天車吊鉤防擺控制器設(shè)計(jì)

1、摘 要吊物的擺動(dòng)是影響吊車裝卸效率的主要原因。電子防搖作為一種主動(dòng)防搖方式，它將減搖和運(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)，可以有效的提高吊車的裝卸效率，減輕司機(jī)的工作強(qiáng)度，是實(shí)現(xiàn)港口、廠礦裝卸自動(dòng)化的趨勢。本文首先建立了橋式吊車運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并搭建了系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，設(shè)計(jì)了雙閉環(huán)pid控制器來實(shí)現(xiàn)吊車系統(tǒng)的防擺和定位控制。針對常規(guī)pid控制器很難滿足橋式吊車這類控制參數(shù)變化很大的復(fù)雜系統(tǒng)對控制精度的要求，設(shè)計(jì)了非線性pid控制器（即pid參數(shù)隨誤差的變化而變化），該控制方案可以消除系統(tǒng)靜差，縮短系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，抗干擾能力較強(qiáng)。運(yùn)用增量型pid控制算法對pid控制策略進(jìn)行了數(shù)字實(shí)

2、現(xiàn)。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了吊車到達(dá)目的地吊鉤不在擺動(dòng)的目的，使所吊重物在到達(dá)指定地點(diǎn)時(shí)，擺角為零。從而避免了作業(yè)時(shí)，照成不必要的事故。關(guān)鍵詞：橋式吊車；防擺；非線性pidabstractgenerally speaking, the loading efficiency of crane is mainly influenced by swing of hanging objects. as an active method for avoiding swing, electronic anti-swing is not dependent on the drivers experience and c

3、an combine swing-decreasing with movement-control to improve the efficiency of crane, and lighten the intensity of drivers. therefore, it will be used widely for loading of port and factory.in this thesis, the mathematical model of the overhead crane motion system is established and the simulation m

4、odel is also built . the two closed-loop pid controller is designed to achieve the control of anti-swing and orientation. comparing with the controlling results of using conventional pid algorithm as a controller on different disturbance conditions, we can find that it is difficult to meet the accur

5、acy requirements of the practical operation of crane system which has easily variable control parameters in the process of running. so we design the nonlinear pid whose variable parameters change with error. the results of simulation indicate that the steady-state error can be eliminated, and the re

6、sponse time of system can be shortened, in addition, the disturbance rejection ability of system can be strengthened. then, we complish the digital realization of pid control strategy with increment pid control algorithm.this system has realized the crane hook is not swinging the purpose of arriving

7、 at our destination, make lifting heavy weights in got to the designated place, pendulum angle is zero. avoiding the homework, as into unnecessary accidents.key words：overhead crane；anti-swing；nonlinear pid目 錄第1章 緒 論11.1 課題的背景及意義11.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀21.3 本文研究主要內(nèi)容4第2章 系統(tǒng)建模52.1 問題的提出52.2 建模機(jī)理52.3 系統(tǒng)模型的建立6第3章 方

8、案論證103.1 系統(tǒng)方案的論證103.2 總體方案設(shè)計(jì)113.3 傳感器的選型113.4 轉(zhuǎn)換器的選型133.5 單片機(jī)的選型153.6 變頻器的選型16第4章 硬件電路設(shè)計(jì)174.1 數(shù)據(jù)檢測模塊174.2 濾波電路模塊194.3 轉(zhuǎn)換電路204.4 單片機(jī)最小系統(tǒng)204.5 變頻器調(diào)速模塊214.6 鍵盤電路224.7 電源電路23第5章 軟件設(shè)計(jì)255.1 系統(tǒng)流程圖255.2 檢測控制流程圖265.3 變頻器子程序265.4 報(bào)警程序275.5 pid控制的設(shè)計(jì)285.5.1 非線性pid設(shè)計(jì)295.5.2 仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證325.5.3 增量型pid385.5.4 吊車系統(tǒng)數(shù)字pid的

9、實(shí)現(xiàn)39第6章 總結(jié)41參考文獻(xiàn)42致 謝43附錄44附錄46附錄53iv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(dòng)架上的纜繩舉起和移動(dòng)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(dòng)，這種擺動(dòng)不僅可能損壞貨物，而且容易

