发射装置高性能伺服系统研究与应用
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摘要
本文是以发射装置为研究背景，对其伺服控制系统的设计与实现进行研究。发射装置伺服系统具有转动惯量大的特点，并要求有较高的控制精度和响应速度。本文运用系统设计、理论分析、计算机仿真以及实验研究等方法，分别将复合前馈控制和模糊PID自整定控制运用到发射装置位置伺服系统中。该研究工作对于提高发射装置伺服系统的响应速度和动态伺服精度，具有重要的参考价值。
论文首先介绍了国内外对伺服系统的研究现状。根据发射装置俯仰调转和方位回转运动的特点，本文详细介绍了该伺服系统的总体设计方案。接着推导了交流伺服系统的数学模型，并根据发射装置伺服系统的性能要求，设计了系统的电流环、速度环和位置环，并建立位置伺服系统的三闭环模型，进行仿真分析，验证了模型的准确性。根据发射装置转动惯量大、负载变化大的特点，设计了模糊PID自整定控制器，它在PID控制的基础上，利用模糊控制原理对PID参数进行实时自整定。仿真结果表明，此方法能够获得很好的控制效果。最后，通过在实际控制平台上对发射装置伺服系统进行了传统PID控制、模糊PID自整定控制的实验，结果表明该伺服系统达到了要求的性能指标，并证实系统设计方案的正确性以及控制算法的有效性。同时，本方法的研究，对提高伺服系统的性能具有一定的参考价值和实用意义。
The dissertation takes launching equipment as object, and studies the design andrealization of the servo system. The servo system of launching equipment has big inertia,meanwhile high accuracy and response speed are required. Feed-forward control andfuzzy-PID self-tuning control are applied by use of systematic designing, theoreticalanalysis, computer simulation and experimental research are applied to the launchingequipment. The research has an important significance in improving the response speedand dynamic precision of servo system.
The dissertation first introduces the research work that has been done home andabroad on servo system. Then, overall design scheme of the system is elaboratelyintroduced according to pitching transferring and oriental rotating. In the following,mathematical model is induced, current-loop, speed-loop and position-loop are designedaccording to the performance requests. Then, the model of three-loop is built, andsimulation analysis is carried out to validate precision of the model. Fuzzy-PID self-tuningcontroller is designed according to the characteristics of big inertia and big range load, thismethod is based on PID control, and the parameters are real-time self-modified by fuzzytheory. The results of simulation indicate this method can gain good effects. Finally,experiments of PID control and fuzzy-PID self-tuning control are carried out on the actualcontrol platform. The results show that the design scheme is correct and the algorithms areeffective, and the system achieves good performances. Moreover, the study of thedissertation has a certain role on promoting the performance of servo system.
论文首先介绍了国内外对伺服系统的研究现状。根据发射装置俯仰调转和方位回转运动的特点，本文详细介绍了该伺服系统的总体设计方案。接着推导了交流伺服系统的数学模型，并根据发射装置伺服系统的性能要求，设计了系统的电流环、速度环和位置环，并建立位置伺服系统的三闭环模型，进行仿真分析，验证了模型的准确性。根据发射装置转动惯量大、负载变化大的特点，设计了模糊PID自整定控制器，它在PID控制的基础上，利用模糊控制原理对PID参数进行实时自整定。仿真结果表明，此方法能够获得很好的控制效果。最后，通过在实际控制平台上对发射装置伺服系统进行了传统PID控制、模糊PID自整定控制的实验，结果表明该伺服系统达到了要求的性能指标，并证实系统设计方案的正确性以及控制算法的有效性。同时，本方法的研究，对提高伺服系统的性能具有一定的参考价值和实用意义。
The dissertation takes launching equipment as object, and studies the design andrealization of the servo system. The servo system of launching equipment has big inertia,meanwhile high accuracy and response speed are required. Feed-forward control andfuzzy-PID self-tuning control are applied by use of systematic designing, theoreticalanalysis, computer simulation and experimental research are applied to the launchingequipment. The research has an important significance in improving the response speedand dynamic precision of servo system.
The dissertation first introduces the research work that has been done home andabroad on servo system. Then, overall design scheme of the system is elaboratelyintroduced according to pitching transferring and oriental rotating. In the following,mathematical model is induced, current-loop, speed-loop and position-loop are designedaccording to the performance requests. Then, the model of three-loop is built, andsimulation analysis is carried out to validate precision of the model. Fuzzy-PID self-tuningcontroller is designed according to the characteristics of big inertia and big range load, thismethod is based on PID control, and the parameters are real-time self-modified by fuzzytheory. The results of simulation indicate this method can gain good effects. Finally,experiments of PID control and fuzzy-PID self-tuning control are carried out on the actualcontrol platform. The results show that the design scheme is correct and the algorithms areeffective, and the system achieves good performances. Moreover, the study of thedissertation has a certain role on promoting the performance of servo system.
