天車吊鉤防擺控制器設(shè)計 精品.doc

第1章 緒 論1.1 課題的背景及意義橋式吊車，又名起重機(jī)，是一種利用連在活動架上的纜繩舉起和移動重物的機(jī)械裝置。作為一種運(yùn)載工具，它廣泛的運(yùn)用于現(xiàn)代廠房、安裝工地和集裝箱工地等需要大量貨物調(diào)運(yùn)的場所。另外，吊車一般都在離地面很高的導(dǎo)軌上運(yùn)行，占地面積小，省工省力，是工廠、倉庫、碼頭必不可少的裝卸搬運(yùn)工具。吊車的體積和容量因應(yīng)用場合不同而異，但絕大多數(shù)場合都要求它們的運(yùn)輸速度應(yīng)盡可能地快，這樣會提高生產(chǎn)效率。然而由于吊車的吊繩是柔性的纜繩，所以吊車的吊具在運(yùn)行過程中不可避免的會產(chǎn)生擺動，這種擺動不僅可能損壞貨物，而且容易引發(fā)生產(chǎn)事故。過去，消除吊車擺動的方法大多是利用吊車司機(jī)的操作經(jīng)驗(yàn)。這種方式不但操作人員的勞動強(qiáng)度大，而且人工控制方式精度差、效率低，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)、運(yùn)輸?shù)男枰?。其次，在一些特殊的工作場合，對吊車運(yùn)行過程中的擺動有嚴(yán)格的生產(chǎn)要求。例如：在冶金澆注車間，將盛著金屬液的吊車運(yùn)抵澆注口上方進(jìn)行澆注，這一過程要求吊車的動作快速準(zhǔn)確。如果由于吊車行走時擺動的原因，加大了吊車的運(yùn)行時間，將會造成金屬液過早冷卻，從而降低產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，甚至?xí)?dǎo)致金屬液濺到澆注口外，引發(fā)生產(chǎn)事故。在港口作業(yè)中，常常要在碼頭、倉庫和船、汽車之間裝卸集裝箱等貨物，由于集裝箱質(zhì)量很大，稍有不慎，將會造成集裝箱和船艙或汽車相撞，從而導(dǎo)致集裝箱解體或者損壞汽車等運(yùn)輸工具，因此需要集裝箱就位準(zhǔn)確且無擺動。另外，隨著全球合作經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，吊車運(yùn)用的場合不斷擴(kuò)大，貨物調(diào)運(yùn)量也越來越大，單純依靠人工操作吊車來調(diào)運(yùn)貨物的工作方式越來越成為阻礙貨物快速調(diào)運(yùn)的瓶頸。為了提高吊車的工作效率，目前大多數(shù)吊車都安裝了吊具防擺裝置。防擺裝置主要有機(jī)械式防擺和電子式防擺兩種形式。機(jī)械式防擺主要是通過機(jī)械手段來消耗擺動能量以達(dá)到最終消除擺動的目的，因此是一種被動的防擺方式。這種方式不但耗費(fèi)的時間長，而且消擺效果與吊車司機(jī)的操作經(jīng)驗(yàn)有很大關(guān)系，阻礙了吊車工作效率的進(jìn)一步提高。比較而言，電子式防擺是一種主動防擺方式，它能將防擺和小車的運(yùn)行控制結(jié)合起來考慮，不依賴于司機(jī)的操作經(jīng)驗(yàn)。針對實(shí)際應(yīng)用的需求，研究吊車、集裝箱起重機(jī)等一類利用柔性繩索吊運(yùn)重物時如何消擺的問題，不僅可以保證安全生產(chǎn)，而且會對提高貨物調(diào)運(yùn)效率，縮短工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量帶來客觀的經(jīng)濟(jì)效益。第1章 TC0圖1.1 施工現(xiàn)場的橋式吊車1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀目前在吊車系統(tǒng)防擺應(yīng)用方面，大多數(shù)吊車采用機(jī)械式防擺裝置。主要有以下幾種方式：交叉鋼絲繩減搖裝置。這是日本三菱重丁公司研制的，在行走小車上沿運(yùn)行方向裝設(shè)兩組交叉懸掛的減搖鋼絲繩及其驅(qū)動裝置，分別驅(qū)動液壓泵，由于液力回路中安全閥的阻抗，使鋼絲繩產(chǎn)生張力，從而防止吊具搖擺。這種裝置當(dāng)小車停車后五秒內(nèi)，擺角幅度可撿到10cm，不影響起升繩的試用壽命，當(dāng)減搖鋼絲繩萬一發(fā)生折斷時，物體也不至于掉下。但這種減搖裝置正佳了一套減搖鋼絲繩卷繞系統(tǒng)，同時吊運(yùn)貨物和不掉貨物時減搖性能差異很大。分離小車減搖裝置。這種裝置的工作原理是，當(dāng)小車行走時，前后涼組小車通過螺桿驅(qū)動機(jī)向兩頭分離，使起升鋼絲繩成V字型，從而祈禱減搖效果。當(dāng)小車停止運(yùn)行后，起升或下降吊物時，前后兩組小車自行靠攏，這時起升繞組和不起升繞組都不致碰撞運(yùn)載工具。這種減搖裝置使小車重量增大，構(gòu)造也比較復(fù)雜。翹班梁式減搖裝置。它是由日本日立制作所研究的。它由蹺板梁和裝在小車的液力緩沖缸組成。當(dāng)行走小車以額定速度行走時，吊物將大致位于行走小車的中心線上，當(dāng)行走小車減速時，由于慣性的作用。吊物將擺向前方，從而使蹺板梁跟著傾斜，在這種情況下，蹺板梁的傾斜能量將由液力緩沖缸吸收。由于吊物前進(jìn)方向的擺動受到阻力。由于將向相反的方向擺動。此時，蹺板梁也跟著向相反的方向傾斜，并迅速吸收吊物搖擺能量。如此反復(fù)數(shù)次，便將吊物的搖擺能量轉(zhuǎn)化為蹺板梁的轉(zhuǎn)動能量，并迅速吸收而使其緩沖，以達(dá)到減搖的目的。這種減搖裝置結(jié)構(gòu)簡單，操作容易，工作平穩(wěn)，而且減搖效果較為理想。隨著電控技術(shù)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，電子防搖急速越來越收到重視，國內(nèi)外學(xué)者采用各種控制方法做了大量的研究。與國外學(xué)者在這個問題研究相比，國內(nèi)學(xué)者在研究內(nèi)容在深度上、規(guī)模上、還與國外學(xué)者有很大的差距。國內(nèi)最早從事吊車防擺控制研究的學(xué)者是中國民航學(xué)院的華克強(qiáng)等人，針對橋式吊車，給出了系統(tǒng)的簡化模型，根據(jù)此模型，射擊流最優(yōu)控制器，自適應(yīng)控制器、模擬控制器、并對三種控制器進(jìn)行了比較分析。山東建筑工程學(xué)院的李偉等人在吊車防擺控制領(lǐng)域也開展了研究。李偉等人是國內(nèi)從事防擺研究發(fā)表文章較多的學(xué)者，近年來，他們發(fā)表了多篇文章，分別在吊車的模型，控制方法等方面進(jìn)行了研究。應(yīng)用最優(yōu)控制理論，提出了天車電動消擺和全程消擺等控制策略。并提出了基于時間最優(yōu)的小車載荷擺動的兩拍消擺策略。作者采用幾點(diǎn)配置技術(shù)，以激憤二次型性能指標(biāo)提出最優(yōu)消擺策略，同時實(shí)現(xiàn)消擺、提高了運(yùn)行速度兩個目標(biāo)。