高速高精度高炮数字伺服系统研制
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摘要
随着世界军事高技术的迅猛发展，数字化、信息化、网络化技术在武器装备发展中得到了广泛的应用，并使武器装备的性能得到大幅度提高。鉴於此，海军装备部要求我们研制以工控机作为数字控制器、以KOLLMORGEN驱动器为放大器、以稀土三相永磁交流同步伺服电动机为执行电机的高炮数字伺服系统。
本论文就是在这一工程背景下进行的。主要完成了以下工作：
一、根据项目提出的要求，对数字伺服系统进行了总体设计。选择研华IPC610工控机、KOLLMORGEN的BDS5T变频放大器和相应的永磁同步伺服电动机搭建了数字伺服试验台，设置了所有设备的相关参数，并自制了一块ISA总线数据采集卡和一块外围输入输出接口卡，以实现工控机与外围设备的联系。
二、分析了现代数字伺服系统的结构和原理，建立了本数字伺服系统的数学模型，提出并详细论述了时间最优一等减速一分段变参数PID和前馈控制的复合控制算法，并进行了Matlab下的仿真分析。
三、利用VToolsD开发了自制ISA总线数据采集卡的虚拟设备驱动程序，采用虚拟中断技术实现了Windows环境下操作系统对硬件的实时控制，并结合实验台进行了数字伺服系统软、硬件的联合调试和实验。
四、参与了智能加载系统的研制工作，利用智能加载系统对数字伺服系统进行了各种典型负载下的实验测试，更真实地模拟了火炮调转、跟踪和发射时的运动状况。
实验结果表明，本课题研制的数字伺服系统性能指标达到了设计要求。数字伺服系统结构先进，人机界面友好，控制算法实用，并具有较强的鲁棒性，为指挥自动化系统深入到武器装备最底层、实现网络控制提供了必要条件。
The performance of contemporary weapon systems has been enhanced by the development of military high-tech and the extensive usage of digital technology. The research of alternating current digital servo system with permanent magnetic electromotor and KOLLMORGEN drives based on industrial computer and windows operating system was required by the Weapon Department of the Navy.
We have finished these tasks during the research: 1.We have designed a digital servo system agreeting to the Navy' s requires, selected the parts and set up their parameters fully. In order to access the servo system' s hardware we have developed a ISA (Industrial Standard Architecture) card by ourself.
2. We have analyzed the architecture of modern digital servo system and proposed a complex control method. The principle of it was analyzed and simulated with Matlab6. 1.
3. A VxD(Virtual Device) of the ISA card is designed and a real-time servo control system under windows 9x operating system is realized with the virtual interrupt technique.
4. In order to measure the performance of the servo system extensively we have developed an intelligent loading system and have tested the servo system with different typical loads.
The servo system runs well in the experiments with a friendly user interface and can be operated conveniently. The ends of the tests mean that the digital servo system has fulfilled the targets proposed by the Navy.
本论文就是在这一工程背景下进行的。主要完成了以下工作：
一、根据项目提出的要求，对数字伺服系统进行了总体设计。选择研华IPC610工控机、KOLLMORGEN的BDS5T变频放大器和相应的永磁同步伺服电动机搭建了数字伺服试验台，设置了所有设备的相关参数，并自制了一块ISA总线数据采集卡和一块外围输入输出接口卡，以实现工控机与外围设备的联系。
二、分析了现代数字伺服系统的结构和原理，建立了本数字伺服系统的数学模型，提出并详细论述了时间最优一等减速一分段变参数PID和前馈控制的复合控制算法，并进行了Matlab下的仿真分析。
三、利用VToolsD开发了自制ISA总线数据采集卡的虚拟设备驱动程序，采用虚拟中断技术实现了Windows环境下操作系统对硬件的实时控制，并结合实验台进行了数字伺服系统软、硬件的联合调试和实验。
四、参与了智能加载系统的研制工作，利用智能加载系统对数字伺服系统进行了各种典型负载下的实验测试，更真实地模拟了火炮调转、跟踪和发射时的运动状况。
实验结果表明，本课题研制的数字伺服系统性能指标达到了设计要求。数字伺服系统结构先进，人机界面友好，控制算法实用，并具有较强的鲁棒性，为指挥自动化系统深入到武器装备最底层、实现网络控制提供了必要条件。
The performance of contemporary weapon systems has been enhanced by the development of military high-tech and the extensive usage of digital technology. The research of alternating current digital servo system with permanent magnetic electromotor and KOLLMORGEN drives based on industrial computer and windows operating system was required by the Weapon Department of the Navy.
