（机械制造及其自动化专业论文）基于dsp和模糊pid的稳定平台的设计.pdf

矿c 1 a s s i f i e di n d e x ： u d c ： ad i s s e r t a t i o nf o r t h ed e g r e eo fm e n g d e s i g no fs t a b l i z e dp l a t f o r mb a s e do n d s pa n d f u z z yp i d c a n d i d a t e ：c h e nm e n g s u p e r v i s o r ：p r o f x u ek a i a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l t y ：m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r ea n da u t o m a t i o n d a t eo fs u b m i s s i o n ：j a n u a r y ，2 0 1 0 d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ：m a r c h ，2 0 1 0 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y 二rl + f 节取 幺 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。， 作者( 签字) ：诼力丕 日期：力少年岁月侈日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。炒密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 峪在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：和，娩导师( 签字) ：偶研 日期：力和年；月钐扫勿年夕月加 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 两芰 稳定平台是一种安装在载体上，能够隔离载体安装面的位置变化，提供 一个水平安装面的设备。其采用g p s 为位置测量元件检测载体的横摇和纵 摇，通过控制电机反向运动，保持设备搭载面不受载体运动的影响。本文以 某舰载稳定平台系统为背景，在进行系统机械结构和电气结构设计的基础上， 设计了以d s p 为核心的主控制器，将模糊p i d 控制技术的应用到了控制算法 中，并进行了样机的调试和试验。本论文的研究内容如下： 首先，分析稳定平台系统的性能指标，确定了机械结构分系统的组成形 式，同时确立了电气分系统的组成原理及实现功能，并对电气分系统的主要 组成元件进行了选择。然后，根据控制器的功能需要，选择d s p 2 8 1 2 为主控 制器，设计出硬件电路，同时设计了外围设备接口电路和系统故障运行显示 电路。并对系统信号完整性进行了设计。 本文对系统的控制方式进行了详细的分析，制订了通信协议和控制程序 的总体结构，分析了系统稳态偏差形成的原因并找出解决方法。采用了外推 算法消除系统静态偏差。设计了运用d s p 的p w m 功能进行系统的跟踪算法， 同时采用梯形加减速使提高了系统运行的平稳性。还探讨了模糊p i d 算法的 控制方法和控制特点。 最后，分析模糊p i d 的主要控制形式，并对各控制形式进行比较，结合 本系统选择模糊自增益p i d 控制方式，搭建位置闭环系统，运用m a t l a b 进行了系统建模仿真，调节得出模糊p i d 的初始化参数。通过样机的调试， 证明采用模糊自增益p i d 控制方式满足控制精度的要求。 关键词：稳定平台；d s p ；p w m ；模糊p i d 哈尔滨丁稗大学硕十学位论文 a bs t r a c t t h es t a b l i z e dp l a t f o r mw h i c hi sf i x e do nt h ec a r r i e rc a l li s o l u t et h ec h a n g eo f t h ec a r r i e r si n s t a l l a t i o ns u r f a c ea n ds u p p l yt h er e t e n t i v ep l a n e t h es t a b l i z e d p l a t f o r mu s e sg p sa st h ep o s i t i o nm e a s u r i n gs e n s o rt od e t e c tt h er o l l i n ga n dp