但這些研究都只局限于理論與軟件仿真，而沒有進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。山東大學(xué)的楚軍、陳志堅(jiān)等人在此方面也進(jìn)行了一定的研究，建立了橋式吊車數(shù)學(xué)模型，并依據(jù)此模型，應(yīng)用最優(yōu)控制理論，提出了橋式吊車水平規(guī)律，并對抓斗進(jìn)行了防擺控制器研究。坐著提出了橋式吊車水平規(guī)律和抓斗擺動規(guī)律，提出了一種抓斗防擺的方法。該方法通過控制橋式吊車行走的時間順序?qū)崿F(xiàn)其停車與抓斗消擺的同步控制。楚軍等人提出的控制策略大多與李偉等人具有一致性，都是以最優(yōu)秀的理論最為基礎(chǔ)提出的，同樣也只能做理論仿真而無實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在吊車防擺控制的研究上，國外學(xué)者的控制方法多種多樣，既有比較傳統(tǒng)的經(jīng)典理論控制、現(xiàn)代控制理論、最優(yōu)控制理論、也有比較心的自適應(yīng)控制理論、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、非線性控制、PID控制等方法。韓國學(xué)者的控制方法采用傳統(tǒng)的控制理論與現(xiàn)代人工智能理論向結(jié)合設(shè)計吊車防擺與定位控制器。Lee采用根軌跡，頻域法等常規(guī)分析方法，結(jié)合只能控制設(shè)計了吊車的防擺、定位控制器。Lee提出了一種基于Lyapunov穩(wěn)定性的吊車防擺控制器。雖然在文獻(xiàn)中，Lee分別采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等進(jìn)行防擺控制，但整個設(shè)計思想仍舊是采用經(jīng)典控制。日本學(xué)者Yamada將模糊控制試用于吊車的防擺控制中，取得了教好的效果。Hans設(shè)計了模型參考只適應(yīng)控制器，但參考模型的選擇比較困難，當(dāng)參考模型懸著不適合時，控制效果大大降低。由于吊車防擺系統(tǒng)本身就是個非線性系統(tǒng)，所以很多學(xué)者直接從非線性角度研究問題，取得了豐富的研究成果。Burg等人提出了基于飽和控制的非線性二維吊車控制策略。他們先對吊車模型進(jìn)行狀態(tài)變換，使其變?yōu)榈湫偷囊话粝到y(tǒng)模型，然后按照球棒系統(tǒng)進(jìn)行非線性控制的設(shè)計。試用非線性控制方法對吊車系統(tǒng)進(jìn)行控制器的設(shè)計解決了因線性化帶來的簡化誤差，但控制器設(shè)計方法復(fù)雜，計算量大，不易于實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)。由于國外學(xué)者的研究，國內(nèi)學(xué)者大多采用最優(yōu)控制、PID控制模糊控制等方法，并只有仿真效果，而無實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可信度，可行性都不能完全確信，而國外的學(xué)者研究比較嚴(yán)禁，實(shí)驗(yàn)條件也比較好，采用的控制策略也很多，大多數(shù)學(xué)者在理論分析的研究上，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)仿真實(shí)驗(yàn)。學(xué)術(shù)參考價值超高。1.3 本文研究主要內(nèi)容針對國內(nèi)外吊車防擺控制的研究現(xiàn)狀，建立了橋式吊車系統(tǒng)的動力學(xué)模型，研究了橋式吊車系統(tǒng)的水平定位與防擺控制技術(shù)，具體內(nèi)容包括以下幾個方面：（1）系統(tǒng)動力學(xué)模型的建立與簡化根據(jù)理論力學(xué)的相關(guān)原理，應(yīng)用拉格朗日方程對吊車系統(tǒng)進(jìn)行分析，建立了橋式吊車運(yùn)動系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。同時，為了便于控制器的設(shè)計，對系統(tǒng)模型進(jìn)行了線性化，推導(dǎo)出了系統(tǒng)的簡化模型。（2）針對橋式吊車系統(tǒng)建立了吊車系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ歪槍蚴降踯囅到y(tǒng)的動力學(xué)模型，運(yùn)用MATLAB/Simulink中的模塊搭建了橋式吊車系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并對其進(jìn)行子系統(tǒng)封裝。（3）橋式吊車防擺控制器的設(shè)計針對橋式吊車系統(tǒng)的特點(diǎn)，分別采用常規(guī)PID控制器、非線性PID控制器、設(shè)計了吊車水平運(yùn)動過程的定位控制器。（4）橋式吊車防擺控制器的仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析。針對以上所采取的不同控制策略和算法，分別進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，并施加各種擾動以檢驗(yàn)控制器的控制效果。在對各種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果進(jìn)行比較、分析的基礎(chǔ)上，給出了橋式吊車防擺控制器的一些選擇策略，以便更好的滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。第2章 系統(tǒng)建模2.1 問題的提出橋式吊車?yán)美K索一類的柔性體代替剛體工作，以使得吊車的結(jié)構(gòu)輕便，工作效率高。但是，采用柔性體吊運(yùn)也帶來一些負(fù)面影響，例如吊車負(fù)載重物的擺動問題一直是困擾提高吊車裝運(yùn)效率的一個難題。為研究吊車的防擺控制問題，需要對實(shí)際問題進(jìn)行簡化、抽象。吊車的“搬運(yùn)行走定位”過程可抽象為如圖2-1所示的情況。圖2.1 吊車系統(tǒng)的物理抽象模型圖中，小車的質(zhì)量為,受到水平方向的外力的作用，重物的質(zhì)量為，繩索的長度為。對重物的快速吊運(yùn)與定位問題可以抽象為：求小車在所受的外力的作用下，使得小車能在最短的時間由A點(diǎn)運(yùn)動到B點(diǎn)，且，為系統(tǒng)允許的最大擺角。2.2 建模機(jī)理該問題為多剛體、多自由度、多約束的質(zhì)點(diǎn)系動力學(xué)問題。由于牛頓經(jīng)典力學(xué)主要是解決自由質(zhì)點(diǎn)的動力學(xué)問題，對于自由質(zhì)點(diǎn)系的動力學(xué)問題，是把物體系拆開成若干分離體，按反作用定律附加以約束反力，而后列寫動力學(xué)方程。