan等人），结合柔性活塞和硅膜结构，为刚性执行器缓解这一矛盾提供了可行途径。同时，ELT探索了在PZT执行器上应用主动阻尼以补偿其抑制高频共振的有限能力。
相比之下，双级执行器通过将行程和精度分配给独立驱动单元实现解耦。如JWST执行器所示，行程可达20 mm，较单级设计提高一个数量级以上，同时保持优于8 nm的平均定位精度。该架构因此为竞争性能需求提供了更平衡的解决方案。此外，VCM技术的成熟和标准化使得工业现成组件得以广泛使用，TMT和ELT PACT的执行器单台成本分别控制在2000美元和4000欧元以下，显著低于早期凯克执行器（约7000美元），有利于大规模部署。然而，单级架构的根本机械简洁性仍是其独特优势，精简设计避免了嵌套机构和冗余传感器，提供更紧凑的物理尺寸。随着执行器技术自早期发展阶段的成熟，单级设计的生产成本也大幅下降，使其成为动态需求较不苛刻的望远镜的高性价比解决方案。
总体而言，单级和双级执行器均与时俱进，执行器架构正从传统机电液方案向非接触式VCM基和PZT基设计演进，甚至集成两种技术的组合三级驱动（延迟线）。
柔性执行器的采用引入了超出主要性能指标的固系统性权衡。VCM基设计虽为抑制脉动风和内部微振动等高频扰动提供高带宽和强阻尼能力，但其降低的结构刚度削弱了对稳态风载的抵抗能力——这是大型地基望远镜的主导扰动源。相比之下，刚性执行器更有效对抗低频和准静态扰动。此外，VCM有限的输出力约束了执行器负载能力，往往需要辅助卸载机构维持精度，这影响系统可扩展性。更大的镜片段尺寸可降低整体控制复杂度（相同口径直径下更少的片段），使更高执行器负载能力在系统层面成为可取目标。此外，双驱架构引入粗调级和细调级间的动态耦合，还需先进的解耦和协调算法，增加了计算成本和调谐复杂度。
综上，除结构演进外，双级执行器与系统级控制架构改进之间的协同既是必然也是至关重要的。
3 执行器协同与系统级控制
3.1 双级执行器协同与局部控制架构
在大型口径拼接镜系统中，执行器的协同对实现高精度镜片段定位至关重要。解耦型执行器通常采用独立的粗调和细调机构，有效最小化粗调对细精度的影响，减少相互干扰，增强系统稳定性和响应速度，尤其在面对高频扰动和系统级振动时。然而，双驱型执行器虽具类似优势，却因粗调级和细调级间的动态交互而引入独特挑战。粗调级的大行程可能产生残余运动影响细调级，导致潜在振荡和超调，尤其在粗—细切换时细调需保持精确。因此，粗调级与细调级的有效协同至关重要，需要复杂控制算法以最小化振荡并确保平滑运行。
3.1.1 执行器修正过程
解耦型执行器采用"升—超调/降—欠调"策略。粗调期间，电机驱动减速器和锥齿轮组，将扭矩传递至粗传动耦合器。主从动轴啮合时，下游齿轮 trains和滚珠丝杠同步运动产生大行程线性输出实现快速定位。
粗—细切换：为保证向细调级的平滑过渡，粗调运动遵循故意的"升—超调/降—欠调"策略。当细调级偏心输出处于上升相时，粗调级较目标略超调一个分辨率单位；处于下降相时，欠调同等幅度。该故意偏置确保后续反向运动完全处于设计的间隙范围内。
细调时，电机反向旋转。由于专门设计的耦合器，引入大的故意反向间隙，使主从动轴分离，滚珠丝杠和粗调级因此被机械隔离保持静止。在此解耦状态下，仅与锥齿轮同心的偏心轴承驱动柔性杠杆，通过高减速比（约100:1）产生纳米级位移。粗调级预先安排的超/欠调使细调运动可直接补偿残余误差，无需重新啮合粗传动，从而避免极限环并抑制粗—细切换期间的振荡。
双驱型执行器采用顺序闭环/力卸载策略。接收到来自望远镜控制系统（主动光学的边缘传感器或波前传感器）的参考指令y
ref后，粗调和细调（VCM）控制回路均闭环运行，受带宽分离的顺序闭环策略支配。粗调级在低频范围（1 Hz以下）运行实现大行程定位，细调级在高带宽（50 Hz以上）功能以修正残余误差和抑制高频扰动。该带宽分配最小化级间交叉耦合，形成闭环多输入多输出(MIMO)控制架构。
粗调级（低带宽负载卸载）：粗调级控制器C
DC以VCM出力F
