過程裝備與控制工程開題報(bào)告

1、 畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告學(xué) 生 姓 名： 學(xué) 號(hào)：0802034223學(xué) 院、系：機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院、過程控制系專 業(yè)：過程裝備與控制工程設(shè) 計(jì) 題 目：大型空間天線展開過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師:黃晉英 年 月 日畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 開 題 報(bào) 告1結(jié)合畢業(yè)論文情況，根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)資料，撰寫2000字左右的文獻(xiàn)綜述：文 獻(xiàn) 綜 述一、 本課題的研究背景及意義從上世紀(jì)六十年代中期以來，隨著空間科學(xué)技術(shù)，如衛(wèi)星通信技術(shù)、空間探索、地球觀測(cè)等技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)空間天線的需求量與日劇增，對(duì)其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)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(shí)還要求必須快速抑制天線的彈性振動(dòng)1。二、 本課題國內(nèi)外研究進(jìn)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(dòng)力學(xué)的多年研究成果2。外國學(xué)者早在20世紀(jì)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(jìn)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(gè)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(dá)驅(qū)動(dòng)下索網(wǎng)先進(jìn)行第一步展開，最后通過索網(wǎng)中的預(yù)應(yīng)力實(shí)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(yàn)衛(wèi)星（ets-）上6。與傳統(tǒng)的大型反射器的設(shè)計(jì)、制作、組裝方法不同的是，ldr采用新型的模塊單元設(shè)計(jì)、這種模塊單元尺寸十分精確，將各個(gè)模塊連接到一起可進(jìn)行高精度的制作，調(diào)整。為保證每個(gè)單元的展開速度可控，同時(shí)保證單元能夠同步展開，采用步進(jìn)電機(jī)來控制展開裝置中索的長(zhǎng)度變化。在整個(gè)結(jié)構(gòu)中，利用4個(gè)步進(jìn)電機(jī)來控制14個(gè)單元的展開7。日本學(xué)者h(yuǎn)iroaki tsunoda等人在1997年發(fā)表的文章8中，設(shè)計(jì)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(cè)試中使用了類似的通過步進(jìn)電機(jī)來控制索，以實(shí)現(xiàn)同步展開的裝置。國內(nèi)，西

4、北工業(yè)大學(xué)的李春貴等人9對(duì)環(huán)形夫線的展開過程智能控制進(jìn)行了研究，谷文韜等人10針對(duì)徑射狀可展天線的展開過程智能控制進(jìn)行了研究。兩者都是基于環(huán)形天線中的單個(gè)四邊形單元進(jìn)行給出了環(huán)形天線展開過程中驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最優(yōu)輸出力矩。西安電子科技大學(xué)的李團(tuán)結(jié)等人11針 對(duì)周邊桁架天線的展開過程進(jìn)行了分析。通過對(duì)驅(qū)動(dòng)繩索實(shí)施有效的運(yùn)動(dòng)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(xué)航天與材料工程學(xué)院司洪偉，李東旭對(duì)智能結(jié)構(gòu)中致動(dòng)器數(shù)目與位置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用最優(yōu)控制理論研究智能結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制機(jī)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(dòng)器的數(shù)目，基于致動(dòng)器的控制效能，給出了一種簡(jiǎn)

5、單實(shí)用的致動(dòng)器位置配置方法，最后針對(duì)智能懸臂梁和大型空間智能桁架結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制進(jìn)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(gè)復(fù)雜的非線性時(shí)變結(jié)構(gòu)，對(duì)其控制問題，目前所進(jìn)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(jìn)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(jī)械臂，它同樣具有高速、輕質(zhì)、重載、大范圍運(yùn)動(dòng)、定位精度要求高等特點(diǎn)，對(duì)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(cè)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(duì)非線性系統(tǒng)，未知?jiǎng)恿W(xué)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(shí)不變系統(tǒng)的應(yīng)用中取得了重大的進(jìn)展，并有各種穩(wěn)定的自適應(yīng)規(guī)則相繼問世，但是對(duì)非線性系統(tǒng)的自適應(yīng)控制研究還相當(dāng)緩慢，由于許多自適應(yīng)規(guī)則的計(jì)算量大，使其實(shí)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(shí)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(fù)雜的系統(tǒng)及具有較大時(shí)間常數(shù)和較大純滯后的復(fù)雜線性系統(tǒng)和確定性系統(tǒng)。 參考文獻(xiàn)：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(xué)學(xué)報(bào)，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(dòng)力學(xué)理論分析、仿真及試驗(yàn)浙江大學(xué)博士學(xué)位論文，杭州：浙江大學(xué)，2007.4 劉明治, 高桂芳. 空間可展開天線結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展 j. 宇航學(xué)報(bào), 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(jī)械工程學(xué)報(bào)，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(jī)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(jī)械科學(xué)技術(shù)，2006，25（11）：1380-1383.11 李團(tuán)結(jié)，張琰，段寶巖.周邊桁架可展開天線展開過程運(yùn)動(dòng)分析及控制j.西安電子科技大學(xué)（自然科學(xué)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(dòng)控制中的應(yīng)用j.國防科技大學(xué)學(xué)報(bào)，200

