过程装备与控制工程开题报告

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1、 毕业设计开题报告学 生 姓 名： 学 号：0802034223学 院、系：机械工程与自动化学院、过程控制系专 业：过程装备与控制工程设 计 题 目：大型空间天线展开过程控制系统设计指导教师:黄晋英 年 月 日毕 业 设 计 开 题 报 告1结合毕业论文情况，根据所查阅的文献资料，撰写2000字左右的文献综述：文 献 综 述一、 本课题的研究背景及意义从上世纪六十年代中期以来，随着空间科学技术，如卫星通信技术、空间探索、地球观测等技术的飞速发展，对空间天线的需求量与日剧增，对其各项技术指标要求也越来越高。由于空间可展开天线的尺寸不断增大、质量要求越来越轻，可展开天线的柔性不可忽略，具有柔性特征

2、的大型空间可展开天线的展开控制系统不仅要求天线按预定轨迹精确展开，同时还要求必须快速抑制天线的弹性振动1。二、 本课题国内外研究进展大型空间天线的展开结构的展开过程主要借助于多体系统动力学的多年研究成果2。外国学者早在20世纪60年代就开始了以空间天线为背景的展开过程控制系统进行研究。为了证明大型天线应用的可行性，NASA的langley研究中心与Harris公司在1980年提出了环柱状天线展开的构想3。它包括一个可收缩展开的中心柱和预应力索网组成。其展开过程为：首先中心柱展开，之后在马达驱动下索网先进行第一步展开，最后通过索网中的预应力实现最终的完全展开4。日本在2003年左右研制的大型可展

3、开反射器（LDR）于2006年12月成功发射5，安装在发射的工程试验卫星（ETS-）上6。与传统的大型反射器的设计、制作、组装方法不同的是，LDR采用新型的模块单元设计、这种模块单元尺寸十分精确，将各个模块连接到一起可进行高精度的制作，调整。为保证每个单元的展开速度可控，同时保证单元能够同步展开，采用步进电机来控制展开装置中索的长度变化。在整个结构中，利用4个步进电机来控制14个单元的展开7。日本学者Hiroaki TSUNODA等人在1997年发表的文章8中，设计了一种剪刀铰为基本单元的大型可展开天线结构，在天线的展开过程测试中使用了类似的通过步进电机来控制索，以实现同步展开的装置。国内，西

4、北工业大学的李春贵等人9对环形夫线的展开过程智能控制进行了研究，谷文韬等人10针对径射状可展天线的展开过程智能控制进行了研究。两者都是基于环形天线中的单个四边形单元进行给出了环形天线展开过程中驱动电机的最优输出力矩。西安电子科技大学的李团结等人11针 对周边桁架天线的展开过程进行了分析。通过对驱动绳索实施有效的运动控制，可以使天线按照规划好的展开角的变化规律平稳地展开。国防科技大学航天与材料工程学院司洪伟，李东旭对智能结构中致动器数目与位置进行优化设计，采用最优控制理论研究智能结构振动控制机电一体化的建模过程12。通过定义输入能量相关矩阵，优化了致动器的数目，基于致动器的控制效能，给出了一种简

5、单实用的致动器位置配置方法，最后针对智能悬臂梁和大型空间智能桁架结构的振动控制进行了仿真13。三、空间大型可展开天线控制系统的发展 可展开天线是一个复杂的非线性时变结构，对其控制问题，目前所进行的研究还不多见14。由于可展开天线可以看作多柔体系统，故可以借鉴类似的多柔体系统的控制方法进行研究15。在多柔体系统中，研究最广泛最典型的是柔性机械臂，它同样具有高速、轻质、重载、大范围运动、定位精度要求高等特点，对于他的控制方法很多。既有传统的控制方法如：PD控制、反馈控制等；也有今年来发展起来的新型控制技术，如：鲁棒控制、预测控制、非线性控制、变结构控制等；还有与神经网络、模糊逻辑、专家系统相关的智

6、能控制。这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区别16-19。传统的控制理论缺乏对非线性系统，未知动力学和环境参数系统的有效控制手段20。虽然自适应控制在线性时不变系统的应用中取得了重大的进展，并有各种稳定的自适应规则相继问世，但是对非线性系统的自适应控制研究还相当缓慢，由于许多自适应规则的计算量大，使其实施应用碰到了巨大困难21。为此，研究了一种控制系统。指基于知识的专家系统、模糊控制、神经元网络控制及信息论等的控制方法，它主要应用于参数不确定性和结构不确定性等复杂的系统及具有较大时间常数和较大纯滞后的复杂线性系统和确定性系统。 参考文献：1 罗鹰，段宝岩.周边桁架式展开

7、天线的几何布局优化J.空间科学学报，2004，24（2）：132-1372 韦娟芳.卫星天线展开过程的零重力环境模拟设备J.空间电子技术，2006，（2）：29-323 赵孟良，空间可展开结构展开过程动力学理论分析、仿真及试验浙江大学博士学位论文，杭州：浙江大学，2007.4 刘明治, 高桂芳. 空间可展开天线结构研究进展 J. 宇航学报, 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 关晓红. 浅谈星载天线技术 J. 电子世界, 2003,( 1):80- 81.7 狄杰建，段宝岩，杨东武等. 索网式星载展开天线结构纵向调整索数及其初始张力的优化J. 机械工程学报，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 李春贵，王三民，袁茹.基于神经网络的空间可展开天线展开过程只能控制研究J.机床与液压，2006，（12）：161-164.10 古文韬，王三民，徐家栋。径射状空间可展开天线展开工程的智能控制研究J.机械科学技术，2006，25（11）：1380-1383.11 李团结，张琰，段宝岩.周边桁架可展开天线展开过程运动分析及控制J.西安电子科技大学（自然科学版），2007，34（6）：916-92.112 司洪伟，李东旭.小波理论在大型空间智能结构振动控制中的应用J.国防科技大学学报，200