VC为反馈，通过截止频率低于1 Hz的低通滤波器，调整直流电机速度v
DC驱动输出轴向参考位置y
ref移动。当F
VC或VC电流（洛伦兹力原理）的平均值偏离零位（超出阈值），表明重力负载未完全平衡。当y接近y
ref时，C
DC降低v
DC直至VC电流降至阈值以下，此时直流电机停转。
细调级（高带宽位置跟踪）：粗调级卸载完成后，细调级解放以专注于动态补偿。细调级控制器C
VC可采用PID结构附加超前—滞后补偿和陷波滤波器以抑制结构共振。同时，细调级回路采用内部光栅编码器（见3.1.2节）进行反馈。
间隙补偿：利用力反馈，粗调直流级通过局部速度控制器线性化摩擦，并在y
ref附近减速以避免"粘滑"。非接触细调级VCM随即接管精确定位，使粗调自锁的微小"下坡"运动可忽略。这类似于通过力反馈实现的"升—超调/降—欠调"策略。
该设计中，细调级作为主控制器，持续响应所有位置指令和扰动以确保动态精度。粗调级作为副控制器，以慢得多的速度运行且事件驱动——其作用仅在细调级负载持续偏离零时触发，而非简单跟随细调运动。这种顺序闭环运行，亦称力卸载策略，使粗调级处理行程和功率优化，而细调级在切换和调整过程中维持纳米级跟踪精度。
ELT系统的闭环稳定性验证表明，所有开环频率响应H
i(jω)C
i(jω)（i=VC, DC）保持6 dB增益裕度，即奈奎斯特曲线不环绕(?1, 0)。定量测试表明，在1.2 μm/s速度指令和0.55 N RMS风扰下，系统实现1.4 nm RMS跟踪误差，VCM功耗低于7.6 mW RMS。
3.1.2 执行器局部反馈
双级执行器标定过程中，高精度位移传感器（如光栅编码器和线性可变差动变压器）的实时反馈对确保稳态精度至关重要。因此，紧凑微型光栅基位移测量系统在工业运动控制中广泛采用。例如，TMT执行器在其输出轴集成MicroE Systems开发的激光光栅编码器，通过干涉条纹检测和插值将位置变化解码为32位数字信号，实现1.2 nm分辨率和全闭环位置控制。类似高精度反馈方案也在双子座望远镜M2TS副镜系统中实施。此外，Liu等人采用Renishaw ATOM DX光栅配合20 μm玻璃线性标尺于VCA设计，实现2.5 nm最大分辨率。
然而，光栅编码器固有的高频噪声和信号延迟可能降低动态性能。 accordingly采用以下方法改善稳态行为：光栅尺标定——光栅尺固有地受制造引起的标记位置误差影响，通过与更高精度位移参考（如激光干涉仪）标定，可在执行器行程范围内用查找表表征和补偿这些误差；基于卡尔曼滤波的多传感器融合——结合光栅尺、应变片和加速度计实现卡尔曼滤波多传感器融合，加速度计捕获高频动力学，应变片抑制低频漂移，光栅尺提供绝对位置参考；自适应PID参数整定——根据实时位置误差调整控制器增益，大误差区采用高增益整定加速收敛，稳态附近采用低增益整定避免超调并缩短稳定时间。
3.1.3 交互矩阵与边缘传感器漂移问题
除单个执行器的标定与控制方式外，同等重要的是确定修正对象，即施加于各执行器的y
ref。拼接镜系统中，这些参考由主动光学系统基于边缘传感器测量和据此构建的交互矩阵(IM)生成。
IM建立镜片段刚体运动与相邻边缘传感器测量的相对高度差和二面角之间的线性映射。遵循LAMOST等系统采用的方法，IM由准静态力学模型构建并经实验辨识精化，其维度随镜片段、传感器和执行器数量扩展。运行时，实测与理想边缘传感器输出之间的差异通过IM伪逆投影估计镜片段位移，进而转换为y
ref。
为保证鲁棒性，伪逆通常通过奇异值分解(SVD)获得，允许不可观测或弱可观测模态被显式处理。除全局活塞模态外，拼接镜组件的全局旋转或扭转模态也被抑制，因它们无法单独通过边缘 relying solely on edge sensor measurements可靠感知。还应用模态相关增益约束以降低对建模误差的敏感性。