引文
1 吴秉贤，林永明．火箭发射装置构造[M]．北京：兵器工业出版社，1981
2 贺北斗，林永明．火箭发射装置设计[M]．北京：国防工业出版社，1988
3 姚昌仁，张波．火箭导弹发射装置设计[M]．北京：北京理工大学出版社，1998
4 胡祐德，马东升．伺服系统原理与设计[M]．北京：北京理工大学出版社，1999
5 郭庆鼎，孙宜标．现代永磁电动机交流伺服系统[M]．北京：中国电力出版社，2006
6 刘胜，彭侠夫编著．现代伺服系统设计[M]．哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2001
7 西安微电机研究所编．实用微电机手册[M]．沈阳：辽宁科学技术出版社，2000
8 郭宝昌．电机的DSP控制技术及应用[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2005
9 白恩远，王俊元．现代数控机床伺服及检测技术[M]．北京：国防工业出版社，2002
10 舒志兵．交流伺服运动控制系统[M]．北京：清华大学出版社，2006
11 飞思科技产品研发中心．MATLAB7辅助控制系统设计与仿真[M]．北京：电子工业出版社，2005
12 刘金琨．先进PID控制MATLAB仿真[M]．北京：电子工业出版社，2006
13 李言俊，张科．自适应控制理论及应用[M]．西安：西北工业大学出版社，2005
14 张国良．模糊控制及其MATLAB应用[M]．西安：西安交通大学出版社，2002
15 薛定宇．控制系统计算机辅助设计—MATLAB语言与应用[M]．北京：清华大学出版社，2006
16 蔡自兴．智能控制[M]．北京：电子工业出版社，2004
17 吴学礼，贾辉然．非线性过程的智能方法研究与应用[M]．北京：国防工业出版社，2006
18 孙增圻．智能控制理论与技术[M]．北京：清华大学出版社，2002
19 李士勇．模糊控制、神经控制和智能控制论[M]．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1998
20 [美]Texas Instruments Incorporated著，徐科军等译．TMS320LF／LC24系列DSP的CPU与外设[M]．北京：清华大学出版社，2004
21 张延伟．Protel DXP电子电路设计技法范例[M]．北京：清华大学出版社，2005
22 黄进．电气装备的计算机控制技术[M]．浙江：浙江大学出版社，2004
23 吴守疹．电气传动的脉宽调制控制技术[M]．北京：机械工业出版社，2002
24 程树康，蔡鹤皋．新型电驱动控制系统及其相关技术[M]．北京：机械工业出版社，2005
25 张志涌．精通MATLAB 6.5版[M]。北京：北京航空航天大学出版社，2003
26 陈伯时，陈敏逊．交流调速系统[M]．北京：机械工业出版社，2005
27 Kollmorgen Motion Technologies Group. BDS5 User's Manual. KOLLMORGEN Industrial Drives Corportion, 2001
28 Kollmorgen Motion Technologies Group.BDS5 Installation and Setup Manual. KOLLMORGEN Industrial Drives Corportion, 2001
29 T.H.S.Li, et al., Fuzzy logic control of gun turret system, Proceedings of the 1992 American Control Conference, 1992, Vol.1, 440～444
30 K. J. Astrom, T. Hagglund. PID Controllers: Theory, Design and Tuning, 2nd Edition. Research Triangle Park, North Carolina: Instrument Society of America, 1995
31 J. Huang, et al., A nonlinear controller for the gun turret system, Proceedings of the 1992 American Control Conference, 1992, Vol.1, 424～428
32 M. Mattice, et al., Robust weapon control systems design, Proceedings of the 1992 American Control Conference, 1992, Vol.1, 429～433
33 W. Chai, et al., Robust digital control of gun turret systems, Proceedings of the 1992 American Control Conference, 1992, Vol. 1, 434～439
34 Y. L. Gu, et al., control of weapon pointing systems based on robotic formulation, Proceedings of the 1992 American Control Conference, 1992, Vol.1, 413～418
35 Eker, Ilyas. Sliding mode control with PID sliding surface and experimental application to an electro-mechanical plant. ISA Transactions, v 45, n1, January, 2006, p 109-118
36 Liaw D C, Liang Y W, Cheng C C. Nonlinear Control for Missile Terminal Guidance. Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control, 2000, 122:663～668