i t c h o ft h ec a r r i e r , k e e pt h ee q u i p m e n ti n s t a l l a t i o ns u r f a c ea w a yf r o mt h em o v e m e n to f t h ec a r d e rb yc o n t r o l i n gt h em o t o rt u r n i n gr e v e r s e l y i nt h ec o n t e x to ft h e s t a b l i z e dp l a t f o r mf i x e do nt h e s h i p ，b a s e e do nt h ed e s i g no ft h es y s t e m s m e c h a n i c a ls t r u c t u r ea n de l e c t r i c a ls t r u c t u r e ，t h ep a p e rm a i n l ys t u d yt h ed e s i g no f t h ed s pc o n t r o l l e ra n dt h ea p p l i c a t i o no ft h ef u z z yp i dt e c h n o l o g ya n dc a r r yo n t h ep r o t o t y p e st e s t f o l l o w i n gf i r et h em a i nw o r k sa n dt h er e s u l to ft h et h e s i s ： f i r s t l y , t h ef u n c t i o no ft h es t a b l i z e dp l a t f o r mi sa n a l y z e dt om a k ec e r t a i nt h e c o m p o s i t i o no ft h em e c h a n i c a ls t r u c t u r es u b s y s t e ma n dt h ep r i n c i p a la n dr u c t i o n o ft h ee l e c t r i c a ls u b s y s t e m ，a n dc h o o s et h em a i nc o m p o n e n t so ft h ee l e c t r i c a l s u b s y s t e m a c c o r d i n gt ot h er u c t i o no ft h ec o n t r o l l e r , d s p 2 812i sc h o s e na st h e c e n t r a lc o n t r o l l e rt od e s i g nt h eh a r d w a r ec i r c u i t r y i nt h em e a n t i m e ，t h ep e r i p h e r a l i n t e r f a c ec i r c u i t r ya n dt h ed i s p l a yc i r c u i t r yo fs y s t e mf a u l ta r ed e s i g n e da n dt h e i n t e g r i t yo ft h es y s t e ms i g n a l si sc o m p l e t e d t h ep a p e rs t u d i e st h e c o n t r o l l i n gm o d eo ft h es y s t e md e t a i l e d l y t h e c o m m u n i c a t i o np r o t o c o la n dt h eg e n e r a la r c h i t e c t u r eo ft h ep r o g r a ma r ew o r k e d o u t t h er e a s o no ft h es y s t e ms t e a d ys t a t ed e v i a t i o ni sa n a l y z e dt of i n dt h e s o l u t i o n t h ee x t r a p o l a t ea r i t h m e t i ci su s e dt oe l i m i n a t et h ee f f e c to ft h es t a t i c d e v i a t i o n t h ep w mf u n c t i