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1、两轴稳定转台伺服控制系统研究兰州理工大学 硕士学位论文 两轴稳定转台伺服控制系统研究 姓名：董新利 申请学位级别：硕士 专业：机械制造及其自动化 指导教师：陈惠贤20100421IV摘要两轴稳定转台是光电经纬仪中重要组成部分,两轴稳定转台主要承载着激光、 红外、电视及高速摄影等多种跟踪与测量设备。当目标已经进入光学测量的视场 内后，首先锁定目标，然后一直跟踪目标，保证目标一直位于光学测量的视场内， 系统记下目标与视场中心的偏差一一脱靶量，测角系统将测量出现场中心的方位 角和俯仰角，随后将此和脱靶量合成后得到目标的实际角位置，因此，在跟踪过 程中转台随动精度的控制在测量中十分重要。两轴稳定转台性
2、能的优劣直接关系 到光电经纬仪的可靠性和可信度，是保证整个系统的精度和性能的基础。由于两轴转台直接关系到光电经纬仪的工作性能，两轴转台的研发包括机械 设计和伺服控制系统两个部分，本文主要计对转台的伺服控制系统展开研究。整 个转台控制系统包括两部分：上位部分和下位部分。本课题以车载光电经纬仪系统 的设计为背景，以其关键部分之一的转台部分为研究对象，讲述了转台机械部分 的设计结果，主要系统地研究了转台系统中的控制部分。转台控制部分的主要功 能是根据测角部分反馈的信号，通过上位计算机和下位可编程控制器相结合实现 控制算法，得出相应的控制量，经功率放大后，驱动直流电机，实现对转台速度、 位置的控制。测
3、角部分由测速陀螺仪，旋转变压器和光电编码器组成，实现对转 台速度、位置信号的反馈。本论文详细介绍了转台机械部分的设计和转台伺服控制系统研发过程，首先 讲述了两轴转台的机械结构设计情况，然后对转台机械结构、运动规律及性能指 标进行详细的分析，为转台控制方案的合理制定提供了依据。其次，对伺服系统 做进一步研究，为转台伺服控制系统方案的制定提供了理论依据。最后，制定出 了合理的两轴转台控制方案，并详细介绍了软硬件实现。本论文重点通过对该系统使用传统PID控制与模糊自适应PID控制算法进行了 深入研究，并通过进行仿真实验对控制算法进行验证，最后发现该系统采用模糊 自适应PID控制策略，可以使系统在静态
4、特性与动态特性上符合设计要求。从而确 定了本控制系统采用模糊自适应PID控制的策略。并且，在模糊自适应PID控制实 现的过程中采用模糊推理过程在上位组态软件的脚本程序中实现，PID控制器在西 门子S7-200PLC中实现，上位与下位的集合实现模糊自适应PID控制的策略，这种 实现方案在转台控制系统中属于一种创新。除此之外，本论文还详细介绍了两轴转台控制系统中硬件实现、以及上位机 和下位及软件实现设计，给出了详细的结构图与控制流程图，针对设计过程中碰 到的具体问题，进行了具体的分析和给出了相应的解决办法，这对于实际控制系硕士学位论文统的搭建具有一定的指导意义。关键词：两轴转台，伺服控制，PID,
5、模糊自适应PID控制，控制回路III两轴稳定转台伺服控制系统研究Research on Two-axis servo control systemAbstractTwo-axis stabilized turntable is an important component of electro-optic theodolite, two-axis stabilized turntable is a tracking and measuring equipment, which main bears laser, infrared, TV and high-speed photography.
6、When the target has entered the optical measurement field of view, firstly, locking on target, then tracking target and ensuring that target always in the optical field of view, the system will measure the on-site centers azimuth and elevation, followed by synthesis of this and the miss distance obt
7、ained by the actual target angular position, according to this principle may know, turntable servo motor control is playing an important role in the measuring accuracy.Stability properties of two-axis rotary table will directly affect the reliability and credibility of the electro-optic theodolite,
8、it ensures the accuracy and performance of the whole system basis.As the two-axis turntable directly affect the work performance of electro-optic theodolite, research on two-axis rotary table consists of two parts, mechanical design and servo control system. This paper will mainly study the turntabl
9、e servo control system. The turntable control system consists of two parts: the upper part and lower part. The subject of stability of a certain type of two-axis turntable control system for the background and study of the turntable control system in the control part. Control part of the main functi
10、ons: According to angular part of the feedback signal back through the upper and lower PLC computer control algorithm to achieve together, the corresponding control value obtained by the power amplifier, the drive motor, to realize the turntable speed, position control. Angular velocity gyroscope se
11、ction includes speed gyro and optical encoder, which realizes the feedback signal to turntable speed and position.The research on servo control system is described in this paper, first of all, analyzes in detail the mechanical structure of the two-axis turntable, sports law and sports performance, t
12、he results for the turntable control program provided the basis for the formulation. Secondly, the further study of the servo system provides a theoretical basis for the development on programs for the servo control system to. Finally, design a reasonable two-turntable control program, and gives det
13、ails of software and hardware.IV两轴稳定转台伺服控制系统研究The paper used in the drawing on the traditional fuzzy control method based on single chip, which improved the definition of membership functions and fuzzy rules call way. Experimental results show that the improvements to this paper fuzzy rules to impro
14、ve the system performance.In addition, the paper also introduces the two-axis turntable control system hardware design, and upper and lower machines software design, and gives a detailed diagram and flow chart for the design process touch to the specific issues carried out detailed analysis and the
15、corresponding solution is given, it is significant to structure actual control system.Key words: two-axis turntable, servo control, PID, fuzzy adaptive PID control, Control loop插图索引图1.1转台伺服系统的典型三环结构示意图3图2.1两轴转台机械结构图8图2. 3.两轴转台结构简图10图2.4两轴转台俯仰框理想模型10图2.5两轴转台方位框理想模型10图2.6水平轴绕OZ1转动图11图2.7俯仰轴绕OY2转动图12图3
16、.1伺服控制系统组成框图17图3.2两轴转台多环控制器结构18图3.3模拟速度环19图3.4两轴转台速度环20图3.5.转台的位置闭环控制系统20图3.6直流伺服系统原理框图21图3.7电机-负载模型22图3.8电机-负载模型结构图23图3.9电机-负载理想模型结构图24图3.10直流伺服电机转动系统结构框图24图3.11伺服电机转台系统MATLAB仿真图25图3.12系统稳态特性25图3.13系统动态响应25图3.14 PID控制系统原理框图26图3.15位置式PID控制方框图26图3.16增量式PID控制方框图27图3.17模糊参数自适应PID控制系统结构30图3.18 e(k)的语言变量值32图3.19Kp、Kd的隶属度函数32图3.20 般过程对阶跃的晌应33图3.21输入模糊化和模糊推理过程37图