顯然，對于橋式吊車運(yùn)動系統(tǒng)的動力學(xué)問題應(yīng)用牛頓力學(xué)來分析勢必過于復(fù)雜。對于約束質(zhì)點(diǎn)系統(tǒng)動力學(xué)問題來說，1788年拉格朗日發(fā)表的名著分析力學(xué)一書中以質(zhì)點(diǎn)系統(tǒng)為對象，應(yīng)用虛位移與虛功原理，消除了系統(tǒng)中的約束力，得出了質(zhì)點(diǎn)系平衡時主動力之間的關(guān)系。拉格朗日給出了解決具有完整約束的質(zhì)點(diǎn)系動力學(xué)問題的具有普遍意義的方程，被后人稱為拉格朗日方程，它是分析力學(xué)中的重要方程。2.3 系統(tǒng)模型的建立實(shí)際中的吊車系統(tǒng)比較復(fù)雜，除了元件的非線性外，還要受到多種干擾，如小車與導(dǎo)軌之間的干摩擦、風(fēng)力的影響等。為了分析其本質(zhì)，必須對實(shí)際吊車系統(tǒng)做進(jìn)一步抽象和必要的簡化處理，因此給出如下假設(shè)：（1）對于橋式吊車，由于吊車在進(jìn)行裝卸作業(yè)時，大車一般處于靜止?fàn)顟B(tài)，故建立力學(xué)模型時，可不考慮大車運(yùn)動。（2）鋼絲繩的質(zhì)量相對于吊物的質(zhì)量可以忽略不計。（3）鋼絲繩的剛度足夠大，其長度變化可以忽略不計。（4）負(fù)載只在垂直于水平面的平面內(nèi)運(yùn)動。（5）不計風(fēng)力和空氣阻尼?；谏厦娴募僭O(shè)，吊車系統(tǒng)的力學(xué)簡化模型如圖2.2所示。圖2.2 橋式吊車的物理模型重物通過繩索與小車相連，小車在行走電機(jī)的水平拉力的作用下在水平軌道上運(yùn)動，小車的質(zhì)量為,重物的質(zhì)量為，繩索的長度為，重物可以在提升電機(jī)的提升力的作用之下進(jìn)行升降運(yùn)動；繩索的彈性、質(zhì)量、運(yùn)動的阻尼系數(shù)均可忽略；小車與水平軌道的摩擦阻尼系數(shù)為，其他擾動可忽略。研究整個橋式吊車運(yùn)動系統(tǒng)，選取小車位置為，繩長為，擺角為作為系統(tǒng)的廣義坐標(biāo)系，在此基礎(chǔ)上對系統(tǒng)進(jìn)行動力學(xué)分析。由圖2.2所示的坐標(biāo)系可知，小車的位置和重物的位置坐標(biāo)為： （2-1） 所以小車和重物的速度分量為： （2-2）系統(tǒng)的動能為： （2-3）此系統(tǒng)的拉格朗日方程組為： （2-4）綜合以上公式得系統(tǒng)的方程組為： (2-5） 式中：小車的質(zhì)量（）；重物的質(zhì)量（）；重力加速度（）；小車與水平軌道的摩擦阻尼系數(shù)（）；小車受到水平方向的拉力()；繩子受到提升電機(jī)的拉力()。式（2-5）即為考慮繩長變化情況下的三維吊車運(yùn)動系統(tǒng)的動力學(xué)模型?？紤]到實(shí)際情況，在吊車水平運(yùn)動過程中，總是將提升電機(jī)制動，使繩長保持不變，當(dāng)定位完成且消除擺動時，再使提升電機(jī)起動，將重物放到指定位置。為此，可將吊車調(diào)運(yùn)重物的過程分成水平運(yùn)動過程和垂直運(yùn)動過程，分別設(shè)計相應(yīng)的控制器進(jìn)行控制。當(dāng)?shù)踯囂幱诖怪边\(yùn)動過程時，只要提升電機(jī)具有良好的定位準(zhǔn)確性就能夠使重物準(zhǔn)確的提升并放在指定位置。而吊車處于水平運(yùn)動過程時，要求電機(jī)準(zhǔn)確定位的同時，擺角要迅速衰減到零?？梢姷踯嚨乃竭\(yùn)動過程是防擺控制研究的重點(diǎn)。有鑒于此，本文只研究吊車的水平運(yùn)動過程和消擺控制。令式（2-5）中的，,并令，則可得到繩長不變時的橋式吊車運(yùn)動系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為： （2-6）對于式（2-7）的定擺長吊車系統(tǒng)，其中為小車的位置，為重物的擺角；是小車行走電機(jī)的水平拉力，為小車的質(zhì)量，為重物的質(zhì)量，為繩索的長度，繩索運(yùn)動的阻尼、彈性和質(zhì)量可忽略；小車與水平軌道的摩擦阻尼系數(shù)為，忽略其他擾動。取為系統(tǒng)的狀態(tài)變量，為系統(tǒng)的輸出變量，令，則由式（2-6）可得： （2-7） （2-8）將式（2-7）代入式（2-8）可得： （2-9）經(jīng)過整理可以得到： （2-10）從而可得系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述方程為： （2-11）第3章 方案論證3.1 系統(tǒng)方案的論證本設(shè)計是吊鉤防擺控制器的設(shè)計，針對設(shè)計提出以下控制方法：（1）最優(yōu)控制。模擬計算機(jī)對礦石卸載起重機(jī)的動力特性做了仿真。經(jīng)過嘗試和修正，他們提出了最優(yōu)速度曲線，它能夠使小車和吊繩的運(yùn)動時間最短，同時能夠避開途中的障礙物。但是，該方案不能控制載荷的擺動。吊桿式吊車的最優(yōu)控制方法運(yùn)用到橋式吊車，將橋式吊車模型在平衡點(diǎn)附近線性化，同時將它的運(yùn)動過程分為上升運(yùn)動、水平運(yùn)動、下降運(yùn)動三個階段，然后對每個過程設(shè)計最優(yōu)控制律，仿真結(jié)果表明雖然可以保證終點(diǎn)無擺動，但是在上升、下降階段有高達(dá)的擺角?；诰€性二次型最優(yōu)的水平運(yùn)動過程的控制，仿真結(jié)果表明該方法可以使速度最優(yōu)，擺角收斂，但是魯棒性和干擾性沒有保證。由于最優(yōu)控制和輸入整定技術(shù)都對模型名義值、初始條件及外部擾動非常敏感，要求“系統(tǒng)參數(shù)高度精確”以達(dá)到滿意的系統(tǒng)響應(yīng)，所以限制了他們的應(yīng)用。（2）自適應(yīng)控制。運(yùn)用一個線性狀態(tài)反饋器來抑制擺角，借助一個增益可調(diào)模塊用極點(diǎn)配置的方法來調(diào)整增益適應(yīng)繩長的變化。在一個模型上驗(yàn)證過，結(jié)果表明，位置有靜差，在運(yùn)動過程中擺角在左右，而且時變參數(shù)方案在小車定位的時候會出現(xiàn)狀態(tài)不穩(wěn)定。利用PI控制器跟蹤繩長變化，還增加了一個增益序列表，該表能改變擺角反饋控制器的增益。這些增益值是每個繩長的最佳阻尼值，是關(guān)于繩長的函數(shù)。實(shí)驗(yàn)表明該方案在低速運(yùn)行時可以將擺角限制在內(nèi)，定位無靜差，能抗外界干擾。（3）PID控制。利用二階先導(dǎo)補(bǔ)償器來抑制載荷擺角。實(shí)驗(yàn)證明，盡管它能在繩-載荷裝置的自然頻率附近抑制擺角，但是在高頻的時候會加大擺角。