o no ft h ed s pi su s e dt o d e s i g nt h ef o l l o w i n g a r i t h m e t i c a n dt h et r a p e z i u ma c c e l e r a t i o na n dd e c e l e r a t i o na r i t h m e t i ci su s e dt o r e i n f o r c et h es t a t i o n a r i t yo ft h es y s t e m t h ep a p e ra l s od i s c u s s e st h em e t h o da n d t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ef u z z yp i dc o n t r 0 1 f i n a l l y , t h ed i f f e r e n tf o r m so ft h ef u z z yp i da r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d a c c o r d i n gt ot h es y s t e m ，t h ep a p e ru s e st h e 呦a d a p t i v ep i da st h ec o n t r o l l i n g 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 m e t h o da n ds e tu pt h ep o s i t i o nc l o s e d - l o o ps y s t e m c a r r i n go nt h em o d e l i n g s i m u l a t i o no ft h es y s t e mu s i n gm a t l a bc o u l dg e tt h eo r i g i n a lp a r a m e t e r so ft h e f u z z yp i dc o n t r 0 1 i tp r o v e st h a tu s i n gt h ef u z z ya d a p t i v ep i da st h ec o n t r o l l i n g m e t h o dm e e tw i t ht h en e e d so ft h ec o n t r o l l i n gp r e c i s i o nb ye x p e r i m e n t i n go nt h e p r o t o t y p e k e y w o r d s ：s t a b l i z e dp l a t f o r m ；d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) ；p u l s ew i d t h m o d u l a t i o n ( p w m ) ；f u z z yp i dc o n t r o l 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 目录 第1 章绪论1 1 1 课题研究的目的意义1 1 2 国内外研究现状及本文研究内容2 1 2 1 稳定平台国内、外研究现状。2 1 2 2p i d 参数自整定方法的研究现状5 1 2 3 模糊控制算法研究现状6 1 3 本文研究内容7 第2 章稳定平台总体设计9 2 1 技术指标9 2 2 机械结构设计9 2 2 1 船舶的运动分析9 2 2 2 稳定平台结构形式选择l o 2 2 3 稳定平台的结构的设计1 1 2 3 电气结构设计1 4 2 3 1 电气总体设计1 4 2 3 2 驱动电机的选择1 5 2 3 3 编码器的选择1 9 2 3 4 驱动器的选择2 0 2 3 5p m a c 的选择2 1 2 3 6 测姿单元的选择。2 2 2 3 7 水平仪的选择2 6 2 4 本章小结2 7 第3 章主控制器设计2 8 3 1 主控制器功能分析2 8 3 2 主控制器c p u 的选择2 8 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 3 3 主控制器电路设计2 9 3 3 1 主控制器串行口扩展2 9 3 3 2 编码器接口电路设计3 0 3 3 2 信号完整性设计3 3 3 3 3 故障运行报警设计3 3 3 4 本章小结3 4 第4 章控制程序和算法设计3 5 4 1 概述3 5 4 2 主控制器程序设计3 5 4 2 1 通信协议制定3 5 4 2 2 主程序流程设计3 6 4 3 坐标系变换与系统稳态误差分析3 8 4 3 1 坐标转换3 8 4 3 2 偏差分析4 0 4 3 3 偏差计算与存储4 l 4 4 外推算法设计4 2 4 4 1 外推算法原理介绍4 2 4 4 2 位置和速度外推设计4 4 4 5 系统闭环控制设计4 5 4 5 1 闭环控制原理设计4 5 4 5 2d s p 的e v a 模块原理4 6 4 5 3p w m 的设计原理4 8 4 5 4p w m 参数计算。