電子設(shè)計(jì)創(chuàng)新訓(xùn)練提高第六章應(yīng)用設(shè)計(jì)舉例課件

第六章應(yīng)用設(shè)計(jì)舉例,6-1設(shè)計(jì)題目,電動(dòng)車蹺蹺板（F題）【本科組】一、任務(wù)電動(dòng)車蹺蹺板，在蹺蹺板起始端A一側(cè)裝有可移動(dòng)的配重。配重的位置可以在從始端開(kāi)始的200mm600mm范圍內(nèi)調(diào)整，調(diào)整步長(zhǎng)不大于50mm；配重可拆卸。電動(dòng)車從起始端A出發(fā)，可以自動(dòng)在蹺蹺板上行駛。電動(dòng)車蹺蹺板起始狀態(tài)和平衡狀態(tài)示意圖分別如圖6-1和圖6-2所示。,1,PPT學(xué)習(xí)交流,2,PPT學(xué)習(xí)交流,二、要求1.基本要求在不加配重的情況下，電動(dòng)車完成以下運(yùn)動(dòng)：（1）電動(dòng)車從起始端A出發(fā)，在30秒鐘內(nèi)行駛到中心點(diǎn)C附近；（2）60秒鐘之內(nèi)，電動(dòng)車在中心點(diǎn)C附近使蹺蹺板處于平衡狀態(tài)，保持平衡5秒鐘，并給出明顯的平衡指示；（3）電動(dòng)車從（2）中的平衡點(diǎn)出發(fā)，30秒鐘內(nèi)行駛到蹺蹺板末端B處（車頭距蹺蹺板末端B不大于50mm）；（4）電動(dòng)車在B點(diǎn)停止5秒后，1分鐘內(nèi)倒退回起始端A，完成整個(gè)行程；（5）在整個(gè)行駛過(guò)程中，電動(dòng)車始終在蹺蹺板上，并分階段實(shí)時(shí)顯示電動(dòng)車行駛所用的時(shí)間。,3,PPT學(xué)習(xí)交流,2.發(fā)揮部分將配重固定在可調(diào)整范圍內(nèi)任一指定位置電動(dòng)車完成以下運(yùn)動(dòng)：（1）將電動(dòng)車放置在地面距離蹺蹺板起始端A點(diǎn)300mm以外、90扇形區(qū)域內(nèi)某一指定位置（車頭朝向蹺蹺板），電動(dòng)車能夠自動(dòng)駛上蹺蹺板，如圖6-3所示：,4,PPT學(xué)習(xí)交流,（2）電動(dòng)車在蹺蹺板上取得平衡，給出明顯的平衡指示，保持平衡5秒鐘以上；（3）將另一塊質(zhì)量為電動(dòng)車質(zhì)量1020的塊狀配重放置在A至C間指定的位置，電動(dòng)車能夠重新取得平衡，給出明顯的平衡指示，保持平衡5秒鐘以上；（4）電動(dòng)車在3分鐘之內(nèi)完成（1）（3）全過(guò)程。（5）其他。,5,PPT學(xué)習(xí)交流,三、說(shuō)明（1）蹺蹺板長(zhǎng)1600mm、寬300mm，為便于攜帶也可將蹺蹺板制成折疊形式。（2）蹺蹺板中心固定在直徑不大于50mm的半圓軸上，軸兩端支撐在支架上，并保證與支架圓滑接觸，能靈活轉(zhuǎn)動(dòng)。（3）測(cè)試中，使用參賽隊(duì)自制的蹺蹺板裝置。（4）允許在蹺蹺板和地面上采取引導(dǎo)措施，但不得影響蹺蹺板面和地面平整。（5）電動(dòng)車(含加在車體上的其它裝置)外形尺寸規(guī)定為：長(zhǎng)300mm，寬200mm。（6）平衡的定義為A、B兩端與地面的距離差d=dA-dB不大于40mm。（7）整個(gè)行程約為1600mm減去車長(zhǎng)。（8）測(cè)試過(guò)程中不允許人為控制電動(dòng)車運(yùn)動(dòng)。（9）基本要求（2）不能完成時(shí)，可以跳過(guò)，但不能得分；發(fā)揮部分（1）不能完成時(shí)，可以直接從（2）項(xiàng)開(kāi)始，但是（1）項(xiàng)不得分。,6,PPT學(xué)習(xí)交流,四、評(píng)分標(biāo)準(zhǔn),7,PPT學(xué)習(xí)交流,6-2題目分析（關(guān)鍵方案論證）,一、整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想：行走部分：使用四輪或者兩輪+1隨動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)，后者系統(tǒng)簡(jiǎn)單。行走軌跡控制：按題目條件，自行設(shè)置跟蹤軌跡（白紙黑線）。平衡檢測(cè)：傾角傳感器。顯示器：LED或者LCD，后者可以直接使用模塊，簡(jiǎn)單。核心：51單片機(jī)。電源：蓄電池組，電壓取決于行走電機(jī)。,8,PPT學(xué)習(xí)交流,二、系統(tǒng)框圖,圖6-4系統(tǒng)整體框圖,9,PPT學(xué)習(xí)交流,三、系統(tǒng)主要部分方案論證,1電動(dòng)車車體的選擇方案一：可以在車模店自己選購(gòu)配件組裝或自己加工制作，優(yōu)點(diǎn)是這種方法能夠制作出完全符合自己設(shè)計(jì)意圖的車體，缺點(diǎn)是需要較多時(shí)間和高水平的加工工藝。方案二：購(gòu)置成品玩具電動(dòng)小汽車，缺點(diǎn)是不可能完全符合使用要求，需要做大量修改。