We have finished these tasks during the research: 1.We have designed a digital servo system agreeting to the Navy' s requires, selected the parts and set up their parameters fully. In order to access the servo system' s hardware we have developed a ISA (Industrial Standard Architecture) card by ourself.
2. We have analyzed the architecture of modern digital servo system and proposed a complex control method. The principle of it was analyzed and simulated with Matlab6. 1.
3. A VxD(Virtual Device) of the ISA card is designed and a real-time servo control system under windows 9x operating system is realized with the virtual interrupt technique.
4. In order to measure the performance of the servo system extensively we have developed an intelligent loading system and have tested the servo system with different typical loads.
The servo system runs well in the experiments with a friendly user interface and can be operated conveniently. The ends of the tests mean that the digital servo system has fulfilled the targets proposed by the Navy.
引文
1 刘绍球编著．针尖对麦芒—导弹与反导弹．长沙：国防科技大学出版社，2000．8
2 徐岩，李莉编著．美国导弹防御系统TMD&NMD．北京：解放军文艺出版社，2001．5
3 于丛彬，姚大红．现代信息战探析．重庆邮电学院学报．2001年01期
4 陈太一．21世纪的战争与自动化指挥信息系统．火力与指挥控制．2000年04期
5 杨进连，王东强．通信对抗群自动化指挥控制系统的设计与实现．情报指挥控制系统与仿真技术．2002年04期
6 王柄勋，张利忠．近期几场主要局部战争中空袭与反空袭作战的特点及启示．军事历史．2001年03期
7 美国研究进一步改进对敌防空压制能力的战略．电子对抗技术．2001年03期
8 钟志通．现代防空体系发展趋势．飞航导弹．2001年03期
9 贺正洪，张金成．防空C3I系统中实现武器自动控制的途径．飞航导弹．2001(03)
10 李增路等．高炮防空作战效能仿真控制算法．系统仿真学报．2001年02期
11 秦继荣．21世纪火控系统发展的途径．火力与指挥控制．2000年02期
12 马献怀，闵松，邵中年等．舰炮武器系统的现状和发展．舰炮发射与控制学报．1997．1，P58-62
13 姜文刚．高速高精度数字伺服系统研制．南京理工大学硕士论文．2002．3
14 吴守箴等著．电气传动的脉宽调制控制技术．第2版．北京：机械工业出版社，2002．12
15 王曦，张剑平，邓伟．单片机数字伺服系统设计．微处理机．2002年02期
16 冬雷，李永东．交流调速技术的发展与应用．电工技术杂志．2002年08期
17 李叶松，尹泉，黄恒．全数字交流永磁同步电机控制器设计与实现．电气自动化．2003(5)
18 赵春生．基于PC／104总线的数字伺服系统．计算机应用技术．2002(2)
19 张武．基于Windows NT的交流伺服控制系统的设计与实现．仪器仪表学报．2002年01期
20 研华IPC-610H原装整机，品质节节高升．测控技术．2003年07期
21 杨霞，孙一丹，苗红．交流调速系统控制策略的研究．沈阳工业大学学报．2002年02期
22 周庆生．研华工控机在生产过程自动化中的应用．微计算机信息．1994．3
23 谢又陈，章兢．用Visual C++实现计算机与全数字伺服控制器的通讯．工业控制计算机．2003(06)
24 李季冬．高性能永磁电动机的研究．电机技术．1998年02期
25 谷爱昱，邹继斌．表面磁钢低速永磁电动机铁耗的计算．电机技术．1998(02)
26 许振伟，奖静坪，骆再飞．模糊模型算法控制的永磁同步电动机位置伺服系统．电工技术学报．2003年04期
27 Kollmorgen Notion Technologies Group. The Kollmorgen Guide to Notion Control Product Catalog. KOLLMORGEN Industrial Drives Corporation, 1995.11
