基于激光束稳定技术的教学控制平台开发

论文摘要

激光束稳定技术被广泛的运用于飞行器的目标定位、监视和基于激光的空间自由通信领域。其中目标定位是激光束稳定技术的典型应用。在大多数情况下,目标的位置会随着时间不断变化,这就要求激光束能够快速准确的跟踪目标。为了模拟这种跟踪过程,本文介绍了一个激光跟踪控制系统的开发过程。在分析了相关文献的基础上,首先设计了控制平台的机械结构,并对控制系统进行了实时分析。按照实时分析的结果,确定了控制系统的基本要求和组成系统的合适的元件。例如传感器、执行机构、控制模块等。利用这些元件,组成了一个闭环控制系统。然后介绍了传感器的工作原理,设计了传感器的信号采集电路。随后又设计了控制模块和执行机构之间的驱动电路并且说明了电路的驱动原理。在完成外围电路的设计后,又对型号为PIC16F877A的单片机做了介绍,其中着重详细阐述了单片机内置的A/D转换模块和PWM输出模块的工作原理,并给出了在单片机内部实现A/D转换和PWM输出的程序流程图。本文的后半部分主要分析了音圈电机的工作特性,推导了其数学模型。由于音圈电机的数学模型是一个典型的二阶系统,所以选择了PV控制器作为主要的控制器。为了验证控制平台设计的合理性,进行了跟踪控制实验。因为音圈电机启动需要一个不为零的启动电压,所以首先选择PV和滑模组合控制器对控制平台进行实验,实验发现在PV和滑模联合控制的情况下,跟踪控制的效果并不令人满意。随后引进了预测控制算法和模糊逻辑控制算法代替滑模控制算法重新进行实验,实验结果表明控制效果良好,能够满足跟踪控制的速度和精度要求。最后,通过对比QUANSER公司的产品,介绍了将来需要做的工作。

论文目录

• ABSTRACT
• 摘要
• ACKNOWLEDGEMENTS
• NOMENCLATURE
• LIST OF TABLES
• LIST OF FIGURES
• CHAPTER 1 Introduction
• 1.1 Background
• 1.2 Statement of objectives
• 1.3 Significance
• CHAPTER 2 Analysis of Correlative Research
• CHAPTER 3 Layout of the System
• 3.1 Design of mechanical framework
• 3.2 Working principle of the system
• 3.3 Real-time analysis
• 3.4 Brief summary
• CHAPTER 4 Design of Hardware
• 4.1 Design of signal acquisition circuit of PSD
• 4.1.1 Introduction of PSD
• 4.1.2 Design of circuit for signal acquisition of PSD
• 4.2 Design of drive circuit
• 4.2.1 Driving principle of PWM
• 4.2.2 Introduction of L298N
• 4.2.3 Design of drive circuit utilizing PIC16F877A
• 4.3 Design of control module
• 4.3.1 Introduction of PIC16F877A
• 4.3.2 Introduction of ADC module in PIC16F877A
• 4.3.3 Introduction of PWM module in PIC16F877A
• 4.3.4 Working principle of control module
• 4.4 Brief summary
• CHAPTER 5 Design of Controller
• 5.1 Transfer function of the platform
• 5.1.1 Introduction of the voice coil actuator
• 5.1.2 Rotary voice coil actuator
• 5.1.3 Mathematical model of the rotary voice coil actuator
• 5.1.4 Amplifier selection
• 5.2 Control strategy of the system
• 5.3 Design of controller
• 5.3.1 Design of PD controller
• 5.3.2 Design of Sliding Mode controller
• 5.4 Brief summary
• CHAPTER 6 Tracking Control Experiments
• 6.1 Experiment of PV and Sliding Mode Control
• 6.2 Analysis of experimental result
• 6.3 Improve the control strategy
• 6.3.1 Introduction of Predictive Control Algorithm
• 6.3.2 Introduction of Fuzzy Logic Control
• 6.3.3 Design of Fuzzy Logic controller
• 6.4 Tracking control experiment after improving control strategy
• 6.5 Brief summary
• CHAPTER 7 Conclusion and Future Work
• 7.1 Main Work
• 7.2 Comparison with Quanser’s Product
• 7.3 Future Work
• REFERENCES
• 攻读学位期间发表的学术论文