根據(jù)實(shí)際情況，采用方案一，自制小車。2電動(dòng)車的動(dòng)力方案選擇方案一：采用普通直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜、動(dòng)力大，缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)速大、難于控制，同時(shí)需要另配速度檢測(cè)裝置。方案二：采用直流減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)。優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)速低，動(dòng)力大，缺點(diǎn)同方案一，也需要額外安裝速度檢測(cè)裝置。方案三：采用雙步進(jìn)電機(jī)差速驅(qū)動(dòng)。特點(diǎn)是控制精度高、靈活，在驅(qū)動(dòng)力矩范圍內(nèi)，支持無(wú)反饋開(kāi)環(huán)控制。根據(jù)分析，本題要求車子必須具備高度靈活性和精確控制，故設(shè)計(jì)采用方案三，采用雙步進(jìn)電機(jī)差速驅(qū)動(dòng)。,10,PPT學(xué)習(xí)交流,圖6-5一種現(xiàn)成的底盤(pán)（履帶）,一款機(jī)器人履帶式底盤(pán)，可以購(gòu)買(mǎi)。但是它采用普通直流電機(jī)，配置了簡(jiǎn)易的減速齒輪，具有力量和速度的優(yōu)勢(shì)。但穩(wěn)定性和精細(xì)動(dòng)作則難于掌控。,11,PPT學(xué)習(xí)交流,圖6-6直流、直流減速、步進(jìn)電機(jī),12,PPT學(xué)習(xí)交流,3.電動(dòng)車的傾角測(cè)量方案選擇方案一：采用光電編碼器。需在其軸上安裝重錘才能進(jìn)行傾角檢測(cè)，且進(jìn)行小角度測(cè)量時(shí)需要克服較大的靜摩擦力，靈敏度低。同時(shí)電機(jī)振蕩會(huì)使測(cè)量結(jié)果不穩(wěn)定。方案二：采用傾角傳感器。芬蘭VTI公司生產(chǎn)的SCA61T是一款利用重力加速度測(cè)量?jī)A角的集成芯片，使用方便，分辨率高（0.1度），低噪聲，并且可采用數(shù)字SPI或模擬輸出。方案一安裝復(fù)雜且測(cè)量精度不高，方案二則剛好相反，故采用了方案二，選擇集成傾角傳感器。4電動(dòng)車平衡控制方案選擇方案一：模糊判斷，根據(jù)不同傾角檢測(cè)情況進(jìn)行處理和多條件復(fù)雜判斷。優(yōu)點(diǎn)是容易直觀判斷，缺點(diǎn)是容易遺漏一些情況，造成判斷失誤。方案二：數(shù)字PID控制。PID控制具有算法簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)、穩(wěn)定性好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)分析比較，選擇了方案二的數(shù)字PID控制。,13,PPT學(xué)習(xí)交流,圖6-7傾角傳感器與光電編碼器,14,PPT學(xué)習(xí)交流,圖6-8二維線性CCD傳感器,圖6-9各種光電傳感器,15,PPT學(xué)習(xí)交流,5軌跡檢測(cè)方案選擇方案一：線性CCD（電荷偶合器件）攝像頭尋跡。優(yōu)點(diǎn)是檢測(cè)精度高、反應(yīng)速度快，缺點(diǎn)是信號(hào)處理比較復(fù)雜，對(duì)攝像頭記錄的圖象進(jìn)行分割和識(shí)別困難。方案二：光電傳感器尋跡。優(yōu)點(diǎn)是原理簡(jiǎn)單、操作方便、信號(hào)處理速度快，缺點(diǎn)是分辨率低。通過(guò)分析，方案一實(shí)現(xiàn)困難，方案二能夠滿足測(cè)量需要，選擇了方案二，使用反射式光電傳感器組循跡。,四、任務(wù)實(shí)施過(guò)程描述,采用多路光電傳感器ST178（紅外反射式）對(duì)軌跡黑線進(jìn)行采樣，保證采集足夠的信息，供電機(jī)的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，以達(dá)到能在板上精確沿著軌跡行進(jìn)的目的。采用傾斜傳感器SCA61T對(duì)蹺蹺板進(jìn)行實(shí)時(shí)傾角采樣，保證有充足的新傾角數(shù)據(jù)供單片機(jī)處理，達(dá)到快速平衡磽磽板的效果。,16,PPT學(xué)習(xí)交流,單片機(jī)將收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，以精確控制步進(jìn)電機(jī)按照指定的任務(wù)運(yùn)行。在整個(gè)行程中，單片機(jī)時(shí)刻記錄步進(jìn)電機(jī)前進(jìn)的步數(shù)，并在要求的位置顯示所處的位置。