第一階段使用線性控制器使載荷在目標(biāo)位置能穩(wěn)定。為了使載荷停住，小車分兩個階段減速。第一個減速階段是反饋控制階段的一部分。第二階段用輸入整定技術(shù)使負(fù)載到達(dá)目標(biāo)位置。該控制器在實(shí)際吊車上運(yùn)用，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明它能使擺角最小。PI和PD相結(jié)合的控制，PI用于位置控制，PD用來抑制擺角，該方案在比例吊車模型上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明可以得到較好的位置精度和較小的擺角，但是抗外部干擾的能力較弱。非線性PID控制器，該控制方案可以消除系統(tǒng)靜差，縮短系統(tǒng)響應(yīng)時間，抗干擾能力較強(qiáng)。結(jié)合所學(xué)知識和所查找的資料，PID控制符合本設(shè)計要求。PID控制原理簡單，使用方便，適應(yīng)性強(qiáng)，對模型依賴較少。3.2 總體方案設(shè)計本設(shè)了實(shí)現(xiàn)天車吊鉤防擺。當(dāng)?shù)蹉^吊取重物，在空中運(yùn)動的過程中，會與垂直平面出現(xiàn)一個擺角。計的目的是為在運(yùn)動直到到達(dá)終點(diǎn)的過程中，要使擺角逐漸的減小。到終點(diǎn)時，吊鉤吊取重物不能擺動。經(jīng)過查閱資料得知，本設(shè)計主要測量的是吊鉤鎖吊重量、平移速度以及吊繩長度，在將測量的信號送入單片機(jī)當(dāng)中，進(jìn)行運(yùn)算和控制。電源稱重傳感器 濾波電路單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換電路變頻器拉繩式位移傳感器電機(jī)角度傳感器外部設(shè)備鍵盤電路 圖3.1 系統(tǒng)總體框圖3.3 傳感器的選型本設(shè)計因?yàn)橐獧z測三個數(shù)據(jù)，所以用三個傳感器分別測量。檢測重量選擇用稱重傳感器，稱重傳感器是用來將重量信號或壓力信號轉(zhuǎn)換成電信號的轉(zhuǎn)換裝置。檢測吊繩長度選擇用拉繩位移傳感器，拉繩式位移傳感器的功能是把機(jī)械運(yùn)動轉(zhuǎn)換成可以計量，記錄或傳送的電信號。測量吊鉤擺動范圍選擇用角度傳感器，角度傳感器的原理是將角度變化量的測量變?yōu)殡娮枳兓瘻y量。電阻應(yīng)變片是把一根電阻絲機(jī)械的分布在一塊有機(jī)材料制成的基底上，即成為一片應(yīng)變片。他的一個重要參數(shù)是靈敏系數(shù)K。靈敏度系數(shù)K值的大小是由制作金屬電阻絲材料的性質(zhì)決定的一個常數(shù)，它和應(yīng)變片的形狀、尺寸大小無關(guān)，不同的材料的K值一般在1.73.6之間；其次K值是一個無因次量，即它沒有量綱。在材料力學(xué)中L/L稱作為應(yīng)變，記作，用它來表示彈性往往顯得太大，很不方便。常常把它的百萬分之一作為單位，記作。彈性體是一個有特殊形狀的結(jié)構(gòu)件。它的功能有兩個，首先是它承受稱重傳感器所受的外力，對外力產(chǎn)生反作用力，達(dá)到相對靜平衡；其次，它要產(chǎn)生一個高品質(zhì)的應(yīng)變場（區(qū)），使粘貼在此區(qū)的電阻應(yīng)變片比較理想的完成應(yīng)變棗電信號的轉(zhuǎn)換任務(wù)。檢測電路的功能是把電阻應(yīng)變片的電阻變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷狠敵?。因?yàn)榛菟沟请姌蚓哂泻芏鄡?yōu)點(diǎn)，如可以抑制溫度變化的影響，可以抑制側(cè)向力干擾，可以比較方便的解決稱重傳感器的補(bǔ)償問題等，所以惠斯登電橋在稱重傳感器中得到了廣泛的應(yīng)用。因?yàn)槿珮蚴降缺垭姌虻撵`敏度最高，各臂參數(shù)一致，各種干擾的影響容易相互抵銷，所以稱重傳感器均采用全橋式等臂電橋。測量范圍為011t；測量精度為0.02t；工作溫度-20+70；非線性0.5%F.S；滯后0.5%F.S；重復(fù)性0.5%F.S圖3.2 電阻應(yīng)變式稱重傳感器拉繩位移傳感器又稱拉繩傳感器、拉繩傳感器、拉繩電子尺、拉繩編碼器。拉繩位移傳感器是直線位移傳感器在結(jié)構(gòu)上的精巧構(gòu)成，充分結(jié)合了角度傳感器和直線位移傳感器的優(yōu)點(diǎn)，成為一款安裝尺寸小、結(jié)構(gòu)緊湊、測量行程大、精度高的傳感器，行程從幾百毫米至十幾米不等。拉繩位移傳感器的信號輸出方式分為數(shù)字信號輸出和模擬信號輸出， 數(shù)字輸出型可以選擇增量旋轉(zhuǎn)編碼器、絕對值編碼器等，輸出信號為方波ABZ信號或格雷碼信號，行程最大可以做到15000毫米，線性精度最大0.01%，分辨力根據(jù)配置不同最大可以達(dá)到0.001毫米/脈沖。測量長度可達(dá)18米(帶限位開關(guān)）；恒力彈簧收繩最大拉力可達(dá)5公斤；直徑1.5毫米軟性多股不銹鋼鋼絲繩316L材料耐腐蝕、耐海水浸泡；選裝絕對型多轉(zhuǎn)編碼器抗干擾，重復(fù)性高；特殊規(guī)格可按需定制；輸出方式多種信號可選（SSI、模擬量4-20mA、RS484、Profibus-DP、CANopen、Modbus)；直接測量長距離線性位移,測量長度可達(dá)18米；恒力彈簧收繩最大拉力可達(dá)5公斤；直徑1.5毫米軟性多股不銹鋼鋼絲繩316L材料耐腐蝕、耐海水浸泡；選裝絕對型多轉(zhuǎn)編碼器抗干擾，重復(fù)性高。圖3.3 拉繩式傳感器 傾角傳感器經(jīng)常用于系統(tǒng)的水平測量，如工程車輛調(diào)平，和高空平臺安全保護(hù)，定向衛(wèi)星通訊天線的俯仰角測量，船舶航行姿態(tài)測量，盾構(gòu)頂管應(yīng)用，大壩檢測，地質(zhì)設(shè)備傾斜監(jiān)測，火炮炮管初射角度測量，雷達(dá)車輛平臺檢測，衛(wèi)星通訊車姿態(tài)檢測。傾角傳感器還可以用來測量相對于水平面的傾角變化量。一維傾角傳感器可以用來測量相對于水平面的傾角變化量。理論基礎(chǔ)就是牛頓第二定律，根據(jù)基本的物理原理，在一個系統(tǒng)內(nèi)部，速度是無法測量的，但卻可以測量其加速度。如果初速度已知，就可以通過積分計算出線速度，進(jìn)而可以計算出直線位移。所以它其實(shí)是運(yùn)用慣性原理的一種加速度傳感器。其特點(diǎn)是： 硅微機(jī)械傳感器測量(MEMS)以水平面為參面的雙軸傾角變化。輸出角度以水準(zhǔn)面為參考，基準(zhǔn)面可被再次校準(zhǔn)。數(shù)據(jù)方式輸出，接口形式包括RS232、RS485和可定制等多種方式?？雇饨珉姶鸥蓴_能力強(qiáng)。 測量范圍為5/15/30/45；精度0.05/0.1/0.3；響應(yīng)時間0.2S；工作溫度-40+85；儲存溫度-50+125圖3.4 一維傾角傳感器3.4 轉(zhuǎn)換器的選型MAX197無需外接元器件就可獨(dú)立完成A/D轉(zhuǎn)換功能。