边缘传感器长期漂移源于温度变化、结构松弛和传感器老化。为缓解此问题，采用波前传感器或激光计量系统定期再标定（凯克每3–4周），更新全局参考状态。设计改进如采用低热膨胀材料（如ELT边缘传感器中的陶瓷）、差分测量抑制共模漂移、防护密封和先进信号处理等减少低频传感器漂移。该分层方案中，基于IM的主动光学控制提供低频系统级参考指令，而执行器级闭环补偿高频残余。
随着系统规模增大（如TMT传感器—执行器2772×1476），IM维度增长及随之而来的计算负担，以及执行器与传感器间的控制—结构相互作用效应，对稳定性和可扩展性构成根本挑战。这些问题催生了系统级控制策略的进展，在3.2节讨论。
3.2 拼接镜系统级控制
3.2.1 地基望远镜
凯克望远镜提供了主动光学控制在天文观测中首次大规模演示。每块10 m主镜由36块镜片段组成，每块独立控制3个执行器，168个差分边缘传感器形成闭环反馈网络。以40 ms采样周期运行，纯积分共模控制算法将片间活塞—倾斜—翻转(PTT)误差对准至约10 nm，形成有效连续抛物面波前。该多自由度协调实现重力弯曲和热漂移引起的低频光程误差实时补偿，而5–200 Hz宽带共振（尤其22 Hz附近的控制—结构相互作用）限制控制带宽约0.5 Hz，制约高频扰动抑制并激发后续大型拼接望远镜的模态解耦策略。在波前感知层面，凯克引入相位相机系统(PCS)，通过多模态协调分层修正共模镜片段误差，已成功在凯克I和II运行30余年，完成1000余次镜面定相操作，证明了拼接镜控制和计量学的长期可靠性。
TMT为确保足够的风载缓解控制带宽，开发了对准与定相系统(APS)并提出基于投影的对准策略，将有效对准复杂度降低约30倍而无显著信息损失。主动控制架构采用分层结构：上层回路使用2772个差分电容式边缘传感器修正镜片段失准，参考状态每2–4周通过APS再标定；下层回路驱动1476个VCA，每镜片段3个，补偿主镜全局活塞—倾斜—翻转误差。为缓解控制—结构相互作用，TMT采用模态降维方法将镜面动力学投影到低阶泽尼克(Zernike)模态，使控制设计聚焦于关键结构动力学。该策略有效抑制30 Hz附近结构共振，将控制设计迭代周期缩短约两个数量级。
ELT采用基于模态分析的控制框架预测镜片段模态响应，并使用SVD分解2394个执行器和4608个边缘传感器之间的交互矩阵。通过调节主导结构模态并迭代驱动系统趋向预定义参考状态，闭环控制器在耦合结构动力学下有效抑制风致振动、结构振荡和传感器噪声（见第4节）。
清明天文台望远镜3.8 m望远镜首个采用花瓣型拼接镜设计，总运动质量18吨，不到3.5 m ARC望远镜的一半。其拼接镜控制系统结合集中控制系统(CCS)和分散控制系统(DCS)。CCS从系统范围测量重建全局镜面状态提供整体反馈，DCS基于局部边缘传感器数据独立调节镜片段活塞和倾斜运动。除PCS外，还纳入激光干涉测量以提高活塞误差感知，尤其在湍流大气条件下。该轻量化控制架构依赖高精度传感器网络（边缘传感器和波前传感器）确保稳定性和鲁棒性。
3.2.2 天基望远镜
相比地基望远镜，天基拼接望远镜受益于显著降低的重力和大气湍流效应，同时不受地理限制。其控制系统集成实时波前感知与镜片段位置和表面调整执行器，在微振动和动态空间环境变化下实现精确共相。显著实例包括拼接镜望远镜(SMT)、JWST和大型紫外/光学/红外巡天望远镜(LUVOIR)。LUVOIR稳态观测控制架构在振动隔离与精确指向系统(VIPPS)内采用非接触接口和多级控制回路确保高精度指向稳定性。该框架具有三个层次协调回路：最内回路用于视线误差控制和估计；中间回路用于载荷姿态控制；外回路用于载荷与航天器间相对运动。
利用快速转向镜、VIPPS非接触执行器和控制力矩陀螺等执行器，该架构有效隔离卫星扰动，实现严格的动态稳定性要求。
4 执行器集成振动隔离方法
基于VCM的双级执行器因其"软"特性和相对高带宽固有地提供一定程度的振动抑制。其主导共振通常在10 Hz左右，处于常规位置控制回路带宽内。因此，标准位置控制器如PID在稳定系统时自然引入有效阻尼，从而衰减共振振动。
