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正文內(nèi)容

論文-基于單片機的擊劍比賽防守性機器人系統(tǒng)設(shè)計在制作(編輯修改稿)

2025-07-13 06:35 本頁面
 

【文章內(nèi)容簡介】 計數(shù)器,兩個外部中斷,可以在線編程,因此選用此芯片作為控制器比較合適(在下一節(jié)里還會對此芯片做一簡要介紹),可以用它來構(gòu)建最小系統(tǒng)。由于此系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)不算復(fù)雜,我們可以選用 12MHz 的晶振。單片機有三種復(fù)位電路:上電復(fù)位、按鍵電平復(fù)位、按鍵脈沖復(fù)位。本次設(shè)計采用按鍵 脈沖復(fù)位方式。為保證單片機可靠復(fù)位脈沖寬度應(yīng)大于兩個機器周期( 24 個時鐘周期)。最小系統(tǒng)如圖 圖 2.. 單片機最小系統(tǒng)電路圖 直流電機的驅(qū)動 一個電動小車整體的運行性能,首先取決于它的電池系統(tǒng)和電機驅(qū)動系統(tǒng)。電動小車的驅(qū)動系統(tǒng)一般由控制器、功率變換器及電動機三個主要部分組成。電動小車的驅(qū)動不但要求電機驅(qū)動系統(tǒng)具有高轉(zhuǎn)矩重量比、寬調(diào)速范圍、高可靠性,而且電機的轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)速特性受電源功率的影響,這就要求驅(qū)動具有盡可能寬的高效率區(qū)。我們所使用的電機一般為直流電機,主要用到永磁直流電機、 伺服電機及步進電機三種。直流電機的控制很簡單,性能出眾,直流電源也容易實現(xiàn)。 直流電機驅(qū)動電路使用最廣泛的就是 H型全橋式電路,這種驅(qū)動電路可以很方便實現(xiàn)直流電機的四象限運行,分別對應(yīng)正轉(zhuǎn)、正轉(zhuǎn)制動、反轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)制動。它的基本原理圖 、結(jié)構(gòu)如圖 。 全橋式驅(qū)動電路的 4只開關(guān)管都工作在斬波狀態(tài), Q Q4 為一組,Q Q3 為另一組,兩組的狀態(tài)互補,一組導(dǎo)通則另一組必須關(guān)斷。當(dāng) Q Q4 導(dǎo)通時, 夢想科技社區(qū) 科技改變生活 Q Q3 關(guān)斷,電機兩端加正向電壓,可以實現(xiàn)電機的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)制動;當(dāng) Q Q3 導(dǎo)通時, Q Q4 關(guān)斷,電機兩端為反向電 壓,電機反轉(zhuǎn)或正轉(zhuǎn)制動。在小車動作的過程中,我們要不斷地使電機在四個象限之間切換,即在正 轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)之間切換,也就是在 QQ4 導(dǎo)通且 Q Q3 關(guān)斷,到 Q Q4關(guān)斷且 Q Q3 導(dǎo)通,這兩種狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。在這種情況下,理論上要求兩組控制信號完全互補,但是,由于實際的開關(guān)器件都存在開通和關(guān)斷時間,絕對的互補控制邏輯必然導(dǎo)致上下橋臂直通短路,比如在上橋臂關(guān)斷的過程中,下橋臂導(dǎo)通了。因此,為了避免直通短路且保證各個開關(guān)管動作之間的協(xié)同 性和同步性,兩組控制信號在理論上要求互為倒相的邏輯關(guān)系,而實際上卻必須相差一個足夠的死區(qū)時間,這個矯正過程既可以通過硬件實現(xiàn),即在上下橋臂的兩組控制信號之間增加延時,也可以通過軟件實現(xiàn) 。 