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一种基于开关电磁阀的气动比例舵机研究

作 者: 张军昌
导 师: 肖凯;曹国武
学 校: 国防科学技术大学
专 业: 航天工程
关键词: 气动舵机 电磁阀 PID控制 滑模控制
分类号: U664.36
类 型: 硕士论文
年 份: 2011年
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内容摘要


本文分析了基于开关电磁阀的气动比例舵机的组成及工作原理,借助于电磁学、气压动力学和气压伺服的相关理论,建立了电磁阀数学模型、气缸流量方程、气缸两腔的压力方程等系统动态特性方程,并对其进行了线性化,同时结合实验确立了系统控制对象——阀控缸的传递函数。基于阀控缸控制对象,分别设计了PI、PID控制器和基于指数趋近率的连续及离散滑模变结构控制器。在simulink中,搭建了采用以上不同控制策略的系统仿真模型,分别对舵机系统进行了阶跃响应和正弦波带宽响应仿真,通过对仿真得到的超调量、调节时间、带宽等指标的对比,仿真结果表明:以上控制律都能达到系统指标,采用滑模控制律比采用PI和PID控制律的控制效果更好。在系统控制律的实现上,课题设计了基于PIC16F877单片机的数字PID控制算法软件程序,并设计和制作了相应的外围硬件配套电路。同时对舵机样机进行了时域、频域响应测试,试验结果表明:设计的数字PID控制器能满足系统的要求,控制系统在快速性和稳定性上均能达到指标要求,这为将来工程项目的立项研究提供了积极的参考意义。

全文目录


摘要  11-12
ABSTRACT  12-13
第一章 绪论  13-20
  1.1 课题的研究背景和发展现状  13-15
    1.1.1 课题的研究背景  13
    1.1.2 舵机的发展现状  13-15
  1.2 气动伺服技术简介  15-17
    1.2.1 气动伺服系统的组成和分类  15-16
    1.2.2 气动伺服控制系统的发展和现状  16-17
  1.3 舵机设计要求和技术指标  17-18
  1.4 本课题的主要研究工作  18-20
第二章 气动比例舵机组成与原理概述  20-27
  2.1 气动比例舵机系统方案  20-22
    2.1.1 基于开关阀的气动比例舵机组成  20-21
    2.1.2 脉宽调制(PWM)控制  21-22
      2.1.2.1 脉宽调制(PWM)技术简介  21
      2.1.2.2 PWM 工作原理  21-22
      2.1.2.3 脉宽调制信号的产生  22
  2.2 气动比例舵机系统设计及工作原理  22-25
    2.2.1 气动比例舵机系统设计  22-24
    2.2.2 舵机工作原理  24-25
  2.3 与bang-bang 舵机性能比较  25-27
第三章 气动比例舵机系统建模  27-43
  3.1 阀控缸环节  28-40
    3.1.1 PWM 数学模型  28
    3.1.2 舵机驱动器数学模型  28
    3.1.3 开关电磁阀数学模型  28-32
      3.1.3.1 电压平衡方程  29
      3.1.3.2 电磁吸力方程  29-30
      3.1.3.3 衔铁力平衡方程  30
      3.1.3.4 阀芯的运动分析  30-32
    3.1.4 气缸数学模型  32-38
      3.1.4.1 气缸的流量方程  32-34
      3.1.4.2 气阀的压力流量特性  34-36
      3.1.4.3 气缸两腔的压力方程  36-37
      3.1.4.4 气缸摩擦力模型  37-38
    3.1.5 阀控缸环节传递函数  38-40
  3.2 传动组件环节  40-41
  3.3 反馈电位计环节  41-42
  3.4 舵机系统方框图  42-43
第四章 PID 控制及控制器设计  43-57
  4.1 PID 控制器的基本结构  43-45
    4.1.1 PID 控制器参数对控制性能的影响  44-45
    4.1.2 控制规律的选择  45
  4.2 数字PID 控制算法  45-47
  4.3 数字PID 控制器参数选择及滤波  47-49
    4.3.1 数字PID 控制器的参数整定  47-48
    4.3.2 数字PID 控制器采样周期选择  48
    4.3.3 数字PID 控制器滤波方法  48-49
  4.4 控制器的单片机实现  49-57
    4.4.1 PIC16F877 单片机性能特点  50-51
    4.4.2 控制器硬件电路设计  51-53
      4.4.2.1 求差与A/D 采样电路  51
      4.4.2.2 单片机通信电路  51-53
    4.4.3 控制器软件设计  53-57
      4.4.3.1 采样周期的选择  53
      4.4.3.2 A/D 转换  53-54
      4.4.3.3 PWM 输出的实现  54-55
      4.4.3.4 程序软件设计  55-57
第五章 系统滑模变结构控制及控制器设计  57-70
  5.1 滑模变结构控制的基本特性  57-61
    5.1.1 滑模变结构控制的基本问题  57-58
    5.1.2 滑模控制的动态品质  58-59
    5.1.3 滑模控制的抖振问题  59
    5.1.4 滑模控制对干扰及摄动的不变性  59-61
  5.2 滑模变结构控制设计  61-65
    5.2.1 线性系统的连续滑模控制  61-64
      5.2.1.1 连续滑模控制切换函数s ( x ) 的设计  61-62
      5.2.1.2 连续滑模控制输入u ( x ) 的设计  62-64
    5.2.2 线性系统的离散滑模控制  64-65
      5.2.2.1 离散滑模切换函数s ( k ) 的设计  64
      5.2.2.2 离散滑模控制输入u ( k ) 的设计的设计  64-65
  5.3 阀控缸系统滑模控制实现  65-68
    5.3.1 阀控缸的连续滑模控制实现  65-67
    5.3.2 阀控缸的离散滑模控制实现  67-68
  5.4 系统干扰及参数摄动性分析  68-70
    5.4.1 系统干扰性分析  68-69
    5.4.2 系统参数摄动性分析  69-70
第六章 系统仿真与试验  70-86
  6.1 系统Simulink 仿真及分析  70-78
    6.1.1 Simulink 简介  70
    6.1.2 系统Simulink 仿真  70-77
      6.1.2.1 采用PI 控制律的系统Simulink 仿真  71-73
      6.1.2.2 采用PID 控制律的系统Simulink 仿真  73-74
      6.1.2.3 采用连续滑模控制律的系统Simulink 仿真  74-75
      6.1.2.4 采用离散滑模控制律的系统Simulink 仿真  75-77
    6.1.3 仿真结果分析  77-78
  6.2 系统试验测试  78-83
    6.2.1 试验测试目的  78
    6.2.2 系统时域响应测试  78-81
    6.2.3 系统频域响应测试  81-83
      6.2.3.1 频域响应测试原理  81
      6.2.3.2 舵机测试系统简介  81-82
      6.2.3.3 舵机频域响应测试  82-83
  6.3 舵机传递函数辨识及验证  83-86
    6.3.1 舵机传递函数辨识  83-84
    6.3.2 试验测试及验证  84-86
结束语  86-88
致谢  88-89
参考文献  89-92
作者在学期间取得的学术成果  92-93
附录A 附录A 题目  93-94
附录 B 附录 B 题目  94

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中图分类: > 交通运输 > 水路运输 > 船舶工程 > 船舶机械 > 船舶推进装置 >
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