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一、選題的依據(jù)及意義
隨著飛機(jī)和導(dǎo)彈的快速發(fā)展，要求其具有更高的性能和穩(wěn)定性,這就要我們通過(guò)對(duì)他們的性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)量評(píng)估進(jìn)而進(jìn)行改進(jìn)，但一架真正的飛機(jī)或一枚導(dǎo)彈的成本太高,我們不可能也沒(méi)有必要用一架真正的飛機(jī)或?qū)梺?lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)采集數(shù)據(jù),這就要求我們采用一些比較合理的實(shí)驗(yàn)裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)飛機(jī)或?qū)椀娘w行狀態(tài)，這樣飛行模擬實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)臺(tái)得以發(fā)展。該轉(zhuǎn)臺(tái)可以將重物放在其上面也可以用來(lái)對(duì)飛行員進(jìn)行培訓(xùn)，因?yàn)樗梢阅M飛機(jī)在空中飛行的各種姿態(tài)。該裝置的出現(xiàn)既達(dá)到了對(duì)飛機(jī)或?qū)椥阅軈?shù)的采集，進(jìn)而改進(jìn)，在成本上遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于一架飛機(jī)或?qū)椀膬r(jià)格，對(duì)飛機(jī)和導(dǎo)彈的發(fā)展具有不可估量的價(jià)值。
飛行模擬轉(zhuǎn)臺(tái)是具有重大經(jīng)濟(jì)價(jià)值和國(guó)防戰(zhàn)略意義的高精尖實(shí)驗(yàn)設(shè)備，它是在實(shí)驗(yàn)室條件下模擬飛行器或?qū)椩诳罩酗w行姿態(tài)半實(shí)物仿真的有力工具，它和目標(biāo)發(fā)生裝置組合在一起模擬導(dǎo)彈跟蹤目標(biāo)的過(guò)程，可以真實(shí)地模擬出導(dǎo)彈等飛行器在空間的各種姿態(tài)和動(dòng)力學(xué)特性，從而對(duì)其傳感器件、控制系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等硬件設(shè)備的性能加以測(cè)試和評(píng)價(jià)，為飛行器的研制、改進(jìn)和再設(shè)計(jì)提供各種參考依據(jù)。它的性能指標(biāo)直接關(guān)系到飛行仿真結(jié)果的逼真度。隨著當(dāng)前國(guó)際形勢(shì)的日益嚴(yán)峻和我國(guó)現(xiàn)代軍事技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)模擬轉(zhuǎn)臺(tái)的精度要求不斷提高。作為一種高精度的運(yùn)動(dòng)仿真設(shè)備，其臺(tái)體動(dòng)態(tài)特性直接影響到轉(zhuǎn)臺(tái)動(dòng)態(tài)仿真的可靠程度。在設(shè)計(jì)階段對(duì)機(jī)械臺(tái)體進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，尤其是對(duì)框架等結(jié)構(gòu)支撐部件的動(dòng)態(tài)特性研究和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)十分重要。
二、國(guó)內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢(shì)
目前,大部分飛行模擬轉(zhuǎn)臺(tái)采用串聯(lián)式機(jī)構(gòu),而本設(shè)計(jì)則采用并聯(lián)式機(jī)械機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于其承載能力大,機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單。本機(jī)構(gòu)由上下兩個(gè)工作平臺(tái),下平臺(tái)固定在地面上,上平臺(tái)用來(lái)放待實(shí)驗(yàn)的物品,在上下平臺(tái)之間采用三個(gè)液壓缸連接,通過(guò)液壓缸上升高度的不同,來(lái)實(shí)現(xiàn)上平臺(tái)的傾斜,而上平臺(tái)可由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)從而達(dá)到模擬飛機(jī)在飛行過(guò)程中的各種狀態(tài)。
飛行模擬器研制及應(yīng)用被認(rèn)為是飛行模擬技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)性工程和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，一直受到世界各國(guó)尤其是發(fā)達(dá)國(guó)家的高度重視。美國(guó)是世界上最早開(kāi)展飛行模擬器研究和應(yīng)用的國(guó)家，在技術(shù)和數(shù)量上一直居領(lǐng)先地位。據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國(guó)的飛行模擬器研制和采辦費(fèi)用每年增長(zhǎng)一倍，僅1995年～2000年的費(fèi)用就高達(dá)36億美元。俄羅斯同樣是世界上的飛行模擬大國(guó)和強(qiáng)國(guó)，他們的所有飛機(jī)都配備有相應(yīng)的飛行模擬器，僅空中飛行模擬器就有20余種，其中包括先進(jìn)的空地綜合飛行模擬系統(tǒng)。值得提出的是俄羅斯在飛行模擬器的基礎(chǔ)理論研究，特別是人-機(jī)工效學(xué)和飛行員建模與仿真等方面都名列前茅。英、德、法等國(guó)的飛行模擬器研制及應(yīng)用也始終處于世界先進(jìn)行列。
