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基于CMGs的水下航行体控制系统研究与实现
| 论文题名： | 基于CMGs的水下航行体控制系统研究与实现 |
| 关键词： | 水下航行器;舵面机构;姿态控制;计算机技术 |
| 摘要： | 传统舵面执行机构在水下航行体低速或零速状态下对其进行姿态控制时舵效不足，为改善其操纵性能，引入框架控制力矩陀螺（Control Moment Gyro, CMG）作为水下航行体的姿态控制执行机构。本文提出了基于数字信号处理器（DSP）的水下航行体姿态机动系统的驱动控制方案，并从系统的组成及工作原理、状态空间数学模型建立、线性闭环控制算法分析、执行机构控制系统的软硬件设计、试验分析等方面对以控制力矩陀螺群（CMGs）作为姿态控制执行机构的水下航行体进行了研究。基于CMGs的水下航行体姿态控制系统主要由水下航行体、框架控制力矩陀螺群、驱动电机以及主控制器等部分组成，系统采用TMS320F2812 DSP芯片作为控制核心，由四台高速无刷直流电机与四台蜗轮蜗杆减速电机完成对执行机构的驱动控制任务。通过对CMGs的力矩输出特性与水下航行体姿态闭环控制原理分析，完成了控制系统总体方案的设计工作。水下航行体六自由度动力学方程是一组复杂的非线性方程，利用小扰动理论线性化基本方法，建立了系统平衡点附近的状态空间数学模型。从现代控制理论角度出发，对基于CMGs的水下航行体姿态控制系统的动力学特性进行研究，并采用直接判别法分析系统的能控性与能观测性。在建立水下航行体开环状态空间模型与动态特性分析的基础上，进行基于LQR最优控制理论的系统状态线性反馈闭环控制算法设计。仿真结果表明，闭环系统的控制效果良好，动态响应迅速，并且满足系统的稳定性要求。 本文设计并搭建了控制系统的硬件系统，以TMS320F2812 DSP芯片作为主控制器设计了直流电机调速驱动系统，包括DSP主控模块、PWM光电隔离模块、驱动模块、JTAG接口模块、RS-232串行通信模块等硬件电路。制作了PCB外围电路板，最终实现了对无刷直流电机驱动的陀螺转子进行启动停止、转速给定、转速测量等控制任务，且蜗轮蜗杆减速电机驱动的陀螺框架启停及正反转响应迅速，满足控制需求。根据系统所采取的控制策略及搭建的硬件电路，进行相应的系统软件程序设计。在DSP的集成开发环境CCS中由C语言编写完成了直流电机的启动停止、转向变换、速度调节等控制程序，并与上位机进行串行通信，实现控制指令接收、数据发送、数据显示等功能。在航行体试验平台上进行了CMGs的驱动控制及水下航行体的姿态机动试验。结果表明，无刷直流电机所驱动的陀螺转子启动过程平稳，能在期望转速下稳定运行；蜗轮蜗杆减速电机输出力矩大，所驱动的陀螺框架动态响应迅速，满足系统控制需求。控制力矩陀螺群的DSP控制系统工作稳定，航行体在空气环境下姿态机动效果明显。 |
| 作者： | 张超华 |
| 专业： | 轮机工程 |
| 导师： | 唐国元 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 华中科技大学 |
| 学位年度： | 2016 |
| 正文语种： | 中文 |
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