舰载武器稳定平台控制技术研究
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摘要
随着现代军事的发展，舰载武器成为保护舰船和打击敌人的重要手段之一。而稳定平台是其不可或缺的关键部分。经典PID控制规律加模拟电子系统的解决方案在平台稳定回路控制中已经成为一种成熟的技术，本文通过理论分析和试验仿真得到的结果证明了以上方法的可行性，但在控制精度、响应速度和抗干扰能力等方面，经典PID控制规律都存在不足，而模拟电子系统实现起来又有体积大、成本高、故障频繁等缺陷，因此选择更高级的控制规律和数字控制成为一种发展方向。正是在这样的背景下本文对基于DSP的遗传算法整定的PID数字控制进行了研究。
遗传算法是模拟生物进化过程的计算模型，是一种新的全局优化搜索算法。其主要优点如下：首先遗传算法在不需要给出调节器初始参数的情况下，仍能寻找到合适的参数，使控制目标满足要求；其次它只通过字符串进行简单地复制、交叉、变异，便可达到寻优，并且它是从许多点开始并行操作，在解空间进行高效启发式搜索，所以操作方便、速度快。本文对整定后的系统进行了仿真，结果表明在这种控制规律下，系统在速度、精度方面有了很大提高，特别是抗干扰能力有了显著的增强。
本文对平台稳定回路数字控制系统进行了软硬件设计。硬件设计部分重点介绍了数字控制器以及其外部电路的硬件接口和工作原理；软件设计部分重点介绍了与芯片硬件结构紧密联系的PWM波形产生程序模块。本文选用的是美国德州仪器公司的TMS320F2812芯片，它具有高效、高速、高精度等优点，而且还能够提供12路PWM输出，为电机控制提供了极大的方便。
With the development of modern military, shipborne weapons have become one of important means to protect ships and combat enemies. The solution combines classical PID law with analogue electronic system is now a mature technology, this paper analysis this technology in theory and experimentation, the result argues that this technology is feasible, but on the other hand the classical PID law is not so good in precision, response speed, disturbance rejection and the analogue electronic system is big, costly and frequently in failure. So the choice of advanced control law and digital control is now the main fashion. Under the background this paper is researching the digital control method base on the Genetic Algorithm PID law (GA PID).
GA is a model to simulate the process of biological evolution. It is a new search algorithm of global optimization. Its main advantages are as follows: First in the case of not given the initial parameters, Genetic Algorithm is also able to find suitable parameters. It makes the control objectives meet the goal of controlling demand. Second it can achieve optimization through simple reproduction, crossover and mutation of string. And it is operating in parallel from many points starting. It searches for the solution space in efficient heuristic. So it is easy and fast. The experiment indicates that this method get a big improvement in the precision, speed and disturbance rejection.
The software and hardware of digital platform stabilization loop is designed. The digital controller and hardware interface and theory of its external circuit are emphasized in hardware design section. PWM wave producing module closely related chip structure is emphasized in software design section. In this paper TMS320F2812, a product of Texas Instruments Inc., is chosen as the core chip of the digital control system. Because DSP2812 has the advantage in efficiency, speed and precision, it can produce 12 PWM output channels. It makes the motor control more convenient.
遗传算法是模拟生物进化过程的计算模型，是一种新的全局优化搜索算法。其主要优点如下：首先遗传算法在不需要给出调节器初始参数的情况下，仍能寻找到合适的参数，使控制目标满足要求；其次它只通过字符串进行简单地复制、交叉、变异，便可达到寻优，并且它是从许多点开始并行操作，在解空间进行高效启发式搜索，所以操作方便、速度快。本文对整定后的系统进行了仿真，结果表明在这种控制规律下，系统在速度、精度方面有了很大提高，特别是抗干扰能力有了显著的增强。
本文对平台稳定回路数字控制系统进行了软硬件设计。硬件设计部分重点介绍了数字控制器以及其外部电路的硬件接口和工作原理；软件设计部分重点介绍了与芯片硬件结构紧密联系的PWM波形产生程序模块。本文选用的是美国德州仪器公司的TMS320F2812芯片，它具有高效、高速、高精度等优点，而且还能够提供12路PWM输出，为电机控制提供了极大的方便。
With the development of modern military, shipborne weapons have become one of important means to protect ships and combat enemies. The solution combines classical PID law with analogue electronic system is now a mature technology, this paper analysis this technology in theory and experimentation, the result argues that this technology is feasible, but on the other hand the classical PID law is not so good in precision, response speed, disturbance rejection and the analogue electronic system is big, costly and frequently in failure. So the choice of advanced control law and digital control is now the main fashion. Under the background this paper is researching the digital control method base on the Genetic Algorithm PID law (GA PID).
GA is a model to simulate the process of biological evolution. It is a new search algorithm of global optimization. Its main advantages are as follows: First in the case of not given the initial parameters, Genetic Algorithm is also able to find suitable parameters. It makes the control objectives meet the goal of controlling demand. Second it can achieve optimization through simple reproduction, crossover and mutation of string. And it is operating in parallel from many points starting. It searches for the solution space in efficient heuristic. So it is easy and fast. The experiment indicates that this method get a big improvement in the precision, speed and disturbance rejection.