10、引發(fā)生產(chǎn)事故。過去，消除吊車擺動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)作快速準(zhǔn)確。如果由于吊車行走時(shí)擺動(dòng)的原因，加大了吊車的運(yùn)行時(shí)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

11、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(dòng)。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(dòng)能量以達(dá)到最終消除擺動(dòng)的目的，因此是一種被動(dòng)的防擺方式。這種方式不但耗費(fèi)的時(shí)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(dòng)防擺方式，它能將防擺和小車的

12、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(shí)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(dòng)裝置，分別驅(qū)動(dòng)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

13、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(shí)，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(shí)吊運(yùn)貨物和不掉貨物時(shí)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(shí)，前后涼組小車通過螺桿驅(qū)動(dòng)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(shí)，前后兩組小車自行靠攏，這時(shí)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(shí)，吊物將大致位于行走小車的中心線上

14、，當(dāng)行走小車減速時(shí)，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(dòng)受到阻力。由于將向相反的方向擺動(dòng)。此時(shí)，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(dòng)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(gè)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)

15、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(dòng)消擺和全程消擺等控制策略。并提出了基于時(shí)間最優(yōu)的小車載荷擺動(dòng)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(shí)實(shí)現(xiàn)消擺、提高了運(yùn)行速度兩個(gè)目標(biāo)。但這些研究都只局限于理論與軟件仿真，而

16、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(dòng)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(shí)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

17、、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(jì)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(jì)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(gè)設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)，控制效果大大降低。由于吊車防擺系統(tǒng)本身就是個(gè)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

18、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(jì)。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(jì)解決了因線性化帶來的簡化誤差，但控制器設(shè)計(jì)方法復(fù)雜，計(jì)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(jià)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

19、研究現(xiàn)狀，建立了橋式吊車系統(tǒng)的動(dòng)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(gè)方面：（1）系統(tǒng)動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。同時(shí)，為了便于控制器的設(shè)計(jì)，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(dòng)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(jì)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(jì)了吊車

20、水平運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)問題一直是困擾提高吊車裝運(yùn)效率的一個(gè)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

21、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(shí)間由a點(diǎn)運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)力學(xué)問題，對于自由質(zhì)點(diǎn)系的動(dòng)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(dòng)力學(xué)方程。顯然，對于橋式吊車運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)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(dòng)力學(xué)問題來說，1788年拉格朗日發(fā)表的名著分析

22、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(shí)主動(dòng)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(dòng)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(shí)，大車一般處于靜止?fàn)顟B(tài)，故建立力學(xué)模型時(shí)，可不考慮大車運(yùn)動(dòng)。（2）鋼絲繩的質(zhì)量相對于吊物的質(zhì)量可以忽略不計(jì)。（3）鋼絲繩

23、的剛度足夠大，其長度變化可以忽略不計(jì)。（4）負(fù)載只在垂直于水平面的平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)。（5）不計(jì)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(dòng)，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(dòng)；繩索的彈性、質(zhì)量、運(yùn)動(dòng)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(dòng)可忽略。研究整個(gè)橋式吊車運(yùn)動(dòng)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(dòng)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

24、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(dòng)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(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型?？紤]到實(shí)際情況，在吊車水平運(yùn)動(dòng)過程中，總是將提升電機(jī)制動(dòng)，使繩長保持不變，當(dāng)定位完成且消除擺動(dòng)時(shí)，再使提升電機(jī)起動(dòng)，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(dòng)過程和垂直運(yùn)動(dòng)過程，分別設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制器進(jìn)

25、行控制。當(dāng)?shù)踯囂幱诖怪边\(yùn)動(dòng)過程時(shí)，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(dòng)過程時(shí)，要求電機(jī)準(zhǔn)確定位的同時(shí)，擺角要迅速衰減到零。可見吊車的水平運(yùn)動(dòng)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(dòng)過程和消擺控制。令式（2-5）中的，,并令，則可得到繩長不變時(shí)的橋式吊車運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)。取為系統(tǒng)的狀態(tài)變量，為系統(tǒng)的

