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基于模糊整定PID的海浪运动模拟试验台控制系统设计

作　者: 路向明
导　师: 陈兴林
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 海浪运动模拟试验台 LuGre摩擦模型模糊整定PID控制 CPLD
分类号: TP273.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

仿真转台是惯性导航系统中的关键测试设备,用来真实复现测试设备的运动情况,它的性能优劣直接关系到仿真和测试实验的可靠性和置信度,是保证航空、航天和航海产品武器精度的基础,对国防事业发展有着重要的意义。本文介绍了实际工程项目海浪运动模拟试验台控制系统的设计与实现。首先,本文介绍了课题的来源及研究目的意义,在查阅大量相关文献的基础上,了解了国内外仿真转台的发展历程及现阶段的研究概况。针对工程要求及系统的特殊性,本文给出了海浪运动模拟试验台控制系统的组成,各部件的参数性能以及总体的控制思想,系统使用优化的PID数字控制算法以及工控机、智能伺服控制卡和模拟控制卡的三级控制结构,采用了电流闭环、速度闭环和位置闭环相结合的控制方案,来保证系统良好的控制性能。其次,本文论述了系统的驱动元件——无刷直流伺服电动机的工作原理及其特性,建立了电机理想的数学模型,分析了控制对象的不确定性干扰因素,针对LuGre摩擦力矩干扰,系统参数摄动等非线性干扰对模拟试验台控制系统的影响,提出了海浪运动模拟试验台系统的模糊整定PID控制器设计思想。仿真结果表明,模糊自整定PID控制器克服了摩擦力矩干扰以及转动惯量摄动对仿真转台的影响,实现了转台转角的精确控制,满足了高精度飞行仿真转台系统的控制要求。再次,本文设计了控制系统的工程实现方案,智能伺服控制卡,模拟控制卡和联合通信控制卡,给出了智能伺服控制卡,模拟控制卡和联合通信控制卡的详细硬件实现过程及功能介绍,并编制了相应的控制软件。由工程需要,对系统的电磁兼容性与可靠性问题进行了分析,提出了降低电磁干扰及提高系统可靠性的措施和方法。最后,本文通过对海浪运动模拟试验台进行实物操作,得到试验台纵摇、横摇和艏摇的各种运动数据,绘制出运动曲线,测量并计算出控制系统的误差精度。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章绪论  10-17
  1.1 课题来源及研究的目的和意义  10-11
    1.1.1 课题来源  10
    1.1.2 课题研究目的和意义  10-11
  1.2 转台发展概述  11-13
    1.2.1 国外发展状况  11-12
    1.2.2 国内发展状况  12-13
  1.3 转台研制中的主要问题  13-15
  1.4 系统非线性干扰与模糊控制理论  15-16
  1.5 论文主要内容  16-17
第2章海浪运动模拟试验台控制系统总体设计  17-27
  2.1 引言  17
  2.2 海浪运动模拟试验台控制系统组成  17-18
  2.3 海浪运动模拟试验台控制系统部件选择  18-20
    2.3.1 驱动部件  18-20
    2.3.2 测角元件  20
    2.3.3 控制器  20
  2.4 海浪运动模拟试验台控制系统设计  20-26
    2.4.1 控制系统总体控制方案  20-22
    2.4.2 控制系统的总体控制结构  22-23
    2.4.3 海浪运动模拟试验台系统控制器设计  23-26
  2.5 本章小结  26-27
第3章基于模糊整定PID的模拟试验台控制器设计  27-48
  3.1 引言  27
  3.2 海浪运动模拟试验台数学模型及模型不确定性分析  27-32
    3.2.1 控制对象数学模型  27-29
    3.2.2 模型不确定性分析  29-32
  3.3 摩擦现象分析与建模  32-38
    3.3.1 摩擦现象描述  32-33
    3.3.2 摩擦模型的建立  33-35
    3.3.3 带有摩擦力矩的伺服系统模型  35-36
    3.3.4 摩擦力矩对系统稳定性能影响分析  36-38
  3.4 基于模糊整定PID理论的控制器设计  38-43
    3.4.1 模糊控制的基本原理  38-41
    3.4.2 模糊自适应整定PID控制  41-43
  3.5 控制系统仿真  43-47
    3.5.1 基于LuGre摩擦模型的PID控制仿真  43-44
    3.5.2 基于LuGre摩擦模型的模糊整定PID控制仿真  44-47
  3.6 本章小结  47-48
第4章海浪运动模拟试验台控制系统工程实现  48-72
  4.1 引言  48
  4.2 基于AT89C55WD及CPLD的智能伺服控制卡设计与实现  48-59
    4.2.1 智能伺服控制卡总体功能介绍  48-49
    4.2.2 智能伺服控制卡上控制器设计实现  49-51
    4.2.3 智能伺服控制卡上CPLD模块功能实现  51-56
    4.2.4 智能伺服控制卡其它部分功能实现  56-59
  4.3 模拟控制卡的设计与实现  59-62
  4.4 联合通信控制卡设计与实现  62-64
  4.5 控制系统的软件设计与实现  64-69
    4.5.1 智能伺服控制卡的软件设计  65-67
    4.5.2 上位机的软件设计  67-68
    4.5.3 下位机的软件设计  68-69
  4.6 控制系统电磁兼容性及可靠性设计  69-71
    4.6.1 系统整体的电磁兼容性及可靠性设计  69-70
    4.6.2 印刷电路板的抗干扰与电磁兼容性设计  70-71
  4.7 本章小结  71-72
第5章三轴仿真试验台实物测试结果  72-76
  5.1 引言  72
  5.2 单轴运动的实物测试曲线  72-74
  5.3 三轴复合运动的实物测试曲线  74-75
    5.3.1 三轴依次运动的实物测试曲线  74-75
    5.3.2 三轴同时运动的实物测试曲线  75
  5.4 本章小结  75-76
结论  76-77
参考文献  77-81
攻读学位期间发表的学术论文  81-83
致谢  83

基于模糊整定PID的海浪运动模拟试验台控制系统设计

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