本系統(tǒng)需在蹺蹺板中心線上放置引導(dǎo)線，整個(gè)過(guò)程可分為以下幾個(gè)階段（以下包含發(fā)揮部分）：1）查找黑線上板階段。在板下300mm以外、90扇形區(qū)域內(nèi)任一位置查找黑線，駛上蹺蹺板。2）行駛階段：在板上巡線行駛，保持車體時(shí)鐘處于板子之間位置。為快速準(zhǔn)確進(jìn)入平衡區(qū)，在平衡區(qū)前認(rèn)為加設(shè)一條橫向黑色軌跡（符合規(guī)則要求）。小車發(fā)現(xiàn)后即準(zhǔn)備減速平衡。3）平衡階段：小車駛上蹺蹺板后，發(fā)現(xiàn)板有明顯的角度變化時(shí)，認(rèn)定已進(jìn)入平衡中心線區(qū)域，開(kāi)始平衡調(diào)節(jié)。4）蹺蹺板加重物重新平衡階段。當(dāng)小車第一次平衡后，給蹺蹺板加一重物，讓小車重新查找平衡點(diǎn)，再次平衡。5）終點(diǎn)倒車階段。在小車到達(dá)蹺蹺板的另一端時(shí)，小車按照原來(lái)的軌跡倒車回到出發(fā)點(diǎn)。,17,PPT學(xué)習(xí)交流,圖6-10系統(tǒng)實(shí)體圖1,18,PPT學(xué)習(xí)交流,圖6-11系統(tǒng)實(shí)體圖2,19,PPT學(xué)習(xí)交流,五、車體整體設(shè)計(jì)注意事項(xiàng),1.車體尺寸必須符合題目要求，電動(dòng)車(含加在車體上的其它裝置)外形尺寸規(guī)定為：長(zhǎng)300mm，寬200mm。盡量控制高度，降低中心，提高穩(wěn)定性。2.驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇估算蹺蹺板最大傾角、估算車體質(zhì)量。保證電機(jī)有足夠的扭矩，保證正常爬坡和行走。同時(shí)保證電機(jī)具有較小的步進(jìn)角，較高的驅(qū)動(dòng)頻率，保證穩(wěn)定性和速度。3.車體結(jié)構(gòu)合理設(shè)計(jì)電路板、傳感器位置、電池位置。保證車體重心盡量與中心重合，保證傳感器位置振動(dòng)最小，以準(zhǔn)確自測(cè)姿勢(shì)。,20,PPT學(xué)習(xí)交流,6-3硬件工作原理分析與說(shuō)明,一電機(jī)控制電路（一）原理本設(shè)計(jì)中需要對(duì)電機(jī)的控制達(dá)到靈活、精確，從而達(dá)到非常理想的穩(wěn)定平衡效果。經(jīng)過(guò)考慮，采用了2只四相步進(jìn)電機(jī)，型號(hào)為42BYGH404。電機(jī)電源部分采用十節(jié)AA型1.2V電池組直接供電，電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分采用8只N溝道MOS管IRF540驅(qū)動(dòng)兩只電機(jī)，使用一片ULN2803（八達(dá)林頓陣列）做電平轉(zhuǎn)換控制驅(qū)動(dòng)。,圖6-12步進(jìn)電機(jī)電氣控制原理圖,21,PPT學(xué)習(xí)交流,（二）輔助知識(shí)：步進(jìn)電機(jī)原理一般電動(dòng)機(jī)都是連續(xù)旋轉(zhuǎn)，而步進(jìn)電動(dòng)卻是一步一步轉(zhuǎn)動(dòng)的，故叫步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。每輸入一個(gè)沖信號(hào)，該電動(dòng)機(jī)就轉(zhuǎn)過(guò)一定的角度（有的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以直接輸出線位移，稱為直線電動(dòng)機(jī)）。因此步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種把脈沖變?yōu)榻嵌任灰疲ɑ蛑本€位移）的執(zhí)行元件。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子為多極分布，定子上嵌有多相星形連接的控制繞組，由專門(mén)電源輸入電脈沖信號(hào)，每輸入一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子就前進(jìn)一步。由于輸入的是脈沖信號(hào)，輸出的角位移是斷續(xù)的，所以又稱為脈沖電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的種類很多，按結(jié)構(gòu)可分為反應(yīng)式和激勵(lì)式兩種；按相數(shù)分則可分為單相、兩相和多相三種。,圖6-13步進(jìn)電機(jī)電氣工作原理圖,22,PPT學(xué)習(xí)交流,（1）.單三拍通電方式的基本原理設(shè)A相首先通電（B、C兩相不通電），產(chǎn)生A-A軸線方向的磁通，并通過(guò)轉(zhuǎn)子形成閉合回路。這時(shí)A、A極就成為電磁鐵的N、S極。