中央空调管道清扫机器人模糊控制系统研究

论文摘要

中央空调管道清扫机器人的主要作用是对中央空调的通风管道进行清扫、消毒等,保证通风质量,其主要由机械结构和电气控制系统两大部分组成。我国的中央空调清扫机器人研究工作远远落后于国外,原因有很多,其中一个重要的因素是国内几乎所有清扫机器人都采用单片机作为机器人的控制器,需要很多外设电路,不仅使整个电路系统复杂、体积庞大；而且控制精度、响应速度都受到了限制,不适合小口径管道作业。本文主要从以下五个方面进行了分析与研究：(1)通过对中央空调管道清扫机器人的国内外使用现状进行全面和详细实研究,确定了中央空调管道清扫机器人的研究和发展方向。本学位论文是在对国内外机器人控制系统研究的基础上突破传统方法,对控制策略进行重点研究,在系统实现上采用处理速度更快、外设更加丰富、稳定性更高的DSP作为中央空调管道机器人控制系统的软硬件系统的控制器核心。(2)通过对永磁无刷直流电动机基本工作原理的研究,建立其数学模型,根据其调速原理确定系统的控制策略及控制算法等。(3)通过Matlab工具箱中的Fuzzy Toolbox与Simulink相结合的方法,对常规PID控制器和模糊PID控制器的性能进行了仿真比较。通过对仿真结果的分析,论证控制策略的正确性和合理性,确定模糊PID控制器为机器人车轮无刷直流电机控制器。相对于参数固定的常规PID控制器,模糊PID控制器具有可根据被控制对象的当前状态在线调整控制器自身三参数KP,KI,KD的能力,可满足无刷直流电动机工况变化的要求。(4)根据模糊控制理论,设计基于DSP (TMS320F2812)的转速和电流双闭环无刷直流电动机控制。采用PWM方式实现对电机的控制,设计了中央空调管道清扫机器人的硬件系统,搭建了一个基于DSP的中央空调清扫机器人控制平台。其中包括：DSP最小系统、外围电路,通信接口电路、车轮电机驱动电路的处理,检测电路的优化等,并且介绍了硬件电路设计中必须考虑的抗干扰措施。(5)在硬件系统的基础上,设计了软件控制的总体策略与控制结构；分块设计了各个模块程序与必要的寄存器的设置,包括Flash引导程序、PWM产生程序、串口通讯程序、A／D转换程序及系统的主程序。最后,总结了作者的研究成果,并阐述需要进一步深入研究的问题。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1 研究目的和意义
• 1.1 中央空调管道清扫机器人清扫的目的
• 1.2 中央空调管道清扫机器人清扫的意义
• 2 国内外研究现状
• 2.1 国外研究现状
• 2.2 国内研究现状
• 3 中央空调管道机器人清洗系统结构
• 3.1 机械结构
• 3.2 电气控制系统
• 4 研究内容和方法
• 第二章 控制原理和控制策略研究
• 1 无刷直流电动机的工作原理
• 1.1 无刷直流电机的主要结构和基本原理
• 1.2 三相无刷直流电机星形连接全桥驱动原理
• 1.3 三相无刷直流电机的数学模型
• 1.4 调速原理
• 2 模糊控制策略研究
• 2.1 模糊控制器设计
• 2.2 模糊控制应用研究
• 3 系统方案确定
• 3.1 控制结构
• 3.2 控制技术
• 3.3 控制策略和控制结构
• 3.4 主控制器
• 4 本章小结
• 第三章 基于MATLAB的控制系统仿真
• 1 基于MATLAB/SIMULINK的BLDCM系统模型的建立
• 1.1 BLDCM本体模块
• 1.2 换相逻辑模块
• 1.3 PWM电力电子电路控制模块
• 2 无刷直流电动机模糊PID控制方法研究
• 2.1 传统电流环PID控制模块的不足
• 2.2 模糊PID控制方案的提出及仿真
• 3 仿真结果
• 4 本章小结
• 第四章 基于DSP的控制系统硬件电路设计
• 1 机器人控制平台主控制器系统设计
• 2 DSP控制器与监控设备RS485通信网络设计
• 2.1 RS485通信规范
• 2.2 F2812的串行通信接口
• 2.3 F2812的串行通信控制方法
• 3 无刷直流电动机控制系统硬件平台设计
• 3.1 机器人系统控制方案
• 3.2 无刷直流电动机电力电子控制电路
• 3.3 位置传感器电路设计
• 3.4 PWM信号产生
• 3.5 转速测量电路
• 3.6 功率电力电子器件驱动电路
• 3.7 无刷直流电机电流测量电路
• 4 硬件系统抗干扰技术及保护装置
• 4.1 电源EMC设计
• 4.2 PCB布线方案
• 5 本章小结
• 第五章 控制系统的软件设计
• 1 DSP系统编程基础
• 1.1 TMS320F2812 DSP存储器分配
• 1.2 DSP程序执行方式
• 1.3 DSP软件开发环境
• 2 中央空调管道清扫机器人软件实现
• 2.1 输出信号的测量
• 2.2 模糊PID控制器实现
• 2.3 PWM波形产生
• 2.4 RS485通信网络实现
• 2.5 系统程序重要模块
• 3 中央空调管道清扫机器人程序总体设计
• 3.1 系统性能要求及实现途径
• 3.2 机器人软件主程序流程设计
• 4 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 附录A DSP功能模块图
• 附录B TMS320F2812存储器分配图
• 附录C 系统主程序框图
• 致谢
• 作者简介