10、3，25（3）：14-18.13 楊東武，保宏. 非對(duì)稱索網(wǎng)拋物面天線力平衡特性及預(yù)拉力設(shè)計(jì)j. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)，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(xué)出版社，2005.15 韋娟芳.空間4-10米可展開天線的動(dòng)力耦合及試驗(yàn)技術(shù)研究浙江大學(xué)博士學(xué)位論文.杭州：浙江大學(xué)，2002.16 王援朝 譯,衛(wèi)星天線展開機(jī)構(gòu)的分析和實(shí)驗(yàn)研究，通信與測(cè)控，1995 ( 4 ) : 25 一35.17 邱揚(yáng)，劉明治，大型星載可展開天線的展開動(dòng)力學(xué)問題，中國空間科學(xué)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(dòng)力學(xué)研究

11、，西安電子科技大學(xué)博士論文，1994.19 戚鋒，空間可展開夭線的多柔體動(dòng)力學(xué)建模及分析西安電子科技大學(xué)碩士論文，1994.20張慶靈，張學(xué)鋒，翟丁.控制理論基礎(chǔ)m.北京：高等教育出版社，2008.21李團(tuán)結(jié)，文群燕，蔣而進(jìn). 伺服輸入曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的控制模型j. 西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，29(3)：415-418.畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 開 題 報(bào) 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(jī)的選擇2）控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)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(jìn)電機(jī)與一般的電動(dòng)機(jī)不同，具有如下特點(diǎn):1）電脈沖信號(hào)變換

12、為角位移或線位移的開環(huán)控制元件，既給一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度或前進(jìn)一步，故而又稱為脈沖電機(jī)。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(dòng)的方向。能夠在較大的范圍內(nèi)快速啟動(dòng)、反動(dòng)和制動(dòng)。2）在負(fù)載范圍內(nèi)，不會(huì)因電源電壓、負(fù)載、環(huán)境條件的波動(dòng)而變化。另外，步進(jìn)電機(jī)還有一定的自鎖功能。具有低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、 無漂移和無累計(jì)誤差的特性。3）而且其控制線路簡(jiǎn)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(jī)方面的發(fā)展，使控制電機(jī)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(shí)用的。步

13、進(jìn)電機(jī)的上述特性，使得由它和驅(qū)動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)的技術(shù)要求。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)：隨著危機(jī)技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用的推廣普及，步進(jìn)電機(jī)的特有的數(shù)字化的運(yùn)行方式自然與微機(jī)相結(jié)合，由于微機(jī)具有很強(qiáng)的數(shù)字信號(hào)處理能力，利用微機(jī)，可以很方便的實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的脈沖控制。驅(qū)動(dòng)方法為：預(yù)先將細(xì)分驅(qū)動(dòng)的各階梯電流值的階梯編碼存于eprom中，運(yùn)行時(shí)，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(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行。其原理框圖如圖1所示：圖1微機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)原理框圖2.硬件設(shè)計(jì)：在整個(gè)步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)

14、中，微機(jī)控制部分是整個(gè)系統(tǒng)的一個(gè)中樞環(huán)節(jié)，由它來提供步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行方式、啟動(dòng)、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向等的控制信號(hào)。現(xiàn)在大多數(shù)的控制系統(tǒng)普遍采用mcs-51系列單片機(jī)，因?yàn)槠渚哂胸S富的指令系統(tǒng)、較強(qiáng)的中斷能力和較強(qiáng)的外部擴(kuò)展能力，而且它還有兩個(gè)計(jì)數(shù)器，所以在設(shè)計(jì)硬件電路時(shí)，我采用一片8031作為其控制單元。用以控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。3.微機(jī)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)：一個(gè)完整的微機(jī)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(jì)算機(jī)有條不紊的進(jìn)行工作。對(duì)于51單片機(jī)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?yàn)槠渚哂辛己玫哪K化，容易閱讀和維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。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(gè)工程移植到另一個(gè)工程，這樣就減少了開發(fā)和調(diào)試的時(shí)間。軟件可讀性明顯增加，從而也使可維護(hù)性增強(qiáng)，這樣便于改進(jìn)和補(bǔ)充。軟件設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是脈沖控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的程序。程序主要負(fù)責(zé)微機(jī)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(duì)要實(shí)用的串口進(jìn)行初始化，然后p2輸出口清零，接著進(jìn)入主程序的死循環(huán)，等待其中斷資源觸發(fā)。接受一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，ri=1，跟著ri被軟件清零。當(dāng)單片機(jī)接收完一次發(fā)的數(shù)據(jù)后，標(biāo)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(shí)使用。步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)單片機(jī)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(jī)讀入微