10、3，25（3）：14-18.13 杨东武，保宏. 非对称索网抛物面天线力平衡特性及预拉力设计J. 机械工程学报，2009，45(8)：308-312.14 段宝岩. 柔性天线结构分析、优化与精密控制M. 北京：科学出版社，2005.15 韦娟芳.空间4-10米可展开天线的动力耦合及试验技术研究浙江大学博士学位论文.杭州：浙江大学，2002.16 王援朝 译,卫星天线展开机构的分析和实验研究，通信与测控，1995 ( 4 ) : 25 一35.17 邱扬，刘明治，大型星载可展开天线的展开动力学问题，中国空间科学技术，No.1,1992:1-7.18 覃正，星载大型可展开天线柔性多体系统动力学研究

11、，西安电子科技大学博士论文，1994.19 戚锋，空间可展开夭线的多柔体动力学建模及分析西安电子科技大学硕士论文，1994.20张庆灵，张学锋，翟丁.控制理论基础M.北京：高等教育出版社，2008.21李团结，文群燕，蒋而进. 伺服输入曲柄滑块机构的控制模型J. 西安电子科技大学学报，2002，29(3)：415-418.毕 业 设 计 开 题 报 告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：一、本课题要解决的问题1）控制系统电机的选择2）控制系统硬件设计3）控制系统软件软件编程4）绘制控制过程逻辑关系图二、拟采用的手段1.步进电机与一般的电动机不同，具有如下特点:1）电脉冲信号变换

12、为角位移或线位移的开环控制元件，既给一个脉冲信号，电机就转动一个角度或前进一步，故而又称为脉冲电机。它的角位移量正比于电脉冲量;而其转速正比于脉冲频率。因此它可以作为开环位置系统工作。通过改变脉冲频率来调速;通过改变其各相的通电顺序能够改变其转动的方向。能够在较大的范围内快速启动、反动和制动。2）在负载范围内，不会因电源电压、负载、环境条件的波动而变化。另外，步进电机还有一定的自锁功能。具有低转动惯量、 无漂移和无累计误差的特性。3）而且其控制线路简单，不需要反馈编码器和相应的电子线路，特别是在近年来微型机方面的发展，使控制电机的性能大为改善，所以在很多位置和速度控制的应用中都是非常实用的。步

13、进电机的上述特性，使得由它和驱动器组成的开环数控系统，既具有较高的控制精度，良好的控制性能，又能稳定可靠的工作。满足了天线展开控制过程驱动系统的技术要求。步进电机驱动的设计：随着危机技术的发展及其应用的推广普及，步进电机的特有的数字化的运行方式自然与微机相结合，由于微机具有很强的数字信号处理能力，利用微机，可以很方便的实现步进电机的脉冲控制。驱动方法为：预先将细分驱动的各阶梯电流值的阶梯编码存于EPROM中，运行时，利用软件从EPROM中取电流控制字，经D/A转换、电流电压放大及功率放大以驱动步进电机运行。其原理框图如图1所示：图1微机控制步进电机原理框图2.硬件设计：在整个步进电机的应用系统

14、中，微机控制部分是整个系统的一个中枢环节，由它来提供步进电机的运行方式、启动、转速、转向等的控制信号。现在大多数的控制系统普遍采用MCS-51系列单片机，因为其具有丰富的指令系统、较强的中断能力和较强的外部扩展能力，而且它还有两个计数器，所以在设计硬件电路时，我采用一片8031作为其控制单元。用以控制步进电机的运动。3.微机系统的软件设计：一个完整的微机控制系统是硬件和软件的完美统一，硬件是系统的基础，而软件是系统的灵魂，它指引计算机有条不紊的进行工作。对于51单片机来说，支持语言有多种，比如汇编语言、C语言和Basic语言，最常用的是汇编语言。因为其具有良好的模块化，容易阅读和维护等优点。由

15、于模块化，而且并不依赖于硬件系统。用C语言编制的程序具有很好的可移植性，功能化的代码可以很方便的从一个工程移植到另一个工程，这样就减少了开发和调试的时间。软件可读性明显增加，从而也使可维护性增强，这样便于改进和补充。软件设计的主要内容是脉冲控制步进电机转动的程序。程序主要负责微机发来的数据，按照数据产生控制脉冲。具体流程为：首先对要实用的串口进行初始化，然后P2输出口清零，接着进入主程序的死循环，等待其中断资源触发。接受一个字节的数据，RI=1，跟着RI被软件清零。当单片机接收完一次发的数据后，标志位置1。将缓存中的数据存入控制变量中，以便控制时使用。步进电机启动单片机执行程序接受数据组开中断是否是自己的数据组单片机读入微机发送的数据组，并将其存入缓存区 航天器到达制定位置，此时的天线处于收拢状态 数据送入微机 否 是4.天线展开过程流程可以简述为：当航天器到达指定位置后，此时天线处于收拢状态。将此时的数据输送到微机，单片机读入微机输送来的数据，形成一个电源脉冲，驱动步进电机运转，通过控制绳索使天线按照设计的速度展开。 驱动脉冲步进电机脉冲序列发生器步进电机驱动器控制绳索可展开天线 毕 业 设 计 开 题 报 告指导教师意见： 指导教师： 年 月 日所在系审查意见： 系主任： 年 月 日