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一、選題的依據(jù)及意義
隨著飛機和導(dǎo)彈的快速發(fā)展，要求其具有更高的性能和穩(wěn)定性,這就要我們通過對他們的性能參數(shù)進(jìn)行測量評估進(jìn)而進(jìn)行改進(jìn)，但一架真正的飛機或一枚導(dǎo)彈的成本太高,我們不可能也沒有必要用一架真正的飛機或?qū)梺磉M(jìn)行實驗采集數(shù)據(jù),這就要求我們采用一些比較合理的實驗裝置來實現(xiàn)飛機或?qū)椀娘w行狀態(tài)，這樣飛行模擬實驗轉(zhuǎn)臺得以發(fā)展。該轉(zhuǎn)臺可以將重物放在其上面也可以用來對飛行員進(jìn)行培訓(xùn)，因為它可以模擬飛機在空中飛行的各種姿態(tài)。該裝置的出現(xiàn)既達(dá)到了對飛機或?qū)椥阅軈?shù)的采集，進(jìn)而改進(jìn)，在成本上遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于一架飛機或?qū)椀膬r格，對飛機和導(dǎo)彈的發(fā)展具有不可估量的價值。
飛行模擬轉(zhuǎn)臺是具有重大經(jīng)濟價值和國防戰(zhàn)略意義的高精尖實驗設(shè)備，它是在實驗室條件下模擬飛行器或?qū)椩诳罩酗w行姿態(tài)半實物仿真的有力工具，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)的過程，可以真實地模擬出導(dǎo)彈等飛行器在空間的各種姿態(tài)和動力學(xué)特性，從而對其傳感器件、控制系統(tǒng)和執(zhí)行機構(gòu)等硬件設(shè)備的性能加以測試和評價，為飛行器的研制、改進(jìn)和再設(shè)計提供各種參考依據(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)前國際形勢的日益嚴(yán)峻和我國現(xiàn)代軍事技術(shù)的不斷發(fā)展，對模擬轉(zhuǎn)臺的精度要求不斷提高。作為一種高精度的運動仿真設(shè)備，其臺體動態(tài)特性直接影響到轉(zhuǎn)臺動態(tài)仿真的可靠程度。在設(shè)計階段對機械臺體進(jìn)行動態(tài)特性分析和優(yōu)化設(shè)計，尤其是對框架等結(jié)構(gòu)支撐部件的動態(tài)特性研究和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計十分重要。
二、國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢
目前,大部分飛行模擬轉(zhuǎn)臺采用串聯(lián)式機構(gòu),而本設(shè)計則采用并聯(lián)式機械機構(gòu)來實現(xiàn)的。采用并聯(lián)機構(gòu)的優(yōu)點在于其承載能力大,機構(gòu)簡單。本機構(gòu)由上下兩個工作平臺,下平臺固定在地面上,上平臺用來放待實驗的物品,在上下平臺之間采用三個液壓缸連接,通過液壓缸上升高度的不同,來實現(xiàn)上平臺的傾斜,而上平臺可由電動機帶動旋轉(zhuǎn)從而達(dá)到模擬飛機在飛行過程中的各種狀態(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)，一直受到世界各國尤其是發(fā)達(dá)國家的高度重視。美國是世界上最早開展飛行模擬器研究和應(yīng)用的國家，在技術(shù)和數(shù)量上一直居領(lǐng)先地位。據(jù)統(tǒng)計，美國的飛行模擬器研制和采辦費用每年增長一倍，僅1995年～2000年的費用就高達(dá)36億美元。俄羅斯同樣是世界上的飛行模擬大國和強國，他們的所有飛機都配備有相應(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、英法等國較晚，但仍是世界上發(fā)展飛行模擬器較早的國家。于20世紀(jì)60年代開始使用射擊練習(xí)器和儀表飛行練習(xí)器，并建立了研究用飛機控制系統(tǒng)模擬試驗臺、航空發(fā)動機模擬試驗臺。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、制造和使用了各個機種的飛行模擬訓(xùn)練器。出此，我國還是世界上少數(shù)能夠設(shè)計和建造空中飛行模擬器的國家之一，所以可堪稱為“飛行模擬器大國”。[1]
1 單片機控制系統(tǒng)的發(fā)展概況
單片機，就是單片微型計算機的簡稱，又稱微控制器。[2]自上世紀(jì)70年代面世以來不過短短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、控制能力強等優(yōu)點，又由于現(xiàn)在開發(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。
目前單片機的種類繁多，世界各國廠商已研制出大約50個系列、30多個品種的單片機產(chǎn)品。與早期經(jīng)典的8位單片機MCS－51相比，無論是頻率、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)展使得單片機的功能正日漸完善:
1、單片機集成越來越多資源，內(nèi)部存儲資源日益豐富，用戶不需要擴充資源就可以完成項目開發(fā)，不僅是開發(fā)簡單，產(chǎn)品小巧美觀，同時系統(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、單片機抗干擾能力加強，使的它更加適合工業(yè)控制領(lǐng)域，具有更加廣闊的市場前景。
