【正文】 o f F i l e : D : \ P R O T E L 9 9 S E 繪圖軟件 \ E X A M P L E S \ M yD e s i g n. dd bD r a w n B y :C 1 0C 1 2 C 1 1A1R 2 9 R 2 7R 2 6 R 2 8O U TG N D+ 1 2 1 2IN0 . 1 u F0 . 1 u F0 . 1 u F1 0 K1 0 K1 0 K 1 0 K 20 動(dòng)脈沖，驅(qū)動(dòng) 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(duì)諧波電流進(jìn)行補(bǔ)償或抵消，主動(dòng)消除電力諧波。這兩個(gè)寫脈沖之間的時(shí)間間隔為一次采樣時(shí)間。單片機(jī)的復(fù)位形式：上電復(fù)位、按鍵復(fù)位。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(duì)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(guò)流 /過(guò)壓 /過(guò)載保護(hù)等功能。但每個(gè)按鍵需要占用一根輸入線，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(chǎng)合。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(huì)影響其他輸入線上的工作狀態(tài)。一些新型的單片機(jī)還可以選擇更高的頻率。單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)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。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(guò)瞬間的采樣 間隔 (芯片時(shí)鐘為 2MHz時(shí)，為 3ms)，即開(kāi)始 A/D 轉(zhuǎn)換。 有源濾波器的原理是自身實(shí)時(shí)產(chǎn)生一個(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。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。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(hào)。 物料重量通過(guò)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 ) 。變頻器靠?jī)?nèi)部IGBT 的開(kāi)斷來(lái)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(lái)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(guò)流、過(guò)壓、過(guò)載保護(hù)等等。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(hào)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。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?。；響?yīng)時(shí)間；工作溫度 40℃～ +85℃；儲(chǔ)存溫度 50℃～ +125℃ 圖 一維傾角傳感器 轉(zhuǎn)換器的選型 MAX197 無(wú)需外接元器件就可獨(dú)立完成 A/D 轉(zhuǎn)換功能。 15176。所以它其實(shí)是運(yùn)用慣性原理的一種加速度傳感器。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(cè)量行程大、精度高的傳感器，行程從幾百毫米至十幾米不等。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(duì)外力產(chǎn)生反作用力，達(dá)到相對(duì)靜平衡；其次，它要產(chǎn)生一個(gè)高品質(zhì)的應(yīng)變場(chǎng)（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(hào)的轉(zhuǎn)換任務(wù)。檢測(cè)吊繩長(zhǎng)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(hào) 。 PID 控制原理簡(jiǎn) 11 單，使用方便，適應(yīng)性強(qiáng)，對(duì)模型依賴較少。第一階段使用線性控制器使載荷在目標(biāo)位置能穩(wěn)定。運(yùn)用一個(gè)線性狀態(tài)反饋器來(lái)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(lái)調(diào)整增益適應(yīng)繩長(zhǎng)的變化。 取 , , ,xx?? 為系統(tǒng)的狀態(tài)變量， ,x? 為系統(tǒng)的輸出變量，令 , , , Txx???????x ， uF? ，? ?, Tx ??y ，則由式（ 26）可得： （ 27） （ 28） 將式（ 27）代入式（ 28）可得： （ 29） 經(jīng)過(guò)整理可以得到： （ 210） 從而可得系統(tǒng)的 狀態(tài)空間描述方程為： 2( ) c o s s i nc o s s i n 0c l l ll l lm m x m l m l x Fm l m x m g? ? ? ? ?? ? ?? ? ? ? ? ???? ? ???cos sinxgl??? ??2c o s s inllclu m l m l xx mm? ? ? ? ?? ? ?? ?222c o s s in c o s s inc o s s in c o s s inllcll l lclxgu m l m l xlxmmu m x m g m l xmm?? ? ? ? ?? ? ? ? ? ??? ? ?? ?? ? ? ???22sin c o s sinsinllclu m g m l xx mm? ? ? ? ??? ? ?? ? 9 （ 211） 22sin c o s sinsinc o s sin1 0 0 00 0 1 0llclxx u m g m l xx mmxgl? ? ? ? ??? ?? ??? ??? ????? ? ??????????? ?????????? ??????? ??????? ??????xyx 10 第 3章 方案論證 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(duì)設(shè)計(jì)提出以下控制方法： （ 1）最優(yōu)控制。 0sincosccllmmmmxxyx x lyl????? ??????? ??0s in c o sc o s s inccllmmmmxxyx x l ly l l? ? ?? ? ???? ??? ? ? ??? ???222 2 2 22 2 2 2112211( ) ( )2211( ) ( 2 s in 2 c o s )22clc c l lc m l mc m m l m mc l cT m v m vm x y m x ym m x m l l x l x l? ? ? ???? ? ? ?? ? ? ? ? ?12()( ) c os( ) sinlld T T Fxdt x xd T T F m gdt lld T T m gldt???????? ? ? ?? ??? ???? ? ?? ???? ??? ? ?? ???21222( ) sin c o s 2 c o s sinsin c o s2 c o s sin 0c l l l l ll l l ll l l lm m x m l m l m l m l x Fm l m x m l m g Fm l m ll m x l m g l? ? ? ? ? ? ? ?? