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基于DSP的光電搜跟設備伺服機構控制器研究

作者:孫健 李釗 劉鵬飛 時間:2017-04-27 來源:電子產(chǎn)品世界 收藏
編者按:針對光電搜跟設備對伺服控制機構動、靜態(tài)響應和跟蹤精度的要求,本文設計了基于DSP的光電跟蹤設備伺服機構控制器??刂破饕訲MS320C28346為數(shù)據(jù)處理平臺,配置高性能外設結構模塊和調理電路,通過合理優(yōu)化軟件流程,并對控制系統(tǒng)實施雙回路閉環(huán)控制,使得系統(tǒng)具有良好的跟蹤性能,系統(tǒng)結構簡單,性能可靠,可為外場動態(tài)目標的觀測和測試提供便捷和保障。

3 軟件設計

本文引用地址:http://m.ptau.cn/article/201704/358526.htm

3.1 工作流程

  控制器編輯軟件采用TI公司的CCS3.3,采用C語言編輯。系統(tǒng)軟件控制流程如圖6所示。

  (1)初始化

  初始化包含初始上電、CPLD的上電,其中,在上電后,系統(tǒng)會將FLASH中的程序讀入到DSP的RAM中,在將程序載入后,DSP會從RAM的起始位置開始執(zhí)行程序,系統(tǒng)會配置DSP內部的資源,包括系統(tǒng)時鐘、GPIO端口、SCI串口、ENCODE的讀入端口、中斷資源配置、輸出端口控制。在初始化的程序中還包括與轉臺相關控制所需變量的初始化。

  (2)控制器加載

  控制器加載包括系統(tǒng)相關控制參數(shù),如各個環(huán)路的放大倍數(shù)、積分網(wǎng)絡的參數(shù)、微分網(wǎng)絡的參數(shù)等,加載到控制器中,使系統(tǒng)接收到使能信號后進入閉環(huán)。

  (3)系統(tǒng)自檢

  系統(tǒng)自檢的過程包括轉臺俯仰軸與方位軸進入。系統(tǒng)進一步會以5°/s的速度順時針方向運動,當系統(tǒng)在接收到碼盤零位的脈沖信號時,轉臺會停止在當前位置,并向上位機告知自檢完好。如果DSP發(fā)現(xiàn)在規(guī)定的時間內系統(tǒng)沒有運動,就會向上位機報錯。

  (4)各種運動

  通常情況下,運動控制器會提供給使用方各種運動方案選擇,如定位定速、速率模式還有掃頻模式、階躍模式等。掃頻模式是用來測試被控對象的動態(tài)特性。

  (5)控制器卸載

  控制器卸載的過程與控制器加載的過程恰好相反。控制器在卸載后,轉臺將不再處于閉環(huán)狀態(tài),如果系統(tǒng)需要閉環(huán)就必須重新進行控制器加載。

3.2 伺服機構控制算法設計

  為滿足伺服機構靜態(tài)及動態(tài)指標,控制器需要采用一定的控制算法對伺服機構進行。隨著計算機性能不斷提升,諸如神經(jīng)網(wǎng)絡、遺傳算法等智能控制算法在工業(yè)中得到了廣泛應用,其控制精度、收斂速度等方面?zhèn)鹘y(tǒng)控制算法具有一定的優(yōu)勢。但在實時控制方面,由于算法的復雜性使得實時性很難得到保證,而傳統(tǒng)的PID算法以其結構簡單、易實現(xiàn)、魯棒性高等優(yōu)點,結合前饋網(wǎng)絡等經(jīng)典校正網(wǎng)絡,在電機控制領域有著廣泛的應用[2]。

  數(shù)字PID控制算法的計算公式為:

(1)

  式中k為采樣序號,分別為比例、積分、微分系數(shù)。

  在對被控對象進行比例控制時,實際上是進行偏差控制,比例的參數(shù)越大,在同樣的輸入與反饋的偏差下,輸出值就越大,對于系統(tǒng)的糾偏效果就越好,但是如果比例參數(shù)超出一定的范圍,系統(tǒng)就會產(chǎn)生振蕩。在對被控對象進行積分控制時,主要是考慮系統(tǒng)在到達穩(wěn)態(tài)后,系統(tǒng)會存在一個穩(wěn)態(tài)誤差,積分調機器是通過將每個控制誤差進行累加,會隨時間的增加而增大,且作用的頻帶一般為低頻段,所以也不會引起系統(tǒng)的振蕩,可以提高系統(tǒng)的精度。在對被控對象進行微分控制時,通過微分控制器增大系統(tǒng)的阻尼,使階躍響應的超調量下降,調節(jié)時間縮短,且不影響常值穩(wěn)態(tài)誤差及系統(tǒng)的自然頻率。由于采用微分控制后,允許較高的開環(huán)增益,因而在保證一定的動態(tài)性能條件下,可以減小穩(wěn)態(tài)誤差。微分作用反映系統(tǒng)偏差信號的變化率,具有預見性,能預見偏差變化的趨勢,能夠提前產(chǎn)生抑制作用,在誤差還沒有產(chǎn)生之前消除[3]。圖7是在本設計中采用的PID控制系統(tǒng)原理框圖,系統(tǒng)采用雙閉環(huán)PID控制。外回路是位置環(huán),控制系統(tǒng)的主回路,可以減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差;內環(huán)為速度環(huán),控制系統(tǒng)的輔助回路,其主要任務是抑制干擾,改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

  設備及DSP控制器硬件實物如圖8所示。系統(tǒng)采用模塊化設計,方便調試和系統(tǒng)維修,同時,充分考慮外場測試時車載運輸及惡劣天氣的影響,采用防震、防潮設計,提高系統(tǒng)的可靠性。

  對設備偏航軸施加頻率為0~15Hz、峰峰值為1°的正弦掃頻信號,控制器將方位軸位置信息上傳至管理計算機。圖9與圖10是方位軸實際的幅頻與相頻特性圖。從圖中可以看出系統(tǒng)在12Hz時,幅頻的超調不超過0.5dB,相頻也低于10°,滿足系統(tǒng)的雙十指標,系統(tǒng)的超調和延時都很小,具有良好的跟蹤性能。

5 結論

  本文設計了基于DSP的設備伺服機構控制器,采用TMS320F28346核心控制芯片,配置高性能結構模塊,控制系統(tǒng)結構簡單,性能可靠。通過合理優(yōu)化軟件流程,并對控制系統(tǒng)實施雙回路,使得系統(tǒng)具備良好的靜態(tài)和動態(tài)性能,并能夠為穩(wěn)定的跟蹤目標提供足夠的帶寬,系統(tǒng)具有良好的跟蹤性能,為外場動態(tài)目標的觀測和測試提供便捷和保障。

  參考文獻:

  [1]馬東璽.光電搜跟系統(tǒng)模式切換特性及控制研究[D].國防科學技術大學,2011.

  [2]閔斌.液壓位置轉臺控制系統(tǒng)的數(shù)字校正[J].航天控制,1999(3):51-57.

  [3]胡壽松.自動控制原理[M].2013,北京:科學出版社,2008.


本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第5期第61頁,歡迎您寫論文時引用,并注明出處。


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