28 Rollmorgen Notion Technologies Group. BDS5 User's Manual. ROLLMORGEN Industrial Drives Corporation. 1995.11
29 Kollmorgen Notion Technologies Group. BDS5 Installation and Setup Manual. KOLLMORGEN Industrial Drives Corporation. 1995. 11
30 国营青岛微电机厂．《自整角机合格证明书使用证明书》，2000．6
31 曾乐生，施妙和编著．随动系统．北京：北京工业学院出版社，1988．6
32 胡佑德．伺服系统原理与设计．第二版．北京：北京理工大学出版社，1999
33 周明德编著．微型计算机系统原理及应用．第4版．北京：清华大学出版社，2002．6
34 马丽红，陈忠利，覃永新．Windows编程中高精度定时的实现．吉林工学院学报(自然科学版)．2002年04期
35 赵玉红．中断VxD的编程技术探讨．雷达与对抗．2003年01期
36 罗日成，李卫国．Windows98下基于VxD技术的中断编程与实现．计算机工程．2002年02期
37 李圣怡等编著．Windows环境下软硬件接口技术．长沙：国防科技大学出版社，2001．1
38 刘永山，汤毅．Windows98下硬件中断虚拟设备驱动程序的开发．重庆工业高等专科学校学报．2003年04期
39 杨强，李堂秋．Win9x虚拟设备驱动程序编程指南．北京清华大学出版社，1999．3
40 李湘江，邹筱梅．Windows 9x下VxD运行机制分析．微型电脑应用．2002(1)
41 张乐锋等．VxD驱动程序和WDM驱动程序开发的比较．计算机工程．2003(07)
42 何强，何英编著．Matlab扩展编程．北京：清华大学出版社，2002．6
43 欧清立等．虚拟设备驱动程序VxD的研究与开发．计算机工程．2002(03)
44 尚凤军，王海霞．Windows 9x下利用VtoolsD开发硬件中断设备驱动程序．物探化探计算技术．2002年04期
45 包丽红．浅析总线技术．高性能计算技术．2002年02期
46 林雁，齐华，彭月平．PCI总线接口技术及其在数据传输中的应用．西安工业学院学报．2003年01期
47 姜明，郭全顺，黄跃敏．VXD驱动程序开发及PCI接口板卡设计．电子质量．2002年06期
48 李涛，张承学，胡志坚．基于ISA总线的高速同步数据采集系统设计．电子技术应用．2002年04期
49 袁启兵，魏永波，周蓉生．ISA总线数据采集在VXD中的实现．成都理工大学学报(自然科学版)2003年02期
50 谭思云，向敏．基于VXD技术的数据采集程序的开发．湖北工学院学报．2003年03期
51 丁锋等．交流位置伺服系统PID控制方法实现．电子机械工程．2003(1)
52 陶永华主编．新型PID控制及其应用．第二版．北京：机械工业出版，2002．11
53 J.H. Kim, S.J. Oh. A fuzzy PID controller for nonlinear and uncertain systems. Soft Computing 4(2000)@Springer-Verlag, 2000
54 P.K. Dash etc. An adaptive PID stabilizer for power systems using fuzzy logic. Electric Power Systems Research. 44(1998)213-222
55 吴晓帆．智能PID控制．自动化博览．2001年06期
56 沈玉利，范波．模糊单神经元PID复合控制智能控制器．计算机工程．2001(05)
57 冯国楠，张力等．一种神经元控制模型参考自适应伺服系统．控制与决策．1997(4)：312-316
58 任正云，邵惠鹤，张立群．模糊预测控制反馈校正系数的在线整定．上海交通大学学报．2003年06期
59 杨璐，赵金，万淑芸．交流伺服系统的一种新型控制策略．兵工自动化．2001(03)
60 连丽艳，王艳秋，曹勇．交流调速系统的神经网络自适应控制，计算机测量与控制．2003年12期
61 Takeshi Higashiyama. Auto-tuning of motor drive system by simple adaptive control approach. Proceedings of the 2000 IEEE International Conference on Control Applications Anchorage, Alaska, USA. September, 2000
62 Wen-Jye Shyr etc. Design of optimal PID controllers using memetic algorithm. Proceedings of the American Control Conference, Anchorage, AK, May 8-10,2002
63 杨延西等．基于模糊趋近律控制的全数字交流位置伺服系统．西安理工大学学
报．2002(2)
64 杨霞等．专家控制的PID交流伺服系统的研究．燕山大学学报．2002．4
