【正文】 其感應(yīng)元件作為檢測裝置，后 2種屬于非接觸式的自動 調(diào) 平系統(tǒng)。工業(yè)上用的控制系統(tǒng)，根據(jù)有無反饋作用可分為兩類：開環(huán)控制和閉環(huán)控制。采用的是超聲波測距原理，每側(cè)牽引大臂上固定一條鋁合金梁 (平均梁 )，朝下布置多個聲納傳感器 (一般為四個 )。 (2)該系統(tǒng)選在路面上方，與路面非接觸，消除了壓痕及沾輪現(xiàn)象，而且可以回避各種溝蓋、接縫等的影響，平地效果好。就液壓系統(tǒng)來說，控制器控制信號的發(fā)出到電磁換向閥的響應(yīng)再到油缸 的運動直至達(dá)到要求的位置需要一個響應(yīng)時間，而這段時間內(nèi)，控制器對鏟刀的位置也同時在不停的檢測，在油缸還沒達(dá)到要求位置時， A／ D所采集的信號并沒有真實的反映控制信號的控制效果，如果這時候控制器對這段時間內(nèi)采集的信號進(jìn)行處理，結(jié)果將導(dǎo)致鏟刀始終在不停的上下移動，不斷在調(diào)整自身的狀態(tài)。這時系統(tǒng)保持高度誤差顯示，同時通過“增 和“減”兩個按鍵來控制鏟刀的升降。與電磁閥連接容易，因為 PLC的輸出形式為數(shù)字脈沖形式，可以通過開關(guān)量輸出組件輸出電平信號省去了 o／ a轉(zhuǎn)換，直接驅(qū)動電磁閥、電磁繼電器和電磁開關(guān)等：同時可以大量節(jié)省外圍驅(qū)動電路。隨著現(xiàn)代測量和自動化技術(shù)的發(fā)展，傳感器在各方面領(lǐng)域的地位越來越重要，如工業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)境保護(hù)、醫(yī)學(xué)等，它的使用已經(jīng)滲入到我們?nèi)粘５纳钪小? 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 15 ②超聲波頻率影響 超聲波測距傳感器的換能器當(dāng)收到機(jī)械回波信號后立即輸出電信號，電信號 (接收信號 )的幅值隨時間的變化規(guī)律簡圖如圖 3． 3所示。電磁閥接到信號后，根據(jù)信號的不同做出不同的響應(yīng)，使得牽引點的工作油缸上腔或下腔進(jìn)油，讓牽引點回到原來的高度 (即剛開始設(shè)定的基準(zhǔn)值 )，于是，鏟刀也就相應(yīng)的回到的原來的設(shè)定的位置?，F(xiàn)在分析鏟刀的運動規(guī)律。PID控制具有設(shè)計簡，參數(shù)調(diào)整直觀、方便、適應(yīng)強(qiáng)等優(yōu)點，是工業(yè)過程控制領(lǐng)域中最 為常用的控制方法。 關(guān)鍵控制參數(shù)的確定 在 車載自動調(diào)平 控制系統(tǒng)設(shè)計中，一些控制參數(shù)的選取直接決定了控制器的控制性能。 自動調(diào)平 控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 車載 在工作過程中，超聲波傳感器不斷采集路面的工況，經(jīng)過信 號處理模塊 (濾波、放大、 A／ D轉(zhuǎn)換等 )，輸入給單片機(jī)，單片機(jī)對信號進(jìn)行運算處理，然后與數(shù)據(jù)存儲模塊中的設(shè)定基準(zhǔn)值進(jìn)行比較求其偏差，經(jīng)過單片機(jī)處理運算后輸出控制量。 (3)控制 信號引腳 RST，創(chuàng)．正， PSEN和 EA RST／ VpD(9腳 )： RST是復(fù)位信號輸入端，高電平有效。 當(dāng)輸入信號 EA引腳接低電平 (接地 )時， CPU只訪問外部 EPROM/ROM并執(zhí)行外部程序存儲器的指令，而不管是否有片內(nèi)程序存儲器。 按鍵輸入處理程序的框圖如圖所示。LFl98的邏輯輸入全部為具有低輸入電流的差動輸入，允許直接的差動輸入，允許直接與 TTL、 PMOS、 CMOS電平相聯(lián)。它可以直接與 Z80、808 8080、 8031等 CPU相連，也可以獨立使用。 采用 74LS377擴(kuò)展 8051單片機(jī) 8位輸出口的邏輯線路如圖所示 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 35 用 74LS377擴(kuò)展 8051的輸出口 系統(tǒng)狀態(tài)顯示模塊 車載 在工作過程中， 自動調(diào)平 系統(tǒng)必須根據(jù)其運行的狀態(tài)以一定的方式通知操作人員 車載 目前的運行狀況。 (a) 共陽極接法； （ b)共陰極接法 七段 LED顯示器需要由驅(qū)動電路驅(qū)動。如圖所示 MAX7219和 8051的硬件并行接口方式 后向通道設(shè)計 車載自動調(diào)平 控制系統(tǒng)的后向通道主要是指 PWM信號的驅(qū)動電路，電磁換向閥兩端的電磁鐵的驅(qū)動功率為 35W，單片機(jī)輸出的 PWM信號功率很小，不足以驅(qū)動電磁閥工作，所以在后向通道中，我 們必須加上一個驅(qū)動電路來提高 PWM控制信號的驅(qū)動能力。使用時公共陽極接 +5V。本系統(tǒng)采用 74LS377擴(kuò)展 8位輸出口，這類 I／ O口具有體積小、價格低、無需初始化、 使用方便等優(yōu)點，因而得到了廣泛的應(yīng)用。 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 32 CD4501 原理電路圖 A／ D轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計 單片機(jī)只能對數(shù)字信號進(jìn)行處理，所以我們必須對模 擬信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使它轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能夠處理的數(shù)字信號，而 A／ D轉(zhuǎn)換器就具有此功能，它是將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號最常用的器件。 LFl98／ 298／ 398是由雙級型絕緣柵場效應(yīng)管組成的采樣保持電路，它具有采樣速度快，保持下降速度慢，以及精度高等特點。圖中74LSl4為史密特反向器，可以消除輸入電平緩慢上升過程中輸出信號的毛刺。 P3口與其他 I／ O端口有很大區(qū)別，它除作為一般準(zhǔn)雙向口 I／ O m多 39。 PSEN端有效，即允許讀出 EPROM/ROM中的指令碼。 (2)時鐘電路引腳 XTALl和 XTAL2 XTALl(18腳 )：接外部晶體和微調(diào)電容的一端；在 8051片內(nèi)它是振蕩電路反相放大器的輸出端，振蕩電路的頻率就是晶體固有頻率?？刂破鬏敵龅?PWM波的占空比按一定比例變化 (占空比的變化在 1096_90％之間 )。在 自動調(diào)平 控制系統(tǒng)設(shè)計時，必須采用一個有效的方法來消除這些干擾源對系統(tǒng)控制精度的影響。因此本環(huán)節(jié)可簡化為一具有死區(qū)的飽和非線性環(huán)節(jié)，其數(shù)學(xué)模型可表示為： (14) 式中 U一控制器的輸出， A； D一死區(qū)范圍， m； S一脈沖區(qū)高度偏差上限， m； e一高度偏差， m； k放大系數(shù)， A／ m； sign(e)一取 e的符號。本系統(tǒng)將輸出的 PWM控制信號頻率設(shè)定為 3Hz，通過改變 PWM信號的占空比來控制電磁閥的通斷時間，從而達(dá)到對鏟刀的精確控制。再經(jīng)油缸活塞桿的伸縮來控制牽引架繞前鉸點上下擺動，從而達(dá)到對平地鏟刀高度的精確把握。 測試精度影響因素：在式 (3． 1)中，聲波在介質(zhì)中的傳播速度 C受多種因素影響，是一個變量；聲時 t由計時電路測量，并隨被測距離的改變而變化。工控機(jī)本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功耗多，價格較高。對于一些比較復(fù)雜的控制，其計算量往往很大，這樣，計算速度將直接影響控制精度。 具有靈敏度設(shè)置功能，使 車載 在不同的施工環(huán)境和平整不同等級的路面時能對靈敏度進(jìn)行調(diào)整，通過合 理設(shè)置很好的協(xié)調(diào)好保證路面平整度要求和減小 自動調(diào)平系統(tǒng)振蕩兩者之間的矛盾。譬如，本系統(tǒng)采用的是超聲波傳感器，利用的是超聲波測距原理：依靠超聲波的傳播速度和聲時來計算探頭到目標(biāo)的距離的。由于該參照面是處于一定空間高度的穩(wěn)定平面，因而不受機(jī)群作業(yè)和其它因素的干擾。 