過程裝備與控制工程開題報告

1、 畢業(yè)設(shè)計開題報告學 生 姓 名： 學 號：0802034223學 院、系：機械工程與自動化學院、過程控制系專 業(yè)：過程裝備與控制工程設(shè) 計 題 目：大型空間天線展開過程控制系統(tǒng)設(shè)計指導教師:黃晉英 年 月 日畢 業(yè) 設(shè) 計 開 題 報 告1結(jié)合畢業(yè)論文情況，根據(jù)所查閱的文獻資料，撰寫2000字左右的文獻綜述：文 獻 綜 述一、 本課題的研究背景及意義從上世紀六十年代中期以來，隨著空間科學技術(shù)，如衛(wèi)星通信技術(shù)、空間探索、地球觀測等技術(shù)的飛速發(fā)展，對空間天線的需求量與日劇增，對其各項技術(shù)指標要求也越來越高。由于空間可展開天線的尺寸不斷增大、質(zhì)量要求越來越輕，可展開天線的柔性不可忽略，具有柔性特征

2、的大型空間可展開天線的展開控制系統(tǒng)不僅要求天線按預(yù)定軌跡精確展開，同時還要求必須快速抑制天線的彈性振動1。二、 本課題國內(nèi)外研究進展大型空間天線的展開結(jié)構(gòu)的展開過程主要借助于多體系統(tǒng)動力學的多年研究成果2。外國學者早在20世紀60年代就開始了以空間天線為背景的展開過程控制系統(tǒng)進行研究。為了證明大型天線應(yīng)用的可行性，nasa的langley研究中心與harris公司在1980年提出了環(huán)柱狀天線展開的構(gòu)想3。它包括一個可收縮展開的中心柱和預(yù)應(yīng)力索網(wǎng)組成。其展開過程為：首先中心柱展開，之后在馬達驅(qū)動下索網(wǎng)先進行第一步展開，最后通過索網(wǎng)中的預(yù)應(yīng)力實現(xiàn)最終的完全展開4。日本在2003年左右研制的大型可展

3、開反射器（ldr）于2006年12月成功發(fā)射5，安裝在發(fā)射的工程試驗衛(wèi)星（ets-）上6。與傳統(tǒng)的大型反射器的設(shè)計、制作、組裝方法不同的是，ldr采用新型的模塊單元設(shè)計、這種模塊單元尺寸十分精確，將各個模塊連接到一起可進行高精度的制作，調(diào)整。為保證每個單元的展開速度可控，同時保證單元能夠同步展開，采用步進電機來控制展開裝置中索的長度變化。在整個結(jié)構(gòu)中，利用4個步進電機來控制14個單元的展開7。日本學者hiroaki tsunoda等人在1997年發(fā)表的文章8中，設(shè)計了一種剪刀鉸為基本單元的大型可展開天線結(jié)構(gòu)，在天線的展開過程測試中使用了類似的通過步進電機來控制索，以實現(xiàn)同步展開的裝置。國內(nèi)，西

4、北工業(yè)大學的李春貴等人9對環(huán)形夫線的展開過程智能控制進行了研究，谷文韜等人10針對徑射狀可展天線的展開過程智能控制進行了研究。兩者都是基于環(huán)形天線中的單個四邊形單元進行給出了環(huán)形天線展開過程中驅(qū)動電機的最優(yōu)輸出力矩。西安電子科技大學的李團結(jié)等人11針 對周邊桁架天線的展開過程進行了分析。通過對驅(qū)動繩索實施有效的運動控制，可以使天線按照規(guī)劃好的展開角的變化規(guī)律平穩(wěn)地展開。國防科技大學航天與材料工程學院司洪偉，李東旭對智能結(jié)構(gòu)中致動器數(shù)目與位置進行優(yōu)化設(shè)計，采用最優(yōu)控制理論研究智能結(jié)構(gòu)振動控制機電一體化的建模過程12。通過定義輸入能量相關(guān)矩陣，優(yōu)化了致動器的數(shù)目，基于致動器的控制效能，給出了一種簡

5、單實用的致動器位置配置方法，最后針對智能懸臂梁和大型空間智能桁架結(jié)構(gòu)的振動控制進行了仿真13。三、空間大型可展開天線控制系統(tǒng)的發(fā)展 可展開天線是一個復雜的非線性時變結(jié)構(gòu)，對其控制問題，目前所進行的研究還不多見14。由于可展開天線可以看作多柔體系統(tǒng)，故可以借鑒類似的多柔體系統(tǒng)的控制方法進行研究15。在多柔體系統(tǒng)中，研究最廣泛最典型的是柔性機械臂，它同樣具有高速、輕質(zhì)、重載、大范圍運動、定位精度要求高等特點，對于他的控制方法很多。既有傳統(tǒng)的控制方法如：pd控制、反饋控制等；也有今年來發(fā)展起來的新型控制技術(shù)，如：魯棒控制、預(yù)測控制、非線性控制、變結(jié)構(gòu)控制等；還有與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、專家系統(tǒng)相關(guān)的智