65 党开放等．基于模型参考模糊自适应的电液位置伺服系统鲁棒控制研究．机床与液压．2003(4)
66 侯远龙．大功率交流伺服系统模糊PID控制研究．工业仪表与自动化装置．2003(3)
67 徐承忠，王执铨等编著．数字伺服系统．北京：国防工业出版社，1994．2
68 郭光明，王秀华．数字PID的设计与调试．机电一体化．2001(04)
69 刁宇静等．PID控制器参数自整定方法综述．广东自动化与信息工程．2002(1)
70 徐春梅，尔联结，刘正华．一类高精度伺服系统基于模糊神经网络的复合控制．系统工程与电子技术．2003年08期
71 郭月洋，陈瑞琪．Win9x下VxD和应用程序双向通讯的实现(二)．计算机测量与控制．2003(02)
72 刘贵江，寇宝荣．VxD与Win32应用程序间的通讯机制．微型电脑应用．2003(10)
73 王洪泉，丛红，仪垂杰．用VxD实现并行数据通讯．山东工程学院学报．2002年02期
74 朱建民，马宏伟．VxD之间通讯的新方法．现代电子技术．2002年04期
75 刘宏伟，杨永海，张兰义．阻力控制系统负载模拟器的设计．农业机械学报．2000(1)：1-3
76 徐志良，杨强，王执铨．火炮伺服系统中模拟负载系统的研究．火炮发射与控制学报．2001(4)：1-3
2 徐岩，李莉编著．美国导弹防御系统TMD&NMD．北京：解放军文艺出版社，2001．5
3 于丛彬，姚大红．现代信息战探析．重庆邮电学院学报．2001年01期
4 陈太一．21世纪的战争与自动化指挥信息系统．火力与指挥控制．2000年04期
5 杨进连，王东强．通信对抗群自动化指挥控制系统的设计与实现．情报指挥控制系统与仿真技术．2002年04期
6 王柄勋，张利忠．近期几场主要局部战争中空袭与反空袭作战的特点及启示．军事历史．2001年03期
7 美国研究进一步改进对敌防空压制能力的战略．电子对抗技术．2001年03期
8 钟志通．现代防空体系发展趋势．飞航导弹．2001年03期
9 贺正洪，张金成．防空C3I系统中实现武器自动控制的途径．飞航导弹．2001(03)
10 李增路等．高炮防空作战效能仿真控制算法．系统仿真学报．2001年02期
11 秦继荣．21世纪火控系统发展的途径．火力与指挥控制．2000年02期
12 马献怀，闵松，邵中年等．舰炮武器系统的现状和发展．舰炮发射与控制学报．1997．1，P58-62
13 姜文刚．高速高精度数字伺服系统研制．南京理工大学硕士论文．2002．3
14 吴守箴等著．电气传动的脉宽调制控制技术．第2版．北京：机械工业出版社，2002．12
15 王曦，张剑平，邓伟．单片机数字伺服系统设计．微处理机．2002年02期
16 冬雷，李永东．交流调速技术的发展与应用．电工技术杂志．2002年08期
17 李叶松，尹泉，黄恒．全数字交流永磁同步电机控制器设计与实现．电气自动化．2003(5)
18 赵春生．基于PC／104总线的数字伺服系统．计算机应用技术．2002(2)
19 张武．基于Windows NT的交流伺服控制系统的设计与实现．仪器仪表学报．2002年01期
20 研华IPC-610H原装整机，品质节节高升．测控技术．2003年07期
21 杨霞，孙一丹，苗红．交流调速系统控制策略的研究．沈阳工业大学学报．2002年02期
22 周庆生．研华工控机在生产过程自动化中的应用．微计算机信息．1994．3
23 谢又陈，章兢．用Visual C++实现计算机与全数字伺服控制器的通讯．工业控制计算机．2003(06)
24 李季冬．高性能永磁电动机的研究．电机技术．1998年02期
25 谷爱昱，邹继斌．表面磁钢低速永磁电动机铁耗的计算．电机技术．1998(02)
26 许振伟，奖静坪，骆再飞．模糊模型算法控制的永磁同步电动机位置伺服系统．电工技术学报．2003年04期
27 Kollmorgen Notion Technologies Group. The Kollmorgen Guide to Notion Control Product Catalog. KOLLMORGEN Industrial Drives Corporation, 1995.11
28 Rollmorgen Notion Technologies Group. BDS5 User's Manual. ROLLMORGEN Industrial Drives Corporation. 1995.11
29 Kollmorgen Notion Technologies Group. BDS5 Installation and Setup Manual. KOLLMORGEN Industrial Drives Corporation. 1995. 11
30 国营青岛微电机厂．《自整角机合格证明书使用证明书》，2000．6
31 曾乐生，施妙和编著．随动系统．北京：北京工业学院出版社，1988．6
32 胡佑德．伺服系统原理与设计．第二版．北京：北京理工大学出版社，1999
33 周明德编著．微型计算机系统原理及应用．第4版．北京：清华大学出版社，2002．6
34 马丽红，陈忠利，覃永新．Windows编程中高精度定时的实现．吉林工学院学报(自然科学版)．2002年04期
35 赵玉红．中断VxD的编程技术探讨．雷达与对抗．2003年01期
36 罗日成，李卫国．Windows98下基于VxD技术的中断编程与实现．计算机工程．2002年02期
