基于ARM的疲劳试验机数字控制器的研究

摘要

本文以接触网零部件疲劳试验机为研究对象，利用数字控制的优势和现代控制理论的有关成果，旨在改进原来的模拟系统。根据疲劳试验机的固有特点，提出针对性的数字控制算法，同时研制出原理样机，使其能根据需求，完成满足一定规律的可控试验过程。 首先，作者在阅读了大量的国内外资料的基础上，概述了国内外公司在疲劳试验机控制器方面的研究成果，并根据我们的项目需求，提出了本论文要解决的问题。 文章在分析了试验机工况的基础上，研究了阀控非对称液压缸位置系统和力控系统的数学模型，进一步分析了液压缸的非对称性所引起的系统静差，并将系统数学模型离散化，得到了便于应用数字控制的离散化数学模型，在此基础上对位置系统和力控系统数学模型进行了仿真计算，确定了合理的控制策略。设计了数字PID控制器对位置闭环和力控系统进行校正，并在此基础上采用动压反馈来提高系统性能，试验结果证明采用动压反馈能有效地提高系统的阻尼比。 针对试验机的需求分析，提出了控制系统的硬件实施方案。选择ARM系列芯片中的AT91RM9200作为控制器的CPU，采用S1D13506的LCD控制器来完成图形用户界面的设计，根据信号采集的需要，选择16位的AD7825和DA7644芯片来完成数据的模拟量输入输出功能。 在硬件平台基础上，选择Linux作为控制器的操作系统，完成了Uboot和Linux操作系统内核的配置和移植，编写了控制器的A/D、D/A、LCD等多个功能模块驱动程序；针对Linux在实时性方面的不足，采用了Xenomai技术弥补了Linux在实时性方面的不足；移植了MiniGUI软件，实现了控制器的人机接口功能，并运用MiniGUI开发了疲劳试验机的控制应用程序。 最后，作者在某疲劳实验机上进行了实验研究，检验了控制算法与控制器的有效性与可行性，证明了硬件选型、设计以及软件编程的正确性，达到了预期的控制效果。

目录

文摘

英文文摘

声明

致谢

1 绪论

1.1课题的来源与意义

1.1.1课题背景

1.1.2研究的意义

1.2内外相关技术研究现状

1.2.1国内相关技术研究现状

1.2.2国外相关技术研究现状

1.3本文研究的内容

2 系统建模与仿真研究

2.1试验机系统分析

2.1.1试验机系统组成

2.1.2系统工况分析

2.2数学模型

2.2.1位置系统数学模型

2.2.2系统的静差

2.2.3位置系统离散化数学模型

2.2.4力控系统数学模型

2.3系统仿真研究

2.3.1位置系统建模与仿真计算

2.3.2力控系统频域仿真

2.4小结

3 控制系统的硬件设计

3.1AT91RM9200DK芯片

3.2基于AT91RM9200DK的主板设计

3.3存储系统设计

3.4A/D采集模块接口电路设计

3.5D/A转换模块接口电路设计

3.6LCD显示接口电路设计

3.7小结

4 嵌入式Linux操作系统的定制和图形应用软件的移植

4.1嵌入式开发环境

4.2引导装载程序

4.2.1引导加载程序(BootLoader)概念

4.2.2 U.boot启动流程分析

4.2.3 U.boot的移植

4.3Linux操作系统的移植

4.4Ramdisk文件系统的建立

4.5嵌入式图形用户界面的移植

4.5.1 MiniGUI概况

4.5.2 MiniGUI的移植

4.6小结

5 嵌入式驱动程序设计

5.1Linux驱动程序开发

5.2A/D和D/A驱动程序设计

5.3LCD驱动程序设计

5.4小结

6 嵌入式实时性应用软件设计

6.1嵌入式Linux实时性研究

6.1.1问题的提出

6.1.2 Linux实时性解决方案

6.1.3 Xenomai机制研究和移植

6.2控制系统软件实现

6.2.1基于MiniGUI的人机界面设计

6.2.2 Xenomai的实时性软件编程

6.3小结

7 液压伺服系统的数字控制

7.1液压伺服系统的PID控制仿真

7.2系统的动压反馈校正

7.2.1理论分析

7.2.2实验研究

7.3小结

8 结论与展望

8.1结论

8.2工作展望

参考文献

附录A 疲劳试验机控制器及软件界面

作者简历