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单轴测试转台控制系统设计

作　者: 李子超
导　师: 孙涛
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 转台 PC/104 增量式光电码盘神经网络PID控制器
分类号: TH703
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
下　载: 179次
引　用: 3次
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内容摘要

本文以单轴测试转台为研究背景,在深入分析了采用增量码盘的测角方案与原理的基础上,进行了基于PC/104的转台速率、位置及摇摆控制系统的设计,实现了整个转台控制系统的全数字化方案。本文首先根据转台系统性能指标要求和实际情况,采用了码盘信号电子细分的测角方案,从总体上论述了转台的机械组成、控制系统主要元器件及其选择原则,并建立了相关元件的数学模型。着重研究了系统驱动电机、测角反馈元件和功放的选择原则及其数学模型的建立。其次,针对本单轴转台控制系统动态指标要求,本文着重进行了以PC/104嵌入式计算机为控制核心的控制系统设计。基于数学模型,用经典控制策略对转台系统进行的校正设计,并进行仿真测试。结果表明,经典PID对具有精确数学模型的物理对象能有效地控制,且当对象为非线性时控制效果仍然良好。为了能满足转台低速运行时具有较高的控制精度和静态、动态性能。本文充分结合神经网络和反馈控制的各自优势,提出了一种基于神经网络的PID控制器结构。将经典PID控制器与神经网络相结合,不仅保持了传统PID控制器原理简单、调节方便的特点,又充分利用了神经网络对非线性和时变性的适应能力,为高性能转台的研制提供了有利的尝试。最后,本文完成了本单轴测试转台控制系统的工程实现,包括硬件电路各组成模块的功能介绍及实现方式,重点论述了电机驱动电路、测角电路的设计及控制系统软件的实现。通过理论分析、计算机仿真试验,充分证明了本文提出的基于神经网络PID控制算法的有效性。这对于今后伺服控制系统的设计无疑是一个有价值的参考。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-8
第1章绪论  8-15
  1.1 课题背景  8-9
  1.2 国内外研究现状及分析  9-14
    1.2.1 国外转台的发展概况  9-11
    1.2.2 国内转台的研究概况  11-13
    1.2.3 转台研究的发展趋势  13-14
  1.3 本文主要研究内容  14-15
第2章转台总体设计方案及控制系统建模  15-27
  2.1 转台的技术要求及机械结构设计  15-17
    2.1.1 转台技术要求  15
    2.1.2 转台机械结构总体布局及轴系设计  15-17
  2.2 转台控制系统主要元器件原理及选择  17-22
    2.2.1 测角元件的选择  17-18
    2.2.2 驱动元件的选择  18-20
    2.2.3 功率放大元件的选择  20-22
  2.3 转台控制系统方案确定及系统模型建立  22-26
    2.3.1 转台的数学模型建立  23-26
    2.3.2 电机功率放大器的数学模型  26
    2.3.3 测角元件的数学模型  26
  2.4 本章小结  26-27
第3章转台控制系统设计及神经网络PID 控制器的研究  27-42
  3.1 速度环控制器设计  27-30
  3.2 位置环PID 控制器设计  30-32
  3.3 基于BP 神经网络的PID 控制器研究及算法实现  32-41
    3.3.1 数字PID 控制器原理  32-34
    3.3.2 基于BP 神经网络的PID 控制理论  34-36
    3.3.3 基于BP 神经网络的PID 控制器应用  36-37
    3.3.4 BP 神经网络PID 算法实现  37-38
    3.3.5 神经网络PID 控制器仿真  38-41
  3.4 本章小结  41-42
第4章转台控制系统的工程实现  42-52
  4.1 硬件电路总体设计  42
    4.1.1 主控模块  42
    4.1.2 码盘信号处理模块  42
    4.1.3 数据采集及D/A 输出模块  42
    4.1.4 电机驱动模块  42
    4.1.5 光电隔离  42
  4.2 控制系统主要元器件的选择  42-45
    4.2.1 处理器选择  42-44
    4.2.2 I/O 模块选取  44
    4.2.3 D/A 模拟量输出模块选取  44
    4.2.4 液晶模块的选取  44-45
  4.3 电机驱动电路的设计  45-47
    4.3.1 大功率运放LM12（L/C/CL）  46-47
    4.3.2 功率放大电路的设计  47
  4.4 测角电路的设计  47-50
    4.4.1 测角原理及方案确定  47-49
    4.4.2 测角电路的设计  49-50
  4.5 系统软件实现  50-51
  4.6 本章小结  51-52
结论  52-53
参考文献  53-56
附录1 PCM-3341 PC/104 connecters (CN6)  56-57
附录2 功放电路硬件照片  57-58
附录3 sin 和cos 两路1~VPP 信号A/D 采样电路  58-59
附录4 粗测角计数脉冲产生电路  59-60
附录5 粗测角计数电路  60-61
附录6 系统测角原理电路图  61-62
附录7 测角电路硬件电路照片  62-63
附录8 控制系统软件流程图  63-64
攻读学位期间发表的学术论文  64-66
致谢  66-67
简历  67

单轴测试转台控制系统设计

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