在磁場(chǎng)的作用下，轉(zhuǎn)子總是力圖轉(zhuǎn)到磁阻最小的位置，也就是要轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)子的齒對(duì)齊A、A極的位置（圖6-14）；接著B(niǎo)相通電（A、C兩相不通電），轉(zhuǎn)了便順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)過(guò)30，它的齒和C、C極對(duì)齊（圖2c）。不難理解，當(dāng)脈沖信號(hào)一個(gè)一個(gè)發(fā)來(lái)時(shí)，如果按ACBA的順序通電，則電機(jī)轉(zhuǎn)子便逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。這種通電方式稱為單三拍方式。,圖6-14步進(jìn)電機(jī)單3拍電氣工作原理圖,23,PPT學(xué)習(xí)交流,（2）.六拍通電方式的基本原理設(shè)A相首先通電，轉(zhuǎn)子齒與定子A、A對(duì)齊（圖6-15a）。然后在A相繼續(xù)通電的情況下接通B相。這時(shí)定子B、B極對(duì)轉(zhuǎn)子齒2、4產(chǎn)生磁拉力，使轉(zhuǎn)子順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，但是A、A極繼續(xù)拉住齒1、3，因此，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到兩個(gè)磁拉力平衡為止。這時(shí)轉(zhuǎn)子的位置如圖3b所示，即轉(zhuǎn)子從圖(a)位置順時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)了15。接著A相斷電，B相繼續(xù)通電。這時(shí)轉(zhuǎn)子齒2、4和定子B、B極對(duì)齊（圖c），轉(zhuǎn)子從圖(b)的位置又轉(zhuǎn)過(guò)了15。其位置如圖3d所示。這樣，如果按AA、BBB、CCC、AA的順序輪流通電，則轉(zhuǎn)子便順時(shí)針?lè)较蛞徊揭徊降剞D(zhuǎn)動(dòng)，步距角15。電流換接六次，磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一周，轉(zhuǎn)子前進(jìn)了一個(gè)齒距角。如果按AA、CCC、BBB、AA的順序通電，則電機(jī)轉(zhuǎn)子逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。這種通電方式稱為六拍方式。,圖6-15步進(jìn)電機(jī)單6拍電氣工作原理圖,24,PPT學(xué)習(xí)交流,（3）.真實(shí)步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)一般步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最常見(jiàn)的步距角是3或15。由上式可知，轉(zhuǎn)子上不只4個(gè)齒（齒距角90），而有40個(gè)齒（齒距角為9）。為了使轉(zhuǎn)子齒與定子齒對(duì)齊，兩者的齒寬和齒距必須相等。因此，定子上除了6個(gè)極以外，在每個(gè)極面上還有5個(gè)和轉(zhuǎn)子齒一樣的小齒。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)圖如圖6-16所示。,圖6-16真實(shí)3相步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖,實(shí)際的小型步進(jìn)電機(jī)為提高控制精度，多為4相，步距角為18。當(dāng)工作于4相8拍時(shí)，步距角為09。甚至為提高分辨率，有市售的細(xì)分控制器，可以將原來(lái)的一部分為1256步。,25,PPT學(xué)習(xí)交流,（4）.步進(jìn)電機(jī)特點(diǎn)A、步進(jìn)電機(jī)在電脈沖的控制下能迅速起動(dòng)、正反轉(zhuǎn)、停轉(zhuǎn)及在很寬的范圍內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)；B、加工精度高，即要求一個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的位移量小，并要準(zhǔn)確、均勻。這就要求步進(jìn)電機(jī)步距小，步距精度高，不得丟步或是過(guò)沖；C、動(dòng)作快速。即不僅起動(dòng)、停步、反轉(zhuǎn)快，并能連續(xù)高速運(yùn)轉(zhuǎn)以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率；D、輸出轉(zhuǎn)矩大，可直接帶動(dòng)負(fù)載。E、步進(jìn)電機(jī)具有自鎖能力。