5 0 4 5 5 中断设计5 3 4 5 4 平滑加减速设计5 4 4 6 模糊p i d 设计5 5 4 6 1 模糊p i e ) 原理5 5 一 卜 哈尔滨1 _ 程大学硕十学位论文 4 6 2 模糊p i d 的特点5 7 4 6 3 模糊p i d 的调制5 8 4 7 本章小结5 9 第5 章系统仿真与实验6 0 5 1 控制算法确立6 0 5 2 模糊p i d 数学模型的建立6 0 5 3 仿真分析6 6 5 4 实验部分6 8 5 4 1 试验设备6 8 5 4 2 实验结果与分析6 9 5 5 本章小结7 0 结论7 1 参考文献7 3 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果7 7 致谢7 8 附录7 9 哈尔滨丁程大学硕十学佗论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的意义 船舶在航行中会受到风、浪、涌的作用和船体自身特性的影响，船体无 法保持平衡，产生纵荡、横荡、垂荡、横摇、纵摇和首摇。而一些舰载设备 在工作时要求在工作过程中船体始终保持水平，但是由于实际上船体的航行 状态不能达到如此苛刻的要求，这样就需要稳定平台消除船体姿态变换的影 响。稳定平台具有隔离载体( 舰船、飞机等) 运动和姿态变化影响而始终保持 水平( 相对大地稳定) 的功能。它一般使用g p s 、陀螺仪、倾角传感器、水平 仪作为姿态检测；测速机、光电编码器、圆感应同步器作为速度、位置的检 测元件，用伺服电机或液压驱动元件，实现测量平台姿态和位置的变化，实 时消除对象在载体上的水平稳定。 稳定跟踪平台由于能隔离载体( 导弹、飞机、战车、舰船) 扰动，不断测 量平台姿态和位置的变化，精确保持动态姿态基准，并通过图像探测设备实 现对机动目标自动跟踪，所以在现代武器系统中得到了广泛的应用。例如： 在弹( 箭) 制导导引头中，要求跟随主稳定的目标瞄准线能够隔离弹体角运动 对武器射击线的扰动，通过安装在稳定跟踪平台上的图像探测装置获取稳定 的目标图像，为大视场目标捕获和小视场目标识别与跟踪提供测量和计算基 准，提高在行进间的发射命中率；坦克、装甲战车等地面车辆需要频繁机 动、停止、快速瞄准和行进间射击，其作战平台不仅应具有高度的机动能力， 还应具备运动间稳定瞄准、跟踪、射击能力，稳定平台可用于安装昼视、夜 视、测距功能三合一的观瞄设备，获取稳定的视场，使观察者能清楚地洞察 战场情况；雷达的天线体积庞大，经常受到各种各样的干扰，为了使其按预 定规律搜索或实现目标跟踪，需要稳定系统来隔离这些干扰。在航空侦察摄 影观测设备、机载目标指示器、空间遥感探测和海底声纳探测等深海作业场 合，稳定跟踪平台都得到了广泛的应用。在导弹制导m 1 中，可以通过安装在 稳定平台上的图象探测装置获取稳定的目标图象，隔离了弹体运动对武器射 1 卜 i 哈尔滨下稗大学硕十学何论文 击线的扰动，为目标的捕获、识别、跟踪提供了测量基准，提高在移动时的 发射命中率；当导弹制导在运用到舰船载体上时，则必须对它提供稳定的基 座，以隔离载体的摇摆运动，实现船舶姿态的稳定，为导弹的发射平台提供 稳定的姿态。同时，它还能够根据操作人员的指令改变方位角和俯仰角。可 见控制平台的稳定跟踪精度将直接影响到对打击目标的瞄准和摧毁。 随着航海技术的迅猛发展，特别是世界各国对军事制控权的争夺日益激 烈的今天，对高精度稳定跟踪平台的需求变得更为迫切，稳定跟踪平台控制 系统的研究也具有着巨大的市场前景，其已成为众多厂商争先抢占的高科技 市场，竞争日趋激烈。 1 2 国内外研究现状及本文研究内容 1 2 1 稳定平台国内、外研究现状 随着惯导技术、精密机械、电子技术、数字信号处理技术、伺服驱动技 术的不断发展，以及各种精密惯性敏感元件的发展和性能指标的提高，稳定 平台技术的研究有了很大的发展。目前，国外对稳定平台研究包括其结构形 式、稳定精度、驱动方式、控制方法等方面目前已被广泛应用于舰载、车载、 机载、弹载等设备如图1 1 为舰载天线稳定平台。 图1 1 俄罗斯的x 2 9 t 国外在稳定跟踪技术的主要研究方向是小型化、数字化和集成化。在车 载设备中，2 0 世纪4 0 年代末，在坦克上开始安装火炮稳定器，它能在车体 不断振动的情况下，将火炮和并列机枪稳定在所需要的射角上。