基于ARM的燃气舵舵机控制系统的设计与分析

摘要

现代化军事设备中精确制导导弹已经是不可或缺的一项重要武器，随着现代战争对武器科技水平的要求越来越高，高精度制导技术已经成为国家制导导弹研究的重要方向。舵机伺服系统控制技术水平不仅影响导弹的空中飞行姿态，而且在极大程度上决定了导弹的制导精度。目前制导弹箭主要采用直流无刷永磁伺服舵机作为舵片控制部件，直流无刷伺服舵机主要依靠舵机转轴的转动带动舵片旋转，以达到预定转动角度。舵机伺服系统具有低体积、低质量、高转速、高转矩等特点，具有良好的控制精度，但同时其具有很强的非线性和时变性，因此基于舵机伺服系统的控制技术成为了现今社会研究热点。本文以燃气舵系统为研究对象，对直流无刷伺服舵机的软硬件控制系统和控制算法进行了深入研究，主要工作和研究成果如下:
　　(1)对直流无刷伺服舵机系统的结构特点、运行特性以及相关控制原理进行了分析，选定了Dynamixel系列的直流无刷伺服舵机作为本文的研究对象，基于其舵机参数进行了结构原理分析以及传递函数推导，并基于Matlab对该舵机进行了数学建模，分析了该舵机的参数影响并确定了该舵机的基本数学结构。
　　(2)设计并制造了基于LPC2292芯片的ARM开发板，基于Protel软件分别从ARM板的PWM模块、A/D转换模块、电源模块等方面进行了模块化设计，在此基础上选择导电塑料电位器作为舵机位置检测元件，设计并完成了基于位置检测的硬软件反馈环节，设计安装组成了燃气舵舵机系统。在四舵片燃气舵系统基础上完成了舵机伺服控制系统的硬件实验平台，经实验验证，该位置检测环节与ARM板成功完成了对燃气舵舵机的闭环控制。
　　(3)基于本文搭建的燃气舵舵机伺服系统硬件实验平台，用传统PI进行仿真试验，得到的实验结果有超调，响应时间较慢。在此基础上引入自适应模糊理论并进行模糊理论分析，设计了自适应模糊PI算法，完成了Matlab上的模糊PI仿真建模及控制程序编写。基于本文搭建的硬件实验平台和自适应模糊控制PI算法，对舵机系统进行了仿真分析和实验分析，针对有负载和空载时舵机系统的响应状态进行了实验研究，分别从给定正弦以及阶跃信号跟踪能力进行了仿真分析和实验分析，对比了传统PI和自适应模糊PI对舵机系统的控制效果，结果表明，从调节时间、上升时间、超调量上，本文设计的自适应模糊PI控制器的控制效果均优于传统PI控制。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题背景及意义

1．2 舵机伺服系统的国内外研究现状

1．2．1 舵机伺服系统的发展趋势

1．2．2 舵机伺服系统的研究现状

1．3 伺服舵机控制系统硬件结构平台设计研究现状

1．4 直流舵机伺服系统控制以及算法研究现状

1．4．1 舵机伺服系统控制方法研究现状

1．4．2 舵机伺服系统数据算法研究现状

1．5 本文主要研究内容

2 无刷直流舵机控制系统基础原理分析

2．1 引言

2．2 直流无刷舵机的结构及工作原理

2．2．1 无刷直流电动舵机的结构

2．2．2 无刷直流电动舵机的运行原理

2．2．3 无刷直流电动舵机的运行特性

2．3 直流无刷舵机的数学建模

2．4 基于Matlab的直流无刷舵机的数学建模

2．5 模糊PID控制算法基础分析

2．5．1 PID控制器原理基础分析

2．5．2 模糊控制理论基础分析

2．6 本章小结

3 燃气舵舵机的实验系统设计

3．1 引言

3．2 ARM开发板的模块设计

3．3 燃气舵舵机控制实验系统硬件平台搭建

3．3．1 舵机控制系统位置检测

3．3．2 燃气舵舵机控制系统实验平台的设计

3．4 本章小结

4 燃气舵舵机的控制算法设计及仿真实验分析

4．1 引言

4．2 自适应模糊PI控制器设计

4．3 仿真结果分析

4．3．1 正弦信号跟踪能力仿真

4．3．2 阶跃信号响应仿真

4．4 实验结果分析

4．4．1 正弦信号跟踪能力实验

4．4．2 阶跃信号响应实验

4．5 本章小结

5 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果