本文關(guān)鍵詞：水下航行體姿態(tài)控制力矩陀螺群的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

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【摘要】：二十一世紀(jì)是海洋的世紀(jì),隨著現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展,制造及信息技術(shù)的進(jìn)步,海洋裝備的功能與結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜,對其控制性能的要求也越來越高。作為海洋工程裝備的重要組成部分,水下航行體的姿態(tài)控制是其完成作業(yè)任務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)之一。隨著航行體作業(yè)任務(wù)的復(fù)雜化,其姿態(tài)控制朝著精度化、深度化和更優(yōu)的操作性能的方向發(fā)展。控制力矩陀螺(CMG,control moment gyro)是一種角動(dòng)量交換裝置,具有輸出力矩大且連續(xù)平滑,裝置內(nèi)置且不依賴于流體運(yùn)動(dòng)等諸多優(yōu)點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)了水下航行體姿態(tài)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)—控制力矩陀螺群(CMGs)控制系統(tǒng)總體方案。對控制力矩陀螺群機(jī)械結(jié)構(gòu)和工作原理、驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型以及水下航行體姿態(tài)控制要求進(jìn)行了研究。在此基礎(chǔ)上,分析了控制力矩陀螺群的控制要求,設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)方案,并對硬件電路與軟件系統(tǒng)兩方面做詳細(xì)設(shè)計(jì)。分析了CMGs工作性能要求,在此基礎(chǔ)上展開控制系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)。論述了基于專用集成電路的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路與下位機(jī)單片機(jī)控制器電路的詳細(xì)設(shè)計(jì)過程。根據(jù)電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理和控制需求,分別詳細(xì)設(shè)計(jì)了基于MC33035的無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和基于L298N的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。采用單片機(jī)控制器作為下位機(jī)單獨(dú)控制一組CMG驅(qū)動(dòng)電機(jī),4組控制器與上位機(jī)PC端采用基于RS-485的多機(jī)通信方式。設(shè)計(jì)了下位機(jī)控制器串口通信、D/A轉(zhuǎn)換、繼電器輸出及數(shù)碼管顯示等電路模塊,以實(shí)現(xiàn)對CMG的監(jiān)控功能。利用電子設(shè)計(jì)軟件完成了相關(guān)電路的原理圖與PCB圖設(shè)計(jì),制作了電路板,實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)硬件電路。根據(jù)CMGs控制原理及控制系統(tǒng)硬件電路,控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為上位機(jī)監(jiān)控程序和下位機(jī)控制程序。在VC++開發(fā)環(huán)境下,設(shè)計(jì)了基于MFC的監(jiān)控應(yīng)用程序,提供友好的人機(jī)交互界面,既可以控制CMGs改變航行體姿態(tài),也可實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)狀態(tài)。利用MSCOMM串口通信控件配合單片機(jī)多機(jī)通信模式,實(shí)現(xiàn)了上下位機(jī)多機(jī)通信,自定義通信協(xié)議。下位機(jī)利用定時(shí)器與外部中斷檢測電機(jī)轉(zhuǎn)速,通過串口通信反饋至上位機(jī)。對軟硬件系統(tǒng)進(jìn)行單獨(dú)調(diào)試與聯(lián)合調(diào)試,在完成調(diào)試并修改的基礎(chǔ)上展開相關(guān)航行體姿態(tài)控制試驗(yàn)。試驗(yàn)效果與仿真結(jié)果一致,試驗(yàn)中控制系統(tǒng)運(yùn)行良好。試驗(yàn)結(jié)果表明,本文所設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)可以有效地控制控制力矩陀螺群以控制航行體姿態(tài),滿足水下航行體姿態(tài)控制需求。
【關(guān)鍵詞】：控制力矩陀螺 姿態(tài)控制 水下航行體
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：U674.941
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 1 緒論10-20
• 1.1 課題的背景與意義10-12
• 1.2 控制力矩陀螺12-14
• 1.3 CMGs國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀14-17
• 1.4 本論文主要內(nèi)容17-19
• 1.5 本章小結(jié)19-20
• 2 控制力矩陀螺姿態(tài)控制系統(tǒng)20-30
• 2.1 引言20
• 2.2 航行體及CMGS20-25
• 2.3 基于CMGs的水下航行體姿態(tài)控制25-27
• 2.4 數(shù)學(xué)模型與CMGs操縱律27-29
• 2.5 本章小結(jié)29-30
• 3 控制系統(tǒng)硬件電路30-54
• 3.1 引言30
• 3.2 控制系統(tǒng)硬件電路總體設(shè)計(jì)30-31
• 3.3 無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路31-42
• 3.4 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路42-44
• 3.5 單片機(jī)控制器電路44-53
• 3.6 本章小結(jié)53-54
• 4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)54-74
• 4.1 引言54
• 4.2 上位機(jī)控制系統(tǒng)界面54-59
• 4.3 上位機(jī)串.通信程序59-71
• 4.4 下位機(jī)控制程序71-73
• 4.5 本章小結(jié)73-74
• 5 控制系統(tǒng)調(diào)試與試驗(yàn)74-89
• 5.1 引言74
• 5.2 控制系統(tǒng)軟硬件調(diào)試74-83
• 5.3 系統(tǒng)調(diào)試83-85
• 5.4 姿態(tài)控制試驗(yàn)85-88
• 5.5 本章小結(jié)88-89
• 6 總結(jié)與展望89-92
• 6.1 本文工作總結(jié)89-91
• 6.2 對后續(xù)實(shí)驗(yàn)工作的展望及建議91-92
• 致謝92-93
• 參考文獻(xiàn)93-98
• 附錄一 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的論文目錄98

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