为了进一步 2 j 哈尔滨下稗大学硕十学何论文 提高坦克火炮的射击精度和作战效果，从2 0 年5 0 代开始，双向稳定器【3 】( 称 作高低、方位稳定器，亦称纵向、水平稳定器) 在坦克中得到了广泛的应用。 在英、美等国的先进武器系统中，基于微惯性传感器的稳定平台得到了广泛 的应用，如图1 2 为以色列“突眼 。 图1 2 以色列的“突眼” 皮尔金顿公司为英军挑战者型坦克研制了炮长主瞄准具，之后又研制出 可供装甲战车车长和炮长用的稳定精度约0 1 m r a d 的猎鹰组件式装甲战车瞄 准系统及车长独立稳定周视组合瞄准具。猎鹰瞄准系统具有双轴伺服稳定头、 直接观察用的瞄准具组件、8 1 2 m m 热成像装置以及激光测距机，可使装甲 车辆在静止和行进中捕获目标，并可导引导弹。在舰载设备中，美国海军采 用b e i 电子公司生产的q r s 1 0 型石英音叉陀螺，研制出w s c 6 型卫星通讯 系统的舰载天线稳定系统，工作1 2 万小时尚未出现故障。美军配装的霍尼韦 尔公司采用激光陀螺技术研制的自行榴弹炮组件式方位位置惯性系统，在工 作时可连续提供高精度的方位基准、高程、纵摇、横摇、角速率、经度和纬 度输出性能大大高于美军m a p s 系统规范的要求h 。在导弹制导方面，俄罗 斯的x 2 9 t 、美国的“幼畜 a g m 6 5 、以色列的“突眼”等成像制导导引 头中，都采用了稳定跟踪平台技术。在机载设备中，稳定平台在机载光电火 控系统和机载光电侦察平台中也得到极其广泛的应用，美国、以色列、加拿 大、南非、法国、英国、俄罗斯等国家都已研制出多种型号产品装备部队。 如以色列的e s p 6 0 0 c 型无人机载光电侦察平台采用两轴平台，其方位转动 范围+ 1 8 0 4 、俯仰+ 1 0 4 、最大角速度5 0 4 j 、最大角加速度+ 6 0 。s 2 ，其稳定 3 j 哈尔滨丁稃大学硕十学何论文 精度达到15 m r a d ，所达精度代表了国际先进水平。 国内，在二十世纪8 0 年代开始研制瞄准具稳定平台，而9 0 年代初才开 始研制机载陀螺稳定平台的研制。北京6 18 所在九十年代初期开始研制机载 陀螺稳定平台，如图1 3 所示。他们所研制的稳定平台稳定精度为0 1 m r a d 。 图1 3 北京6 1 8 所二轴稳定平台 长春光机所研制的轻型陀螺稳定平台的稳定精度为0 3 m r a d 。华中光电技 术研究所以研制舰载光电稳像系统为主，其研制的舰载红外稳定平台的稳定 精度为1 m r a d 。清华大学精密机械与机械学系的惯性导航研究室也于1 9 9 7 年 研制出机载瞄准线稳定跟踪系统p 儿。九江6 3 5 4 所于2 0 0 9 年8 月研制的舰载 稳定平台也进行了海上测试，稳定精度在0 1 m r a d 。进入2 1 世纪以后，随着 国家对国防的投入的不断增加，同时投入了大量的人力与物力，使各相关研 究所和高校在稳定平台研制方面都积极开展研究工作。取得了不少的成果， 但是同时又由于高精度的g p s 测姿系统成本较高，惯性测量单元的测量精度 和动态性能有限，和国内对控制理论的应用，伺服系统的研究的落后，致使 稳定平台的技术研究工作没有得到突破性进展，与国外还存在着很大的差距。 目前，国内对于稳定平台的研究主要集中在四个方面： ( 1 ) 稳定平台的整体结构设计及动力学分析，优化的结构，不仅能降低 成本，而且还能提高系统的抗干扰性； 4 ， - 4 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 ( 2 ) 伺服驱动器的研究，特别是在速度环，电流环特性的研究； ( 3 ) 控制算法的研究，现在大部分的控制系统主要运用了p i d 控制，但 是，在变环境的状态下，不能满足使用要求，现在又出现了如模糊p i d 、滑 模p i d 、智能p i d 、人工神经网络、自适应控制； ( 4 ) 系统集成方面是研究，稳定平台控制系统需要采集多路控制量，如 何设计出一款运算速度较快的控制单元是现在设计的要求。 1 2 2pid 参数自整定方法的研究现状 一个性能优良的自整定p i d 调节器就是在按下自整定调节键或通过功能 键设定自整定方式后能自动识别被控过程的数学模型，尽可能利用最少的动 态过程模型直接或间接参数，通过一种简单可靠的最优性能指标得出的一种 简明p i d 参数整定规则或公式，计算出优化的p i d 参数，然后自整定控制器 中的微处理器自动将该组p i d 参数装入仪表中对被控对象进行自动控制。p i d 自整定是一种依赖对被控过程动态特性的识别，自动计算p i d 参数的整定方 法，可分为中止控制进行动特性识别的开环方法和不中止控制进行动特性识 别的闭环方法。 1 、继电器振荡p l d 参数自动整定技术 根据自整定调节器的基本要求，基于人工手动整定的p i d 参数工程整定 法显然在自整定调节器中不易直接使用。