當(dāng)控制脈沖停止輸入，而讓最后一個(gè)脈沖控制的繞組繼續(xù)通直流電時(shí)，則電機(jī)可以保持在固定的位置上，即停在最后一個(gè)脈沖控制的角位移的終點(diǎn)位置上，這樣，步進(jìn)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)停車時(shí)轉(zhuǎn)子定位。,26,PPT學(xué)習(xí)交流,二引導(dǎo)線檢測(cè)及循跡控制（一）檢測(cè)方案設(shè)計(jì)本系統(tǒng)需在蹺蹺板的中心線粘貼一條黑線，引導(dǎo)小車順利的向目標(biāo)前進(jìn)。在車頭和車尾各放置了10對(duì)光電傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣。保證小車能安全向前行駛的情況下也能反方向行駛。在采樣問(wèn)題上，如果采用比較法處理采樣電壓，得到高低電平需要20個(gè)比較器，并且電路連接復(fù)雜。在此巧妙的運(yùn)用了同一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器采樣兩路光電檢測(cè)管的方法。具體方法如下：小車正向行駛時(shí)，開(kāi)通車頭的發(fā)射管和接收管，關(guān)閉車尾的發(fā)射管和接收管；反向行駛的時(shí)候，開(kāi)通車尾的發(fā)射管和接收管，關(guān)閉車頭的發(fā)射管和接收管。這樣做不但節(jié)省了I/O口資源，還減小了功耗。對(duì)于A/D采樣值，通過(guò)不同權(quán)重的分配與加權(quán)（中心為界，距離中心越遠(yuǎn)，權(quán)重系數(shù)越大）的算法，采用純比例控制，使小車在偏離跑道的情況下能夠快速回到正確的路徑上來(lái)，保證小車能夠順利、快速地完成任務(wù)。循跡時(shí)，具體方法是固定一個(gè)輪的速度，調(diào)整另外一個(gè)輪的速度來(lái)進(jìn)行前進(jìn)循跡控制。當(dāng)大部分傳感器檢測(cè)到黑線時(shí)，則表示到了橫線位置。,27,PPT學(xué)習(xí)交流,圖6-17引導(dǎo)線檢測(cè)電氣原理圖,28,PPT學(xué)習(xí)交流,（二）輔助知識(shí)：TLC2543(1).器件功能TLC2543是TI公司的產(chǎn)品。它是具有11個(gè)模擬輸入通道的串行AD轉(zhuǎn)換器，采樣精度達(dá)12位，外接串行時(shí)鐘最高頻率可達(dá)4.1MHz，能滿足多數(shù)較高精度、多通道數(shù)據(jù)采集的要求。TLC2543可以通過(guò)控制字編程控制轉(zhuǎn)換是單極性或是雙極性，數(shù)據(jù)輸出格式是8位、12位或16位。它采用簡(jiǎn)單的3線SPI串行接口，可方便地與8位微控制器(如AT89C51)進(jìn)行連接。TLC2543的控制字寫(xiě)入及轉(zhuǎn)換結(jié)果的輸出都是通過(guò)串行數(shù)據(jù)完成的，是12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的最佳選擇器件之一。其主要性能如下：1)具有11個(gè)模擬輸入通道2)具有66ksps的采樣速率3)最大轉(zhuǎn)換時(shí)間為10s4)線性度誤差最大為1LSB5)具有低供電電流（典型值1mA）6)掉電模式電流4A(2).引腳排列及功能TLC2543的引腳排列如圖3-29所示。,圖6-18TLC2543引腳排列,29,PPT學(xué)習(xí)交流,三傾角檢測(cè)（一）檢測(cè)原理與數(shù)據(jù)處理傾角檢測(cè)采用SCA61T芯片，測(cè)試中我們發(fā)現(xiàn)在小車進(jìn)入平衡過(guò)程時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行會(huì)帶來(lái)車體的振蕩。振蕩時(shí)的傾角很不穩(wěn)定，采樣的值偏差太大，使系統(tǒng)完全崩潰。為解決振蕩問(wèn)題，我們采用了滑動(dòng)平均濾波法。經(jīng)過(guò)測(cè)試，振蕩問(wèn)題有了明顯的改善，小車在平衡點(diǎn)穩(wěn)定時(shí)振幅不大，接近平衡時(shí)的基本要求。但仍有改進(jìn)的空間，經(jīng)過(guò)再次論證，最后我們采用了二次滑動(dòng)濾波，即將上次的滑動(dòng)濾波得到的值與這次的采樣值再次進(jìn)行平均。經(jīng)測(cè)試，結(jié)果令人滿意。在測(cè)試過(guò)程中，我們也發(fā)現(xiàn)了蹺蹺板的固有振動(dòng)頻率對(duì)小車的平衡起著至關(guān)重要的作用，當(dāng)蹺蹺板的固有振動(dòng)頻率較高時(shí)，小車很難跟上蹺蹺板的振動(dòng)周期，很難取得平衡。