6、能控制。這些方法控制的目的不同，使用的策略不同，控制效果也有很大的區(qū)別16-19。傳統(tǒng)的控制理論缺乏對非線性系統(tǒng)，未知動力學和環(huán)境參數(shù)系統(tǒng)的有效控制手段20。雖然自適應(yīng)控制在線性時不變系統(tǒng)的應(yīng)用中取得了重大的進展，并有各種穩(wěn)定的自適應(yīng)規(guī)則相繼問世，但是對非線性系統(tǒng)的自適應(yīng)控制研究還相當緩慢，由于許多自適應(yīng)規(guī)則的計算量大，使其實施應(yīng)用碰到了巨大困難21。為此，研究了一種控制系統(tǒng)。指基于知識的專家系統(tǒng)、模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制及信息論等的控制方法，它主要應(yīng)用于參數(shù)不確定性和結(jié)構(gòu)不確定性等復雜的系統(tǒng)及具有較大時間常數(shù)和較大純滯后的復雜線性系統(tǒng)和確定性系統(tǒng)。 參考文獻：1 羅鷹，段寶巖.周邊桁架式展開

7、天線的幾何布局優(yōu)化j.空間科學學報，2004，24（2）：132-1372 韋娟芳.衛(wèi)星天線展開過程的零重力環(huán)境模擬設(shè)備j.空間電子技術(shù)，2006，（2）：29-323 趙孟良，空間可展開結(jié)構(gòu)展開過程動力學理論分析、仿真及試驗浙江大學博士學位論文，杭州：浙江大學，2007.4 劉明治, 高桂芳. 空間可展開天線結(jié)構(gòu)研究進展 j. 宇航學報, 2003, 241( 1): 82- 87.5 shintate kyoji,terada koji,usui motofuni,etal.large deloyable reflector(ldr)j. journal of zhe national i

8、nstitute of information and communications technology 2003,vol.50:33-396 關(guān)曉紅. 淺談星載天線技術(shù) j. 電子世界, 2003,( 1):80- 81.7 狄杰建，段寶巖，楊東武等. 索網(wǎng)式星載展開天線結(jié)構(gòu)縱向調(diào)整索數(shù)及其初始張力的優(yōu)化j. 機械工程學報，2005，41(11)：154-157.8 hiroaki tsunoda,ken-ichi hariu,yoichi kawakami,etal.structural design and deployment test methods for a large dep

9、loy reflector mesh reflectorj.aiaa-97-1148:2963-2971.9 李春貴，王三民，袁茹.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的空間可展開天線展開過程只能控制研究j.機床與液壓，2006，（12）：161-164.10 古文韜，王三民，徐家棟。徑射狀空間可展開天線展開工程的智能控制研究j.機械科學技術(shù)，2006，25（11）：1380-1383.11 李團結(jié)，張琰，段寶巖.周邊桁架可展開天線展開過程運動分析及控制j.西安電子科技大學（自然科學版），2007，34（6）：916-92.112 司洪偉，李東旭.小波理論在大型空間智能結(jié)構(gòu)振動控制中的應(yīng)用j.國防科技大學學報，200

10、3，25（3）：14-18.13 楊東武，保宏. 非對稱索網(wǎng)拋物面天線力平衡特性及預(yù)拉力設(shè)計j. 機械工程學報，2009，45(8)：308-312.14 段寶巖. 柔性天線結(jié)構(gòu)分析、優(yōu)化與精密控制m. 北京：科學出版社，2005.15 韋娟芳.空間4-10米可展開天線的動力耦合及試驗技術(shù)研究浙江大學博士學位論文.杭州：浙江大學，2002.16 王援朝 譯,衛(wèi)星天線展開機構(gòu)的分析和實驗研究，通信與測控，1995 ( 4 ) : 25 一35.17 邱揚，劉明治，大型星載可展開天線的展開動力學問題，中國空間科學技術(shù)，no.1,1992:1-7.18 覃正，星載大型可展開天線柔性多體系統(tǒng)動力學研究

