单轴测试转台控制系统设计

论文摘要

本文以单轴测试转台为研究背景,在深入分析了采用增量码盘的测角方案与原理的基础上,进行了基于PC/104的转台速率、位置及摇摆控制系统的设计,实现了整个转台控制系统的全数字化方案。本文首先根据转台系统性能指标要求和实际情况,采用了码盘信号电子细分的测角方案,从总体上论述了转台的机械组成、控制系统主要元器件及其选择原则,并建立了相关元件的数学模型。着重研究了系统驱动电机、测角反馈元件和功放的选择原则及其数学模型的建立。其次,针对本单轴转台控制系统动态指标要求,本文着重进行了以PC/104嵌入式计算机为控制核心的控制系统设计。基于数学模型,用经典控制策略对转台系统进行的校正设计,并进行仿真测试。结果表明,经典PID对具有精确数学模型的物理对象能有效地控制,且当对象为非线性时控制效果仍然良好。为了能满足转台低速运行时具有较高的控制精度和静态、动态性能。本文充分结合神经网络和反馈控制的各自优势,提出了一种基于神经网络的PID控制器结构。将经典PID控制器与神经网络相结合,不仅保持了传统PID控制器原理简单、调节方便的特点,又充分利用了神经网络对非线性和时变性的适应能力,为高性能转台的研制提供了有利的尝试。最后,本文完成了本单轴测试转台控制系统的工程实现,包括硬件电路各组成模块的功能介绍及实现方式,重点论述了电机驱动电路、测角电路的设计及控制系统软件的实现。通过理论分析、计算机仿真试验,充分证明了本文提出的基于神经网络PID控制算法的有效性。这对于今后伺服控制系统的设计无疑是一个有价值的参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外研究现状及分析
• 1.2.1 国外转台的发展概况
• 1.2.2 国内转台的研究概况
• 1.2.3 转台研究的发展趋势
• 1.3 本文主要研究内容
• 第2章 转台总体设计方案及控制系统建模
• 2.1 转台的技术要求及机械结构设计
• 2.1.1 转台技术要求
• 2.1.2 转台机械结构总体布局及轴系设计
• 2.2 转台控制系统主要元器件原理及选择
• 2.2.1 测角元件的选择
• 2.2.2 驱动元件的选择
• 2.2.3 功率放大元件的选择
• 2.3 转台控制系统方案确定及系统模型建立
• 2.3.1 转台的数学模型建立
• 2.3.2 电机功率放大器的数学模型
• 2.3.3 测角元件的数学模型
• 2.4 本章小结
• 第3章 转台控制系统设计及神经网络PID 控制器的研究
• 3.1 速度环控制器设计
• 3.2 位置环PID 控制器设计
• 3.3 基于BP 神经网络的PID 控制器研究及算法实现
• 3.3.1 数字PID 控制器原理
• 3.3.2 基于BP 神经网络的PID 控制理论
• 3.3.3 基于BP 神经网络的PID 控制器应用
• 3.3.4 BP 神经网络PID 算法实现
• 3.3.5 神经网络PID 控制器仿真
• 3.4 本章小结
• 第4章 转台控制系统的工程实现
• 4.1 硬件电路总体设计
• 4.1.1 主控模块
• 4.1.2 码盘信号处理模块
• 4.1.3 数据采集及D/A 输出模块
• 4.1.4 电机驱动模块
• 4.1.5 光电隔离
• 4.2 控制系统主要元器件的选择
• 4.2.1 处理器选择
• 4.2.2 I/O 模块选取
• 4.2.3 D/A 模拟量输出模块选取
• 4.2.4 液晶模块的选取
• 4.3 电机驱动电路的设计
• 4.3.1 大功率运放LM12（L/C/CL）
• 4.3.2 功率放大电路的设计
• 4.4 测角电路的设计
• 4.4.1 测角原理及方案确定
• 4.4.2 测角电路的设计
• 4.5 系统软件实现
• 4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录1 PCM-3341 PC/104 connecters （CN6）
• 附录2 功放电路硬件照片
• VPP 信号A/D 采样电路'>附录3 sin 和cos 两路1^VPP 信号A/D 采样电路
• 附录4 粗测角计数脉冲产生电路
• 附录5 粗测角计数电路
• 附录6 系统测角原理电路图
• 附录7 测角电路硬件电路照片
• 附录8 控制系统软件流程图
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 简历