双处理器架构的舰载猎雷声纳基阵稳定控制系统设计

论文摘要

本文针对舰载猎雷声纳基阵稳定控制系统的结构和特点,提出了以TMS320C6713数字信号处理器和ATmega128单片机为核心的双处理架构的系统设计。同时考虑到声纳基阵复杂的工作环境,其系统参数会在水动力的影响下发生摄动,引入了基于DRNN(Diagonal Recurrent Neural Network)神经网络的自适应PID控制算法。文章首先建立了“捷联式”声纳基阵稳定系统的数学平台模型,用数学平台取代机械平台。数学平台的作用是隔离舰艇的摇摆对声纳基阵姿态的影响,给出基阵的俯仰、横滚、方位三个轴角伺服系统的指令信号,从而使基阵转动到指定位置,使其相对于大地坐标系稳定。文章同时设计了基于直流无刷电机(Brushless Direct Current MotorBDCM)的位置伺服控制系统,其电机采用PWM(Pulse Width Modulation脉宽调制)方式驱动。建立了PWM BDCM伺服控制回路的数学模型。并以Matlab SISO计算机辅助设计为工具,采用频域补偿的方式对伺服回路进行了动态设计和前馈补偿设计。并对伺服控制器性能进行了仿真验证。考虑到系统的参数摄动。为增强系统的鲁棒性,设计了基于DRNN神经网络的自适应PID控制器,并将其应用到声纳基阵稳定控制系统中。使系统即使在参数摄动的情况下,仍然保持很好的稳定性和较高的控制精度。文章的最后给出了系统具体的软硬件的设计。提出了双处理架构的声纳基阵稳定系统的硬件平台设计。系统以DSP为数学平台的解算工具,单片机为伺服控制器。与原有系统设计相比,该硬件平台具有体积小、功耗低、调试方便的优点。最后介绍了上位机串口监控程序的设计。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源、背景及意义
• 1.2 本课题所用的核心器件介绍
• 1.3 基于神经网络的智能控制简介
• 1.4 论文的章节安排
• 第2章 猎雷声纳基阵数学平台解算模型
• 2.1 引言
• 2.2 系统坐标系的定义
• 2.3 系统的坐标变换
• 2.4 本章小结
• 第3章 声纳基阵姿态稳定控制系统设计
• 3.1 声纳基阵轴角伺服控制系统
• 3.1.1 系统基本构成
• 3.1.2 伺服控制回路方案设计
• 3.1.3 伺服控制系统各环节器件介绍
• 3.2 PWM BDCM伺服控制系统数学模型建立
• 3.2.1 无刷直流力矩电机的动态模型
• 3.2.2 功率放大元件
• 3.2.3 系统中的测速发电机、测角装置
• 3.2.4 谐波减速器
• 3.2.5 系统的动态结构
• 3.2.6 力矩估算及电机参数核算
• 3.3 声纳基阵方位回路稳定系统的工程设计
• 3.3.1 SISO计算机辅助设计工具介绍
• 3.3.2 速度环的校正
• 3.3.3 位置环的校正
• 3.3.4 伺服系统前馈补偿设计
• 3.3.5 声纳基阵稳定系统伺服控制器仿真
• 3.4 本章小结
• 第4章 系统的神经网络控制研究
• 4.1 自适应 PID控制理论基础
• 4.1.1 数字 PID控制及其参数调节
• 4.1.2 自适应控制简介
• 4.1.3 对角回归神经网络的结构与算法
• 4.2 神经网络控制在声纳基阵姿态稳定系统中的应用
• 4.2.1 基于神经网络的声纳基阵稳定控制系统设计
• 4.2.2 PID参数调节算法
• 4.2.3 DRNN神经网络的模型辨识
• 4.2.4 系统仿真
• 4.3 本章小结
• 第5章 系统的软硬件设计与实现
• 5.1 DSP最小系统
• 5.2 轴角信息采集模块
• 5.2.1 R/D转换器及其硬件实现
• 5.2.2 角度采集实现
• 5.2.3 CPLD的时序匹配模块
• 5.3 双机通信模块
• 5.3.1 单片机与 DSP之间的硬件连接
• 5.3.2 单片机对 HPI口的访问
• 5.4 基阵稳定系统伺服控制回路的实现
• 5.4.1 角速度采集
• 5.4.2 PWM产生电路
• 5.5 基于 CPLD的无刷电机驱动电路设计
• 5.5.1 无刷直流电机的工作原理
• 5.5.2 CPLD逻辑控制实现
• 5.5.3 死区时间发生器设计
• 5.6 上位机串口监控软件设计
• 5.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