【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 芯片大多配有獨(dú)立的乘法器和加法器，使得在同一時(shí)鐘周期內(nèi)可以完成乘、累加兩個(gè)運(yùn)算：低功耗，一般為 0． 539。4W，而采用低功耗技術(shù)的 DSP芯片只有 0． IW，可用電池供電，節(jié)能；驅(qū)動(dòng)電流小，驅(qū)動(dòng)電磁閥需要外加外圍電路。 工控機(jī)具有超過 1000MHz的工作頻率，非常完善的開發(fā)手段，非常豐富的軟件支持，在這些方面， DPS是無(wú)法與之相比的。但是，工控機(jī)并非針對(duì)實(shí)時(shí)信號(hào)處理而設(shè)計(jì)，其數(shù)據(jù)輸入／輸出能力相對(duì)于其處理能力要低得多，其響應(yīng)速度或者 響應(yīng)延遲不能滿足實(shí)時(shí)處理要求。在相同的工作頻率下，工控機(jī)進(jìn)行乘積、 F， I’ F、編解碼等常用數(shù)字信號(hào)處理的速度要比 DPS低得多。工控機(jī)本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功耗多，價(jià)格較高。 單片機(jī)有較高的運(yùn)算速度，開發(fā)成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(yàn)，為控制器的設(shè)計(jì)帶來方便。 通過以上比較和分析，選擇價(jià)格較低，信號(hào)處理能滿足要求的單片機(jī)作為主控制器。 車載自動(dòng)調(diào)平 控制系統(tǒng)的傳感器選擇 傳感器的選擇原則 傳感器是測(cè)試系統(tǒng)的一個(gè)環(huán)節(jié)，擔(dān)負(fù)著信號(hào)轉(zhuǎn)換任務(wù)，如將位移、 力、應(yīng)變、加速度和振動(dòng)等被測(cè)量轉(zhuǎn)換成與之對(duì)應(yīng)的、容易處理和傳輸?shù)碾娏?。隨著現(xiàn)代測(cè)量和自動(dòng)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?。特別是在微控制器技術(shù)高速發(fā)展的今天，傳感器的重要性越來越突出。如果把微控制器比作人的大腦的話，那么傳感器就相當(dāng)于人的五官。只有微控制器而沒有適當(dāng)?shù)膫鞲衅?，微控制器的作用是發(fā)揮不出來的。而相對(duì)于此系統(tǒng)而言傳感器的作用與重要性又顯得特別重要，傳感器選擇的成功與否直接決 定了此控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的命運(yùn)，因此，我們?cè)谠O(shè)計(jì) 這個(gè)系統(tǒng)的初期首先就必須確定目前市場(chǎng)上有沒有符合我們要求的傳感器。同時(shí)必須弄明白其工作原理，這樣才能更好的使用它，更好的明白整個(gè) 自動(dòng)調(diào)平 控制系統(tǒng)。 超聲波傳感器的測(cè)距原理及精度影響因素 超聲波是一種特殊的聲波，它具有聲波傳輸?shù)幕疚锢硖匦裕绶瓷?、折射、散射等。超聲波測(cè)距傳感器就是利用超聲波的方向性、反射性等特性進(jìn)行工作的，它的非接觸性能在工程機(jī)械 自動(dòng)調(diào)平 系統(tǒng)中有著明顯的優(yōu)越性。近年來隨著超聲波技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，超聲波測(cè)距傳感器在 車載 、瀝青混凝土攤鋪機(jī)等非接觸式找平系統(tǒng)南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 14 中得到了廣泛的應(yīng)用。 工作原理：非接觸找平系統(tǒng)中的超聲波測(cè)距傳感器是按照脈沖回波方式工作的，其工作原理如圖所示。 