水下航行体姿态控制力矩陀螺群的控制系统设计与研究

发布时间：2017-09-19 16:00

  本文关键词：水下航行体姿态控制力矩陀螺群的控制系统设计与研究

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【摘要】：二十一世纪是海洋的世纪,随着现代化工业生产的发展,制造及信息技术的进步,海洋装备的功能与结构越来越复杂,对其控制性能的要求也越来越高。作为海洋工程装备的重要组成部分,水下航行体的姿态控制是其完成作业任务的关键技术之一。随着航行体作业任务的复杂化,其姿态控制朝着精度化、深度化和更优的操作性能的方向发展。控制力矩陀螺(CMG,control moment gyro)是一种角动量交换装置,具有输出力矩大且连续平滑,装置内置且不依赖于流体运动等诸多优点。本文设计了水下航行体姿态控制执行机构—控制力矩陀螺群(CMGs)控制系统总体方案。对控制力矩陀螺群机械结构和工作原理、驱动电机选型以及水下航行体姿态控制要求进行了研究。在此基础上,分析了控制力矩陀螺群的控制要求,设计了控制系统方案,并对硬件电路与软件系统两方面做详细设计。分析了CMGs工作性能要求,在此基础上展开控制系统硬件电路的设计。论述了基于专用集成电路的电机驱动电路与下位机单片机控制器电路的详细设计过程。根据电机驱动原理和控制需求,分别详细设计了基于MC33035的无刷直流电机驱动电路和基于L298N的直流电机驱动电路。采用单片机控制器作为下位机单独控制一组CMG驱动电机,4组控制器与上位机PC端采用基于RS-485的多机通信方式。设计了下位机控制器串口通信、D/A转换、继电器输出及数码管显示等电路模块,以实现对CMG的监控功能。利用电子设计软件完成了相关电路的原理图与PCB图设计,制作了电路板,实现了控制系统硬件电路。根据CMGs控制原理及控制系统硬件电路,控制系统软件设计分为上位机监控程序和下位机控制程序。在VC++开发环境下,设计了基于MFC的监控应用程序,提供友好的人机交互界面,既可以控制CMGs改变航行体姿态,也可实时监测系统状态。利用MSCOMM串口通信控件配合单片机多机通信模式,实现了上下位机多机通信,自定义通信协议。下位机利用定时器与外部中断检测电机转速,通过串口通信反馈至上位机。对软硬件系统进行单独调试与联合调试,在完成调试并修改的基础上展开相关航行体姿态控制试验。试验效果与仿真结果一致,试验中控制系统运行良好。试验结果表明,本文所设计控制系统可以有效地控制控制力矩陀螺群以控制航行体姿态,满足水下航行体姿态控制需求。
【关键词】：控制力矩陀螺 姿态控制 水下航行体
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U674.941
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 1 绪论10-20
• 1.1 课题的背景与意义10-12
• 1.2 控制力矩陀螺12-14
• 1.3 CMGs国内外发展现状14-17
• 1.4 本论文主要内容17-19
• 1.5 本章小结19-20
• 2 控制力矩陀螺姿态控制系统20-30
• 2.1 引言20
• 2.2 航行体及CMGS20-25
• 2.3 基于CMGs的水下航行体姿态控制25-27
• 2.4 数学模型与CMGs操纵律27-29
• 2.5 本章小结29-30
• 3 控制系统硬件电路30-54
• 3.1 引言30
• 3.2 控制系统硬件电路总体设计30-31
• 3.3 无刷直流电机驱动电路31-42
• 3.4 直流电机驱动电路42-44
• 3.5 单片机控制器电路44-53
• 3.6 本章小结53-54
• 4 控制系统软件设计54-74
• 4.1 引言54
• 4.2 上位机控制系统界面54-59
• 4.3 上位机串.通信程序59-71
• 4.4 下位机控制程序71-73
• 4.5 本章小结73-74
• 5 控制系统调试与试验74-89
• 5.1 引言74
• 5.2 控制系统软硬件调试74-83
• 5.3 系统调试83-85
• 5.4 姿态控制试验85-88
• 5.5 本章小结88-89
• 6 总结与展望89-92
• 6.1 本文工作总结89-91
• 6.2 对后续实验工作的展望及建议91-92
• 致谢92-93
• 参考文献93-98
• 附录一 攻读学位期间发表的论文目录98

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