它可分為內(nèi)部采樣模式和外部采樣模式，采樣模式由的D5位決定。在內(nèi)部采樣控制模式(控制位置0)中，由寫脈沖啟動采樣間隔，經(jīng)過瞬間的采樣間隔(芯片時鐘為2MHz時，為3ms)，即開始A/D轉(zhuǎn)換。當(dāng)一次轉(zhuǎn)換結(jié)束后，MAX197相應(yīng)的INT引腳置低電平，通知處理器可以讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。MAX197是一種通用A/D芯片，可以和多種，在此選用AT89S51作為主處理器。通過AT89S51的P0.0P0.7與MAX197的D0D7相連，既用于輸入MAX197的初始化控制字，也用于讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)。 用AT89S51的P2.7作，則MAX197的高位地址為7FH。選擇MAX197為軟件設(shè)置低功耗工作方式，所以置SHDN腳為高電平。本文采用外部基準(zhǔn)電壓，所以REFDJ接高電平，而REF則接外部輸入?yún)⒖茧妷?。AT89S51的P1.1腳用做判讀高、低位數(shù)據(jù)的選擇線，直接與HBEN腳相連。MAX197的INT腳可與AT89S51的INT0相連,以便實(shí)現(xiàn)中斷，讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。圖3.5 MAX197轉(zhuǎn)換器DAC0832是8分辨率的D/A轉(zhuǎn)換集成芯片。與微處理器完全兼容。這個DA芯片以其價格低廉、接口簡單、轉(zhuǎn)換控制容易等優(yōu)點(diǎn)，在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。D/A轉(zhuǎn)換器由8位輸入鎖存器、8位DAC寄存器、8位D/A轉(zhuǎn)換電路及轉(zhuǎn)換控制電路構(gòu)成。DAC0832結(jié)構(gòu)： D0D7：8位數(shù)據(jù)輸入線，TTL電平，有效時間應(yīng)大于90ns(否則鎖存器的數(shù)據(jù)會出錯)； ILE：數(shù)據(jù)鎖存允許控制信號輸入線，高電平有效； CS：片選信號輸入線（選通數(shù)據(jù)鎖存器），低電平有效； WR1：數(shù)據(jù)鎖存器寫選通輸入線，負(fù)脈沖（脈寬應(yīng)大于500ns）有效。由ILE、CS、WR1的邏輯組合產(chǎn)生LE1，當(dāng)LE1為高電平時，數(shù)據(jù)鎖存器狀態(tài)隨輸入數(shù)據(jù)線變換，LE1的負(fù)跳變時將輸入數(shù)據(jù)鎖存； XFER：數(shù)據(jù)傳輸控制信號輸入線，低電平有效，負(fù)脈沖（脈寬應(yīng)大于500ns）有效； WR2：DAC寄存器選通輸入線，負(fù)脈沖（脈寬應(yīng)大于500ns）有效。由WR1、XFER的邏輯組合產(chǎn)生LE2，當(dāng)LE2為高電平時，DAC寄存器的輸出隨寄存器的輸入而變化，LE2的負(fù)跳變時將數(shù)據(jù)鎖存器的內(nèi)容打入DAC寄存器并開始D/A轉(zhuǎn)換。 IOUT1：電流輸出端1，其值隨DAC寄存器的內(nèi)容線性變化； IOUT2：電流輸出端2，其值與IOUT1值之和為一常數(shù)； Rfb：反饋信號輸入線，改變Rfb端外接電阻值可調(diào)整轉(zhuǎn)換滿量程精度； Vcc：電源輸入端，Vcc的范圍為+5V+15V； VREF：基準(zhǔn)電壓輸入線，VREF的范圍為-10V+10V；DAC0832是微處理器兼容型D/A轉(zhuǎn)換器，可以充分利用微處理器的控制能力實(shí)現(xiàn)對D/A轉(zhuǎn)換的控制，故這種芯片有許多控制引腳，可以和微處理器的控制線相連，接受微處理的控制；有兩級鎖存控制功能，能夠?qū)崿F(xiàn)多通道D/A的同步轉(zhuǎn)換輸出；內(nèi)部無參考電壓，須外接參考電壓。圖3.6 DNC0832引腳圖3.5 單片機(jī)的選型AT89S51是一個低功耗，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含4kBISP(In-system programmable)的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元，功能強(qiáng)大的微型計算機(jī)的AT89S51可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。圖3.7 AT89S51 單片機(jī)AT89S51具有如下特點(diǎn)：40個引腳，4k Bytes Flash片內(nèi)程序存儲器，128 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），32個外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷，2個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路，片內(nèi)時鐘振蕩器。主要特征：8031CUP與MCS-51兼容，4K字節(jié)可變成FLASH存儲器，三級程序存儲器保密鎖定，128*8內(nèi)部RAM，32條可變成I/O線，兩個16位定時器/計數(shù)器，6個中斷電源，可編程串行通道，低功耗的閑置和掉電漠視，片內(nèi)振蕩器和時鐘電路。3.6 變頻器的選型變頻器是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過改變工作電源方式來控制交流電動機(jī)的電力控制設(shè)備。變頻器主要由整流（交流變直流）、濾波、逆變（直流變交流）、制動單元、驅(qū)動單元、檢測單元微處理單元等組成。變頻器靠內(nèi)部IGBT的開斷來調(diào)整輸出電源的電壓和頻率，根據(jù)電機(jī)的實(shí)際需要來提供其所需要的電源電壓，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能、調(diào)速的目的，另外，變頻器還有很多的保護(hù)功能，如過流、過壓、過載保護(hù)等等。變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置，能實(shí)現(xiàn)對交流異步電機(jī)的、變頻調(diào)速、提高運(yùn)轉(zhuǎn)精度、改變、過流/過壓/過載保護(hù)等功能。三菱變頻器,L700內(nèi)置了PLC功能,是一款非常經(jīng)濟(jì)型而又功能強(qiáng)大的變頻器。