圖 直流電機 H型驅(qū)動電路 在控制系統(tǒng)中,通常用電樞電壓作控制信號,電壓的大小與電機的轉(zhuǎn)速成正比,改變電壓極性,電機運轉(zhuǎn)方向也隨之改變。根據(jù)電樞反應(yīng)原理,電機轉(zhuǎn)速公式為: ( ) 式中 U—— 電樞端電壓 I—— 電樞電流 R—— 電樞電路總電阻 K—— 電機結(jié)構(gòu)參數(shù) ? —— 磁極磁通量 改變電機的轉(zhuǎn)速,可通過改變電樞兩端的電壓來實現(xiàn)。 圖 是利用開關(guān)管對直流電機進行 PWM 調(diào)速控制的原理圖和輸入輸出電壓波形圖。在圖 中,當(dāng)開關(guān)管MOSFET 的柵極輸入高電平時,開關(guān)管導(dǎo)通,電機電樞兩端的電壓為 Us, t1秒后,柵極輸入變?yōu)榈碗娖?,開關(guān)管截止,電樞兩端電壓變?yōu)?0。 t2 秒后,柵極電壓又變?yōu)楦唠娖剑_關(guān)管重復(fù)前面的動作過程。這樣,對應(yīng)著輸入 電平的高低,直流電動機電樞兩端的電U IRn K??? 夢想科技社區(qū) 科技改變生活 壓波形圖如圖所示。電機電樞兩端電壓的平均值 0U 為: ( ) 式中, ? —— 占空比, 占空比 ? 表示在一個周期 T 里,開關(guān)管導(dǎo)通的時間與周期的比值。 ? 的變化范圍為0< ? < 1,由式可知,當(dāng)電源兩端電壓 su 不變的情況下,電樞端電壓的平均值 0u 取決于占空比 ? 的大小。改變 ? 的大小就可以改變端電壓的平均值,從而達到調(diào)速的目的。 但實際的應(yīng)用中還需加續(xù)流管等其它元件,圖 ( b)是一個實際的標準雙極性PWM 功率放大器。它是一個典型的 H 型功放,四個功放管分別采用 NPN 型達林頓管TIP122 和 PNP 型達林頓 TIP127。 PWM 脈沖信號通過光電耦合 4N35 加到晶體管的輸入端。 4N35 的作用是把控制電源和驅(qū)動電源隔離,以免驅(qū)動電源不穩(wěn)定影響整個控制系統(tǒng);同時, 4N35 的輸出端還提供功放的基極驅(qū)動電流。 圖 ( b) 標準的 PWM 功放電路 系統(tǒng)工作過程如下:當(dāng) PWM1 端變?yōu)榈碗娖角?PWM2 端為高電平時,功放管 T2/T3導(dǎo)通。 T1/T4 截止,電機的電流從左到右,電機正轉(zhuǎn);反之反轉(zhuǎn)。二極管 D D DD4 是續(xù)流二極管,在晶體管切換時提供電流通路,并聯(lián)在二極管兩端的電容電阻也起續(xù)流作用。 目前,針對中小型 PWM 功放電路已經(jīng)有 現(xiàn)成的集成分立元件出售,由于所有的PWM 功能集成在一塊芯片上,使得這些集成分立器件可靠性高,性能好,使用方便。對原來的分立元件電路需要調(diào)定各種參數(shù),麻煩又需要經(jīng)驗,故能用集成就用集成的為1 10120s sstu tu u ut t T?? ? ? ??1tT?? 夢想科技社區(qū) 科技改變生活 好。 如圖 ( C)所示, 采用市面易購的電機驅(qū)動芯片 L293D,該芯片是利用 TTL 電平進行控制,對電機的操作方便,通過改變芯片控制端的輸入電平,即可以對電機進行正反轉(zhuǎn)操作,很方便單片機的操作,亦能滿足直流減速電機的要求 。 圖 ( c) L293D驅(qū)動電機電路 電機驅(qū)動芯片 L293D。 L293D 是著名的 SGS 公司的產(chǎn)品。為單塊集成電路,高電壓,高電流,四通道驅(qū)動,設(shè)計用來接收 DTL 或者 TTL 邏輯電平,驅(qū)動感性負 載 (比如繼電器,直流和步進馬達 ),和開關(guān)電源晶體管。內(nèi)部包含 4 通道邏輯驅(qū)動電路。其額定工作電流為 1A,最大可達 , Vss電壓最小 ,最大可達 36V; Vs 電壓最大值也是 36V,經(jīng)過實驗, Vs 電壓應(yīng)該比 Vss電壓高,否則有時會出現(xiàn)失控現(xiàn)象。