基于嵌入式实时操作系统的随动系统开发

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随动系统——作为自动控制系统中的一类,它的应用几乎遍及社会生产各领域。计算机技术及电力电子技术的发展,使得随动系统更是如虎添翼。随着控制系统功能日益强大、组成日益复杂,嵌入式实时系统的概念被引入控制系统。这类控制系统对外部时间的响应必须在确定的时间内完成,控制系统各部分功能按一定顺序协调一致,往往以多任务并行的方式进行。本文就是将嵌入式实时系统引入随动控制系统来控制船上的座椅,使得座椅随着船体的晃动而不断地进行调整,这样坐在椅子上的乘客就可以尽可能地平稳,增加舒适度。所以本文的研究可以提高人们的生活质量,具有一定的价值。本文在介绍随动系统的组成和原理的基础上,设计了系统的硬件结构。对直流伺服电机、交流伺服电机和步进电机进行优缺点比较,选用直流电机作为系统的执行机构;以晶体管放大器与直流电机组成速度环;以计算机作为位置调节器的控制方案,并进行了传递函数的设计;在分析了几种控制算法的基础上选用改进的PID算法作为系统的控制算法;选用自整角机作为系统的位置反馈装置。整个系统是根据位置反馈装置的反馈信号与系统的输入信号(利用传感器等元件采集的目标信号)的误差值,来控制电机的输出,进而控制座椅的运动。由于嵌入式实时操作系统是一种新型的操作系统,本文简明的概括其特点、发展现状及主要的评价指标。简要地介绍了目前用得较多的几种实时操作系统及其特点。考虑到成本问题,本文选用μC/OS-Ⅱ。本文分析了μC/OS-Ⅱ的内核结构,对其中的任务管理、时间管理、中断服务子程序(ISR)、通信机制(包括信号量、消息、邮箱)等作了较详细的分析。根据实时操作系统的实时性和多任务调度的特点,完成了软件系统的功能<WP=63>模块的划分,进行了任务的建立和优先级的确定。由于座椅运动范围的限制,本文还进行了软件限位的实现。并用软件的形式实现了改进的PID控制算法。在整体设计完成后,最后进行了系统仿真和模拟试验台的实验。在实验中用正弦机代替采集的目标信号,经过软硬件调试、试运行,针对实际中出现的各种问题一一进行解决,整个系统运行良好,各项指标均达到了设计要求,从而可知本文的设计开发方案是正确可行的。针对本设计方案中出现的不足之处和有待改进的地方,如成本仍然偏高、体积和重量偏大等问题,提出了下一步研究的方向。本文的突出之处是将嵌入式实时操作系统应用于随动系统中,实时地实现了多任务的调度和控制,即根据优先级实现了座椅的前后和左右系统的调度和控制。对于应用嵌入式实时操作系统来说,仍具有一定的参考价值。
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