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基于嵌入式技术的磁悬浮寻北仪控制系统设计

作　者: 孙季东
导　师: 段广仁；王子华
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 磁悬浮轴承 VC/MFC DSP-CPLD 模糊PID 协同进化
分类号: TP273.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 42次
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内容摘要

主动磁悬浮轴承是一种利用电磁力将转子悬浮于空间,不需要任何介质而实现承载的非接触式支承装置。我们将其引入了摆式寻北仪,以减小轴系的摩擦,提高寻北精度,这种基于磁悬浮技术的寻北系统称为磁悬浮寻北仪。按照功能划分,可将磁悬浮寻北仪分为控制系统和寻北系统。其中控制系统的作用是使磁悬浮轴承转子稳定悬浮,为整个系统提供可靠的轴系。本文中使用DSP和CPLD设计了磁悬浮寻北仪控制系统的嵌入式控制器,实现对磁悬浮轴承的实时控制,为寻北系统的正常工作奠定基础。同时,为了弥补嵌入式控制器功能上的不足,在Visual C++ 6.0中,使用MFC应用程序框架,开发了磁悬浮寻北仪的上位机系统,作为在线监控和离线分析的平台。另一方面,针对常规PID的不足,本文研究了磁悬浮轴承的模糊PID控制器。但是模糊PID控制器的规则表和比例因子往往靠人工经验整定,缺乏科学性。为此本文改进了传统的协同进化算法,并将其应用于模糊PID控制器的寻优上。同时,将优化得到的模糊PID控制器在Matlab中进行了仿真研究。最后,使用dSPACE设计了磁悬浮寻北仪的数字PID控制器,并将其移植到DSP控制板中,在上位机系统的配合下,对整个控制系统进行了整体调试,最终获得成功,在陀螺转速为22000 r/min时,依然可以控制磁悬浮轴承转子稳定悬浮。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-12
  1.1 课题背景  9
  1.2 磁悬浮技术的发展及现状  9-10
  1.3 论文的研究内容及章节安排  10-12
第2章上位机软件系统设计  12-34
  2.1 需求分析  12-13
  2.2 概要设计  13-15
  2.3 详细设计  15-29
    2.3.1 总体设计  15-19
    2.3.2 接口模块  19-23
    2.3.3 数据处理模块  23-26
    2.3.4 显示模块  26-29
  2.4 最终实现  29-33
  2.5 本章小结  33-34
第3章基于DSP 的控制板设计  34-61
  3.1 总体设计  34-35
  3.2 器件的选择  35-40
    3.2.1 处理器  35-36
    3.2.2 AD 转换器  36-37
    3.2.3 DA 转换器  37-38
    3.2.4 CPLD 器件  38-39
    3.2.5 其他器件  39-40
  3.3 硬件设计  40-45
    3.3.1 最小系统设计  40-42
    3.3.2 CPLD 引脚连接设计  42-43
    3.3.3 AD/DA 电路设计  43-44
    3.3.4 串口电路设计  44-45
    3.3.5 抗干扰设计  45
  3.4 CPLD 程序设计  45-53
    3.4.1 总体设计  46-48
    3.4.2 FIFO 设计  48-50
    3.4.3 DA 接口设计  50-52
    3.4.4 CPLD 程序仿真  52-53
  3.5 DSP 软件设计  53-58
    3.5.1 主函数  53-55
    3.5.2 数据采集  55-57
    3.5.3 串口通讯  57-58
    3.5.4 数字PID 的实现及DA 转换  58
  3.6 控制板单板测试  58-60
  3.7 本章小结  60-61
第4章基于改进协同进化算法的模糊PID 参数寻优  61-83
  4.1 增益调整型自整定模糊PID  61-62
  4.2 遗传算法及基于共生机制的协同进化算法  62-64
  4.3 一种改进的基于共生机制的协同进化算法  64-68
    4.3.1 物种对环境的反作用机制  65-68
    4.3.2 子种群机制  68
  4.4 基于改进协同进化算法的模糊PID 参数寻优  68-76
    4.4.1 问题分解及改进协同进化算法参数的选择  68-70
    4.4.2 模糊推理的设计  70-71
    4.4.3 进化算法参数设定  71-76
  4.5 基于Simulink/Matlab 的算法实现与仿真结果  76-82
    4.5.1 m 文件与Simulink 混合编程  76-78
    4.5.2 基于Simulink 的系统模型  78-79
    4.5.3 寻优结果仿真  79-81
    4.5.4 改进协同进化算法性能分析  81-82
  4.6 本章小结  82-83
第5章整体调试  83-89
  5.1 磁悬浮寻北仪控制系统组成  83-85
  5.2 基于dSPACE 的数字PID 控制器设计  85-87
  5.3 嵌入式磁悬浮寻北仪控制系统调试  87-88
  5.4 本章小结  88-89
结论  89-90
参考文献  90-94
致谢  94

基于嵌入式技术的磁悬浮寻北仪控制系统设计

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