小行星/彗星着陆器附着机构控制系统的研究

论文摘要

小行星/彗星探测是当代深空探测的前沿课题之一,对研究生命起源、太空资源开发、太阳系起源及演变都有重要的意义,因此加快小行星/彗星探测技术的发展显得尤为重要。作为国家“863”计划深空探测与空间实验技术领域重大项目子项目“小行星着陆器附着机构原理样机”的重要组成部分,本文研制了小行星/彗星着陆器附着机构的控制系统,检验了着陆器附着机构的相关性能指标。本文首先根据系统性能指标与实验条件要求,完成了电气系统的设计、加工与调试,主要包括万向调节装置控制系统和锚定位装置控制系统。为研究万向调节装置位置控制的控制方法,建立了运动学模型和动力学模型。将基于复合反馈的PD控制器应用到万向调节装置位置控制系统中,证明了控制率的稳定性,并与传统的PID控制进行了比较,进行了实验验证。针对PID控制参数难以整定的问题,研究了基于智能控制的PID控制参数自整定方法。主要对模糊PID控制、神经网络PID控制通过Matlab/Simulink进行了仿真研究,其中对神经网络PID控制又比较了BP神经网络、小波神经网络和RBF神经网络的控制效果。研究表明,基于RBF神经网络的PID控制器的综合控制性能最好。最后,对着陆器附着机构控制系统进行了综合实验。在二维微重力实验平台上验证了锚定位装置的各项功能及性能指标;对万向调节装置的基于复合反馈的PD控制方法进行实验验证,证明该控制方法可以很好的满足控制要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 小行星/彗星着陆器国内外研究现状及分析
• 1.3 PID控制参数整定的研究现状
• 1.3.1 传统PID控制参数的整定方法
• 1.3.2 智能PID控制参数自整定的方法
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第2章 着陆器附着机构控制系统硬件设计
• 2.1 引言
• 2.2 控制系统的总体设计
• 2.2.1 着陆器附着机构介绍
• 2.2.2 控制系统总体设计要求
• 2.3 控制系统的硬件设计
• 2.3.1 电源模块
• 2.3.2 万向调节装置控制模块
• 2.3.3 锚定位装置控制模块
• 2.3.4 传感器模块
• 2.4 基于NIOS II的SOPC系统设计
• 2.4.1 基于VHDL的PWM模块的IP核开发
• 2.4.2 基于VHDL的倾角传感器模块的IP核开发
• 2.4.3 SOPC的设计与综合
• 2.5 本章小结
• 第3章 万向调节装置运动学与动力学建模
• 3.1 引言
• 3.2 万向调节装置运动学模型的建立
• 3.2.1 电机空间到驱动空间的变换与逆变换
• 3.2.2 驱动空间到关节空间的变换与逆变换
• 3.2.3 关节空间到传感器空间的变换与逆变换
• 3.3 万向调节装置动力学模型的建立
• 3.3.1 万向调节装置静力学分析
• 3.3.2 万向调节装置动力学分析
• 3.3.3 电机传动系统数学模型的建立
• 3.4 本章小结
• 第4章 基于PID控制的万向调节装置位置控制研究
• 4.1 引言
• 4.2 PID控制器的设计与仿真
• 4.2.1 增量式数字PID控制器的设计与仿真
• 4.2.2 基于复合反馈的PD控制器的设计与仿真
• 4.3 基于模糊控制的PID控制器参数整定
• 4.4 基于神经网络的PID控制器参数整定
• 4.4.1 基于BP神经网络的PID控制器的设计与仿真
• 4.4.2 基于小波神经网络的PID控制器的设计与仿真
• 4.4.3 基于RBF神经网络的PID控制器的设计与仿真
• 4.5 本章小结
• 第5章 着陆器附着机构控制系统的实验研究
• 5.1 引言
• 5.2 锚定位装置控制模块实验研究
• 5.2.1 二维微重力实验平台介绍
• 5.2.2 实验结果分析
• 5.3 万向调节装置控制模块实验研究
• 5.3.1 轨迹规划
• 5.3.2 实验结果分析与研究
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