基于Windows平台的磁悬浮轴承实时控制系统研究

论文摘要

本文基于磁悬浮轴承系统的需求,将Windows操作系统引入磁悬浮轴承控制系统中。通过分析磁悬浮轴承系统的性能要求和Windows操作系统的运行机制,找出了在Windows操作系统下开发磁悬浮轴承实时控制系统的技术难点。采用编写设备驱动程序(VxD)处理硬件中断的方案,克服Windows操作系统设备相关性和实时性的不足,解决了主要包括定时采样、PCI接口、实时处理及实时输出的问题。同时发挥Windows操作系统标准界面的强大优势,实现了位移信号的实时显示和控制参数的在线修改等功能,为用户提供了十分友好的交互界面。最后,在所开发的基于Windows平台实时控制系统上,采用超前PID控制算法,实现了五自由度磁悬浮轴承的静态稳定悬浮和高速旋转,转速达到26400r/min。为解决试验试凑寻找PID控制参数的困难,对PID控制参数自主搜索算法进行了探索,并初步实现单路控制参数自主搜索。本论文的完成首先方便了磁悬浮轴承系统的调试,缩短了调试周期,提高了工作效率,其次为开发先进控制算法、实现智能控制、实现与相关控制系统的网络通讯等提供了一个很好的多任务开发平台,对开发通用的工控软件具有借鉴意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 磁悬浮轴承介绍
• 1.2 磁悬浮轴承系统的发展及现状
• 1.3 磁悬浮轴承控制系统的发展现状
• 1.4 论文的工作背景与内容安排
• 1.4.1 论文的工作背景与主要贡献
• 1.4.2 本文的内容安排
• 第二章 磁悬浮轴承工作原理及数学模型
• 2.1 磁悬浮轴承工作原理
• 2.2 五自由度磁悬浮轴承平台结构
• 2.2.1 五自由度磁悬浮轴承平台总体结构
• 2.2.2 径向磁悬浮轴承的结构形式
• 2.2.3 轴向推力磁轴承的结构形式
• 2.3 系统模型研究
• 2.3.1 磁悬浮轴承转子的力学模型
• 2.3.1.1 单自由度转子的数学模型
• 2.3.1.2 五自由度转子的数学模型
• 2.3.2 位移传感器模型
• 2.3.3 功率放大器模型
• 2.4 实时控制系统总体方案
• 2.5 本章小结
• 第三章 Windows 平台下开发实时控制系统的技术分析
• 3.1 常用实时操作系统的缺陷
• 3.2 Windows 平台下开发实时控制系统的难点
• 3.2.1 操作系统选择
• 3.2.2 Windows 结构剖析
• 3.2.2.1 Windows 系统构成
• 3.2.2.2 消息机制
• 3.2.2.3 多任务机制
• 3.2.2.4 Windows 的设备保护机制
• 3.3 设备相关性问题的解决
• 3.3.1 功能强大的VxD
• 3.3.2 驱动程序开发工具选择
• 3.3.3 磁悬浮轴承控制系统中的设备相关性
• 3.4 本章小结
• 第四章 实时控制系统方案设计
• 4.1 磁悬浮轴承控制系统的功能
• 4.2 控制系统的时钟
• 4.2.1 基于软件中断的方法
• 4.2.2 基于硬件中断的方法
• 4.2.3 Windows 的中断机制
• 4.3 实时控制系统硬件总体设计
• 4.3.1 硬件总体实现方案介绍
• 4.3.2 A/D 采样通道
• 4.3.3 D/A 转换通道
• 4.3.4 PCI 接口
• 4.4 PCI 控制卡的配置
• 4.4.1 PCI9052 的工作过程
• 4.4.2 PCI 配置空间
• 4.4.3 配置实例
• 4.5 计算机外置接口的局限
• 4.6 PCI 接口的实现途径
• 4.7 本章小结
• 第五章 实时控制系统的软件实现
• 5.1 实时控制系统软件总体设计
• 5.1.1 硬件中断处理方法的实时性比较
• 5.1.2 磁悬浮轴承控制系统软件总体实现方案
• 5.2 PCI 卡驱动程序的一般开发过程
• 5.3 PCI 设备驱动程序主要解决的问题
• 5.3.1 设备信息文件
• 5.3.2 设备初始化
• 5.3.3 访问设备硬件
• 5.3.4 处理硬件中断
• 5.3.5 即插即用问题
• 5.3.6 驱动程序和应用程序之间的通信问题
• 5.4 磁悬浮轴承系统控制算法
• 5.4.1 控制方法
• 5.4.2 超前PID 算法以及其数字实现
• 5.5 人机接口模块
• 5.6 自主搜索算法
• 5.7 系统的抗干扰性
• 5.7.1 多任务的干扰
• 5.7.2 屏蔽鼠标切换
• 5.7.3 屏蔽键盘切换
• 5.8 本章小结
• 第六章 系统调试及其试验结果
• 6.1 驱动程序开发工具和调试环境
• 6.2 PCI 接口调试
• 6.3 控制系统实时性能测试
• 6.4 控制算法调试
• 6.5 磁悬浮轴承控制系统联合调试
• 6.5.1 传感器标定
• 6.5.2 静态悬浮试验
• 6.5.3 高速运转试验
• 6.6 自主搜索参数试验
• 6.7 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 论文的主要工作
• 7.2 有关进一步研究的思考
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文
• 附录1
• 附录2