L700變頻器高水準(zhǔn)的驅(qū)動性能，豐富的網(wǎng)絡(luò)功能，簡單高效、安全可靠的操作維護(hù)，驅(qū)動帶編碼器的電機(jī)實(shí)現(xiàn)高精度控制（矢量控制），任意卷徑自動推算速度增益自動調(diào)整轉(zhuǎn)矩張力控制慣性補(bǔ)償，標(biāo)準(zhǔn)附帶獨(dú)立的RS-485通信端子，參數(shù)單元（FR-PU07）數(shù)字鍵直接輸入，縮短操作時間 電磁噪聲降低，水準(zhǔn)的驅(qū)動性能 豐富而實(shí)用的應(yīng)用功能，友好的環(huán)境。圖3.8 L700變頻器第4章 硬件電路設(shè)計4.1 數(shù)據(jù)檢測模塊稱重傳感器主要由電阻應(yīng)變片、彈性體、檢測電路三部分組成。應(yīng)變片是一種傳感元件 , 它的作用是將變形轉(zhuǎn)變成電阻變化;彈性體是一個有特殊形狀的結(jié)構(gòu)件,它的主要作用是將力轉(zhuǎn)換為形變;檢測電路的主要部件是惠斯登電橋,它可以比較方便地解決稱重傳感器的補(bǔ)償問題,其功能是把電阻應(yīng)變片的電阻變化轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號輸出。物料重量通過電子衡器的秤體或料斗作用于稱重傳感器 , 稱重傳感器的彈性體在外力作用下產(chǎn)生彈性變形 , 使粘貼在它表面的電阻應(yīng)變片也隨同產(chǎn)生變形 , 電阻應(yīng)變片變形后 , 它的阻值將發(fā)生變化 (增大或減小) 。再經(jīng)相應(yīng)的檢測電路 , 把這一電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號 (電壓或電流) 輸出 , 從而完成將外力變換為電信號的過程。圖4.1 稱重傳感器檢測電路拉繩式位移傳感器的功能是把機(jī)械運(yùn)動轉(zhuǎn)換成可以計量，記錄或傳送的電信號。拉繩位移傳感器由可拉伸的不銹鋼繩繞在一個有螺紋的輪轂上，此輪轂與一個精密旋轉(zhuǎn)感應(yīng)器連接在一起，感應(yīng)器可以是增量編碼器，絕對(獨(dú)立)編碼器，混合或?qū)щ娝芰闲D(zhuǎn)電位計，同步器或解析器。操作上，拉繩式位移傳感器安裝在固定位置上，拉繩縛在移動物體上。拉繩直線運(yùn)動和移動物體運(yùn)動軸線對準(zhǔn)。運(yùn)動發(fā)生時，拉繩伸展和收縮。一個內(nèi)部彈簧保證拉繩的張緊度不變。帶螺紋的輪轂帶動精密旋轉(zhuǎn)感應(yīng)器旋轉(zhuǎn)，輸出一個與拉繩移動距離成比例的電信號。測量輸出信號可以得出運(yùn)動物體的位移、方向或速率。圖 4.2 繩長檢測電路傾角傳感器靜止時也就是側(cè)面和垂直方向沒有加速度作用，那么作用在它上面的只有重力加速度。重力垂直軸與加速度傳感器靈敏軸之間的夾角就是傾斜角了。理論基礎(chǔ)就是，根據(jù)基本的物理原理，在一個系統(tǒng)內(nèi)部，速度是無法測量的，但卻可以測量其加速度。初速度已知，就可以通過積分計算出線速度，進(jìn)而可以計算出直線位移。它其實(shí)是運(yùn)用慣性原理的一種。當(dāng)傾角傳感器靜止時也就是側(cè)面和垂直方向沒有加速度作用，那么作用在它上面的只有重力加速度。重力垂直軸與加速度傳感器靈敏軸之間的夾角就是傾斜角了。圖4.3 角度檢測電路可以調(diào)節(jié)輸出頻率，內(nèi)置零位調(diào)整，可以根據(jù)要求定制零位調(diào)整按鈕，從而實(shí)現(xiàn)在一定的角度置零的功能。這對于要測量相對傾角的場合非常有用。使用完畢后可以重新回歸零位。在這種場合使用，只要將傳感器固定在一定的平面，測量前使用零位按鈕實(shí)現(xiàn)清零功能，傳感器在此之后讀出來的數(shù)據(jù)就是相對于該平面的相對傾角。傾角傳感器把MCU，MEMS加速度計，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，通訊單元全都集成在一塊非常小的電路板上面。可以直接輸出角度等傾斜數(shù)據(jù)，讓人們更方便的使用它。 4.2 濾波電路模塊濾波電路主要是只傳輸指定頻段信號,抑制其它頻段信號的電路，濾波器分為無源濾波器與有源濾波器兩種，有源濾波器: 一般由集成運(yùn)放集成運(yùn)放集成運(yùn)放集成運(yùn)放與RC網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，它具有體積小、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，同時，由于集成運(yùn)放的增益和輸入阻抗都很高，輸出阻抗很低，故有源濾波器還兼有放大與緩沖作用。有源濾波器的原理是自身實(shí)時產(chǎn)生一個與諧波方向相反,幅值相同的補(bǔ)償電壓(電流),這就要求濾波器產(chǎn)生的補(bǔ)償電壓(電流)必須具有很好的跟蹤性和準(zhǔn)確性。PWM(脈沖寬度調(diào)制)控制是有源電力濾波器控制系統(tǒng)中最常用,也是最有效的控制方法。圖4.4 濾波電路有源電力濾波器，是采用現(xiàn)代電力電子技術(shù)和基于高速DSP器件的數(shù)字信號處理技術(shù)制成的新型電力諧波治理專用設(shè)備。它由指令電流運(yùn)算電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電路兩個主要部分組成。指令電流運(yùn)算電路實(shí)時監(jiān)視線路中的電流，并將模擬電流信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，送入高速數(shù)字信號處理器（DSP）對信號進(jìn)行處理，將諧波與基波分離，并以脈寬調(diào)制（PWM）信號形式向補(bǔ)償電流發(fā)生電路送出驅(qū)動脈沖，驅(qū)動IGBT或IPM功率模塊，生成與電網(wǎng)諧波電流幅值相等、極性相反的補(bǔ)償電流注入電網(wǎng)，對諧波電流進(jìn)行補(bǔ)償或抵消，主動消除電力諧波。4.3 轉(zhuǎn)換電路在中，A/D轉(zhuǎn)換的速度和精度又決定了采集系統(tǒng)的速度和精度。MAX197是Maxim公司推出的具有12位測量精度的高速A/D轉(zhuǎn)換芯片，只需單一電源供電，且轉(zhuǎn)換時間很短(6us)，具有8路輸入通道，還提供了標(biāo)準(zhǔn)的并行接口8位三態(tài)數(shù)據(jù)I/O口，可以和大部分直接接口，使用十分方便MAX197無需外接元器件就可獨(dú)立完成A/D轉(zhuǎn)換功能。它可分為內(nèi)部采樣模式和外部采樣模式，采樣模式由的D5位決定。在內(nèi)部采樣控制模式(控制位置0)中，由寫脈沖啟動采樣間隔，經(jīng)過瞬間的采樣間隔(芯片時鐘為2MHz時，為3ms)，即開始A/D轉(zhuǎn)換。在外部采樣模式(D5=1)中，由兩個寫脈沖分別控制采樣和A/D轉(zhuǎn)換。