26、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(jì)是吊鉤防擺控制器的設(shè)計(jì)，針對設(shè)計(jì)提出以下控制方法：（1）最優(yōu)控制。模擬計(jì)算機(jī)對礦石卸載起重機(jī)的動(dòng)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(dòng)時(shí)間最短，同時(shí)能夠避開途中的障礙物。但是，該方案不能控制載荷的擺動(dòng)。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(shí)將它的運(yùn)動(dòng)過程分為上升運(yùn)動(dòng)、水平運(yùn)動(dòng)、下降運(yùn)動(dòng)

27、三個(gè)階段，然后對每個(gè)過程設(shè)計(jì)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(dòng)，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(dòng)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(dòng)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(gè)線性狀態(tài)反饋器來抑制擺角，借助一個(gè)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(gè)模型上驗(yàn)證過，結(jié)果表明，位置有靜差，在運(yùn)動(dòng)過程中擺角在左右，而且時(shí)變參數(shù)方案在小車定位的時(shí)候會出現(xiàn)狀態(tài)不穩(wěn)定。利用pi控

28、制器跟蹤繩長變化，還增加了一個(gè)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(gè)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(shí)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(shí)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(gè)階段減速。第一個(gè)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

29、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(shí)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(jì)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(jì)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(dòng)的過程中，會與垂直平面出現(xiàn)一個(gè)擺角。計(jì)的目的是為在運(yùn)動(dòng)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(shí)，吊鉤吊取重物不能擺動(dòng)。經(jīng)過查閱資料得知，本設(shè)計(jì)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，

30、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(jì)因?yàn)橐獧z測三個(gè)數(shù)據(jù)，所以用三個(gè)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(dòng)轉(zhuǎn)換成可以計(jì)量，記錄或傳送的電信號。測量吊鉤擺動(dòng)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(gè)重要參數(shù)是靈敏系數(shù)k。靈敏

31、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(gè)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(gè)無因次量，即它沒有量綱。在材料力學(xué)中l(wèi)/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(gè)有特殊形狀的結(jié)構(gòu)件。它的功能有兩個(gè)，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(gè)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

32、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)

33、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、c

34、anopen、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

35、，在一個(gè)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(jì)算出線速度，進(jìn)而可以計(jì)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。抗外界電磁干擾能力強(qiáng)。 測量范圍為±5°/±15°/±30°/±45°；精度0.05°/0.1°/0.3°；響應(yīng)時(shí)間0.2s；工作溫度-

36、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，采樣模式由控制寄存器的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(dòng)采樣間隔，經(jīng)過瞬間的采樣間隔(芯片時(shí)鐘為2mhz時(shí)，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，可以和多種微機(jī)接口，在此選用at89s51單片機(jī)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

37、的初始化控制字，也用于讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)。 用at89s51單片機(jī)的p2.7作片選信號，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單片機(jī)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(gè)da芯片以其價(jià)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

38、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(shí)間應(yīng)大于90ns(否則鎖存器的數(shù)據(jù)會出錯(cuò))； 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(shí)，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(shí)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；

39、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(shí)，dac寄存器的輸出隨寄存器的輸入而變化，le2的負(fù)跳變時(shí)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r(jià)fb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

40、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(gè)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

41、計(jì)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(jià)比的解決方案。圖3.7 at89s51 單片機(jī)at89s51具有如下特點(diǎn)：40個(gè)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(gè)外部雙向輸入/輸出（i/o）口，5個(gè)中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,2個(gè)全雙工串行通信口，看門狗（wdt）電路，片內(nèi)時(shí)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(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，6個(gè)中斷電源，可編程串行通道，低功

42、耗的閑置和掉電漠視，片內(nèi)振蕩器和時(shí)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)，通過改變電機(jī)工作電源頻率方式來控制交流電動(dòng)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(dòng)單元、驅(qū)動(dòng)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)的軟起動(dòng)、變頻調(diào)速、提高運(yùn)轉(zhuǎn)精度、改變功率因數(shù)、過流/過壓/

43、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(dòng)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(dòng)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(dòng)推算速度增益自動(dòng)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(shí)間 電磁噪聲降低，水準(zhǔn)的驅(qū)動(dòng)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(jì)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

44、化;彈性體是一個(gè)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(dòng)轉(zhuǎn)換成可以計(jì)量，記錄或傳

