全方向推进器水动力试验平台控制系统设计及实验研究

论文摘要

潜器是海洋开发与研究的重要工具之一,它的发展要求本身更加轻量化、小型化,同时还要满足其操作性能的要求,全方向推进器便是基于上述要求应运而生的。全方向推进器由一组从船体伸向水中并绕垂直船体的轴线作圆周运动的叶片组成,该组叶片在绕圆周轨迹公转的同时,还绕自身的固定轴自转。使用这种装置可以减少推进器的数目,这将对改善潜器内部的布置和减轻潜器本身重量有利。本论文研究的全方向推进器主要是为了研究水动力实验而设计的。该全方向推进器由主动圆盘、主动圆盘驱动装置、叶片、叶片驱动装置和支架等部分组成。主要设计了全方向推进器水动力试验平台的控制系统,并对该控制系统进行了实验研究。全方向推进器水动力试验平台的控制系统采用集中控制方法实现。叶片控制系统以ATMega128L和FPGA（现场可编程逻辑器件）为控制核心,主要由ATMegal128L高性能单片机、功率放大模块、存储模块、通信模块、FPGA模块等组成。3-5个叶片采用直流电机驱动,设计了以功率放大器件IRFP450为核心的功率放大模块来实现叶片的驱动。根据全方向推进器叶片的摆线规律,推算叶片运动与主动圆盘位置的关系,并将叶片的运动规律存储在Flash中,实时提取应用。开发了基于uC/OS-Ⅱ嵌入式操作系统的软件,实现了3-5个叶片的位置伺服控制。基于伺服控制理论研究,利用dSPACE/Simulink实时仿真平台进行了叶片伺服驱动系统的半物理实时仿真。将叶片传动系统引入控制回路,将实现叶片位置伺服控制算法模型转化为Simulink与RTI联系的仿真模型,从而构成了半物理仿真系统,应用ControlDesk实时测试显示工具对叶片伺服控制参数进行了实时调节。此后,将全方向推进器应用于船舶水池实验室的现场实验中,获取全方向推进器运动的实际运动数据,对比理论的运动数据,验证系统的可行性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 选题的目的及意义
• 1.2 国内外发展概况
• 1.3 实验研究动向
• 1.4 论文主要工作内容
• 第2章 系统总体方案
• 2.1 机械系统方案
• 2.1.1 主动圆盘驱动装置
• 2.1.2 叶片驱动装置
• 2.2 驱动方案设计
• 2.3 控制方案设计
• 2.3.1 系统总体控制方案
• 2.3.2 叶片控制方式
• 2.3.3 叶片控制原理
• 2.4 本章小结
• 第3章 控制系统硬件电路设计
• 3.1 功率放大模块设计
• 3.1.1 PWM驱动电路设计
• 3.1.2 电流保护电路设计
• 3.1.3 开关量隔离电路设计
• 3.2 FPGA外设扩展模块设计
• 3.2.1 FPGA的选型与内部结构
• 3.2.2 FPGA的配置
• 3.2.3 正交编码器接口的设计
• 3.2.4 I/O控制器的设计
• 3.2.5 FPGA与单片机之间接口的设计
• 3.3 单片机系统的设计
• 3.3.1 电源电路及复位电路设计
• 3.3.2 单片机与FPGA接口设计
• 3.3.3 RS232串行接口电路设计
• 3.3.4 存储器扩展电路设计
• 3.4 本章小结
• 第4章 控制系统软件设计
• 4.1 全方向推进器叶片运动分析
• 4.2 数字PID控制
• 4.2.1 PID控制原理
• 4.2.2 PID控制流程
• 4.3 基于uC/OS-Ⅱ实时操作系统软件框架的构造
• 4.3.1 uC/OS-Ⅱ在ATMega128L上的移植
• 4.3.2 任务的构造
• 4.4 通讯协议的设计
• 4.4.1 通讯协议的要求
• 4.4.2 通讯协议的建立
• 4.5 本章小结
• 第5章 实验研究
• 5.1 控制系统硬件和软件调试
• 5.1.1 FPGA系统调试
• 5.1.2 单片机系统调试
• 5.1.3 uC/OS-Ⅱ操作系统调试
• 5.2 基于dSPACE的半实物仿真
• 5.2.1 dSPACE半实物仿真技术
• 5.2.2 叶片伺服控制半实物仿真系统组成及功能
• 5.2.3 叶片控制系统控制参数优化选择
• 5.3 全方向推进器实验
• 5.3.1 实验系统组成
• 5.3.2 实验数据分析
• 5.4 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