面向对象软件工程研究与主动电磁轴承控制系统的实现

  1.1 磁悬浮轴承概述

  磁悬浮轴承(以下简称磁轴承)是一种利用电磁场力将转子悬浮于空间,不需要任何介质而实现承载的非接触式支承装置,与传统的滚动轴承和滑动轴承相比,磁轴承明显的特点在于没有机械接触,不需要传力介质,而且其支承力可控。由此而具有传统轴承无法比拟的优越性能:由于没有机械摩擦和磨损,所以降低了工作能耗和噪声,延长了使用寿命:动力损失小,便于应用在高速运转场合;由于不需要润滑和密封系统,排除了污染,可应用于真空超净,腐蚀性介质以及极端温度和压力等特殊工作环境。从更广的角度上说,磁悬浮的涵义包了对非旋转体的悬浮。目前,国际上对磁浮轴承的研究工作和学术气氛非常活跃。1988年召开了第一届国际磁浮轴承会议,此后每两年召开一次。1991年3月,美国航空航天管理局还专门召开了一次磁悬浮技术在航天中的应用的学术讨论会。现在,美国、法国、瑞士、日本和我国都在大力支持开展磁浮轴承的研究工作。国际上的这些努力,大大推动了磁浮轴承在工业卜的广泛应用。1937年,肯泊(Kemper)中请了一项有关主动磁悬浮支承的专利。从此主动磁悬浮技术的发展进入了工程应用阶段的研究,并逐渐形成了磁悬浮列车和磁悬浮轴承两个主要的研究方向。在磁悬浮列车方面:到了60年代,英国、口本和德国根据不同的设计方案,分别制造出了磁悬浮列车的样机。德国对主动磁悬浮技术的研究主要集中在电磁型(ElectroMagneticSystem,简称EMs型,也称吸力型、常导型)磁悬浮列车上。1977年,德国航空公司研制成功的()KMET磁浮列车,在一段专门实验的轨道上进行一r运行试验,时速高达360公里,这是磁悬浮列车发展的第一个里程碑。到1989年底,德国的磁浮列车共试运行了1.2万公里,最高时速达到了500公里。口本主要集中于电动型(Electrol〕ynamicSystem,简称EDS型,也称斥力型、超导型)磁悬浮列车的研究与开发工作。口本国铁公司1972年研制成的M1L00是世界上第一台EDS型磁浮列车:1盯9年又研制成功ML500型,时速高达517公里。与此同时,主动磁悬浮技术在轴承领域的应用也取得了惊人的成绩:1976年法国SEP公司与瑞典S:KI轴承公司联合投资JJ父亿了SZM公司,对机床用的磁轴承进行系统的研究和产品开发。1977年,该公司开发了世界上第一台高速机床的磁轴承主轴系统。1981年在德国lIanov。国际机床博览会上,SZM公司首次推出了以磁轴承支承的1320/500型机床系统,并在3500r/imn的速度下进行了钻、铣现场表演,其高速、高效、高粘度、低能耗的优良比能,引起了各国专家的极大关注。日前,转速高达18000Or/imn的内圆磨床己投入了实际应川。此外,磁轴承在汽轮发电机、离心压缩机、分子涡轮等大型设备上得到了成功的应用。美国得雷伯实验室于60年代初期首先在空间制导和惯性轮上成功地使用了磁轴承:1983年,搭载于美国航天飞机的欧洲空间仓内安装了采用磁轴承的真空装置;美国普惠公司在计划研制的XTC一65核心机的验证机己使用磁轴承,并通过了100小时的试验。