The software and hardware of digital platform stabilization loop is designed. The digital controller and hardware interface and theory of its external circuit are emphasized in hardware design section. PWM wave producing module closely related chip structure is emphasized in software design section. In this paper TMS320F2812, a product of Texas Instruments Inc., is chosen as the core chip of the digital control system. Because DSP2812 has the advantage in efficiency, speed and precision, it can produce 12 PWM output channels. It makes the motor control more convenient.
引文
[1] 李文秀．自动控制原理．哈尔滨工程大学出版社，2002：196-233页
[2] 陶永华．新型PID控制及其应用。机械工业出版社，2005：300-305页
[3] 王顺晃，舒迪前．智能控制系统及其应用．机械工业出版社，2005：314-325页
[4] 易继锴，候媛彬．智能控制技术．北京工业大学出版社，1999：60-93页
[5] 孙增圻等．智能控制理论与技术．清华大学出版社，1997：345-356页
[6] 彭启琮，李玉柏．DSP技术．电子科技大学出版社，1997：2-13页
[7] 戴明桢．数字信号处理的硬件实现．航空工业出版社，1998：1-8页
[8] 刘金琨．先进PID控制MATLAB仿真．电子工业出版社，2004
[9] 何克忠，李伟．计算机控制系统．清华大学出版社，2004
[10] 苏奎峰．TMS320F2812原理与应用．电子工业出版社，2005
[11] 曹承志．智能技术．清华大学出版社，2004
[12] 胡寿松．自动控制原理．国防工业出版社，1993
[13] 李友善，自动控制原理．国防工业出版社，1996
[14] 丁玉军，DSP在平台稳定系统中的研究，哈尔滨工程大学硕士论文，2001
[15] TMS320F2812 Digital Signal Processors Data Manual. Texas Instruments Incorporated, April 2001-Revised July 2003
[16] TMS320F28x DSP Analog-to-Digital Converter (ADC)Reference Guide. Texas Instruments Incorporated, August 2003
[17] TMS320F28x DSP Event Manager (EV) Reference Guide. Texas Instruments Incorporated, June 2003
[18] TMS320F28x DSP Serial Communication Interface (SCI) Reference GuideTexas Instruments Incorporated, June 2003
[19] TMS320F28x DSP Multichannel Buffered Serial Port (McBSP). Texas Instruments Incorporated, June 2003
[20] TMS320F28x DSP Boot ROM Reference Guide. Texas Instruments Incorporated Guide, June 2003
[21] 黄德鸣，张树侠，孙枫．平台罗经．国防工业出版社，1990
[22] 谈振藩，周洪宇，袁赣南．导航系统信息转换．国防工业出版社，1997
[23] 胡祜德，马东升等．伺服系统原理与设计．北京理工大学出版社，1999
[24] 陈伯时．电力拖动自动控制系统．第二版．机械工业出版社，1991
[25] 李东明，党纪红，郝颖．惯性平台稳定回路的双闭环控制．应用科技，2003
[26] 王蓓蕾，谈振藩．DSP在数字控制系统设计中的应用．电脑学习，2000
[27] 张晓红，孙枫．平台罗经惯导工作状态的转换研究．船舶工程，1997
[28] 孙增圻，万骞．遗传算法及其在智能控制中的应用．第二届全国智能控制专家讨论会，1994
[29] 张雄伟．DSP芯片的原理与开发应用．电子工业出版社，1997
[30] 刘和平．TMS320LF240xDSP结构、原理及应用．北航出版社，2002
[31] 冯国楠．现代伺服系统的分析与设计．北京理工大学出版社，1993
[32] 周明，孙树栋．遗传算法原理及应用．国防工业出版社，1999
[33] 黄文梅，杨勇，熊桂林．系统分析与设计—MATLAB语言及应用．国防科技大学出版社，2001
[34] 郑大钟．线性系统理论．清华大学出版社，1995
[35] 阎石．数字电子技术基础．高等教育出版社，1998
[36] 王宏．MATLAB6.5及其在信号处理中的应用．清华大学出版社，2004
[37] 楼顺天．基于MATLAB的系统分析与设计—信号处理．西安电子科技大学出版社，1998
[38] 张卫宁．TMS320C28x系列DSP的CPU与外设(上／下)．清华大学出版社，2004
[39] 王文平．基于遗传算法的PID参数优化设计．自动化与仪表，1998
[40] TMS320C28x OptimizingC/C++ Compiler User's Guide. Texas Instruments, 27, Aug 2001
[41] TMS320C2XX/TMS320C24x Code Composer User's Guide. Texas Instruments, 30 Nov 2000
[2] 陶永华．新型PID控制及其应用。机械工业出版社，2005：300-305页
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[8] 刘金琨．先进PID控制MATLAB仿真．电子工业出版社，2004
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[18] TMS320F28x DSP Serial Communication Interface (SCI) Reference GuideTexas Instruments Incorporated, June 2003
[19] TMS320F28x DSP Multichannel Buffered Serial Port (McBSP). Texas Instruments Incorporated, June 2003
[20] TMS320F28x DSP Boot ROM Reference Guide. Texas Instruments Incorporated Guide, June 2003
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