1 9 8 4 年著名自动控制学者a s t r o m 提出了在继电反馈下观测被控过程的极限环振荡，过程的基本性质可由极限 环的特征确定，然后计算出p i d 调节器的参数。 2 、专家智能型自整定p i d 调节器的设计方法 前述大多数自整定控制器都需要采用隐式或显式方式定义过程的数学模 型，然后通过代数整定规则给出适当的p i d 整定值，而专家智能型自整定调 节器超越了模型化设计方法，在观察闭环操作性能的基础上直接处理整定参 数的模型识别法。识别过程中无需加激励信号，而是利用了任何闭环回路中 总存在一定的干扰，通过对干扰响应的观察，然后与智能工程基础的最优响 5 ， t 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 应模型进行比较判断，从而实现过程的识别1 。 3 、自适应自校正p i d 调节器 自适应控制理论能够最为精确地获得被控过程的数学模型，控制精度高， 但该法应用时需要有过程动态特性方面的先验知识，尤其是应当预知过程的 时间尺度，如时滞大小，采样周期和系统阶次等，先验知识的重要性长期被 人们忽视，所以通用自适应自校正p i d 控制器如无预整定方式就无法商品化。 再者，该算法较复杂，使得工程实用的自适应自校正p i d 控制器的发展受到 了限制p 。 4 、模糊推理的自整定p i d 控制器 近年来随着智能控制理论的迅速发展，使传统的工业控制技术不断革新 成为可能。涂象初等人在1 9 8 5 年提出了自寻优模糊p i d 调节器，具有模糊 推理的自整定p i d 控制器也就出现了模糊推理功能的p i d 参数自整定控制器 正逐步商品化，如日本三菱电机公司在1 9 8 8 年开发了m a c t u 2 1 0 系列的模 糊p i d 自校正调节器，这类控制器用模糊控制规则和推理，去优化p i d 控制 器的参数，有较强的适应性p 。 5 、基于神经元的p i d 学习控制器 9 0 年代初随着人们对神经元网络的深入，1 9 9 3 年胡建元等四人提出了基 于神经元的p i d 学习控制器，日本山武、霍尼韦尔公司在1 9 9 5 年w 开发出 了商品化的s d 3 0 系列智能型数字调节器，由人工神经元和模糊控制整定p i d 控制器，夏红等人u 在1 9 9 6 年也提出了一种基于a s t r o m 继电振荡法和神经 网络结构的p i d 调节器。 1 2 3 模糊控制算法研究现状 自从美国柏克莱加州大学电气工程系扎德( l a z a d e ) 教授于1 9 6 5 年创建 了模糊理论以来，许多学者对模糊语言变量及其在控制中的应用进行了探索 和研究。1 9 7 3 年，k i n g 给出了模糊逻辑控制器的定义和定理“，为模糊控制 莫定了基础。模糊理论主要包括模糊集合理论、模糊逻辑、模糊推理和模糊 6 哈尔滨下程大学硕十学何论文 控制等方面的内容。1 9 7 5 年，英国的k i n g 和马丹尼( e h m a m d a n i ) 刘首次使 用了模糊逻辑和模糊推理实现了世界上第一个试验性的蒸汽机控制，并取得 了比传统的直接数字控制算法更好的效果，它的成功标志着人们采用模糊控 制进行工业控制的开始，从而宣告了模糊控制的问世。 模糊理论在近三十多年中发展非常迅速，学习、研究并应用该理论的人 越来越多。从目前应用情况看，模糊逻辑已在图像识别、语音处理、自动控 制、故障诊断、信息检索、地震研究、环境预测、运输管理、以及生物学、 医学、社会学、心理学等许多学科和领域中获得了广泛的应用”。特别是近 年来空调器、电冰箱、洗衣机等家用电器中也广泛采用了模糊控制技术。 近几年来，模糊逻辑与神经网络控制、专家控制一起形成智能控制这一 新兴学科的三大组成部分，模糊逻辑理论的应用与发展，极大地推动人类社 会向智能信息处理的新阶段迈进。模糊控制是以模糊集合论、模糊语言及模 糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制。模糊控制是建立在人工经验的基 础上的，对于一个熟练的操作人员，它并非需要了解被控对象精确的数学模 型，而是凭借其丰富的实践经验采取适当的对策，巧妙地控制一个复杂过程。 若能把这些熟练操作员的实践经验加以总结和描述，并用语言表达出来，它 就是一种定性的、不精确的控制规则，如果用模糊数学将其定量化就转化为 模糊控制算法，从而形成模糊控制理论“。 1 3 本文研究内容 本课题中研究的稳定平台采用的是一种二轴结构，包括横摇、纵摇二个 自由度的运动，用于克服船舶的纵横摇，从而保证其搭载面相对于海平面的 水平，使搭载面上的搭载物能够稳定可靠的工作。随着国防武器装备水平的 不断发展，对装备反应的快速性、机动能力、机动问的稳瞄和跟踪能力提出 了更高的要求。