37 李圣怡等编著．Windows环境下软硬件接口技术．长沙：国防科技大学出版社，2001．1
38 刘永山，汤毅．Windows98下硬件中断虚拟设备驱动程序的开发．重庆工业高等专科学校学报．2003年04期
39 杨强，李堂秋．Win9x虚拟设备驱动程序编程指南．北京清华大学出版社，1999．3
40 李湘江，邹筱梅．Windows 9x下VxD运行机制分析．微型电脑应用．2002(1)
41 张乐锋等．VxD驱动程序和WDM驱动程序开发的比较．计算机工程．2003(07)
42 何强，何英编著．Matlab扩展编程．北京：清华大学出版社，2002．6
43 欧清立等．虚拟设备驱动程序VxD的研究与开发．计算机工程．2002(03)
44 尚凤军，王海霞．Windows 9x下利用VtoolsD开发硬件中断设备驱动程序．物探化探计算技术．2002年04期
45 包丽红．浅析总线技术．高性能计算技术．2002年02期
46 林雁，齐华，彭月平．PCI总线接口技术及其在数据传输中的应用．西安工业学院学报．2003年01期
47 姜明，郭全顺，黄跃敏．VXD驱动程序开发及PCI接口板卡设计．电子质量．2002年06期
48 李涛，张承学，胡志坚．基于ISA总线的高速同步数据采集系统设计．电子技术应用．2002年04期
49 袁启兵，魏永波，周蓉生．ISA总线数据采集在VXD中的实现．成都理工大学学报(自然科学版)2003年02期
50 谭思云，向敏．基于VXD技术的数据采集程序的开发．湖北工学院学报．2003年03期
51 丁锋等．交流位置伺服系统PID控制方法实现．电子机械工程．2003(1)
52 陶永华主编．新型PID控制及其应用．第二版．北京：机械工业出版，2002．11
53 J.H. Kim, S.J. Oh. A fuzzy PID controller for nonlinear and uncertain systems. Soft Computing 4(2000)@Springer-Verlag, 2000
54 P.K. Dash etc. An adaptive PID stabilizer for power systems using fuzzy logic. Electric Power Systems Research. 44(1998)213-222
55 吴晓帆．智能PID控制．自动化博览．2001年06期
56 沈玉利，范波．模糊单神经元PID复合控制智能控制器．计算机工程．2001(05)
57 冯国楠，张力等．一种神经元控制模型参考自适应伺服系统．控制与决策．1997(4)：312-316
58 任正云，邵惠鹤，张立群．模糊预测控制反馈校正系数的在线整定．上海交通大学学报．2003年06期
59 杨璐，赵金，万淑芸．交流伺服系统的一种新型控制策略．兵工自动化．2001(03)
60 连丽艳，王艳秋，曹勇．交流调速系统的神经网络自适应控制，计算机测量与控制．2003年12期
61 Takeshi Higashiyama. Auto-tuning of motor drive system by simple adaptive control approach. Proceedings of the 2000 IEEE International Conference on Control Applications Anchorage, Alaska, USA. September, 2000
62 Wen-Jye Shyr etc. Design of optimal PID controllers using memetic algorithm. Proceedings of the American Control Conference, Anchorage, AK, May 8-10,2002
63 杨延西等．基于模糊趋近律控制的全数字交流位置伺服系统．西安理工大学学
报．2002(2)
64 杨霞等．专家控制的PID交流伺服系统的研究．燕山大学学报．2002．4
65 党开放等．基于模型参考模糊自适应的电液位置伺服系统鲁棒控制研究．机床与液压．2003(4)
66 侯远龙．大功率交流伺服系统模糊PID控制研究．工业仪表与自动化装置．2003(3)
67 徐承忠，王执铨等编著．数字伺服系统．北京：国防工业出版社，1994．2
68 郭光明，王秀华．数字PID的设计与调试．机电一体化．2001(04)
69 刁宇静等．PID控制器参数自整定方法综述．广东自动化与信息工程．2002(1)
70 徐春梅，尔联结，刘正华．一类高精度伺服系统基于模糊神经网络的复合控制．系统工程与电子技术．2003年08期
71 郭月洋，陈瑞琪．Win9x下VxD和应用程序双向通讯的实现(二)．计算机测量与控制．2003(02)
72 刘贵江，寇宝荣．VxD与Win32应用程序间的通讯机制．微型电脑应用．2003(10)
73 王洪泉，丛红，仪垂杰．用VxD实现并行数据通讯．山东工程学院学报．2002年02期
74 朱建民，马宏伟．VxD之间通讯的新方法．现代电子技术．2002年04期
75 刘宏伟，杨永海，张兰义．阻力控制系统负载模拟器的设计．农业机械学报．2000(1)：1-3
76 徐志良，杨强，王执铨．火炮伺服系统中模拟负载系统的研究．火炮发射与控制学报．2001(4)：1-3