四轴天线跟踪平台控制系统的研究与设计

摘要

跟踪平台能够有效隔离外部扰动和载体自身运动所产生的角运动，能使得安放在跟踪平台上的天线设备不受外部扰动和载体运动的影响而失去跟随的目标信号，保证天线设备能够精确跟踪目标，从而实现实时、稳定的通讯，因此被广泛应用于航天、航海各个领域。本次以四轴天线跟踪平台为讨论对象，对跟踪平台中的各个子系统建立数学模型，通过建立的数学模型对相关控制算法进行在线仿真与分析，接着分别对整个控制系统的软硬件进行设计。
　　本文首先对整个跟踪平台系统的控制流程进行了简要的分析，为了隔离外部扰动和载体自身运动影响，通过姿态解算得出各个轴所需要转动的角度，并对本次跟踪平台控制器的设计中需要的核心元器件进行分析选型。
　　其次依据平台各个组成模块的特性建立相应的数学模型，通过MATLAB在频域下对所设计的电流环、速度环和位置环三闭环反馈系统分别进行在线仿真分析。在相关系统控制算法的设计中，速率环选用了智能分区PID控制算法、位置环选用了模糊自适应PID控制算法。并通过simulink仿真实验箱分别为以上设计的两种先进算法同传统PID控制算法进行在线仿真比较，说明先进PID控制算法在本次设计的控制系统中的优良性能。由于外部环境的影响导致陀螺仪信号存在大量噪声，本次采用了IIR数字滤波器来滤除陀螺信号中的噪声，并通过相应的仿真分析证明所设计滤波器的优良性能。
　　最后根据各个模块的功能不同，将整个硬件结构分为TMS320 F2812核心电路、检测单元电路、A/D转换电路三个部分。然后分别对三大部分进行元件选型和系统电路设计。接着对整个控制系统软件设计做出简要说明，并将整个系统软件设计分为系统初始化、电机电流、速度、位置信息的采集与处理、通讯、控制算法、系统控制五个部分，对各个部分进行简要分析，并给出相应的设计流程图和部分源代码。

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第1章 绪论

1.1课题研究背景及研究意义

1.2国内外研究现状

1.3本文的主要工作内容

第2章 跟踪平台控制系统的基本原理

2.1概述

2.2跟踪平台系统姿态分析

2.3跟踪平台系统元件选型

2.4本章小结

第3章 跟踪平台控制系统的设计及仿真

3.1直流力矩电机数学模型

3.2跟踪平台台体数学模型

3.3电流环控制器设计

3.4速率环控制器设计

3.5位置环控制器设计

3.6本章小结

第4章 跟踪平台控制算法分析

4.1传统PID控制算法

4.2智能分区PID控制算法

4.3模糊自适应PID算法

4.4陀螺信号滤波

4.5本章小结

第5章 系统硬件设计

5.1系统硬件部分总体设计

5.2 TMS 320F 2812核心电路设计

5.3检测单元电路设计

5.4 A/D转换电路设计

5.5本章小结

第6章 系统软件设计

6.1系统软件部分总体设计

6.2检测单元程序设计

6.3通讯模块程序设计

6.4控制算法程序设计

6.5 PWM波生成程序设计

6.6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