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斜轴稳定平台运动系统设计

作　者: 黄玉珠
导　师: 曹健
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 斜轴稳定平台无刷直流力矩电机位置控制仿真分析
分类号: TP242.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
下　载: 47次
引　用: 1次
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内容摘要

稳定平台系统是具有重要国防战略意义和经济价值的实物设备,其性能的优劣直接关系到雷达搜索目标的准确度。随着科技的不断发展,对船舶用稳定平台的性能要求不断提高。在此背景下,本文对基于“斜轴式”结构的稳定平台进行了结构设计、运动建模和运动学、速度、加速度分析,并对位置控制系统进行了研究,这种新颖形式的稳定平台系统对船载雷达扫描目标具有十分重要的现实意义。在对“并联式”、“十字轴式”和“斜轴式”的结构进行了分析比较之后,本文选用了“斜轴式”结构,控制系统采用了电流—速度—位置式的位置随动系统。随着电力电子技术的不断进步,使得无刷直流力矩电机的控制技术有了显著提高,并且在许多高性能伺服控制场合得到广泛的应用,从而为研制稳定平台提供了技术上的可行性。据此,本文提出了采用无刷直流力矩电机驱动的方案,并对斜轴稳定平台系统的进行了相关研究。通过对斜轴稳定平台系统技术要求进行分析,完成斜轴稳定平台系统总体设计。根据D-H参数法进行模型坐标系的建立及各个坐标系间的旋转变换矩阵的表示,在此基础上进行了运动学的分析,并对关节的操作空间、关节空间、速度和加速度以及首摇角进行了计算,从而验证了方案的可行性并为后期的控制系统研究提供了理论依据。建立了斜轴稳定平台位置控制系统的数学模型,为深入分析稳定平台控制系统性能奠定了基础。通过对电流环、速度环和位置环调节器的参数设计,研究了PID控制策略。在数学模型的基础上,分析了位置控制系统的稳定性,详细探讨了系统的稳态误差和静态误差对位置控制精度的影响。论文在数字PID控制方案的基础上,引入微分前馈和干扰补偿结构形成复合控制系统。充分利用反馈和前馈的优势,对稳定平台位置控制系统进行仿真研究。基于结构不变性原理分析了前馈调节器,并给出调节器的工程设计准则,为斜轴稳定平台控制系统设计提供了的理论依据。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章绪论  10-17
  1.1 稳定平台概述  10-12
    1.1.1 开展稳定平台研究的背景及意义  10-11
    1.1.2 国内外发展现状  11-12
  1.2 稳定平台伺服控制技术介绍  12-15
    1.2.1 驱动方式选择  12-13
    1.2.2 控制电机的比较  13-15
  1.3 斜轴式结构理论的应用  15-16
  1.4 论文的主要研究工作  16-17
第2章斜轴稳定平台的设计  17-26
  2.1 引言  17
  2.2 技术指标  17
  2.3 稳定平台结构设计方案分析  17-21
    2.3.1 结构设计方案  17-21
    2.3.2 方案确定  21
  2.4 稳定平台控制系统方案设计  21-25
    2.4.1 位置控制系统的组成  22-23
    2.4.2 控制电机的选用  23
    2.4.3 电机驱动系统设计  23-24
    2.4.4 稳定平台测角元件与控制元件的选用  24-25
  2.5 本章小结  25-26
第3章斜轴稳定平台运动学分析  26-40
  3.1 引言  26
  3.2 运动学正解的矩阵表示和结果分析  26-34
    3.2.1 机械手的手部姿态和位姿的表示  26-28
    3.2.2 稳定平台结构模型的建立  28-29
    3.2.3 运动学正解  29-31
    3.2.4 操作空间  31-34
  3.3 运动学逆解的矩阵表示和结果分析  34-37
    3.3.1 运动学逆解  34-35
    3.3.2 关节空间  35-37
  3.4 稳定平台首摇角的计算  37-38
    3.4.1 平台首摇角表示  37-38
    3.4.2 平台首摇角计算  38
  3.5 本章小结  38-40
第4章斜轴稳定平台速度和加速度分析  40-48
  4.1 引言  40
  4.2 关节速度计算  40-42
    4.2.1 雅可比矩阵  40
    4.2.2 关节速度求解  40-41
    4.2.3 关节速度轨迹  41-42
  4.3 关节加速度计算  42-44
    4.3.1 关节加速度求解  42-43
    4.3.2 关节加速度轨迹  43-44
  4.4 关节速度的优化  44-46
    4.4.1 优化的理论基础  44-46
    4.4.2 速度优化  46
  4.5 本章小结  46-48
第5章斜轴稳定平台控制系统建模与仿真  48-79
  5.1 引言  48-49
  5.2 斜轴稳定平台伺服系统数学模型的建立与分析  49-57
    5.2.1 无刷直流力矩电机的数学模型  49-55
    5.2.2 无刷直流力矩电机驱动器的数学模型  55-56
    5.2.3 光电码盘的数学模型  56
    5.2.4 电流和速度传感器的数学模型  56
    5.2.5 稳定平台位置控制系统数学模型的建立  56-57
  5.3 斜轴稳定平台控制策略的研究  57-60
    5.3.1 PID 调节器原理  57-58
    5.3.2 常用的数字PID 控制算法  58-60
    5.3.3 PID 调节器参数的整定  60
  5.4 伺服系统数学模型及参数整定  60-68
    5.4.1 电流环的分析及调节器设计  62-63
    5.4.2 速度环的分析及调节器设计  63-64
    5.4.3 位置环的分析及调节器设计  64-65
    5.4.4 位置控制系统的稳定性分析  65-67
    5.4.5 位置控制系统的精度分析  67-68
  5.5 斜轴稳定平台位置控制系统的仿真研究  68-71
    5.5.1 阶跃信号响应仿真  68
    5.5.2 斜坡信号响应仿真  68-69
    5.5.3 正弦信号响应仿真  69-70
    5.5.4 斜轴稳定平台系统正逆解验算仿真  70-71
  5.6 位置控制系统控制算法的改进  71-77
    5.6.1 PID 控制算法的改进  71-73
    5.6.2 复合控制策略的引用  73-77
  5.7 本章小结  77-79
结论  79-81
参考文献  81-86
攻读学位期间发表的学术论文  86-88
致谢  88

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