45、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(gè)有螺紋的輪轂上，此輪轂與一個(gè)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(jì)，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(dòng)物體上。拉繩直線運(yùn)動(dòng)和移動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)軸線對準(zhǔn)。運(yùn)動(dòng)發(fā)生時(shí)，拉繩伸展和收縮。一個(gè)內(nèi)部彈簧保證拉繩的張緊度不變。帶螺紋的輪轂帶動(dòng)精密旋轉(zhuǎn)感應(yīng)器旋轉(zhuǎn)，輸出一個(gè)與拉繩移動(dòng)距離成比例的電信號。測量輸出信號可以得出運(yùn)動(dòng)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(shí)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

46、度傳感器靈敏軸之間的夾角就是傾斜角了。理論基礎(chǔ)就是牛頓第二定律，根據(jù)基本的物理原理，在一個(gè)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(jì)算出線速度，進(jìn)而可以計(jì)算出直線位移。它其實(shí)是運(yùn)用慣性原理的一種加速度傳感器。當(dāng)傾角傳感器靜止時(shí)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。傾角傳感器在這種場合使用，只要將傳

47、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(jì)，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?？梢灾苯虞敵鼋嵌鹊葍A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(shí)，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(shí)產(chǎn)生

48、一個(gè)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(gè)主要部分組成。指令電流運(yùn)算電路實(shí)時(shí)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(dòng)脈沖，驅(qū)動(dòng)igbt或ipm功率

49、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(dòng)消除電力諧波。4.3 轉(zhuǎn)換電路在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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(shí)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，可以和大部分單片機(jī)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，采樣模式由控制寄存器的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(dòng)采樣間隔，經(jīng)過瞬

50、間的采樣間隔(芯片時(shí)鐘為2mhz時(shí)，為3ms)，即開始a/d轉(zhuǎn)換。在外部采樣模式(d5=1)中，由兩個(gè)寫脈沖分別控制采樣和a/d轉(zhuǎn)換。在第一個(gè)寫脈沖出現(xiàn)時(shí)，寫入acqmod為1，開始采樣間隔。在第二個(gè)寫脈沖出現(xiàn)時(shí)，寫入控制字acqmod為0，max197停止采樣，開始a/d轉(zhuǎn)換。這兩個(gè)寫脈沖之間的時(shí)間間隔為一次采樣時(shí)間。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。 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(shí)鐘電路、復(fù)位電路。1） 時(shí)鐘電路 單片機(jī)工作時(shí)，從取指

51、令到譯碼再進(jìn)行微操作，必須在時(shí)鐘信號控制下才能有序地進(jìn)行，時(shí)鐘電路就是為單片機(jī)工作提供基本時(shí)鐘的。單片機(jī)的時(shí)鐘信號通常有兩種產(chǎn)生方式：內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)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(shí)，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(gè)確定的初始值，并從這個(gè)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(gè)（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(gè)晶振和兩個(gè)穩(wěn)頻電容，可以與單片機(jī)片內(nèi)的電路構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器。晶振的取值范圍一般為

52、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(shí)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(jì)主要是防擺設(shè)計(jì)，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(dòng)、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

53、頻率調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的連續(xù)平滑調(diào)速方法，主要用于同步電動(dòng)機(jī)和鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)。系統(tǒng)線路中利用變頻器改變電動(dòng)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(gè)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(gè)按鍵被按下了。軟件設(shè)計(jì)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(gè)按鍵需要占

54、用一根輸入線，在按鍵數(shù)量較多時(shí)，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(jì)主要研究吊鉤水平運(yùn)動(dòng)能夠和垂直運(yùn)動(dòng)，水平運(yùn)動(dòng)分為吊鉤吊取重物后向左或者向右運(yùn)動(dòng)。垂直運(yùn)動(dòng)是吊鉤吊取重物上升時(shí)或者到達(dá)指定地點(diǎn)，將重物放下的運(yùn)動(dòng)。所以只需要考慮吊鉤上，下，左，右運(yùn)動(dòng)。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(gè)方向鍵，p1.7為返回鍵。4.7 電源電路模擬電子技術(shù)是計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)理論的一個(gè)重要組成部分，是計(jì)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