我國(guó)在飛行模擬器研制及應(yīng)用方面雖然起步比美、俄、英法等國(guó)較晚，但仍是世界上發(fā)展飛行模擬器較早的國(guó)家。于20世紀(jì)60年代開(kāi)始使用射擊練習(xí)器和儀表飛行練習(xí)器，并建立了研究用飛機(jī)控制系統(tǒng)模擬試驗(yàn)臺(tái)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)模擬試驗(yàn)臺(tái)。20世紀(jì)80年代發(fā)展更快，先后研制成功了一系列研制用飛行模擬器和工程用飛行模擬器，并普及設(shè)計(jì)、制造和使用了各個(gè)機(jī)種的飛行模擬訓(xùn)練器。出此，我國(guó)還是世界上少數(shù)能夠設(shè)計(jì)和建造空中飛行模擬器的國(guó)家之一，所以可堪稱為“飛行模擬器大國(guó)”。[1]
1 單片機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展概況
單片機(jī)，就是單片微型計(jì)算機(jī)的簡(jiǎn)稱，又稱微控制器。[2]自上世紀(jì)70年代面世以來(lái)不過(guò)短短30余年的歷史，但因嵌入式應(yīng)用而得到迅猛的發(fā)展，各種新穎的單片機(jī)層出不窮，令人目不暇接。它具有因體積小、成本低、控制能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，又由于現(xiàn)在開(kāi)發(fā)環(huán)境的不斷改善，正在以空前的速度迅速取代經(jīng)典電子系統(tǒng)，廣泛的應(yīng)用于家用電器、機(jī)器人、工業(yè)控制單元、儀器儀表、汽車電子系統(tǒng)、金融電子系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)等嵌入式產(chǎn)品中。
目前單片機(jī)的種類繁多，世界各國(guó)廠商已研制出大約50個(gè)系列、30多個(gè)品種的單片機(jī)產(chǎn)品。與早期經(jīng)典的8位單片機(jī)MCS－51相比，無(wú)論是頻率、字寬、尋址范圍、集成度等方面都有了巨大的突破?，F(xiàn)代科技的發(fā)展使得單片機(jī)的功能正日漸完善:
1、單片機(jī)集成越來(lái)越多資源，內(nèi)部存儲(chǔ)資源日益豐富，用戶不需要擴(kuò)充資源就可以完成項(xiàng)目開(kāi)發(fā)，不僅是開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單，產(chǎn)品小巧美觀，同時(shí)系統(tǒng)也更加穩(wěn)定，目前該方向即是發(fā)展為SOC(片上系統(tǒng))。
2、單片機(jī)抗干擾能力加強(qiáng)，使的它更加適合工業(yè)控制領(lǐng)域，具有更加廣闊的市場(chǎng)前景。
3、單片機(jī)提供在線編程能力，加速了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)進(jìn)程，為企業(yè)產(chǎn)品上市贏得寶貴時(shí)間。
4、在線仿真變的容易。用戶一旦開(kāi)發(fā)一個(gè)比較大的系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)調(diào)試變的非常復(fù)雜，同時(shí)由于單片機(jī)資源有限，不能象PC一樣直接調(diào)試自己的軟件，于是出現(xiàn)了品種繁多的專業(yè)仿真器，為用戶的開(kāi)發(fā)提供了強(qiáng)大功能，加速了開(kāi)發(fā)進(jìn)程，降低了開(kāi)發(fā)難度。目前還已經(jīng)有公司推出了可以在線調(diào)試的單片機(jī)，使得單片機(jī)系統(tǒng)的調(diào)試與開(kāi)發(fā)變得更加方便、快速。
隨著單片機(jī)的發(fā)展，人們對(duì)事物的要求越來(lái)越高，單片機(jī)的應(yīng)用軟件技術(shù)也發(fā)生了巨大的變化，從最初的匯編語(yǔ)言，開(kāi)始演變到C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，不但增加了語(yǔ)言的可讀性，結(jié)構(gòu)性，而且對(duì)于跨平臺(tái)的移植也提供了方便，另外一些復(fù)雜的系統(tǒng)開(kāi)始在單片機(jī)上采用操作系統(tǒng)，一些小的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）等，一方面加速了開(kāi)發(fā)人員的開(kāi)發(fā)速度，節(jié)約開(kāi)發(fā)成本，另外也為更復(fù)雜的實(shí)現(xiàn)提供了可能。當(dāng)前比較流行的RTOS有:WINCE，uClinux，Linux，uC/OS等等。
本次設(shè)計(jì)的飛行模擬實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)臺(tái)在選擇控制系統(tǒng)時(shí)在綜合考慮了微機(jī)、單片機(jī)和可編程控制器的成本、控制的難易程度和結(jié)構(gòu)化布線等因素后，也擬定采用單片機(jī)進(jìn)行控制。
2 PID控制算法的發(fā)展概況
PID（Proportional-Integral-Derivative）即比例、積分、微分，指的是一項(xiàng)流行的線性控制策略。由于在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)際控制中，總是存在外界的干擾和系統(tǒng)中各個(gè)參數(shù)的變化，它們將會(huì)使系統(tǒng)性能變差。為了改善系統(tǒng)的性能，提高控制質(zhì)量，通常在控制中引入比例（Proportional）環(huán)節(jié)來(lái)提高系統(tǒng)的快速性；為了消除靜態(tài)誤差，提高精度，加強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)參數(shù)變化的適應(yīng)能力，引入積分(Integral)環(huán)節(jié)；為了提高系統(tǒng)對(duì)動(dòng)態(tài)過(guò)程的預(yù)知能力，克服慣性的影響，引入微分(Derivative)環(huán)節(jié)。這就是通常所說(shuō)的PID控制。[3]