3、單片機提供在線編程能力，加速了產(chǎn)品的開發(fā)進(jìn)程，為企業(yè)產(chǎn)品上市贏得寶貴時間。
4、在線仿真變的容易。用戶一旦開發(fā)一個比較大的系統(tǒng)，開發(fā)調(diào)試變的非常復(fù)雜，同時由于單片機資源有限，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，為用戶的開發(fā)提供了強大功能，加速了開發(fā)進(jìn)程，降低了開發(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，使得單片機系統(tǒng)的調(diào)試與開發(fā)變得更加方便、快速。
隨著單片機的發(fā)展，人們對事物的要求越來越高，單片機的應(yīng)用軟件技術(shù)也發(fā)生了巨大的變化，從最初的匯編語言，開始演變到C語言開發(fā)，不但增加了語言的可讀性，結(jié)構(gòu)性，而且對于跨平臺的移植也提供了方便，另外一些復(fù)雜的系統(tǒng)開始在單片機上采用操作系統(tǒng)，一些小的嵌入式實時操作系統(tǒng)（RTOS）等，一方面加速了開發(fā)人員的開發(fā)速度，節(jié)約開發(fā)成本，另外也為更復(fù)雜的實現(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)計的飛行模擬實驗轉(zhuǎn)臺在選擇控制系統(tǒng)時在綜合考慮了微機、單片機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，指的是一項流行的線性控制策略。由于在工業(yè)生產(chǎn)過程的實際控制中，總是存在外界的干擾和系統(tǒng)中各個參數(shù)的變化，它們將會使系統(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)來提高系統(tǒng)的快速性；為了消除靜態(tài)誤差，提高精度，加強系統(tǒng)對參數(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)對動態(tài)過程的預(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大的生命力，在長期應(yīng)用中已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗。特別是工業(yè)過程控制中，在決定系統(tǒng)參數(shù)的時候往往要借助現(xiàn)場調(diào)試和經(jīng)驗，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)用范圍越來越廣泛，改進(jìn)方法也越來越多。二十世紀(jì)60年代發(fā)展、成熟起來的現(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)行控制是過程控制中應(yīng)用最為廣泛的一種控制規(guī)律。實際運行經(jīng)驗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)對象的控制中是可以得到較滿意的控制效果的，在計算機控制系統(tǒng)里首先采用的控制算式也是PID。
三、設(shè)計要求及工作內(nèi)容
1 .采用并聯(lián)機構(gòu)，由三個液壓缸聯(lián)接上下兩個平臺，下平臺固定，上平臺的位姿通過液壓缸的伸縮調(diào)整。同時上平臺上安裝可以繞軸旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，從而實現(xiàn)飛行姿態(tài)模擬。
2.由微機（單片機）控制液壓缸的伸縮，從而調(diào)整上平臺的位姿。
3.設(shè)計液壓飛行模擬轉(zhuǎn)臺的機械結(jié)構(gòu)。
4.設(shè)計液壓缸的液壓系統(tǒng)。
5.設(shè)計單片機控制系統(tǒng)的電路。
6.設(shè)計相關(guān)控制算法。
四、目標(biāo)、主要特色及工作進(jìn)度
目標(biāo)：設(shè)計一個三由于液壓缸支撐并通過液壓缸上升高度的不同來實現(xiàn)一個傾斜角度,單片機控制，使用PID控制算法的飛行模擬實驗轉(zhuǎn)臺。
主要特色：該系統(tǒng)具有位置檢測和速度檢測功能，可通過改變液壓缸上升的高度不同使工作臺與水平面的夾角變化,實現(xiàn)飛機飛行時的各種傾斜狀態(tài),從而達(dá)到模擬飛機的作用.
畢 業(yè)設(shè)計(論文)工作內(nèi)容及完成時間：
1. 搜集資料寫開題報告，英文翻譯。 第1周～第2周
2. 模擬轉(zhuǎn)臺的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計。 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)計液壓缸的液壓回路。 第9周～第10周
5.對系統(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．單片機接口技術(shù)及應(yīng)用．北京：機械工業(yè)出版社，2003．
[2].陳康寧等．機械工程控制基礎(chǔ)．西安：西安交通大學(xué)出版社，1997．
[3].何克忠，李偉．計算機控制系統(tǒng)．北京：清華大學(xué)出版社，1998．
[4].成大先等．機械設(shè)計手冊（液壓傳動）．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004．
[5].機械設(shè)計手冊編委會．機械設(shè)計手冊．北京：機械工業(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.