  1.2 论文工作及内容安排

  基于1.1节所述背景,磁悬浮轴承无论是在军事还是在民用领域都具有广泛的应用前景。但是由于磁轴承系统模型的复杂性,虽然在控制器的设计方面使用了现代理论的许多方法,工业应用中磁轴承产的控制器主要还是使用经典控制算法。在使用阶段需要针对不同的磁轴承系统调整控制参数。DSI系统开发所使川的开发软件适于系统开发阶段的参数调整的使川,并不适于磁悬浮轴承系统在工业应用阶段的使)}]。在工业应用中采用开发软件进行系统调试的主要缺点如下:在工业应用阶段,磁轴承的控制器硬件设计和软件程序都已经固定,不需要再作出更动,并不需要开发软件提供的一许多设计和调试功能。在工业应用阶段,控制参数的调整和控制数据的分析需要调试系统提供许多按照控制理论分析采样数据的功能。通用的DSP开发软件并不具备这些分析功能。控制参数的整定往往在工业应川现场进行,电磁干扰比较大。开发系统使用JT;(A仿真接日与DSI,控制器通信,在千扰较人情况下无法正常工作。从经济方面考虑,工业应用中,磁轴承设备数量较多,需要在同一时间内调试多台设备:购买多套开发仿典硬件系统和通用开发软件无疑会造成资源的浪费,增加系统的使用成本。考虑到上述问题,磁轴承调试和控制系统的研制工作就排上了口程。使用专为工业应用而开发的调试软件可以克服上述缺点。为磁悬浮轴承在国内进入工业应用阶段起到推动作用。本章介绍了主动磁轴承的研究背景及其主要工业应用,概括地介绍了磁轴承对控制器的要求及论文的选题,下面概括地介绍一下论文工作的主要内容。第二章,介绍了软件开发方式的发展:软件开发模型的建立:面向对象软件工程方法的内容;讨论了使用面向对象方法设计实时系统的方法:最后说明了软件设计工作中使用的主要描述工具—统一建模语言。第三章,使用而向对象软件过程方法分析、设计并实现了磁悬浮轴承控制调试系统的软件部分;且着重介绍了软件`1”通信模块的分析与设计。之后,分析设计了控制器中DSP芯片运行的软件,给出了相关的流程图。第四章,详细介绍了磁悬浮控制器的结构和工作原理:设计了控制系统所需的硬件支持电路。阐述了硬件电路中涉及的各种硬件设备。主要包括DSP的发展历史,工作特点,内部结构,功能,串行接口模块:电一平转换芯片的工作原理和外围电路。第五章,介绍了磁悬浮轴承的实验研究;详细地讲述了主动磁轴承调试控制系统的软件测试方法和软硬件结合调试方法;对调试过程出现的问题进行了具体分析和讨论。第六章,对整个论文工作进行了总结,对控制系统的)剑月前景作了预测。木文的研究工作具有重要的实际意义,论文的突出贡献在于给出实时控制系统的面向对象设计方法:完成了磁轴承控制器实时控制系统的软、硬件设计、实现以及调试工作。使用该控制系统完成磁轴承系统的调试工作,实现了四自由度转轴在主动磁轴承的稳定悬浮和高速运转。

  2.1 引言

  传统的程序设计采用结构化分析和设计方法。它是面向过程的,程序员按照解决问题的算法设计程序,把大的软件系统自顶向下按照功能划分为许多模块。随着计算机技术的发展,要解决的问题日趋复杂,这种方法已经不能满足目前的软件对可靠性,可维护性,可移植性等软件特性的要求。取而代之的是面向对象的分析和设计方法。基于使用实例(usecase)的面向对象方法是近年发展的新型面向对象设计方法。这种方法能够针对用户的需求建之解决问题的高重用性模型,并使用一种规范的方法寻找类,对象等进行建模,设计等一系列工作。不但适用常规软件的设计,也适用于实时系统的分析与设计。统一建模语言(uniifedmodelinglanguage)集成了各利,面向对象方法的优点,是一种定义良好、易于表达、功能强大旦普遍适用的建模语言。它融入了软件工程领域的新思想、新方法和新技术。它的作用域不限于支持而向对象的分析与设计,还支持从需求分析开始的软件开发的全过程。是面向对象设计方法的一种优秀的建模工具。

  2.2 软件开发方式
  软件生命期是指软件产品从考虑其概念开始,到该软件产品不再能使用为止的整个时期。一般包括概念阶段、需求阶段、设计阶段、实现阶段、测试阶段、安装阶段以及交付使用阶段、运行阶段相维护阶段。有时还有退役阶段。这些阶段可以有重复,执行时也可以有迭代。软件生存期通常可分为三个时期,即软件定义时期、软件开发时期和软件运行维护时期。定义期要为被开发的软件规定“做什么”,开发人员要确定软件将处理什么信息,软件的功能和性能是什么,应建立什么样的接口,要考虑什么设计限制以及软件开发成功的确认标准。定义期包括三个阶段的工作,即:.系统分析:把软件要完成的工作与整个计算系统的其它部分,如硬件、操作人员及数据库等应完成的工作区别开来。.软件项口计划:确定软件开发的总目标.进行风险分析、资源分配、成本估计,规定工作任务和进度安排。.需求分析:更明确地确定软件做什么。给出所开发软件的功能、性能、用户接口等,对数据流进行分析,给出功能说明及用户手册初稿。开发期着重解决所开发软件“怎么做”的问题,包括数据结构和软件总体结构要怎么设计,软件的过程细节怎样实现,所作的设计怎样转换成程序语言以及怎样进行测试等步骤。开发期含有以下三个阶段:.软件设计:把己经确定了的软件需求转换成特定形式的设计表示,使其得以实现。.程序编制:用某个编程语言表达软件设计时确定的处理过程算法。.软件测试:对已编击d的程序进行测试,以找出其中功能上、逻辑上和实现中的错误。运行维护期着重于因多种理由软件要作的变更。即在软件投入使用以后,由于开发期中酿成的问题,当时未能发现和及时解决,或因适应变更了的软件运行环境,或因软件需要进一步完善等等理由,要对软件作出变更。

  3.1 软件需求分析

  3.2 软件系统的分析与实现

  3.3 通信模块的设计与实现

  3.4 DSP端软件的设计与实现

  4.1 主动磁悬浮轴承和数字控制器的结构

  4.2 数字信号处理器(DSP)介绍

  5.1 软件测试

  5.2 软、硬件综合测试