表 是其使能、輸入引腳和輸出引腳的邏輯關(guān)系。 表 引腳和輸出引腳的邏輯關(guān)系 EN A( B) IN1( IN3) IN2( IN4) 電機運行情況 H H L 正轉(zhuǎn) H L H 反轉(zhuǎn) H 同 IN2 ( IN4 ) 同 IN1( IN3) 快速停止 L X X 停止 夢想科技社區(qū) 科技改變生活 圖 ( d) L293D 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 L293D 可直接的對電機進行控制,無須隔離電路。通過單片機的 I/O 輸入改變芯片控制端的電平,即可以對電機進行正反轉(zhuǎn),停止的操作,非常方便,亦能滿足直流減速電機的大電流要求。調(diào)試時在依照上表,用程序輸入對應(yīng)的碼值,能夠?qū)崿F(xiàn)對應(yīng)的動作,調(diào)試通過。恒壓恒流橋式 1A驅(qū)動芯片 L293D 圖 ( d) 是其內(nèi)部邏輯框圖 圖 ( e)是其與 51單片機連接的電路原理圖 圖 ( e) L293D 與 89C51 連接驅(qū)動電機 另外還要注意一點,電動機在啟動時的電流很大,會引起電源波動。如果電動機和單片機系統(tǒng)共用一個電源,這將會對程序運行造成很大的影響。所以最好還是把這兩者 夢想科技社區(qū) 科技改變生活 的供電電源分開。 算法的研究 現(xiàn)代的精確控制幾乎都是用 PID 算法, 按偏差的比例、積分和微分進行控制的調(diào)節(jié)器簡稱為 PID 調(diào)節(jié)器,是連續(xù)系統(tǒng)中技術(shù)成熟、應(yīng)用最為廣泛的一種調(diào)節(jié)器。 PID 調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)簡單,參數(shù)易 于調(diào)整,在長期應(yīng)用中已積累了豐富的經(jīng)驗。特別在工業(yè)過程中,由于控制對象的精確數(shù)學(xué)模型難以建立,系統(tǒng)的參數(shù)又經(jīng)常發(fā)生變化,運用現(xiàn)代控制理論分析綜合往往不能得到預(yù)期的效果,所以人們常采用 PID 調(diào)節(jié)器,并根據(jù)經(jīng)驗進行在線參數(shù)整定。 模擬 PID 調(diào)節(jié)器是一種線形調(diào)節(jié)器,這種調(diào)節(jié)器是將設(shè)定值 w 與實際輸出值 y 進行比較構(gòu)成控制偏差 wye ?? ( ) 并將其比例、積分、微分通過線形組合構(gòu)成控制量,如圖 (a)所示。 圖 ( a) 模擬 PID控制 在實際的應(yīng)用中,根據(jù)對象的特性和控制要求,可以靈活地改變其結(jié)構(gòu),取其中的一部分環(huán)節(jié)構(gòu)成控制規(guī)律。例如,比例( P)調(diào)節(jié)器、比例積分( PI)調(diào)節(jié)器、比例微分( PD)調(diào)節(jié)器,其階越響應(yīng)曲線如圖 (b)所示。 PID 調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律如下 ? ???? t di udtdeTe dtTeKu 0 0)1( ( ) 式中: K 為比例系數(shù), iT 為積分時間, dT 為微分時間, 0u 為控制量的基準,也就是 e=0時的控制作用。 在工業(yè)過程控制中,模擬 PID 調(diào)節(jié)器有電動、氣動、壓動等多種類型。這類模擬調(diào)節(jié)儀表是用硬件來實現(xiàn) PID 調(diào)節(jié)規(guī)律的。自從計算機進入控制領(lǐng)域以來,用計算機軟件來實現(xiàn) PID 調(diào)節(jié)算法不但成為可能,而且具有更大的靈活性。 