基于分散结构的电磁弹射系统自律控制研究

论文摘要

电磁弹射器是随着现代海事发展出现的一种用于航母舰载机弹射的装备,对它的研究具有极高的战略意义。目前出现的对电磁弹射器研究的资料表明,电磁弹射器的硬件和控制模式都采用直接数字控制(DDC)模式。这种控制模式的缺点主要体现在可靠性和实时性不够好。而电磁弹射器特殊的应用环境又决定它对上述性能要求非常苛刻。同时,DDC模式还对大功率电源和电力系统提出了更高的要求,要求集中充电和集中馈电,对电网和电源的制造都是很高的挑战,也提高了成本。自律分散系统在系统容错性、在线维护性上具有很大优势。同时分散系统还允许电网对被控对象进行分布馈电,可以降低对电源和电网的功率要求。目前为止,世界上还没有出现利用自律分散技术对超大功率电机进行控制的科研成果。本课题研究的目的就是,针对电磁弹射器的要求,研究一种分散式自律的控制体系结构和相应的算法,实现对超大功率电机分散结构自律控制的初步理论探讨。在本文中,作者分析了电磁弹射系统自律分散控制模型的体系结构,并给出了四种基于这种构架之上的分散式系统模型。同时,还研究了分散体系中控制节点之间的协调与协作方式,并通过不同的协调方法设计了网络的协调方案。作者给出了电磁弹射系统的故障模型,并针对这些故障模型给出了一种构造系统容错性的空间冗余方案。在此基础上,作者提出了一种针对实验模型的分散结构自律控制算法,并给出了优化方法,同时还对这种算法进行了容错性设计。这部分的内容是本课题研究的核心,也是本课题研究做出的最主要的理论贡献。最后,通过系统实验平台的实验,验证了本课题提出的自律控制方法的有效性,并通过分析,论证了系统的容错性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 导言
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 航母弹射器的作用及演变历程
• 1.1.2 电磁弹射系统的发展现状
• 1.2 自律分散系统概述
• 1.2.1 产生的背景
• 1.2.2 概念与定义
• 1.3 课题研究的目的和意义
• 1.4 课题来源及主要研究内容
• 第2章 电磁弹射系统自律分散控制模型的体系结构
• 2.1 分散式控制模型体系结构
• 2.2 分散体系中子系统的协调与协作
• 2.3 分散式控制模型网络结构
• 2.3.1 网络拓扑结构
• 2.3.2 分散式结构与其他控制模型结构的对比
• 2.3.3 网络通信方案的设计
• 2.4 系统软件结构
• 2.5 故障模型和基于冗余的故障屏蔽
• 2.5.1 故障模型
• 2.5.2 基于冗余的故障屏蔽
• 2.6 本章小结
• 第3章 分散结构自律控制算法的设计与优化
• 3.1 分散式控制模式下的电机数学模型推导
• 3.1.1 旋转电机数学模型
• 3.1.2 直线电机数学模型
• 3.2 从矢量控制到自律分散控制
• 3.2.1 PMSM的矢量控制方法
• 3.2.2 矢量在坐标系之间的变换
• 3.2.3 磁场定向控制的启发
• 3.3 自律控制算法的设计与优化
• 3.3.1 三相分散模型矢量控制的实现
• 3.3.2 单线圈自律控制方式下矢量控制的实现
• 3.3.3 电流回路控制
• 3.3.4 算法优化设计
• 3.4 容错性设计
• 3.4.1 系统可靠性分析
• 3.4.2 空间冗余的软件实现
• 3.5 本章小结
• 第4章 系统实验平台的搭建及性能分析
• 4.1 模型系统电机的改造
• 4.2 角位移传感器的选择和运用
• 4.3 节点控制器的设计
• 4.3.1 节点控制器的总体设计
• 4.3.2 MCU选型及资源分配
• 4.3.3 驱动电路设计
• 4.4 模型系统构造结果
• 4.5 实验结果及系统性能分析
• 4.5.1 单线圈电流控制实验结果
• 4.5.2 容错功能的实现
• 4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录1：主控电路原理图
• 附录2：自律控制算法部分程序
• 致谢