11、，西安電子科技大學博士論文，1994.19 戚鋒，空間可展開夭線的多柔體動力學建模及分析西安電子科技大學碩士論文，1994.20張慶靈，張學鋒，翟丁.控制理論基礎(chǔ)m.北京：高等教育出版社，2008.21李團結(jié)，文群燕，蔣而進. 伺服輸入曲柄滑塊機構(gòu)的控制模型j. 西安電子科技大學學報，2002，29(3)：415-418.畢 業(yè) 設(shè) 計 開 題 報 告本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑）：一、本課題要解決的問題1）控制系統(tǒng)電機的選擇2）控制系統(tǒng)硬件設(shè)計3）控制系統(tǒng)軟件軟件編程4）繪制控制過程邏輯關(guān)系圖二、擬采用的手段1.步進電機與一般的電動機不同，具有如下特點:1）電脈沖信號變換

12、為角位移或線位移的開環(huán)控制元件，既給一個脈沖信號，電機就轉(zhuǎn)動一個角度或前進一步，故而又稱為脈沖電機。它的角位移量正比于電脈沖量;而其轉(zhuǎn)速正比于脈沖頻率。因此它可以作為開環(huán)位置系統(tǒng)工作。通過改變脈沖頻率來調(diào)速;通過改變其各相的通電順序能夠改變其轉(zhuǎn)動的方向。能夠在較大的范圍內(nèi)快速啟動、反動和制動。2）在負載范圍內(nèi)，不會因電源電壓、負載、環(huán)境條件的波動而變化。另外，步進電機還有一定的自鎖功能。具有低轉(zhuǎn)動慣量、 無漂移和無累計誤差的特性。3）而且其控制線路簡單，不需要反饋編碼器和相應(yīng)的電子線路，特別是在近年來微型機方面的發(fā)展，使控制電機的性能大為改善，所以在很多位置和速度控制的應(yīng)用中都是非常實用的。步

13、進電機的上述特性，使得由它和驅(qū)動器組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既具有較高的控制精度，良好的控制性能，又能穩(wěn)定可靠的工作。滿足了天線展開控制過程驅(qū)動系統(tǒng)的技術(shù)要求。步進電機驅(qū)動的設(shè)計：隨著危機技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用的推廣普及，步進電機的特有的數(shù)字化的運行方式自然與微機相結(jié)合，由于微機具有很強的數(shù)字信號處理能力，利用微機，可以很方便的實現(xiàn)步進電機的脈沖控制。驅(qū)動方法為：預(yù)先將細分驅(qū)動的各階梯電流值的階梯編碼存于eprom中，運行時，利用軟件從eprom中取電流控制字，經(jīng)d/a轉(zhuǎn)換、電流電壓放大及功率放大以驅(qū)動步進電機運行。其原理框圖如圖1所示：圖1微機控制步進電機原理框圖2.硬件設(shè)計：在整個步進電機的應(yīng)用系統(tǒng)

14、中，微機控制部分是整個系統(tǒng)的一個中樞環(huán)節(jié)，由它來提供步進電機的運行方式、啟動、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向等的控制信號?，F(xiàn)在大多數(shù)的控制系統(tǒng)普遍采用mcs-51系列單片機，因為其具有豐富的指令系統(tǒng)、較強的中斷能力和較強的外部擴展能力，而且它還有兩個計數(shù)器，所以在設(shè)計硬件電路時，我采用一片8031作為其控制單元。用以控制步進電機的運動。3.微機系統(tǒng)的軟件設(shè)計：一個完整的微機控制系統(tǒng)是硬件和軟件的完美統(tǒng)一，硬件是系統(tǒng)的基礎(chǔ)，而軟件是系統(tǒng)的靈魂，它指引計算機有條不紊的進行工作。對于51單片機來說，支持語言有多種，比如匯編語言、c語言和basic語言，最常用的是匯編語言。因為其具有良好的模塊化，容易閱讀和維護等優(yōu)點。由

15、于模塊化，而且并不依賴于硬件系統(tǒng)。用c語言編制的程序具有很好的可移植性，功能化的代碼可以很方便的從一個工程移植到另一個工程，這樣就減少了開發(fā)和調(diào)試的時間。軟件可讀性明顯增加，從而也使可維護性增強，這樣便于改進和補充。軟件設(shè)計的主要內(nèi)容是脈沖控制步進電機轉(zhuǎn)動的程序。程序主要負責微機發(fā)來的數(shù)據(jù)，按照數(shù)據(jù)產(chǎn)生控制脈沖。具體流程為：首先對要實用的串口進行初始化，然后p2輸出口清零，接著進入主程序的死循環(huán)，等待其中斷資源觸發(fā)。接受一個字節(jié)的數(shù)據(jù)，ri=1，跟著ri被軟件清零。當單片機接收完一次發(fā)的數(shù)據(jù)后，標志位置1。將緩存中的數(shù)據(jù)存入控制變量中，以便控制時使用。步進電機啟動單片機執(zhí)行程序接受數(shù)據(jù)組開中斷是否是自己的數(shù)據(jù)組單片機讀入微