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精密伺服转台控制系统研究

时间:2017-09-12 19:07来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是控制工程论文,随着伺服转台控制系统的发展及控制过程中对精度的高要求,普通的方式不能达到实时性的要求。
1 绪论
 
1.1 引言
这几年伴随着科学技术的变革与创新,深空通信、卫星通信等空间通信技术领域的飞速发展,电子干扰、惯性导航等军事技术领域地位的不断提高。控制伺服结构朝精密化、大型化、平稳化等方向改变。伺服转台在空间通信技术领域和军事技术领域有着广泛的应用,是卫星跟踪望远镜、雷达、射电天文望远镜、光电精密跟踪系统、惯导测试设备、光电测控仪、精密测试转台等设施不能缺少的组成部件[1]。其技术水平的高低直接影响整个设备的跟踪速度、跟踪精度、跟踪平稳性、跟踪可靠性和扰动抑制等性能的优劣。
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1.2 论文的研究背景及意义
现代化的战场对伺服控制系统的要求越来越严,要求其能做到系统可靠稳定、系统兼容行好、适应复杂环境、跟踪精度高、反应迅速灵活、界面操作简单等。在以上多个指标中,跟踪精度与反应速度是军用伺服控制系统的核心要求。因此,除了不断提升传感器、伺服电机等部件的使用性能,优化和改良控制算法之外,转台的伺服控制系统的开发就显得尤为重要[2]。目前,研究转台的控制系统早已成为全世界的热点,它是控制转台运动的关键。当前计算机科技的潮流已经变向数字控制。模拟控制有固有缺陷,而数字控制则没有[3]。数字控制能够利用更加通俗易懂、更加标准化的结构来表达。通过软件操作系统,各种复杂的、模拟控制无法解决的问题都得以解决,并且数字控制系统还能够处理比较高的噪声问题,精准度有很高的提升[4]。当然,微机技术的快速发展对数字控制有着重要的影响,因而,它在精度方面遇到的问题要少得多,所以数字控制有非常大的有待挖掘的潜力。目前,多种数字化设计理念已经应用到转台的测控系统中并取得了很好的效果,使人们对发展数字控制有更大的信心。此外,同步感应器精准度的提高,光电法码盘应用的简单便捷,光栅尺在测角系统领域的突破与提高和 PWM 控制方式的相对成熟,因此各个领域的数字控制都在深入发展,为各行各业提供了合理可行的解决方法。当下,伺服控制技术的主流是以 PC 为主控计算机建造平台,这是因为处理器性能在提高而价钱却在降低,使技术的重点转向软件。而且如今的 PC 体系结构因其快速的处理性能和多样的软硬件资源,促使控制系统向开放式形式发展。
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2 精密伺服转台控制系统的基本原理和硬件选型
 