通過(guò)反復(fù)調(diào)整與多個(gè)蹺蹺板的測(cè)試，小車的調(diào)整周期仍然無(wú)法與蹺蹺板相吻合，經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)，我們對(duì)蹺蹺板進(jìn)行了機(jī)械改造，降低蹺蹺板的固有頻率，使小車與蹺蹺板更好的配合。,30,PPT學(xué)習(xí)交流,本系統(tǒng)使用的角度傳感器是芬蘭VTI公司的SCA61T角度傳感器，它是一種高度集成單軸傾角傳感器，采用8角塑封SMD封裝。特點(diǎn)是5V單電源供電，測(cè)量范圍為-9090，數(shù)字SPI或模擬輸出，高分辨率（0.1），低噪聲，寬溫度范圍（-40-125）。角度的計(jì)算根據(jù)MISO數(shù)據(jù)輸出口的數(shù)字量按照下面的公式計(jì)算得到：=arcsin(Dout-Dout0)/819)。Dout0=1024,是水平面時(shí)輸出的數(shù)字量；Dout是當(dāng)前測(cè)量角度位置輸出的數(shù)字量。,圖6-18傾角傳感器連接圖,31,PPT學(xué)習(xí)交流,（二）輔助知識(shí)：數(shù)字濾波實(shí)踐促進(jìn)理論發(fā)展-理論再去指導(dǎo)實(shí)踐-循環(huán)往復(fù)1、數(shù)字濾波常識(shí)數(shù)字濾波算法的優(yōu)點(diǎn)：（1）數(shù)字濾波只是一個(gè)計(jì)算過(guò)程，無(wú)需硬件，因此可靠性高，并且不存在阻抗匹配、特性波動(dòng)、非一致性等問(wèn)題。模擬濾波器在頻率很低時(shí)較難實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題，不會(huì)出現(xiàn)在數(shù)字濾波器的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中。（2）只要適當(dāng)改變數(shù)字濾波程序有關(guān)參數(shù)，就能方便的改變?yōu)V波特性，因此數(shù)字濾波使用時(shí)方便靈活。對(duì)于不同干擾源，使用不同對(duì)策，具體如下：克服大脈沖干擾的數(shù)字濾波法：（1）限幅濾波法；（2）中值濾波法。對(duì)于抑制小幅度高頻噪聲的平均濾波法；（1）算數(shù)平均；（2）滑動(dòng)平均；（3）加權(quán)滑動(dòng)平均。對(duì)付復(fù)雜問(wèn)題：復(fù)合濾波法。,32,PPT學(xué)習(xí)交流,2、克服大脈沖干擾的數(shù)字濾波法克服由儀器外部環(huán)境偶然因素引起的突變性擾動(dòng)或儀器內(nèi)部不穩(wěn)定引起誤碼等造成的尖脈沖干擾，是儀器數(shù)據(jù)處理的第一步。通常采用簡(jiǎn)單的非線性濾波法。（1）限幅濾波法限幅濾波法（又稱程序判別法）通過(guò)程序判斷被測(cè)信號(hào)的變化幅度，從而消除緩變信號(hào)中的尖脈沖干擾。具體方法是，依賴已有的時(shí)域采樣結(jié)果，將本次采樣值與上次采樣值進(jìn)行比較，若它們的差值超出允許范圍，則認(rèn)為本次采樣值受到了干擾，應(yīng)予易除。,已濾波的采樣結(jié)果：,若本次采樣值為yn，則本次濾波的結(jié)果由下式確定（a為閥值）：,33,PPT學(xué)習(xí)交流,（2）中值濾波法中值濾波是一種典型的非線性濾波器，它運(yùn)算簡(jiǎn)單，在濾除脈沖噪聲的同時(shí)可以很好地保護(hù)信號(hào)的細(xì)節(jié)信息。對(duì)某一被測(cè)參數(shù)連續(xù)采樣n次（一般n應(yīng)為奇數(shù)），然后將這些采樣值進(jìn)行排序，選取中間值為本次采樣值。對(duì)溫度、液位等緩慢變化的被測(cè)參數(shù)，采用中值濾波法一般能收到良好的濾波效果。,3、抑制小幅度高頻噪聲的平均濾波法小幅度高頻電子噪聲：電子器件熱噪聲、A/D量化噪聲等。通常采用具有低通特性的線性濾波器：算數(shù)平均濾波法、加權(quán)平均濾波法、滑動(dòng)加權(quán)平均濾波法等。,34,PPT學(xué)習(xí)交流,（1）算數(shù)平均濾波,N個(gè)連續(xù)采樣值（分別為X1至XN）相加，然后取其算術(shù)平均值作為本次測(cè)量的濾波值。即,設(shè)濾波效果主要取決于采樣次數(shù)N，N越大，濾波效果越好，但系統(tǒng)的靈敏度要下降。因此這種方法只適用于慢變信號(hào)。,Si為采樣值中的有用部分ni為隨機(jī)誤差。,35,PPT學(xué)習(xí)交流,2）滑動(dòng)平均濾波法,對(duì)于采樣速度較慢或要求數(shù)據(jù)更新率較高的實(shí)時(shí)系統(tǒng)，算術(shù)平均濾法無(wú)法使用的?；瑒?dòng)平均濾波法把N個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)看成一個(gè)隊(duì)列，隊(duì)列的長(zhǎng)度固定為N，每進(jìn)行一次新的采樣，把測(cè)量結(jié)果放入隊(duì)尾，而去掉原來(lái)隊(duì)首的一個(gè)數(shù)據(jù)，這樣在隊(duì)列中始終有N個(gè)“最新”的數(shù)據(jù)。