详情

原文传递水下高速航行体舵机控制系统设计

论文题名：	水下高速航行体舵机控制系统设计
关键词：	水下高速航行体;空化器舵机;控制系统;DSP电路;CPLD接口
摘要：	水下超高速航行体通过自身产生的气泡与水分离开，从而减少了航行体在水中运动的大部分阻力，使其具有了水中的超高速性。所以世界上的军事大国都投入巨资研发基于空泡减阻技术的水下超高速航行体。但是在水下高速航行体的控制技术开发中存在许多的难题，比如高速航行体运动的不稳定性，空化器舵机的控制问题等。本文主要完成水下高速航行体舵机控制系统的设计与半实物仿真技术的研究。　　首先，分析水下高速航行体的各种受力，对航行体尾部平面力的变化规律进行重点分析，根据牛顿三大定律及相应的动力学理论建立水下高速航行体的非线性运动学和动力学模型，根据小扰动线性化理论及一些假设条件对模型进行线性化处理，得到简化的纵向运动方程。通过对模型可控、可观性以及稳定性能的分析，得到航行体的控制特性。在系统模型的基础上，分析在定深控制中舵机控制系统的原理，介绍空化器舵机的基本工作原理、机械结构及其角度采集单元。对所选用的直线伺服电动缸控制方式进行说明。最后，通过对舵机控制系统的需求分析，得到舵机控制系统整体结构及软硬件设计方案。　　其次，根据相应的系统需求，搭建基于DSP和CPLD的嵌入式舵机控制系统，为舵机控制与半实物仿真提供硬件平台。从系统需求和DSP外设模块介绍入手，对硬件系统进行整体的设计，硬件部分主要包括DSP主控电路、CPLD接口扩展电路、舵机脉冲采集及控制电路、供电及通信电路等主要电路的设计。　　再次，在硬件实验平台的基础上，介绍了系统的开发环境CCS和Quartus，分析了系统整体框架和舵机半实物仿真设计需求，给出了系统接口扩展程序流程图、系统整体的通信程序流程图以及系统半实物仿真的框架图，分别对舵机脉冲驱动程序、控制算法程序、数据记录中断程序进行了详细设计，完成了半实物仿真下位机软件的编写。为舵机控制系统的测试搭建了软件实验平台。　　最后，在航行体模型的基础上，对航行体舵机控制系统定深控制器进行了分析与设计。讨论了水下高速航行体定深控制常用的几种控制规律，并对各种控制规律进行了比较分析。最终根据实际系统所需满足的要求，确定了使用具有深度、俯仰角和俯仰角速率的定深控制系统的控制规律。针对航行体空化器舵机控制周期短而造成的空化器舵机行程小的不足，设计了限制幅值的定深控制规律。结合设计的软、硬件部分，对舵机控制系统进行了半实物仿真，对舵机驱动部分和定深控制算法部分分别进行实验，通过仿真实验获得了不同控制作用下航行体状态的变化曲线。仿真实验结果表明，限制幅值的定深控制作用能够很好的实现预期功能，达到控制系统的各项性能指标。
作者：	任韦
专业：	导航、制导与控制
导师：	孙尧
授予学位：	硕士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文