在第一個寫脈沖出現(xiàn)時，寫入ACQMOD為1，開始采樣間隔。在第二個寫脈沖出現(xiàn)時，寫入控制字ACQMOD為0，MAX197停止采樣，開始A/D轉(zhuǎn)換。這兩個寫脈沖之間的時間間隔為一次采樣時間。當(dāng)一次轉(zhuǎn)換結(jié)束后，MAX197相應(yīng)的INT置低電平，通知處理器可以讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。 圖4.5 轉(zhuǎn)換電路4.4 單片機(jī)最小系統(tǒng)單片機(jī)的最小系統(tǒng)是由組成單片機(jī)系統(tǒng)必需的一些元件構(gòu)成的，除了單片機(jī)之外，還需要包括電源供電電路、時鐘電路、復(fù)位電路。1） 時鐘電路 單片機(jī)工作時，從取指令到譯碼再進(jìn)行微操作，必須在時鐘信號控制下才能有序地進(jìn)行，時鐘電路就是為單片機(jī)工作提供基本時鐘的。單片機(jī)的時鐘信號通常有兩種產(chǎn)生方式：內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式。2） 復(fù)位電路 無論是在單片機(jī)剛開始接上電源時，還是運(yùn)行過程中發(fā)生故障都需要復(fù)位。復(fù)位電路用于將單片機(jī)內(nèi)部各電路的狀態(tài)恢復(fù)到一個確定的初始值，并從這個狀態(tài)開始工作。單片機(jī)的復(fù)位條件：必須使其RST引腳上持續(xù)出現(xiàn)兩個（或以上）機(jī)器周期的高電平。單片機(jī)的復(fù)位形式：上電復(fù)位、按鍵復(fù)位。上電復(fù)位和按鍵復(fù)位電路。在單片機(jī)XTAL1和XTAL2引腳上跨接上一個晶振和兩個穩(wěn)頻電容，可以與單片機(jī)片內(nèi)的電路構(gòu)成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。晶振的取值范圍一般為024MHz，常用的晶振頻率有6MHz、12 MHz、11.0592 MHz、24 MHz等。一些新型的單片機(jī)還可以選擇更高的頻率。外接電容的作用是對振蕩器進(jìn)行頻率微調(diào)，使振蕩信號頻率與晶振頻率一致，同時起到穩(wěn)定頻率的作用，一般選用2030pF的瓷片電容。圖4.6 單片機(jī)最小系統(tǒng)4.5 變頻器調(diào)速模塊本設(shè)計主要是防擺設(shè)計，所以，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的快慢是主要的一點(diǎn)。變頻器可以控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而控制小車的快慢。變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置，能實(shí)現(xiàn)對交流異步電機(jī)的軟起動、變頻調(diào)速、提高運(yùn)轉(zhuǎn)精度、改變功率因數(shù)、過流/過壓/過載保護(hù)等功能。變頻調(diào)速是通過改變電源頻率調(diào)整電動機(jī)轉(zhuǎn)速的連續(xù)平滑調(diào)速方法，主要用于同步電動機(jī)和鼠籠型異步電動機(jī)。系統(tǒng)線路中利用變頻器改變電動機(jī)定子電源的頻率，從而改變其同步轉(zhuǎn)速。圖 4.7 變頻器電路4.6 鍵盤電路常用的鍵盤借口分為獨(dú)立式按鍵借口和矩陣式鍵盤借口。本方案選用獨(dú)立式借口，這種方式是各種按鍵相互獨(dú)立，每個按鍵各接一根輸入線，一根輸入線上的按鍵工作狀態(tài)不會影響其他輸入線上的工作狀態(tài)。因此，通過檢測輸入線的電平狀態(tài)就可以很容易的判斷哪個按鍵被按下了。軟件設(shè)計低電平有效，直接與89S51單片機(jī)的I/O口線相連接，通過讀I/O口，判定各I/O口的電平，即可識別出按下的按鍵。獨(dú)立式按鍵電路配置靈活，軟件簡單。但每個按鍵需要占用一根輸入線，在按鍵數(shù)量較多時，需要較多的輸入口線且電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故此種鍵盤適用于按鍵較少或操作速度較高的場合。獨(dú)立式按鍵電路按鍵直接與單片機(jī)的I/O口線相連，通過讀I/O口，判定各I/O口線相連接，通過讀I/O口，判定各I/O口的電平狀態(tài)，即可識別出按下的按鍵。 圖4-7 鍵盤電路本設(shè)計主要研究吊鉤水平運(yùn)動能夠和垂直運(yùn)動，水平運(yùn)動分為吊鉤吊取重物后向左或者向右運(yùn)動。垂直運(yùn)動是吊鉤吊取重物上升時或者到達(dá)指定地點(diǎn)，將重物放下的運(yùn)動。所以只需要考慮吊鉤上，下，左，右運(yùn)動。按鍵數(shù)量很少，采用獨(dú)立式按鍵。P1.2是確定鍵，P1.3P1.6是四個方向鍵，P1.7為返回鍵。4.7 電源電路模擬電子技術(shù)是計算機(jī)基礎(chǔ)理論的一個重要組成部分，是計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系的重要學(xué)科基礎(chǔ)課。模擬電子技術(shù)是一門研究對仿真信號進(jìn)行處理的模擬電路的學(xué)科。它以半導(dǎo)體二極管、半導(dǎo)體三極管和場效應(yīng)管為關(guān)鍵電子器件，包括功率放大電路、運(yùn)算放大電路、反饋放大電路、信號運(yùn)算與處理電路、信號產(chǎn)生電路、電源穩(wěn)壓電路等研究方向。直流穩(wěn)壓電源能為負(fù)載提供穩(wěn)定直流的電子裝置。直流穩(wěn)壓電源的大都是交流電源，當(dāng)交流供電電源的或負(fù)載電阻變化時，的直流輸出電壓都會保持穩(wěn)定。 直流穩(wěn)壓電源隨著電子設(shè)備向高精度、高穩(wěn)定性和高可靠性的方向發(fā)展，對電子設(shè)備的供電電源提出了高的要求。圖 4-8 電源電路第5章 軟件設(shè)計5.1 系統(tǒng)流程圖 本設(shè)計實(shí)現(xiàn)了天車吊鉤防擺。當(dāng)?shù)蹉^吊取重物，在空中運(yùn)動的過程中，會與垂直平面出現(xiàn)一個擺角。計的目的是為在運(yùn)動直到到達(dá)終點(diǎn)的過程中，要使擺角逐漸的減小。到終點(diǎn)時，吊鉤吊取重物不能擺動。開始初始化程序檢測模塊工作Y是否超出范圍N控制模塊工作控制量輸出結(jié) 束圖5.1 系統(tǒng)主程序5.2 檢測控制流程圖吊鉤在吊取重物后運(yùn)動的過程中，三個傳感器分別在不同位子檢測到三個不同的信號，經(jīng)過濾波后通過A/D轉(zhuǎn)換將信號送給單片機(jī)。然后單片機(jī)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的快慢調(diào)節(jié)吊鉤。