因而对研制高精度的稳定平台有着迫切的需要。本课题主要 基于目前的稳定平台的结构形式特点，设计出一种结构简单、安全可靠、稳 定精度高，机动性能好，能应用于各种舰船的稳定平台。同时这种结构的稳 7 哈尔滨丁程大学硕十学何论文 定平台，还可扩展应用于车载雷达、移动电视转播接收装置、航空光电侦查 平台等领域，也能够满足于各种商船的需要。课题涉及内容较多，知识面较 广，难度较大，同时研究周期较短。因此课题的重点放在了主控制器的设计、 闭环控制系统设计和模糊p i d 自适应控制器上。主要进行以下内容的研究： ( 1 ) 根据稳定跟踪平台的主要性能指标，设计稳定跟踪平台的基本工 作流程，确定机械结构，确定最优的结构组合。提出了系统的各个部件组成， 完成各部件的选型。 ( 2 ) 根据所选用驱动元件和惯性元件，设计出各信号单元的数据采集的 软硬件实现； ( 3 ) 在理论上进行了控制方案的研究，制定伺服控制方案； ( 4 ) 建立了平台稳定回路的数学模型，根据对单轴伺服控制系统稳定跟 踪回路进行了设计与分析； ( 5 ) 对伺服控制器设计、系统模型建立、模糊p i d 等进行了深入的研 究，对预测控制算法进行了仿真，并与其它算法进行比较。研究结果表明， 采用模糊p i d 控制算法，能k 很z 好的满足船用稳定跟踪平台的控制要求。 8 哈尔滨下程大学硕十学位论文 第2 章稳定平台总体设计 2 1 技术指标 二轴稳定平台的主要技术指标要求： ( 1 ) 使用条件：船载 ( 2 ) 结构形式：x 、y 两轴结构 ( 3 ) 姿态信号来源：g p s 姿态测量设备 ( 4 ) 稳定控制方式：机电控制 ( 5 ) 静态稳定精度：x 轴优于1 m r a d 、y 轴优于1 m r a d ( 6 ) 动态稳定精度：x 轴优于4 m r a d 、y 轴优于4 m r a d ( 7 ) 运动参数：如表2 1 ： 表2 1 运动参数表 运动范围 最人速度周期 x 轴2 0 01 0 0 s8 s y 轴 1 5 0l o o ，s6 s ( 8 ) 负载：跟踪转台( 重量小于5 0 0 k g 、尺寸：矽8 5 0 x 7 0 0 m m ) 2 2 机械结构设计 2 2 1 船舶的运动分析 引入两个坐标裂1 6 1 如图2 1 ： ( 1 ) 大地坐标系o x y z ，原点o 位于未扰动的水面上，这个坐标系不 随流体和船体运动，用这个空间坐标系来表述入射波最为方便； ( 2 ) 随船平动坐标系o x y z ，0 为原点，位于未扰动的水面上。o x y 与平 面与静水面重合，o x 轴与船舶航行方向相同，o z 轴垂直向上，通过船舶的重 ，c 一。 9 哈尔滨下程大学硕+ 学何论文 丫 k 一一一 z 沁产 ，、q 一广广_ =( 1， 图2 1 大地坐标系和平动坐标系 船舶在规则波中以一定的航速和航向行驶，由于入射波的扰动而产生摇 荡运动。假设入射波是规则波，假定船舶运动响应与入射波波幅都是一阶无 穷小，且运动达到稳定。根据线性势流理论，船舶位移向量将作以遭遇频率 为变化频率的简谐量。船舶在波浪中的摇荡运动属于刚体6 自由度运动，可 由船舶重心g 点的3 个线位移( 纵荡、横荡、垂荡) 和绕g 点的3 个角位移( 横 摇、纵摇、首摇) 表示： 7 7 ( ，) ) = r e 朋= ( 7 7 17 7 2 仇r 47 7 5 仇) 7 p 埘 ( 2 1 ) 其中耽( i = l ，2 6 ) 为复数振幅。它们依次指的是：纵荡、横荡、 垂荡、横摇、纵摇和首摇。 2 2 2 稳定平台结构形式选择 二轴稳定平台用来消除载体相对于水平面的横摇、纵摇二个自由度的运 l o 哈尔滨下程大学硕十学位论文 动引起的安装面的变化。它是通过进行相对于载体的横摇和纵摇的镜像运动 来实现稳定平面的水平稳定，从而保持平台的安装面相对于惯性坐标系保持 姿态不变“。 稳定跟踪平台采用x y 式结构形式，如图2 2 所示，x 轴水平配置，y 轴与x 轴垂直，随x 轴转动，视轴与y 轴垂直。 图2 2 x y 式结构形式 2 2 3 稳定平台的结构的设计 轴 根据分析采取的结构形式，设计了如图2 3 的两轴稳定平台，采用x y 结构，分为内、外框分别来消除载体的纵横摇。 图2 3 稳定平台三维结构图 1 、二轴稳定平台横摇轴系的设计 横摇轴系采用环形框架结构，主要由横摇框、横摇轴、交流伺服电机、 高精密蜗轮蜗杆减速器、绝对式光电编码器和电限位保护装置等组成。横摇 哈尔滨下稃大学硕十学位论文 的运动范围为+ 2 0 0 ，横摇轴两端机械结构如图2 4 和图2 5 所示。 精密碱速器 外框轴1 交流伺服电机 图2 4 横摇轴电机端 图2 5 横摇轴编码器端 横摇轴系由左、右两半轴和两对角接触球轴承构成，轴系上装有交流伺 服电机和高精密涡轮蜗杆减速器。交流伺服电机连接减速器通过横摇轴和轴 承实现横摇轴向的转动。