按照偏差的比例、積分、微分進(jìn)行控制（PID控制）是連續(xù)系統(tǒng)控制理論中技術(shù)最成熟、應(yīng)用最為廣泛的一種控制技術(shù)。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、參數(shù)易于調(diào)整、穩(wěn)定性能好、可靠性高，使它在控制理論和技術(shù)飛速發(fā)展的今天仍然具有強(qiáng)大的生命力，在長(zhǎng)期應(yīng)用中已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。特別是工業(yè)過(guò)程控制中，在決定系統(tǒng)參數(shù)的時(shí)候往往要借助現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和經(jīng)驗(yàn)，在這種情況下，PID控制就更顯示它的威力。其應(yīng)用經(jīng)久不衰，應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛，改進(jìn)方法也越來(lái)越多。二十世紀(jì)60年代發(fā)展、成熟起來(lái)的現(xiàn)代控制理論和近幾年發(fā)展的智能控制理論仍在大量的PID控制的方法和思想。按照偏差的比例、積分和微分進(jìn)行控制是過(guò)程控制中應(yīng)用最為廣泛的一種控制規(guī)律。實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和理論分析都充分證明，這種控制規(guī)律在相當(dāng)多的工業(yè)對(duì)象的控制中是可以得到較滿意的控制效果的，在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)里首先采用的控制算式也是PID。
三、設(shè)計(jì)要求及工作內(nèi)容
1 .采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)，由三個(gè)液壓缸聯(lián)接上下兩個(gè)平臺(tái)，下平臺(tái)固定，上平臺(tái)的位姿通過(guò)液壓缸的伸縮調(diào)整。同時(shí)上平臺(tái)上安裝可以繞軸旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)飛行姿態(tài)模擬。
2.由微機(jī)（單片機(jī)）控制液壓缸的伸縮，從而調(diào)整上平臺(tái)的位姿。
3.設(shè)計(jì)液壓飛行模擬轉(zhuǎn)臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)。
4.設(shè)計(jì)液壓缸的液壓系統(tǒng)。
5.設(shè)計(jì)單片機(jī)控制系統(tǒng)的電路。
6.設(shè)計(jì)相關(guān)控制算法。
四、目標(biāo)、主要特色及工作進(jìn)度
目標(biāo)：設(shè)計(jì)一個(gè)三由于液壓缸支撐并通過(guò)液壓缸上升高度的不同來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)傾斜角度,單片機(jī)控制，使用PID控制算法的飛行模擬實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)臺(tái)。
主要特色：該系統(tǒng)具有位置檢測(cè)和速度檢測(cè)功能，可通過(guò)改變液壓缸上升的高度不同使工作臺(tái)與水平面的夾角變化,實(shí)現(xiàn)飛機(jī)飛行時(shí)的各種傾斜狀態(tài),從而達(dá)到模擬飛機(jī)的作用.
畢 業(yè)設(shè)計(jì)(論文)工作內(nèi)容及完成時(shí)間：
1. 搜集資料寫開(kāi)題報(bào)告，英文翻譯。 第1周～第2周
2. 模擬轉(zhuǎn)臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 第3周～第5周
3. 繪制零件圖和裝配圖。 第6周～第8周
4. 設(shè)計(jì)液壓缸的液壓回路。 第9周～第10周
5.對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行三維建模。 第11周～第14周
6. 撰寫畢業(yè)論文。 第15周～第16周
7. 答辯準(zhǔn)備及畢業(yè)答辯 第17周
五 、主 要參考資料：
[1].趙佩華．單片機(jī)接口技術(shù)及應(yīng)用．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003．
[2].陳康寧等．機(jī)械工程控制基礎(chǔ)．西安：西安交通大學(xué)出版社，1997．
[3].何克忠，李偉．計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)．北京：清華大學(xué)出版社，1998．
[4].成大先等．機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（液壓傳動(dòng)）．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004．
[5].機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì)．機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004．
[6].YUICHI SASAKI. Development of a computer-aided process planning system
Based on a knowledge base. Marine science and technology(2003)7:175-179.
[7].Yu.?I.?Begichev, L.?M.?Koziorov, V.?Yu.?Lukanichev. Computer-Aided Flight Simulators:
A Design Concept. Automation and Remote Control, 2001,7:1049-1056.