2.1 精密伺服转台控制系统的基本原理
论文所研究的二维转台控制系统由驱动、控制、检测等部分组成的,就像通常的二维转台一样,在外观上有两个轴组成[16],分别是水平轴和俯仰轴,水平轴是与水平面平行的 X 轴,轴机身、壳体、电机等器件共同构成了整个水平轴整体;俯仰轴是垂直于水平面的 Y 轴,也由轴机身、壳体、电机等器件共同构成了整个俯仰轴整体[17]。两个轴臂可以对转动的角度进行测量,而且一般都能达到较为准确的数据,X 轴能从 0 度转动到 360 度,也就是说 X 轴可以旋转一周;Y 轴可以从 0 度旋转到 360 度,也就是说 Y轴可以旋转一周。在本设计方案中,转台模拟载体作匀速、匀变速、正弦和方波运动,在每一时刻,转台产生方位、速度等变化量,该变化量直接影响转台的控制特性。本设计方案中构想数据处理计算机以 40ms 为周期实时采集来自转台的位置信息、速度信息及加速度信息[18]。通过比较不同控制算法之间的误差、响应速度、响应精度,进行数据的处理与分析,并提交测试结果,选出一个最优的的控制算法以实现控制要求[19]。精密伺服转台控制系统组成如图 2.1 所示。
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2.2 控制系统总体设计方案
转台的控制系统由控制计算机与主控机箱组成。控制计算机使用 windows XP 操作系统,由运动控制卡接收或发送给主控机箱数据信号,再由主控机箱完成对转台的数字实时控制[20]。充分发挥 windows 软件的灵活性以优化控制算法,此外,控制计算机还通过运动控制卡管理转台的速度和位置信号的接收和发送。转台的手动控制同样由控制计算机软件实现,但保护装置则为主控机箱和转台硬件平台完成。控制系统总体结构设计框图,如图 2.2 所示。论文采用“PC+运动控制卡”的控制方式:以 FPGA 为核心的运动控制卡技术,与PC 机组合构成伺服控制系统。对于控制任务的分配,主要是以 PC 机完成人机交互界面,运动控制卡完成直线运动算法和插补运动算法,此方案的特点是 PC 机只起到给定的作用,所以对 PC 机的实时性要求就降低了许多。PC 机能够运行多种常用的系统,因此同人机交互界面的设计同样可在相应的环境下进行开发工作,运动控制卡则在 Visual C++、Visual Basic 等环境下调用动态函数链接库实现对转台的运动控制。
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3 精密伺服转台控制系统的软件设计方案....24
3.1 软件总体设计方案............24
3.2 软件设计平台介绍............24
3.3 转台系统软件设计............25
3.4 优化控制算法设计............37
3.5 数据处理系统软件设计方案......40
4 检测与测验..........43
4.1 系统总体检验方案............43
4.2 系统硬件外观检验............43
4.3 转台系统运动性能测试....43
4.3.1 转角范围与转台速率检测..........43
4.3.2 速率精度测试..........44
4.3.3 定位精度测试..........46
4.3.4 正弦速率精度测试............48
4.4 系统软件优化算法控制性能测试........50
5 总结与展望..........56
5.1 总结......56
5.2 不足与展望....57
 
4 检测与测验
 
4.1 系统总体检验方案
依据精密伺服转台控制系统设计构想,以及设计构想过程中具体的技术性能指标要求,将从系统硬件外观、转台系统运动性能、系统数据处理计算机性能和系统软件算法控制性能四部分,分别对精密伺服转台控制系统进行检验与测验。系统性能检测将分别检验各个子系统的各项性能指标是否合乎设计要求,之后系统将进行实际联机调试并检验结果。
 
4.2 系统硬件外观检验
根据本论文第二章精密伺服转台控制系统硬件选型的具体要求,对设备外观进行检查,查看设备是否符合要求;各硬件部分表面是否平整,色泽是否均匀,是否有明显机械损伤、变形;显示面板、控制面板上的字迹和标记是否清晰可辨。根据各个子系统硬件设计要求,对各个子系统的电气线路布线是否规范、标识是否清晰,各接线端子的螺钉是否齐全,接线是否无松动,插件连接是否牢靠等方面做检验并给出检验结果。
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总结
 
本文对基于 PC 操作系统和现场总线技术的运动控制平台的体系结构进行了研究,提出了开放体系结构控制平台的层次结构模型和系统实现。按照系统的要求,提出了基于 PCI 总线的精密伺服转台运动控制平台,对平台的软硬件结构以及实现开放的途径提出了有效的解决方案。深入研究精密伺服转台控制系统平台的实时性问题,提出了 PC平台下满足控制系统实时性的方法,主要完成了以下工作:
1)通过对精密伺服控制系统的结构进行分析并结合转台的基本工作原理,提出了基于 PCI 总线的运动控制卡控制方案,并确定了精密伺服转台控制系统的设计结构。
2)根据精密伺服转台控制系统的硬件需求,通过设备选型与组合完成转台控制的基础平台构建。
3)根据精密伺服转台控制系统的基础硬件平台,根据功能要求完成基础控制的软件界面设计开发,完成各种控制功能模块。
4)根据预测跟踪的过程中,因为系统运算延迟造成数据采集和处理的延迟,从而形成的误差和由于终端运动的随机性造成的误差,提出了一种基于最小二乘曲线拟合的实时预测跟踪算法。优化解决了误差的影响。实现系统软件设计的简略化、模块化。
5)最后,对本论文所设计的精密伺服转台系统进行功能测试,包括常速运动测试、变速运动测试和正弦运动测试,检测使用了编码器反馈数据和外接陀螺仪反馈数据并做分析对比,同样给出了基于最小二乘法的预测跟踪算法测试数据和分析,测试结果满足设计要求。
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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