如前所述，同样被考虑用于ELT的"硬"PZT执行器在开环运行中具有高被动刚度，非常适合抵抗静载荷。此类设计中，引入附加阻尼回路提供"主动阻尼"，抑制位置控制带宽（约10 Hz）以上的结构共振（通常在40–50 Hz范围）。该振动抑制与位置调节的分离简化了位置回路设计并促进高精度跟踪性能。
4.1 基于阻尼的振动抑制方法
4.1.1 ELT"硬"PACT主动阻尼
虽VCA能够抑制高频扰动，但其固有低被动刚度导致残余低中频扰动以及放大高频线圈噪声。这些效应可采用针对性控制策略处理：低中频扰动由积分器和高带宽滤波器抑制；高频噪声由低通滤波器衰减。
PZT执行器表现出相反行为：即使开环运行也具有高被动刚度。然而，位置控制器对带宽外高频模态权限有限，这些尖锐共振峰即使在位置回路禁用时仍然存在。若未充分阻尼，附近频率的环境激励（如冷却系统或驱动电机引起）可触发执行器—镜组件的强烈共振。这不仅导致定位精度严重退化，还向镜面传递显著振动，直接损害望远镜成像性能。
因此，为最大程度抑制ELT主镜的主导共振模态（PTT），提出四项关键要求：为风扰抑制提供足够动态刚度；确保主镜控制所需的足够闭环带宽；限制振动传递的影响；所有镜片段统一控制器。
刚性执行器固有满足第一项要求。其余考虑传统陷波滤波器和三种主动阻尼方法，PPF策略被选为首选方案。
ELT PPF控制架构显示，内回路为与外层位置控制器C
pos共用位置传感器的PPF阻尼回路。当系统在共振附近振动时，PPF滤波器C
damp调谐至相应共振频率并检测位置信号中的振荡分量。该分量被放大并反馈生成反相力，从而增大模态有效阻尼。该内回路调理抑制共振而无须额外硬件，降低30年生命周期成本和过时的理便利性。外层PID位置回路包裹阻尼后的被控对象；因内回路已"软化"系统并衰减共振，C
pos设计更简单、鲁棒且更易调谐实现高精度跟踪。测试表明40–50 Hz频段内片振动显著降低（倾斜RMS），伴随编码器累积误差的明显减少。此外，该架构还集成多级滤波和增益调整，包括陷波、低通和IIR滤波器以平滑位置信号并抑制噪声。
4.1.2 其他基于阻尼的方法
为提升极端条件下观测性能，大型光学望远镜如机载索菲亚(SOFIA)观测站已纳入调谐质量阻尼器(TMD)和反作用质量执行器(RMA)等振动隔离结构。这些装置被动或主动地产生针对特定模态扰动的阻尼力。通过在望远镜多个位置集成辅助质量—弹簧系统，实现多级振动隔离，与目标振动模态耦合以热耗散能量，有效抑制跨频段振动，实现0.5角秒RMS视线指向稳定性。
Yao等人采用惯性PZT执行器通过反相惯性力缓解悬臂振动，在50、75和100 Hz激励频率下分别实现约53.2%、46%和50.4%的振幅降低。Zhang开发了VCM驱动的主动隔离单元，利用其快速响应、长行程和零刚度构造具有反共振频率的动态吸振器；地面振动速度7 mm/s下，负载振动幅值从4 mm/s降至1.3 mm/s，降低67.5%。类似地，Qin在基于VCM的TMD中应用AF和FF主动阻尼控制器，实现测试点加速度约50%的衰减，FFT分析表明共振峰被抑制至原值的约五分之一。此外，Jiang等人研究了磁流变液作为智能材料用于主动隔离，在三轴随机振动测试中垂直和横向效率均超过90%。双子座行星成像仪在其构成主导振动源的低温冷却器上采用无阻尼可调振动吸振器(TVA)，缓解60 Hz单频扰动，因无阻尼设计对定义明确、稳定的频率提供最大理论抑制效率。
与基于反馈的主动阻尼不同，伺服系统启停冲击的振动抑制可采用前馈策略实现。速度轨迹规划和输入整形等技术修改控制指令以减少激励，而不改变伺服机械结构。
4.2 模态与振动敏感性分析
无论采用基于反馈的主动阻尼还是开环前馈策略，"主动"振动抑制根本上指有目的缓解特定扰动。