非接觸式 自動調(diào)平 控制系統(tǒng)的分析與比較 近年來隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，交通基礎(chǔ)設(shè)施投入增大，對高等級公路建設(shè)的質(zhì)量要求也越來越高， 自動調(diào)平 系統(tǒng)是現(xiàn)代 車載 的重要標(biāo)志之一，對 車載 的性能及路面的平整質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。脈沖信號根據(jù)偏差的大小成正比例變化，其變化方式主要有改變脈沖寬度 (PWM)和脈沖頻率 (PFW)。工作時油泵輸出壓力經(jīng)過 2個流量閥排出定量的油液，在電磁閥的控制下經(jīng)液控單向閥進(jìn)入油缸，油缸活塞桿的伸縮控制牽引架的降低與抬高，保持刮刀的位置不變，達(dá)到路面的平整度標(biāo)準(zhǔn)。此系統(tǒng)采用微處理器來自動控制縱坡和橫坡。 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 2 20世紀(jì) 70年代初期，研究人員在手動 調(diào) 平系統(tǒng)的基礎(chǔ)上研發(fā)出早期的自動 調(diào) 平系統(tǒng)。南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 1 引言 1． 1 選題的依據(jù) ： 車載 是一種以刮土鏟刀為主，并配有其他多種輔助作業(yè)裝置，進(jìn)行土壤的切削、刮送和整平等作業(yè)的土方工程建設(shè)機(jī)械，其效率高、作業(yè)精度高、功用多，可進(jìn)行路基、路面的整形；礫石或砂石路的維修；挖溝、草皮或表層土的剝離；修刮邊坡等切削平整作業(yè)，被廣泛用于公路、鐵路、機(jī)場、停車場等大面積場地的整平，也被用于進(jìn)行農(nóng)田整地、路堤整形及林區(qū)道路的整修等。它是靠移動牽引架 來改變平地鏟刀的升降。與此同時，還提供一個自身故障診斷系統(tǒng)。 工作裝置：工作裝置即鏟刀。傳感器檢測出偏差信號進(jìn)入脈沖區(qū)后，調(diào)節(jié)器根據(jù)信號的大小，以不同寬度或頻率的脈沖信號推動電磁閥動作，使得油缸工作。非接觸式 自動調(diào)平 系統(tǒng)在 20世紀(jì) 90年代就被用于工程機(jī)械的找平控制中，它的許多優(yōu)點使 車載 的質(zhì)量和效益得到了極大的提高，為施工企業(yè)帶來了顯著的經(jīng)濟(jì)效益，因此從推廣以來已逐步地在世界各地得到了廣泛使用。激光接收器的功用是接收激光發(fā)射器發(fā)來的高程光信號，并根據(jù)相對基準(zhǔn)參照面的高度變化將光信號轉(zhuǎn)換成變化的電信號，并傳輸?shù)娇刂破?。影響超聲波傳播速度的因素很多，在道路施工中，溫度、風(fēng)力、煙氣是重要的影響因素。 系統(tǒng)也應(yīng)該具有控制窗口設(shè)計功能， 車載自動調(diào)平 系統(tǒng)的基準(zhǔn)是通過超聲波傳感器設(shè)定，在整平的過程中，由于路基高度的突變，超出了正常的工作范圍，超聲波傳感器會檢測到這種變化，輸出的高度信號也會突變，于是引起了控制器的強(qiáng)烈反應(yīng)，控制器輸出信號控制液壓油缸，導(dǎo)致路面出現(xiàn)一個明顯的凹凸。 2．可編程控制器 (PLC)：順序控制、運動控制、過程控制等。 單片機(jī)有較高的運算速度，開發(fā)成本低，結(jié)構(gòu)簡單，易于開發(fā)；另外，單片機(jī)的應(yīng)用已經(jīng)非常的廣泛，具有許多可以借鑒的經(jīng)驗，為控制器的設(shè)計帶來方便。式 (1)兩邊微分得到 ds=(cdt+tdc)／ 2 （ 2） 式 (2)說明，超聲波測距傳感器的測試精度是由聲時和聲速兩個參數(shù)的精度決定。 在工作過程中，首先通過控制器設(shè)定整平基準(zhǔn)，當(dāng)平整路面發(fā)生上下起伏的變化時，南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 17 牽引架會發(fā)生上下移動，所以它也會帶著鏟刀一起升降，同時安裝在牽引架上的超聲波傳感器也共同升降。 系統(tǒng)對工作油缸的行程控制采用分步進(jìn)行的方式，通過超聲波傳感器檢測到的高度信南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 18 號，與系統(tǒng)設(shè)定的基準(zhǔn)高度相比較，如果高度誤差超出了系統(tǒng)設(shè)定的靈敏度范圍，那么對油缸的運動采取恒速控制 (即使電磁閥始終處于常開狀態(tài) )；若高度誤差在靈敏度范圍之內(nèi) (即進(jìn)入了所謂的脈沖區(qū) )，那么控制器將對電磁閥相應(yīng)一端的電磁鐵供以脈沖信號， 通過控制電磁閥的通斷時間使得油缸的運動速度放慢，以較小的速度逼近理想狀態(tài)。 