基于模型和算法移植的气动伺服DSP控制器研究

摘要

气动伺服技术具有清洁、功率质量比大、维护简便等优势，在机器人、医疗机械等场合应用广泛。本课题采用课题组现有高性能控制算法原型，加以改进后，研发了集成先进控制策略的气动伺服控制器，测试表明是国内高性能轨迹跟踪嵌入式气动伺服控制器成果。主要内容如下:
　　第一章详述嵌入式气动伺服控制器的研究进展，以及气动伺服系统的结构、建模和控制理论研究成果，明确了控制器主要研究内容。
　　第二章分析了直接/间接集成自适应鲁棒控制算法的结构，在此基础上加以改进，设计了压力观测器，证明是负载独立且稳定的，拟替代压力传感器;设计了Kalman滤波器用于在线滤波及估计速度和加速度，仿真和应用表明具有良好的效果，替代了高成本的速度和加速度传感器;测量了比例方向阀的准确模型。
　　第三章提出了基于DSP的气动伺服控制器电路方案，设计了单气缸和三轴平台的气动伺服控制器电路并制板了控制器。采用XINTF总线扩展了多通道AD采集和DA输出，设计反相器和异或器实现在同一Zone区域悬挂多个器件的方法;具有CAN通信隔离、开关量输出、和指示灯等功能，接口标准化。
　　第四章采用基于模型的设计方法实现了算法的嵌入式软件生成，并进行了软件在环(SIL)仿真验证，表明设计有效。提供算法运行的DSP环境，在主任务程序中根据定时器节拍标志运行复杂的控制算法，合理配置CAN外设，实现了高效通信;控制器具有参数掉电存储、在线调试修改功能，使得控制器更通用。
　　第五章搭建测试系统，编写了基于MFC的上位机控制、调试及监控软件，并详细测试气动伺服控制器性能。上位机监控软件实现了示教器的位姿采集与保存、轨迹数据传输与通信、实时控制器参数修改等六大模块，方便了控制器参数调优。单轴控制器达到了算法运行1ms实时性要求，运行稳定。负载实验表明系统具有良好抗冲击负载鲁棒性，控制器的稳态轨迹跟踪性能达到了平均误差与行程幅值的比小于1.5％的高精度，实现了预期目标。
　　第六章总结气动伺服控制器的研究工作，展望了未来研究方向。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 嵌入式气动伺服控制器研发现状

1．3 气动伺服平台设计研究现状

1．4 先进气动伺服控制策略研究现状

1．4．1 气动伺服系统建模

1．4．2 线性及其改进的气动伺服控制策略

1．4．3 先进非线性气动伺服控制策略

1．5 主要研究内容及意义

1．4．1 研究意义

1．4．2 研究内容

第二章 气动伺服系统设计及轨迹跟踪控制策略应用

2．1 3-RPS平台控制系统实现方案

2．2 气动伺服平台结构设计

2．3 直接／间接集成自适应鲁棒控制策略理论

2．4 全局负载独立的压力观测器设计

2．5 Kalman滤波器设计

2．6 比例方向阀测试拟合建模

2．7 小结

第三章 气动伺服DSP控制器电路设计

3．1 气动伺服控制器电路需求分析

3．2 DSP控制器方案设计及器件选型

3．2．1 嵌入式处理器选型

3．2．2 通信总线选型

3．3 数据采集电路设计

3．3．1 模数转换芯片AD7606应用设计

3．3．2 XINTF总线多器件悬挂解决方案

3．4 控制输出电路设计

3．5 CAN通信电路设计

3．6 辅助电路设计

3．6．1 开关量输出

3．6．2 位移传感器供电方案

3．6．3 控制器指示灯

3．7 硬件测试

3．8 小结

第四章 基于模型的算法移植及嵌入式软件设计

4．1 基于模型的设计技术介绍

4．2 基于模型的软件开发流程

4．3 单轴自适应鲁棒控制策略仿真

4．4 控制策略嵌入式软件自动生成

4．4．1 嵌入式软件生动生成流程

4．4．2 代码生成的关键配置

4．4．3 嵌入式软件生成实现

4．5 软件在环测试验证

4．6 嵌入式控制器软件设计与实现

4．6．1 功能需求分析

4．6．2 嵌入式软件结构

4．6．3 CAN通信协议设计与实现

4．6．4 控制器参数存储与读取

4．7 小结

第五章 控制器实验验证

5．1 实验平台介绍

5．2 上位机监控软件

5．2．1 动作采集控制模块

5．2．2 运行控制操作模块

5．2．3 控制器参数调试模块

5．2．4 实时参数绘图模块

5．2．5 参数交互监视窗口模块

5．2．6 绘图设置模块

5．3 控制器性能测验

5．4 轨迹跟踪控制效果

5．4．1 控制性能指标和参数

5．4．2 压力观测器实验

5．4．3 标准正弦信号轨迹跟踪性能

5．4．4 阶跃信号轨迹跟踪性能

5．4．5 随机信号轨迹跟踪性能

5．4．6 鲁棒性测试

5．4．7 三轴型控制器轨迹跟踪性能

5．5 小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

作者简历及在学期间取得的科研成果