37 Yeh F K, Chien H H, Fu L C. Design of optimal midcourse guidance sliding-mode control for missiles with TVC. Aerospace and Electronic Systems, IEEE Transactions on, 2003, 39(3) : 824～837
38 M. Ghribi. Adaptive position control of a permanent-magnet synchronous motor drive.Conference Record of IEEE IASAmrual Meeting. 1990
39 朱玉川，马大为，李志刚．防空多管火箭炮交流位置伺服系统的控制策略[J]．兵工自动化，2006，25(4)：5-10
40 朱玉川，马大为，李志刚．火箭炮交流位置伺服系统滑模变结构控制策略[J]．火炮发射与控制学报，2006(2)：11-15
41 胡庆波，胡海兵，吕征宇．全数字伺服系统中电机转子初始定位的方法[J]．电力系统及其自动化学报，2005，17(4)：7-10
42 陈新增 施光林．Fuzzy—PID在柔索并联驱动转台控制系统中的应用[J]．控制系统，2007，2(1)：13-14
43 汪木兰．高精度旋转变压器编码器电路的研制[J]．制造技术与机床，2001(11)：22-23
44 赵金．基于旋转变压器的永磁同步电机驱动技术研究[J]．电力电子技术，2004，38(1)：10-12
45 钱昊，赵荣祥．基于DSP的永磁同步电机矢量控制系统[J]．机电工程，2006，23(5)：12-15
46 万山明，吴芳，黄声华．全数字化交流伺服系统控制环分析[J]．微机电，2006，39(7)：55-58
47 蒋浩，孔飘红．电机转速检测方法与误差分析[J]．中国测试技术，2003，2(2)：59-60
48 闫英敏，刘卫国，孙世宇．基于DSP的双伺服驱动系统[J]．火力与指挥控制，2006，31(3)：51-57
49 王瑞明，蒋静坪．交流伺服驱动系统模糊自适应控制研究[J]．控制与检测，2005(8)：34-36
50 胡庆波，吕征宇．全数字伺服系统中位置前馈控制器的设计[J]．电气传动，2005，35(8)：24-27
51 闫治安，易萍虎，顾捷．双DSP结构的永磁同步电动机矢量控制系统[J]．驱动控制，2004，39(4)：39-42
52 薛山，徐志捷，温旭辉．轴角检测电路在永磁同步电机驱动系统中的应用[J]．微特电机，2006(5)：27-32
53 张莉，李彦明，徐军．基于模糊PU3控制器的多电机同步控制装置的应用[J]．工业仪表与自动化装置，2003，11(4)：11-13
54 牛洪海，赵荣祥，吴茂刚．基于模糊PI参数自整定的永磁同步电动机矢量控制系统[J]．电气应用，2005，24(12)：79-82
55 杨霞，李强，郭庆鼎．模糊PID控制交流伺服系统的研究[J]．沈阳工业大学学报，2005，27(1)：31-33
56 张恩勤，施颂椒，高卫华．模糊控制系统近年来的研究与发展[J]．控制理论与应用，2001，18(1)：7-11
57 朱玉川．某箱式多管火箭炮快速装填与高精度自动操瞄系统研究[D]．南京：南京理工大学，2006
58 曾森．高速高精度高炮数字伺服系统研制[D]．南京：南京理工大学，2004
59 姜文刚．高速高精度数字伺服系统研制[D]．南京：南京理工大学，2002
60 杨志伟．某型大口径舰炮智能伺服系统的研制[D]．南京理工大学，2003
61 姜燕平．旋转变压器原理及其应用[J]．电气时代，2005(1)：98-99
62 谢显之，刘新跃，于永昌．轴角编码粗精组合纠错算法的研究与应用[J]．计量与测试技术，2001(3)：6-8
63 崔军，温旭辉，张立伟．新型永磁同步电机控制用旋转变压器数字转换器及其应用[J]．电气传动，2005，35(11)：11-14
2 贺北斗，林永明．火箭发射装置设计[M]．北京：国防工业出版社，1988
3 姚昌仁，张波．火箭导弹发射装置设计[M]．北京：北京理工大学出版社，1998
4 胡祐德，马东升．伺服系统原理与设计[M]．北京：北京理工大学出版社，1999
5 郭庆鼎，孙宜标．现代永磁电动机交流伺服系统[M]．北京：中国电力出版社，2006
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33 W. Chai, et al., Robust digital control of gun turret systems, Proceedings of the 1992 American Control Conference, 1992, Vol. 1, 434～439
34 Y. L. Gu, et al., control of weapon pointing systems based on robotic formulation, Proceedings of the 1992 American Control Conference, 1992, Vol.1, 413～418
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54 牛洪海，赵荣祥，吴茂刚．基于模糊PI参数自整定的永磁同步电动机矢量控制系统[J]．电气应用，2005，24(12)：79-82
55 杨霞，李强，郭庆鼎．模糊PID控制交流伺服系统的研究[J]．沈阳工业大学学报，2005，27(1)：31-33
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57 朱玉川．某箱式多管火箭炮快速装填与高精度自动操瞄系统研究[D]．南京：南京理工大学，2006
58 曾森．高速高精度高炮数字伺服系统研制[D]．南京：南京理工大学，2004
59 姜文刚．高速高精度数字伺服系统研制[D]．南京：南京理工大学，2002
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61 姜燕平．旋转变压器原理及其应用[J]．电气时代，2005(1)：98-99
62 谢显之，刘新跃，于永昌．轴角编码粗精组合纠错算法的研究与应用[J]．计量与测试技术，2001(3)：6-8
63 崔军，温旭辉，张立伟．新型永磁同步电机控制用旋转变压器数字转换器及其应用[J]．电气传动，2005，35(11)：11-14