,36,PPT學(xué)習(xí)交流,為第n次采樣經(jīng)濾波后的輸出；為未經(jīng)濾波的第ni次采樣值；N為滑動(dòng)平均項(xiàng)數(shù)。,平滑度高，靈敏度低；但對(duì)偶然出現(xiàn)的脈沖性干擾的抑制作用差。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，通過(guò)觀察不同N值下滑動(dòng)平均的輸出響應(yīng)來(lái)選取N值以便少占用計(jì)算機(jī)時(shí)間，又能達(dá)到最好的濾波效果。,37,PPT學(xué)習(xí)交流,3）加權(quán)滑動(dòng)平均濾波,增加新的采樣數(shù)據(jù)在滑動(dòng)平均中的比重，以提高系統(tǒng)對(duì)當(dāng)前采樣值的靈敏度，即對(duì)不同時(shí)刻的數(shù)據(jù)加以不同的權(quán)。通常越接近現(xiàn)時(shí)刻的數(shù)據(jù)，權(quán)取得越大。,38,PPT學(xué)習(xí)交流,4、復(fù)合濾波法,在實(shí)際應(yīng)用中，有時(shí)既要消除大幅度的脈沖干擾，有要做數(shù)據(jù)平滑。因此常把前面介紹的兩種以上的方法結(jié)合起來(lái)使用，形成復(fù)合濾波。去極值平均濾波算法：先用中值濾波算法濾除采樣值中的脈沖性干擾，然后把剩余的各采樣值進(jìn)行平均濾波。連續(xù)采樣N次，剔除其最大值和最小值，再求余下N2個(gè)采樣的平均值。顯然，這種方法既能抑制隨機(jī)干擾，又能濾除明顯的脈沖干擾。,39,PPT學(xué)習(xí)交流,四平衡控制（一）具體實(shí)施控制原理與方法采用增量式PID算法，固定采樣計(jì)算周期=100ms。比例調(diào)節(jié)作用：系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用以減少偏差。由于比例作用大，可以加快調(diào)節(jié)、減少誤差，但是過(guò)大的比例，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。積分調(diào)節(jié)作用：只要系統(tǒng)有誤差,積分調(diào)節(jié)作用就不斷地積累，輸出控制以消除誤差，因而只要有足夠時(shí)間，積分能消除誤差，但積分作用太強(qiáng)會(huì)使系統(tǒng)超調(diào)量太大，甚至使系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩，所以，我們選取很小的系數(shù)Ki，并且采用積分飽和限制的方法，很好地利用了積分的作用。微分調(diào)節(jié)作用：微分作用反映系統(tǒng)偏差信號(hào)的變化率,具有預(yù)見(jiàn)性,能預(yù)見(jiàn)偏差變化的趨勢(shì),因此，能產(chǎn)生超前的控制作用,在偏差還沒(méi)有形成之前,已被微分的調(diào)節(jié)作用消除,可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。小車要達(dá)到穩(wěn)定就需要這種預(yù)見(jiàn)性，所以，選擇合適的Kd十分關(guān)鍵。簡(jiǎn)化后的增量式PID算法如下：Vn=Vn-1+V（1）V=Kp（en-en-1）+Kien+Kd（en-en-1）-（en-1-en-2）（2）Vn，Vn-1：當(dāng)前和上次操作量，實(shí)際對(duì)應(yīng)電機(jī)的步數(shù)（注：執(zhí)行時(shí)采用變速執(zhí)行，類似變比例方式。步數(shù)多快走，步數(shù)少慢走），V：增量；en，en-1，en-2：當(dāng)前，上次，上上次偏差；Kp，Ki，Kd：數(shù)值通過(guò)實(shí)驗(yàn)調(diào)試得到。,40,PPT學(xué)習(xí)交流,（二）輔助知識(shí)：簡(jiǎn)單控制理論知識(shí)（PID控制）典型控制回路（單回路控制）如下：對(duì)于本題，變送器為傾角傳感器；控制器為MCU；調(diào)節(jié)器為步進(jìn)電機(jī)；調(diào)節(jié)對(duì)象為小車；被調(diào)參數(shù)為傾角；干擾為蹺蹺板的搖擺（也有小車自身運(yùn)動(dòng)干擾）。,圖6-19單回路控制系統(tǒng)原理圖,41,PPT學(xué)習(xí)交流,1、系統(tǒng)的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)系統(tǒng)在無(wú)擾動(dòng)平衡條件下長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定稱靜態(tài)；系統(tǒng)受到干擾，被控對(duì)象（參數(shù)）偏離設(shè)定值，平衡受到破壞，向新的穩(wěn)定點(diǎn)過(guò)度的狀態(tài)為動(dòng)態(tài)；系統(tǒng)從一個(gè)靜態(tài)經(jīng)過(guò)干擾后進(jìn)入另外一個(gè)靜態(tài)的過(guò)程為過(guò)渡過(guò)程。