船舶三自由度模拟摇摆台控制系统设计与实现

摘要

模拟船舶在海洋中的各种运行姿态以应对错综复杂的海情，对舰船的设计与测试至关重要。因此，对船舶三自由度模拟摇摆台控制系统的研究显得格外重要。本课题是结合科研项目进行的，目的是研究并设计一种船舶三自由度模拟摇摆台高精度的控制系统，以精确模拟船舶在海洋航行中的摇摆运动姿态。
　　首先，本文以某型船舶三自由度模拟摇摆台为研究对象，根据提出的性能指标要求，给出了船舶三自由度模拟摇摆台控制系统的上位机监控软件（VC++）+嵌入式（DSP28335）的两层体系结构及软、硬件构成。整个控制系统设计为两个部分，硬件系统与软件系统。硬件系统负责控制算法的实现与控制命令的执行；软件系统发送控制指令并实时接收摇摆台反馈信息。硬件系统与软件系统互相联系，共同实现船舶三自由度模拟摇摆台的高效控制。
　　然后，对船舶三自由度模拟摇摆台控制系统进行了分析与建模。主要是针对摇摆台的执行机构——直流力矩电机进行了建模，并分析了系统非线性影响。针对船舶三自由度模拟摇摆台控制系统的低速性能，详述了系统中对低速性能影响最大的摩擦力矩，并对其进行分析与建模，给出了船舶三自由度模拟摇摆台控制系统数学模型。
　　接着，提出了基于模糊推理的船舶三自由度模拟摇摆台变论域模糊控制方法，伸缩因子采用模糊推理来替代函数模型，根据输入输出量的大小来相应改变模糊控制器的输入输出变量论域范围，设计并实现了船舶三自由度模拟摇摆台的变论域模糊控制器，分析比较了摇摆台在PID、模糊PID和变论域模糊三种不同控制方法的控制性能，数字仿真与系统试验结果表明，基于模糊推理的变论域模糊控制方法自适应能力强，反应时间迅速，稳态精度高。
　　最后，对船舶三自由度模拟摇摆台控制系统进行了软硬件设计与实现,并进行了调试和试验。完成了基于嵌入式DSP28335的硬件系统，设计了一套完整的船舶三自由度模拟摇摆台上位机监控软件，并应用于系统实现摇摆台定位、船舶运动姿态模拟及文件存储等功能，具有很好的工程应用价值。

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第1章 绪 论

1.1 课题的背景及意义

1.2 船舶三自由度模拟摇摆台发展国内外现状

1.3 船舶三自由度模拟摇摆台控制系统研究现状与问题

1.4 论文主要内容与结构

第2章 船舶三自由度模拟摇摆台控制系统技术方案

2.1 引言

2.2 船舶三自由度模拟摇摆台机械结构

2.3 船舶三自由度模拟摇摆台性能指标

2.4 船舶三自由度模拟摇摆台控制系统结构与原理

2.5 本章小结

第3章 船舶三自由度模拟摇摆台控制系统分析与建模

3.1 引言

3.2 船舶三自由度模拟摇摆台控制系统建模

3.3 船舶三自由度模拟摇摆台非线性分析

3.4 船舶三自由度模拟摇摆台耦合影响分析研究

3.5 本章小结

第4章 船舶三自由度模拟摇摆台控制策略设计

4.1 引言

4.2 船舶三自由度模拟摇摆台PID控制设计

4.3 船舶三自由度模拟摇摆台模糊PID控制设计

4.4 船舶三自由度模拟摇摆台变论域模糊控制设计

4.5 本章小结

第5章 船舶三自由度模拟摇摆台控制系统硬件设计

5.1 引言

5.2 DSP控制器硬件系统

5.3 DSP最小系统模块

5.4 串口通讯模块

5.5 PWM功放模块

5.6 编码器测角模块

5.7 本章小结

第6章 船舶三自由度模拟摇摆台控制系统实现与试验结果

6.1 引言

6.2 嵌入式控制系统实现及通讯协议

6.3 船舶三自由度模拟摇摆台控制系统软件设计

6.4 船舶三自由度模拟摇摆台控制系统调试

6.5 船舶三自由度模拟摇摆台控制系统结果分析

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