基于单神经元的望远镜伺服控制系统研究

论文摘要

大型光电望远镜是集光、机、电于一身的综合系统，在研究星系分布，探索宇宙等方面发挥着日益重要的作用。转台伺服控制系统是它的重要组成部分，伺服系统性能的好坏直接影响到望远镜的性能，特别是伺服系统的精度会直接影响望远镜的探测精度。随着时代的进步，科技的发展，光电望远镜对其转台伺服控制系统提出了更高的要求。为满足大型望远镜空间目标探测和天文研究对其伺服控制系统集成化、模块化和高精度的要求，本文利用Actel公司的Fusion系列FPGA设计了大型光电望远镜伺服控制器，并采用单神经元PID控制算法实现了伺服控制系统的控制功能。首先，本文研究了伺服控制算法，PID控制算法简单，应用广泛，但是控制参数难以整定；单神经元作为构成神经网络的基本单位，具有自学习和自适应能力，可以在线实时整定参数，因此文中结合了PID控制算法和单神经元的优点，引入了单神经元自适应PID控制算法，并进行了MATLAB仿真。结果表明，单神经元PID控制算法可以很快找到PID控制参数，获得较好的控制效果。其次，本文介绍了望远镜转台伺服控制系统的组成，重点介绍了伺服控制器的设计方案，并运用Verilog HDL设计输入方法，将整个系统划分为特定功能模块进行优化设计，详细介绍了编码器反馈信号采集与处理，控制算法实现，PWM波生成，LCD显示以及与上位机通信等模块的设计方法和实现步骤。最后，在所设计的伺服控制器上实现单神经元PID控制算法，对实际伺服控制系统进行实验研究。实验结果与传统PID控制算法对比表明，单神经元PID控制算法优于传统PID控制算法，具有较好的适应性和较高的控制精度，满足望远镜转台伺服控制系统功能要求。本文所设计的基于单神经元的望远镜伺服控制器结构简单，集成度高，可靠性好且易于升级，满足望远镜对其伺服控制系统提出的高要求，而且采用硬件方式实现了单神经元PID控制算法，既改善了常规PID算法的控制性能，又达到了实时控制的要求，为伺服控制领域以硬件方式实现智能控制算法创造了条件。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 转台简介
• 1.3 伺服控制器的发展历程
• 1.3.1 伺服控制器硬件发展
• 1.3.2 伺服控制算法
• 1.4 论文的主要研究内容
• 第2章 伺服控制算法及仿真
• 2.1 PID 控制
• 2.1.1 位置式 PID 控制算法
• 2.1.2 增量式 PID 控制算法
• 2.2 基于单神经元的 PID 智能控制
• 2.2.1 单神经元模型简介
• 2.2.2 几种典型的学习规则
• 2.2.3 单神经元自适应 PID 控制
• 2.2.4 改进的单神经元自适应 PID 控制
• 2.2.5 仿真实例
• 2.3 小结
• 第3章 伺服控制系统设计
• 3.1 伺服控制系统简介
• 3.1.1 伺服控制系统组成
• 3.1.2 伺服控制系统性能要求
• 3.2 控制器各功能模块在 FPGA 上的实现
• 3.2.1 时钟信号产生模块
• 3.2.2 串口通信模块
• 3.2.3 LCD 液晶显示模块
• 3.2.4 PWM 波生成模块
• 3.2.5 整数除法模块
• 3.2.6 编码器信号处理模块
• 3.2.7 PID 控制算法模块
• 3.2.8 正弦波产生模块
• 3.3 小结
• 第4章 单神经元自适应 PID 控制器设计
• 4.1 浮点数基础
• 4.2 浮点数运算单元的设计
• 4.2.1 浮点加法/减法运算单元的设计
• 4.2.2 浮点乘法、除法运算单元的设计
• 4.2.3 二进制浮点数与十进制浮点数相互转换电路的设计
• 4.3 单神经元自适应 PID 算法在 FPGA 上的实现
• 4.4 小结
• 第5章 实验结果
• 5.1 实验条件
• 5.2 实验结果
• 5.3 小结
• 第6章 结论
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 在学期间学术成果情况
• 指导教师及作者简介
• 致谢