開始吊取重物運(yùn)動傳感器2采集信號傳感器3采集信號傳感器1采集信號單片機(jī)接受信號變頻器調(diào)速小車快慢N 左右限位Y結(jié)束圖5.2 檢測控制流程圖5.3 變頻器子程序本設(shè)計是天車吊鉤防擺控制器的設(shè)計。在設(shè)計中，應(yīng)用到變頻器。變頻器可以方便地控制機(jī)械傳動的上升、下降和變速運(yùn)行。變頻應(yīng)用可以大大地提高工藝的高效性變速不依賴于機(jī)械部分，同時可以比原來的定速運(yùn)行電機(jī)更加節(jié)能。開始單片機(jī)輸出信號D/A轉(zhuǎn)換變頻器電機(jī)轉(zhuǎn)速結(jié)束圖5.3 變頻器程序流程圖5.4 報警程序本設(shè)計用到三種傳感器，分別是稱重傳感器，位移傳感器，角度傳感器。當(dāng)傳感器檢測的數(shù)據(jù)超出范圍的時候，則會報警。保護(hù)了器件不被破壞。 開始是否超出范圍Y報警程序初始化啟動A/D轉(zhuǎn)換器分析檢測數(shù)值結(jié)束圖5.4 檢測程序流程圖5.5 PID控制的設(shè)計輸入r（t）比例積分輸出u(t)微分結(jié)束PID（比例-積分-微分）控制器作為最早實(shí)用化的控制器己有50多年的歷史，現(xiàn)在仍然是應(yīng)用最廣泛的工業(yè)控制器。PID控制器簡單易懂、使用中不需精確的系統(tǒng)模型等先決條件，因而成為最廣泛的控制器。PID控制器系統(tǒng)流程圖如圖5.4所示：開始圖5.5 典型PID控制結(jié)構(gòu)圖圖5.6是一個一般系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線，采用該曲線可以分析非線性PID控制器增益參數(shù)的構(gòu)造思想。 圖5.6一般的系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲5.5.1 非線性PID設(shè)計非線性控制器的設(shè)計原理如下： （1）比例增益參數(shù)：在響應(yīng)時間段，為保證系統(tǒng)有較快的響應(yīng)速度，比例增益參數(shù)在初始時應(yīng)較大，同時為了減小超調(diào)量，希望誤差逐漸減小時，比例增益也隨之減??；在段，為了增大反向控制作用，減小超調(diào)，期望逐漸增大；在段，為了使系統(tǒng)盡快回到穩(wěn)定點(diǎn)，并不再產(chǎn)生大的慣性，期望逐漸減小；在段，期望逐漸增大，作用與段相同。顯然，按上述變化規(guī)律，隨誤差變化的大致形狀如圖3-12所示，根據(jù)該圖可以構(gòu)造如下非線性函數(shù)： （5-1）式中，為正實(shí)常數(shù)。當(dāng)誤差時，取最大值為；當(dāng)時，取最小值；為的變化區(qū)間，調(diào)整的大小可以調(diào)整變化的速率。圖5.7 的變化趨勢曲線（2）積分增益參數(shù)：當(dāng)誤差信號較大時，希望積分增益不要太大，以防止響應(yīng)產(chǎn)生振蕩，有利于減小超調(diào)量；而當(dāng)誤差較小時，希望積分增益增大，以消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。根據(jù)積分增益的希望變化特性，積分增益參數(shù)的變化形狀，其非線性函數(shù)可以表示為： （5-2）式中，為正實(shí)常數(shù)，的取值范圍為，當(dāng)時，取最大值。的取值決定了的變化快慢程度。（3）微分增益參數(shù)：在響應(yīng)時間段，微分增益參數(shù)應(yīng)由小逐增大，這樣可以保證在不影響響應(yīng)速度的前提下，抑制超調(diào)的產(chǎn)生；在段，繼續(xù)增大，從而增大反向控制作用，減小超調(diào)量。在時刻，減小微分增益參數(shù),并在隨后的段再次逐漸增大，抑制超調(diào)的產(chǎn)生。根據(jù)的變化要求，在構(gòu)造的非線性函數(shù)時應(yīng)考慮到誤差變化速率的符號。按上述變化規(guī)律，根據(jù)該圖可以構(gòu)造如下非線性函數(shù)： （5-3）式中，為誤差變化速率，為正實(shí)常數(shù)，為的最小值，為的最大值，當(dāng)時，.非線性PID調(diào)節(jié)器的控制輸出為： （5-4)由上述分析可知，如果非線性函數(shù)中的各項(xiàng)參數(shù)選擇適當(dāng)?shù)脑?，就能夠使控制系統(tǒng)既達(dá)到響應(yīng)快，又無超調(diào)的現(xiàn)象。另外，由于非線性PID調(diào)節(jié)器中的增益參數(shù)能夠隨控制誤差而變化，因而其抗干擾能力也較常規(guī)線性PID控制強(qiáng)。b.非線性PID控制重物的擺角曲線a.非線性PID控制小車位置曲線時間（s）時間（s） 圖 5.7 非線性PID響應(yīng)曲線針對上面所設(shè)計的位置擺角雙閉環(huán)非線性PID控制器進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，得到實(shí)驗(yàn)曲線如圖所示。從圖可以看出：在給定位置信號后，小車開始快速向設(shè)定值移動，在逼近設(shè)定值時，小車開始減速，這是因?yàn)殡S著擺角變大，擺角控制量開始起作用，當(dāng)重物擺角衰減到零后，小車位置隨之達(dá)到設(shè)定值；小車的位置響應(yīng)曲線略有超調(diào)，超調(diào)量，延遲時間，上升時間，峰值時間，調(diào)節(jié)時間，穩(wěn)態(tài)無靜差即；重物的擺角響應(yīng)曲線在-0.07rad0.10rad之間變化，即重物的擺角變化范圍為，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時間為5s左右。5.5.2 仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證在上文中，依據(jù)一般系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線，并結(jié)合常規(guī)線性PID控制器的控制參數(shù)，對控制系統(tǒng)性能和品質(zhì)的影響，給出了非線性PID控制器的設(shè)計原理，同時構(gòu)造了，隨誤差而變化的非線性函數(shù)。下面，我們將根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)中得到的相關(guān)曲線來對非線性PID控制器的設(shè)計思想進(jìn)行驗(yàn)證。當(dāng)不考慮實(shí)際中所存在的各種干擾因素時，用作吊車系統(tǒng)小車定位控制的非線性PID控制器的誤差信號及，隨時間的變化曲線如下圖所示。圖5.8 位置非線性PID的誤差變化