振动敏感性分析对理解振动如何传播至波前误差以及指导有效抑制方法至关重要。振动测量平台可快速测量片误差的频率响应，IFFT技术允许推导相应的时域响应，降低多片段、多节点系统复杂度。国内长春光机所Zhou等人开发了力测量平台以检测大规模系统中的复杂耦合扰动。这些平台集成压电和应变传感元件，在动态耦合和高基频条件下实现高精度测量，智能算法提供参数优化和多传感器容错。这些方法为振动抑制、高精度拼接镜系统的集成设计提供了宝贵见解。
ELT执行器设计阶段，开环功率谱密度分析识别了对共相精度有显著影响的扰动频率。为量化振动源影响并细化执行器输入以实现振动缓解，Sedghi等人通过集成ELT及其M1主镜的有限元、控制和光学模型进行了振动敏感性分析。分析涉及以下步骤：利用有限元建模识别振动源（如圆顶环境、M2–M5系统、仪器和电子学）；计算各振动源至片PTT运动的频率响应；推导振动输入至片PTT运动的频率响应矩阵（其大小取决于执行器数量，ELT该数量很大）。
有限元模型实现了振动—PTT频率响应的快速计算。然而，大规模矩阵求逆需要显著计算资源。一旦预计算完成，这些频率响应支持波前误差计算和镜面模态变换等下游过程。利用IFFT，得到时域PTT响应，验证了频率响应分析。
分析还量化了响应的幅值和相位，识别了最振动敏感的源位置和频率。时域仿真确认了频率响应分析的准确性。基于这些发现，制定了缓解振动效应的策略，包括结构优化、高带宽PTT执行器、伺服控制改进和主动振动控制算法（如主动阻尼）以降低波前误差。该振动敏感性分析为针对性振动抑制方法以改善望远镜成像质量提供了宝贵见解。
5 总结与展望
作为主动光学的关键执行组件，双级执行器已越来越多地应用于拼接镜系统的镜面稳定。相比传统缩放单级执行器，它们提供了改善的整体动态性能和更平衡的大行程与高精度矛盾解决方案。虽双级架构固有地引入粗调级和细调级间的解耦挑战，解耦型执行器和双驱型执行器分别通过机械解耦策略和顺序闭环控制策略解决潜在超调和振荡问题。
VCA受益于VCM的高带宽、快速响应和易控性，非常适合补偿高频片振动。相比之下，PZT执行器亦是具吸引力的候选方案。其高被动刚度提供优越的准静态载荷抵抗能力，而主动阻尼技术有效抑制位置控制带宽之外的共振。这些主动方法可优化以针对特定扰动频率或源，定向耗散振动能。Zhou等人开发的力测量平台以及为ELT进行的扰动敏感性分析进一步识别了主导振动模态和扰动路径，为改善振动抑制效率提供了关键指导。
在单执行器层面，详细讨论了边缘传感器的作用。通过测量相邻片段间相对位移并通过适当重构算法实现自由度解耦，边缘传感器为执行器提供参考位置指令。交互矩阵链接传感器测量和执行器指令，而光栅编码器等高精度反馈设备确保定位精度。
在系统层面，挑战转向高维交互矩阵的计算和全局弱可观测模态（如旋转或扭转模态）的处理。地基拼接望远镜主要强调环境激励下的实时多模态解耦和扰动抑制，而天基系统优先采用非接触式振动隔离和层次嵌套控制回路以实现超稳定指向和波前控制。
尽管取得这些进展，双级执行器在宏—微协调、非线性动力学和负载能力可扩展性方面仍面临复杂性能权衡的挑战。为应对这些挑战，未来研究将聚焦若干关键方向：跨尺度协同控制策略——结合模型预测控制与滑模算法等混合策略，有望在实现亚纳米波前误差控制的同时将高频抑制扩展至150 Hz以上，对更动态环境下的运行至关重要；智能材料与结构创新——碳化硅等轻质镜片段将降低总运动质量，直接实现更快的执行器响应、改善指向敏捷性并减少定位所需功率。同时，主动振动隔离将通过将智能材料集成至执行器和支撑结构而演进。磁流变液可用于自适应阻尼器，其刚度和阻尼特性可实时通过磁场调谐，提供针对变化扰动谱的宽带振动抑制。类似地，压电材料不仅作为PZT而且作为健康监测和主动阻尼的嵌入式传感器，将促成更紧凑多功能的"智能"执行器单元；基于人工智能的自适应参数优化——人工智能或深度学习将革新系统标定和维护。基于人工智能的自适应参数优化旨在将初始标定时间从数周缩短至24小时内并实现连续性能适应。此外，人工智能辅助的协同设计将从初始阶段优化机械架构、控制策略和光学性能间的相互作用。
最终，机械设计、智能控制算法和系统级协同设计的更深层次集成，有望推动天文观测能力的进一步突破。