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ??? ? ? ? ??? ? ? ? ??? 8 式（ 25）即為考慮繩長(zhǎng)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。 （ 2）鋼絲繩的質(zhì)量相對(duì)于吊物的質(zhì)量可以忽略不計(jì)。對(duì)重物的快速吊運(yùn)與定位問(wèn)題可以抽象為：求小車在所受的外力 ()Ft 的作用下，使得小車能在最短的時(shí)間 st 由 A 點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到 B 點(diǎn)，且 ()st? ?? ， ?為系統(tǒng)允許的 最大擺角。 （ 4）橋式吊車防擺控制器的仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析。他們先對(duì)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)。 韓國(guó)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。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。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。 翹班梁式減搖裝置。主要有以下幾種方式： 交叉鋼絲繩減搖裝置。 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(chǎng)合不斷擴(kuò)大，貨物調(diào)運(yùn)量也越來(lái)越大，單純依靠人工操作吊車來(lái)調(diào)運(yùn)貨物的工作方式越來(lái)越成為阻礙貨物快速調(diào)運(yùn)的瓶頸。 吊車的體積和容量因應(yīng)用場(chǎng)合不同而異，但絕大多數(shù)場(chǎng)合都要求它們的運(yùn)輸速度應(yīng)盡可能地快，這樣會(huì)提高生產(chǎn)效率。針對(duì)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(duì)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(duì) PID 控制策略進(jìn)行了數(shù)字實(shí)現(xiàn)。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(guò)程中不可避免的會(huì)產(chǎn)生擺動(dòng) ，這種擺動(dòng)不僅可能損壞貨物，而且容易引發(fā)生產(chǎn)事故。 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。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。它是由日本日立制作所研究的。這種減搖裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作容易，工作平穩(wěn)，而且減搖效果較為理想。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)。 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。試用非線性控制方法對(duì)吊車系統(tǒng)進(jìn)行 4 控制器的設(shè)計(jì)解決了因線性化帶來(lái)的簡(jiǎn)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)。 針對(duì)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。 建模機(jī)理 該問(wèn)題為多剛體、多自由度、多約束的質(zhì)點(diǎn)系動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。 （ 3）鋼絲繩的剛度足夠大，其長(zhǎng)度變化可以忽略不計(jì)。 考慮到實(shí)際情況，在吊車水平運(yùn) 動(dòng)過(guò)程中，總是將提升電機(jī)制動(dòng)，使繩長(zhǎng)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。模擬計(jì)算機(jī)對(duì)礦石卸載起重機(jī)的動(dòng)力特性做了仿真。在一個(gè)模型上驗(yàn)證過(guò)，結(jié)果表明，位置有靜差，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中擺角在 10 左右，而且時(shí)變參數(shù)方案在小車定位的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)狀態(tài)不穩(wěn)定。為了使載荷停住，小車分兩個(gè)階段減速。 總體方案設(shè)計(jì) 本設(shè)了實(shí)現(xiàn)天車吊鉤防擺。 測(cè)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(cè)量變?yōu)殡娮枳兓瘻y(cè)量。 檢測(cè)電路的功能是把電阻應(yīng)變片的電阻變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷狠敵觥? 拉繩位移傳感器的信號(hào)輸出方式分為數(shù)字信號(hào)輸出和模擬信號(hào)輸出， 數(shù)字輸出型可以選擇增量旋轉(zhuǎn)編碼器、絕對(duì)值編碼器等，輸出信號(hào)為方波 ABZ 信號(hào)或格雷碼信號(hào)，行程最大可以做到 15000毫米，線性精度最大 %，分辨力根據(jù)配置不同最大可以達(dá)到 /脈沖。其特點(diǎn)是： 硅微機(jī)械傳感器測(cè)量 (MEMS)以水平面為參面的雙軸傾角變化。 /177。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。 AT89S51 單片機(jī) 的 腳用做判讀高、低位數(shù)據(jù)的選擇線，直接與 HBEN 腳相連。由 WRXFER 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(kāi)始 D/A 15 轉(zhuǎn)換。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(duì)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(guò)流 /過(guò)壓 /過(guò)載保護(hù)等功能。再經(jīng)相應(yīng)的檢測(cè)電路 , 把這一電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào) (電壓或電流 ) 輸出 , 從而完成將外力變換為電信號(hào)的過(guò)程。測(cè)量輸出信號(hào)可以得出運(yùn)動(dòng)物體的位移、方向或速率。 圖 角度檢測(cè)電路 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN u m b e r R e v i s i o nS i z