电限位采用的是电感式接近开关，安装在机械挡块 上，同时机械挡块还可以进行机械限位。绝对式光电编码器主要是进行平台 初始位置的调水平。横摇轴的角位移及角速度的测量主要是通过交流伺服电 机自带的编码器和圆感应同步器进行测量。同时由于所选取的涡轮蜗杆减速 1 2 哈尔滨下程大学硕十学何论文 i i 器具有自锁功能，不需外加制动器。 2 、二轴稳定平台纵摇轴系的设计 纵摇轴系的机械结构和横摇轴系基本上是一样的，同样主要由纵摇框、 纵摇轴、交流伺服电机、高精密蜗轮蜗杆减速器、绝对式光电编码器和电限 位保护装置等组成，各零部件的作用也和横摇轴系是一样。纵摇轴系的运动 范围是士1 5 0 ，其两轴端的机械结构如图2 6 和图2 7 所示。 胀紧联结套 外框 图2 6 纵摇轴电机端 图2 7 纵摇轴编码器端 1 3 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 2 3 电气结构设计 2 3 1 电气总体设计 稳定平台伺服控制系统采用全数字控制系统控制，系统的两个轴系由计 算机、运动控制器、交流伺服电机、交流伺服驱动器，减速器，绝对式编码 器、增量式编码器、负载组成。 为了提高系统的动态和静态精度，稳定平台伺服采用电流环、速度环、 位置环负反馈闭环控制方式。系统采用模数混合控制方式：电流环采用模拟 控制方式，由交流伺服电机和交流伺服驱动器构成；位置环和速度环采用数 字控制方式，位置环由运动控制器，交流伺服驱动器，编码器组成。水平稳 定闭环由g p s 测姿系统，绝对式编码器组成。并且由水平仪测量出由机械安 装引起的误差，实时修正误差。同时还可以由水平仪测出装载面的绝对水平 位置差，进行闭环控制。系统控制结构图如图2 8 ： 上位机 y 轴系控制单元 图2 8 系统控制结构总图 把控制系统分为6 个单元，分别为上位机、p m a c 卡、d s p 主控单元、 测姿单元、x 轴系控制单元，y 轴系控制单元。上位机完成控制见面的显示， 1 4 哈尔滨下程大学硕十学何论文 控制指令的发出和对p m a c 卡的编程。测姿单元通过数据显示与处理单元， 将船舶纵横摇姿态信息发送给d s p 运动控制单元，经过d s p 运动控制单元 的运算，将姿态信息转化为镜像运动的脉冲和方向信息，发送给p a m c 卡， p m a c 通过接收到的脉冲个数，脉冲频率，和方向信号，控制输出的模拟信 号控制交流驱动器，实现电机的运动。 l - _ 位机 p m a c 卡 d s p 主控单元 巨垂巫丑叫圃； i 二困测姿单元l 交流伺服驱动器卜叫伺服电机卜_ 叫减速器卜卅稳定x 轴 _ 卅绝对编码器 图2 9 单轴电气结构 x 轴系控制单元，y 轴系控制单元具有相同的电气结构，本文以x 轴系 控制单元为例，分别介绍电机的选择，减速器的选择，p m a c 卡、编码器的 选择与应用。 2 3 2 驱动电机的选择 1 、载荷分析 稳定平台一般情况下主要受惯性载荷、摩擦载荷、重力不平衡载荷的作 用。由于该平台工作环境海外舰船上，所以还要考虑风力载荷的作用。其中， 重力不平衡力矩是由于转动体的质心偏离回转中心而产生的一种倾覆力矩， 这种力矩在机械设计过程中一般是通过加配重的方式使之减少或者消除。风 力载荷的精确计算一般需要进行风洞试验，由于实验条件限制，本文中采取 载荷等效的办法，将风载等效成静载荷，按照理论力学的基本原理进行估算。 ( 1 ) 惯性载荷是刚体在加速度或者角加速度的作用下而产生的。刚体在 绕轴转动时，惯性力矩m 为： m = 如 ( 2 - 2 ) 式中：m 惯性力矩； 1 5 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 刚体对回转轴的转动惯量； 占物体角加速度。 技术指标参数可以计算得： = 厶c 外m a x = 1 4 1 1 6 n m 同理计算得到内框得惯性力矩： = 厶6 舢u x = 3 5 1 2 n m ( 2 ) 摩擦载荷分析 静滑动摩擦力只一般等于主动力，即随主动力的增大而增大，但它不 能随主动力无限制的增大。当主动力，的大小达到一定数值时，物体处于平 衡的临界状态。这时，静摩擦力达到最大值，即为最大静摩擦力，由库 伦摩擦定律可得： f , m = 正目 ( 2 3 ) 式中：，是静摩擦因数； ，是法向压力。 轴承的摩擦力矩的近似计算式为： m r = 越( 2 - 4 ) 式中：m ，轴承的摩擦力矩； 摩擦系数，对于角接触球轴承，取= 0 0 0 2 ； f 外载荷； d 轴承内径。 外框及其附件、内框上所有件( 转动部分) 总重量：g 外= 8 2 3 2 5 4 n ，由 公式( 3 6 ) 得到各转动部分的摩擦力矩分别为： 1 = 寺霸q = 0 5 3 9 n 。m ( 2 - 5 ) ( 3 ) 重力载荷分析 1 6 哈尔滨丁程