被控對象 pK sKi/ sKd 夢想科技社區(qū) 科技改變生活 圖 (b)各種調(diào)節(jié)器的階越響應(yīng)曲線 由于計算機控制是一種采樣控制,它只能根據(jù)采樣時刻的偏差計算控制量,因此式( )中的積分和微分項不能直接準確計算,只能用數(shù)值計算 的方法逼近。在采樣時刻t=iT (T 為采樣周期 ),式( )所表示的 PID 調(diào)節(jié)規(guī)律可通過數(shù)值公式 ?? ? ????? ij iidjiii ueeTTeTTeKu 0 01 )]([ ( ) 近似計算。如果采樣周期 T 足夠小,這種逼近可相當(dāng)準確,被控過程與連續(xù)控制過程十分接近,我們把這種情況稱為“準連續(xù)控制”。 式( )表示的控制算法提供了執(zhí)行機構(gòu)的位置 iu (如閥門開度 ),所以稱為位置式PID 控制算法。當(dāng)執(zhí)行機構(gòu)需要的不是控制量的絕對數(shù)值,而是其增量(例如去驅(qū)動步進電機)時 ,由式( )可導(dǎo)出提供增量的 PID 控制算法著只要將式: 010 )]([ ueeTTeTTeKu iidij jiii ????? ??? ( ) 及 0211011 )]([ ueeTTeTTeKu iidij jiii ????? ?????? ? ( ) 相減就可以導(dǎo)出下面的公式 ?????? ????????? ???? )2( 2111 iiidiiiiiiieeeTTeTTeeKuuu ( ) 式( )稱為增量式 PID 控制算法。式( )也可進一步改寫為: 22110 ?? ???? iiii edededu ( ) 其中: )1(0 TTTTKd di ??? 夢想科技社區(qū) 科技改變生活 )21(1 TTKd d??? TTKd d?2 可見增量式算法只需要保持現(xiàn)時以前的 3 個時刻的偏差值即可。 增量式 PID 算法與位置式相比,有下列優(yōu)點: ( 1),位置式算法每次輸出與整個過去狀態(tài)有關(guān),計算式中要用到過去偏差的累加值 ??ij je0,容易產(chǎn)生較大的累計誤差。而增量式只需計算增量,當(dāng)存在誤差或精度不足時,對控制量計算的影響較小。 ( 2),控制從手動切換到自動時,必須首先將計算機的輸 出值設(shè)置為原始閥門開度0u ,才能保證無沖擊切換。如果采用增量算法,則由于式中不出現(xiàn) 0u 項,易于實現(xiàn)手動到自動的無沖擊切換。此外,在計算機發(fā)生故障時,由于執(zhí)行機構(gòu)本身有寄存作用,故可仍然保持在原位。 但是增量式 PID 算法也有不足之處: 由于積分截斷誤差大,使系統(tǒng)存在靜態(tài)誤差;溢出的影響較大。 式( )在單片機上還是不容易實現(xiàn),我們可以將其繼續(xù)轉(zhuǎn)換: )2()()( )2()( 211 210100 ??? ?????????? ????????? iiidiipii dpi yyyKyyKyrK eeeKeeKeKu ( ) 其中:TTKKKKTTKK ddpii ??? ,為 PID 參數(shù), 21, ?? iii yyy 為采樣值, r 為輸入的設(shè)定值。 PID 控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下: ( 1)比例環(huán)節(jié):及時成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號 e(t),偏差一旦產(chǎn)生,控制器立即產(chǎn)生控制作用,以減少偏差。 ( 2)積分環(huán)節(jié):主要用于消除靜差,提高系統(tǒng)的無差度。積分作用取決于積分時間常數(shù) Ti, Ti越大,積分作用越弱,反之則越強。 ( 3)微分環(huán)節(jié):能反映偏差信號的變化趨勢(變化速率),并能在偏差信號值變得太大之前,在系統(tǒng)中引入一個有效的早 期
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