三轴转台的神经网络控制研究及基于RTX控制软件设计

摘要

三轴转台是测试惯性元件的关键设备之一。随着航空、航天工业的发展，对其关键性设备惯性元件要求的精度不断提高，同时对转台性能指标的要求也越来越高。本文以三轴转台为研究背景，结合神经网络控制的方法，着重对影响性能的摩擦干扰问题进行补偿及对神经网络PID控制器进行了理论分析设计，实现基于RTX的转台系统控制软件。首先，文章通过理论分析推导三轴转台的数学模型，并根据实际参数建立了三轴转台的状态方程。根据逆系统理论讨论了系统可解耦性，证明并得出解耦系统。通过解耦，三轴转台系统成为三个单输入，单输出线性系统，为理论分析设计控制系统提供了转台模型。　　其次，对影响转台系统的控制精度的主要因素摩擦力矩，进行理论分析。主要介绍了产生摩擦力的原因，包括机械和分子两个作用。介绍常用的摩擦力模型，概括总结摩擦力矩对转台系统的影响，对当前补偿摩擦力的方法进行归纳总结。　　探讨BP神经网络结构、特点，及其算法。在此基础上，文中主要探讨了神经网络控制在三轴转台系统中的应用。通过神经网络的设计，实现摩擦力矩的补偿。设计了基于BP神经网络的PID控制器，实现PID控制器参数自学习、自整定。引入权值拟熵作为目标函数的惩罚函数，简化网络结构，减少运算量。同时分析了系统的收敛性和稳定性，仿真结果显示该方法满足转台系统的性能指标。　　最后分析了Windows2000系统的实时性，介绍RTX实现实时操作的功能及原理，并完成了三轴转台控制系统的软件开发，解决实时控制软件难以运行在Windows2000操作系统下的课题。

目录

文摘

英文文摘

1综述

1.1课题来源及研究的目的和意义

1.2转台发展概述

1.3转台系统研究主要控制技术问题

1.4神经网络与自动控制

1.4.1神经网络发展与现状

1.4.2神经网络自动控制

1.5基于RTX的实时软件的特点

1.6本文的主要研究内容

2三轴转台动力学模型

2.1引言

2.2基本概念和定理

2.2.1旋转投影变换

2.2.2转动惯量空间变换

2.2.3刚体绕定点转动的动力学方程

2.3三轴转台各框架轴转动惯量

2.3.1内框轴上的转动惯量

2.3.2中框轴上的转动惯量

2.3.3外框轴上的转动惯量

2.3.4内、中、外框架轴上的转动惯量

2.4三轴转台各框架的角速度

2.4.1外框架的角速度

2.4.2中框架的角速度

2.4.3内框架的角速度

2.5作用在内、中、外框架轴上的转动力矩

2.5.1各框架作用在各自框架轴上的转矩

2.5.2作用在内、中、外框架上的转矩

2.6控制对象的微分方程

2.7解耦

2.8转台控制系统结构

2.9小结

3基于BP神经网络的摩擦力矩补偿

3.1引言

3.2摩擦力矩分析

3.2.1摩擦力产生的机理

3.2.2摩擦力模型

3.2.3转台摩擦力矩分析

3.2.4摩擦力矩对转台系统的影响及补偿方法

3.3神经网络在的摩擦力矩补偿中的应用

3.3.1反向传播神经网络

3.3.2摩擦力矩的神经网络补偿

3.4小结

4神经网络PID控制

4.1引言

4.2基于BP神经网络的PID控制算法

4.3仿真

4.4神经网络PI D控制的收敛性和稳定性分析

4.5网络结构的优化

4.6小结

5基于RTX的转台系统控制软件设计与实现

5.1引言

5.2实时操作系统的基本要求

5.3 WINDOWS NT/2000实时性分析

5.4 RTX实时性原理

5.5三轴转台控制软件设计与实现

5.6运行结果

5.7小结

6结论

7参考文献

8攻读硕士学位期间发表的论文

9声明

10致谢