控制算法的設(shè)計 PID控制是指通過對被控參數(shù)的偏差施加比例作用、積分作用和微分作用(Proportional+Integral+Deviative，縮寫為 PID)給出控制器的輸出。在本系統(tǒng)中，為保證系統(tǒng)能夠在惡劣的環(huán)境下正常工作，保證一個穩(wěn)定的控制精度，采用軟硬件相結(jié)合的方法，對干擾信號進(jìn)行多重處理。 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 24 脈寬調(diào)節(jié)示意圖 恒速調(diào)節(jié)區(qū)：所謂恒速調(diào)節(jié)區(qū)是指當(dāng)路面高度誤差超出系統(tǒng)設(shè)置的靈敏度值范圍時， P1jI『 M波輸出為持續(xù)高電平，這樣就使得電磁閥處于常開狀態(tài)，工作油缸以最大速度移動 (如圖所示 )，使得當(dāng)路面的波動較大時鏟刀能夠在最短的時間內(nèi)調(diào)整過來。若需采用外部時鐘電路時，該引腳輸入外部時鐘脈沖。 PSEN端同樣可驅(qū)動 8個 LS型 TTL負(fù)載。l，每個引腳還具有第二功能 。 采用硬件電路消除觸點抖動需要對每個鍵附 加一套消抖電路，這樣會加大硬件成本。作為單一的放大器時，其電路增益精度為 0． 002％，采樣時間小于鰍 s時精度可達(dá) 0． 001％，采用雙級型輸入狀態(tài)可獲得低偏差電壓和寬頻帶。 A／ D轉(zhuǎn)換器的種類很多，按工作原理可以分為逐次比較型和積分型～ D轉(zhuǎn)換器，按位數(shù)分類有 8位、 10位、 12位、 14位和 16．位 A／ D轉(zhuǎn)換器等。 74LS377是帶有選通輸入的 8D觸發(fā)器。陰極端輸入低電平的段發(fā)光二極管導(dǎo)通點亮，輸入高電平的則不點亮。電路設(shè)計如圖所示。使用時會共陰極接地，陽極端輸入高 ， 電平的段發(fā)光二極管導(dǎo)通點亮，輸入低電平的則不點亮。當(dāng) E為低電平時， CP脈沖的上升沿把 D端的數(shù)據(jù)送到 Q端，并加以鎖存。芯片內(nèi)部除 A／ D轉(zhuǎn)換部分外還有多路模擬開關(guān)及其地址譯碼鎖存器，三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器等電路?？偟脑O(shè)計保證 是，即使是在輸入信號等于電源電壓時，也可以將輸入饋送到輸出端。 為了保證按鍵每輸入一次僅作一次處理，需要在程序結(jié)構(gòu)中加以考慮。在 車載 工作過程中，通過幾個按鍵設(shè)定控制器的工作參數(shù)，控制鏟刀的工作 狀態(tài)，實現(xiàn)系統(tǒng)的精確控制。 當(dāng) EA引腳接高電平時， CPU只訪問片內(nèi) EPROM／ ROM并執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令，但當(dāng) PC(程序計數(shù)器 )的值超過 0FFFH，將自動轉(zhuǎn)去執(zhí)行片外程序存儲器內(nèi) 的程序。在采用外部時鐘時，該引腳必須接地。 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 25 數(shù)字控制器的硬件設(shè) 計 概述 數(shù)字控制器的組成 數(shù)字控制器結(jié)構(gòu)如圖 4． 1所示，主要包括單片機(jī)基本系統(tǒng)、電源模塊、液晶顯示模．塊、鍵盤輸入、信號處理模塊及驅(qū)動電路等部分。這在第四五章將作介紹。調(diào)整三者的作用強(qiáng)度，就可以改變整個生產(chǎn)過程的運行特性。 控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型及控制算法的確定 控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 工作裝置的數(shù)學(xué)模型 設(shè)定 車載 鏟刀所受的阻力保持不變，則鏟刀的運動將沿著牽引點的作用點連線方向，可建立如圖所示的運動關(guān)系。 這個偏差信號被控