基于FPGA的纳米位移定位平台控制系统的设计

发布时间：2017-09-17 16:45

  本文关键词：基于FPGA的纳米位移定位平台控制系统的设计

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【摘要】：随着科学技术的发展,纳米定位技术被广泛应用于航空航天、半导体工业、生物工程、医学等领域。纳米微位移定位平台已经成为众多学科领域发展过程中必须解决的关键技术。纳米定位技术通常是以纳米位移定位平台的形式来实现。为了使其具有很高的纳米级定位精度,本文从平台模型的构建、控制方法方面对纳米位移定位控制系统展开研究,并在设计了FPGA上的控制器。论文的主要工作如下:(1)介绍纳米位移定位平台被广泛应用在许多尖端领域;阐述研究纳米位移定位平台及其控制系统的重要意义;介绍国内外纳米位移定位平台及其控制系统的发展现状,说明我国发展纳米位移定位技术的必要性。(2)介绍纳米位移定位平台的构成及其迟滞性、蠕变性和负载特性;介绍机理分析建模法、系统辨识建模法及两者相结合的建模方法;描述如何建立压电陶瓷驱动器迟滞模型和柔性铰链支撑线性动态模型来近似表示纳米位移定位平台的数学模型;采用机理分析与系统辨识相结合的方法,将PI迟滞模型和线性动态模型结合起来,建立较为精确、全面的纳米位移定位平台的数学模型,即动态迟滞模型。(3)对纳米位移定位平台控制方法进行研究。首先在控制方式方面,简单介绍开环控制和闭环控制的原理和特点。然后在控制算法方面,详细介绍传统PID控制算法的原理和参数整定的方法,并通过Matlab仿真实验观察传统PID控制对纳米位移定位平台的控制效果;阐述自校正PID控制算法的原理,并通过Matlab仿真实验观察其模型参数辨识能力及控制效果;对比两种控制方法的实验结果,确定自校正PID控制算法的优越性。(4)介绍了可编程逻辑器件FPGA/CPLD的发展历史、发展趋势及其开发平台、开发流程和辅助工具;采用VHDL编程语言,在FPGA开发软件QuartusⅡ上设计偏差模块、比例模块、积分模块和微分模块,并通过波形仿真实验验证各模块的有效性;采用原理图设计输入法,在顶层文件中搭建成增量式PID控制器;借助MATLAB与ModelSim的联合仿真来验证FPGA上的PID控制器。综上所述,本文主要对纳米位移定位平台的控制算法及其FPGA的设计进行了研究,实验结果说明自校正PID控制算法适用于纳米位移定位平台控制系统,及其基于FPGA设计的可行性。
【关键词】：纳米位移定位平台 动态迟滞模型 传统PID控制 自校正PID控制 FPGA
【学位授予单位】：沈阳建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP273
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-11
• 第一章 绪论11-15
• 1.1 论文研究背景及意义11-12
• 1.2 纳米控位移定位平台的国内外发展现状12-13
• 1.3 纳米位移定位平台控制技术的发展现状13-14
• 1.4 本文研究的主要内容以及结构安排14-15
• 第二章 纳米位移定位平台模型的建立15-23
• 2.1 纳米位移定位平台的构成及特性15-16
• 2.1.1 纳米位移定位平台的构成15
• 2.1.2 纳米位移定位平台的特性15-16
• 2.2 纳米位移定位平台的建模方法16-18
• 2.2.1 机理分析建模17
• 2.2.2 系统辨识建模17-18
• 2.2.3 机理分析和系统辨识相结合的建模18
• 2.3 纳米位移定位平台模型的建立18-22
• 2.3.1 纳米位移定位平台的迟滞模型18-19
• 2.3.2 纳米位移定位平台的线性动态模型19-20
• 2.3.3 纳米位移定位平台的动态迟滞模型20-22
• 2.4 本章小结22-23
• 第三章 纳米位移定位平台控制方法的研究23-37
• 3.1 引言23-24
• 3.1.1 开环控制23
• 3.1.2 闭环控制23-24
• 3.2 传统PID算法的研究24-30
• 3.2.1 传统PID算法原理24-27
• 3.2.2 传统PID控制器参数的整定方法27-28
• 3.2.3 纳米位移定位平台PID控制系统仿真28-30
• 3.3 自适应控制算法的研究30-34
• 3.3.1 纳米位移定位平台的自校正PID控制30-31
• 3.3.2 模型参数辨识31-33
• 3.3.3 控制器参数计算33
• 3.3.4 纳米位移定位平台系统的自校正PID控制算法仿真33-34
• 3.4 本章小结34-37
• 第四章 基于FPGA的PID控制器的设计37-49
• 4.1 FPGA简介37-42
• 4.1.1 FPGA的发展历史及趋势37-39
• 4.1.2 FPGA的基本构成及特点39-42
• 4.2 FPGA的开发流程及工具42-44
• 4.2.1 电路的设计与输入42
• 4.2.2 综合42-43
• 4.2.3 布局布线43
• 4.2.4 时序仿真43
• 4.2.5 调试与配置43-44
• 4.3 控制器各模块的设计及仿真44-46
• 4.3.1 偏差模块44-45
• 4.3.2 比例模块45
• 4.3.3 积分模块45-46
• 4.3.4 微分模块46
• 4.4 本章小结46-49
• 第五章 联合仿真49-51
• 5.1 联合仿真示意图49
• 5.2 仿真结果49-50
• 5.3 本章小结50-51
• 第六章 结论与展望51-53
• 6.1 结论51
• 6.2 展望51-53
• 参考文献53-55
• 作者简介55
• 作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文55-57
• 致谢57-58

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：870556