以下為典型過(guò)渡曲線：,圖6-20調(diào)節(jié)系統(tǒng)平衡過(guò)渡曲線,42,PPT學(xué)習(xí)交流,2、對(duì)控制系統(tǒng)的基本要求穩(wěn)定性；快速性；準(zhǔn)確性。三個(gè)主要指標(biāo)互相制約，一般重點(diǎn)考慮穩(wěn)定性！3、過(guò)渡過(guò)程品質(zhì)指標(biāo)1）、最大偏差A(yù)；2）、衰減比(A-C)/(B-C)；4:110:1；大約2個(gè)周期后接近穩(wěn)態(tài)；3）、余差C，它是衡量進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后的精度指標(biāo)；4）、過(guò)渡時(shí)間t，一般取與穩(wěn)態(tài)誤差5%范圍即認(rèn)為接近穩(wěn)態(tài)，此時(shí)間定義為過(guò)渡時(shí)間；5）、振蕩周期T。,圖6-21調(diào)節(jié)系統(tǒng)平衡過(guò)渡曲線,43,PPT學(xué)習(xí)交流,4、受控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性經(jīng)常用系統(tǒng)放大倍數(shù)（調(diào)節(jié)通道與干擾通道）；時(shí)間常數(shù)來(lái)衡量。系統(tǒng)放大倍數(shù)1）、調(diào)節(jié)通道放大倍數(shù)在系統(tǒng)穩(wěn)定條件下，輸入量與輸出量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系系統(tǒng)的靜態(tài)特性。如：Y=KpQ+C（Y：輸出；Q：輸入)或Y=KpQ；Kp值越大，系統(tǒng)靈敏度越高。在實(shí)際工藝系統(tǒng)中，通常采用比較K值的方法來(lái)選擇主要控制參數(shù)。當(dāng)然，由于工藝條件和生產(chǎn)成本的制約，實(shí)際上并不一定都選擇K值最大的因素作為主控參數(shù)。2）、干擾通道放大倍數(shù)Y=Kff（Y：輸出；f：干擾），Kf小，系統(tǒng)穩(wěn)定。系統(tǒng)容量大，抗干擾能力強(qiáng).時(shí)間常數(shù)在一定的輸入作用下，被調(diào)參數(shù)完成其變化所需時(shí)間的參數(shù)。當(dāng)對(duì)象受到階躍輸入作用后，被調(diào)參數(shù)達(dá)到新的穩(wěn)定值所須的時(shí)間。由于調(diào)節(jié)量越大，被調(diào)參數(shù)的變化越大。隨著調(diào)節(jié)作用的進(jìn)行，相對(duì)調(diào)節(jié)量變小，被調(diào)參數(shù)的變化減小。所以，在階躍輸入后，被調(diào)參數(shù)的實(shí)際變化速度是越來(lái)越小的。因此，被調(diào)參數(shù)變化到新的穩(wěn)定值(與新輸入量相對(duì)應(yīng)的輸出量)所需的時(shí)間實(shí)際上應(yīng)該是無(wú)限長(zhǎng)?？傮w來(lái)說(shuō)，時(shí)間常數(shù)小，系統(tǒng)慣性小，控制速度快；反之控制速度慢。,44,PPT學(xué)習(xí)交流,5、PID控制1）P調(diào)節(jié),輸出量與被控量的差值成正比。P=KPe放大倍數(shù)KP：輸出量與被控量的差值的比例系數(shù)。比例度：控制器輸入變化相對(duì)值與相應(yīng)的輸出變化相對(duì)值之比的百分?jǐn)?shù)。放大倍數(shù)KP與比例度成反比,KP值過(guò)大（值過(guò)?。┫到y(tǒng)反應(yīng)過(guò)于靈敏，容易造成過(guò)度調(diào)節(jié)，產(chǎn)生大幅振蕩。KP值過(guò)?。ㄖ颠^(guò)大）系統(tǒng)反應(yīng)過(guò)于遲鈍，調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)，余差大。KP值（值）適中經(jīng)過(guò)少數(shù)幾個(gè)減幅振蕩后，逐漸趨于穩(wěn)定，有一定的余差。一般不單獨(dú)使用。調(diào)節(jié)過(guò)程類似于調(diào)節(jié)音響的音量，不靈敏調(diào)的慢，太靈敏調(diào)不穩(wěn)。,圖6-22比例作用階躍輸出曲線,45,PPT學(xué)習(xí)交流,2）PI調(diào)節(jié),加入積分調(diào)節(jié)的目的：縮短大偏差的調(diào)