超聲波測(cè)距原理 發(fā)送探頭發(fā)出的超聲脈沖波通過傳播介質(zhì)傳到目標(biāo)表面，有一部分聲波經(jīng)發(fā)射后再通過傳播介質(zhì)返回到接收探頭。在傳播過程中，測(cè)出超聲脈沖 從發(fā)射到接收經(jīng)歷的時(shí)間 (或稱聲時(shí) )，如果確定傳播介質(zhì)的聲速，就能計(jì)算出從探頭到目標(biāo)之間的距離，測(cè)距公式如下： S=Ct／ 2 （ 1） 式中： S—— 探頭到目標(biāo)的距離， m； C—— 聲波在介質(zhì)中的傳播速度， m／ s； t一聲時(shí)， s。 測(cè)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(gè)變量；聲時(shí) t由計(jì)時(shí)電路測(cè)量，并隨被測(cè)距離的改變而變化。式 (1)兩邊微分得到 ds=(cdt+tdc)／ 2 （ 2） 式 (2)說明，超聲波測(cè)距傳感器的測(cè)試精度是由聲時(shí)和聲速兩個(gè)參數(shù)的精度決定。 i)聲時(shí)的影響 有兩個(gè)重要因素影響聲時(shí)的精度：計(jì)時(shí)電路的計(jì)時(shí)頻率和超聲波頻率。 ①計(jì)時(shí)電路的計(jì)時(shí)頻率影響 取 C為常數(shù)，則式 (2)為： ds=Cdt／ 2 （ 3) 假設(shè)計(jì)時(shí)頻率為 f， 則式 (3)為： ds=C／ 2f (4) 式 (4)表明：計(jì)時(shí)電路的計(jì)時(shí)頻率越大，傳感器的測(cè)試精度越高。 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(cè)距傳感器的換能器當(dāng)收到機(jī)械回波信號(hào)后立即輸出電信號(hào)，電信號(hào) (接收信號(hào) )的幅值隨時(shí)間的變化規(guī)律簡(jiǎn)圖如圖 3． 3所示。如果取 A點(diǎn)所在的水平電信號(hào)為觸發(fā)計(jì)時(shí)電路的閥值，那么，計(jì)時(shí)電路的觸發(fā)工作時(shí)間比接收信號(hào)的開始時(shí)間滯后約2個(gè)周期，在單程測(cè)試距離內(nèi)將產(chǎn)生 1個(gè)聲波波長(zhǎng)的誤差，即 △ S=CT (5) 式中： T一超聲波的周 期， s。 接收信號(hào) 所以，超聲波頻率越大，周期就越小，傳感器的測(cè)試精度越高。但在選用超聲波換能器時(shí)，還應(yīng)考慮到超聲波換能器的頻率越大，傳播過程中的衰減系數(shù)越大，將影響它的有效測(cè)試距離。‘ ii)聲速的影響 式 (1)表明：脈沖回波法超聲 波測(cè)距傳感器在測(cè)試距離時(shí)，必須獲得超聲波在介質(zhì)中的傳播速度，才能從聲時(shí)中求出探頭到目標(biāo)間的距離。超聲波的傳播速度是一個(gè)變量，受多種因素影響，即使在傳播介質(zhì)確定的情況下，介質(zhì)溫度、聲壓、風(fēng)力等的改變，也將影響超聲波的傳播速度。 超聲波傳感器的選擇 綜合上面的敘述，我們了解了傳感器的市場(chǎng)情況，決定選用美國(guó)霍尼韋爾Honeywell公司生產(chǎn)的 943系列超聲波測(cè)距傳感器，如圖所示。該傳感器內(nèi)置溫度補(bǔ)償功能，而且有 3種輸出方式選擇，開關(guān)輸出： PNP和 NPN，模擬量輸出 010V和 420mA?？紤]到長(zhǎng)距離 傳播信號(hào)的失真問題，我們決定模擬量電流輸出 4— 20mA，選用型號(hào)為943． F4Y2D一 1D0180E超聲波傳感器。 以下肘此超聲波傳感器的主要參數(shù)進(jìn)行說明 ： 傳感器性能參數(shù) 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 16 車載 自動(dòng) 調(diào) 平控制系統(tǒng)的液壓系統(tǒng) 自動(dòng)調(diào)平液壓系統(tǒng) 的工作原理 自動(dòng)調(diào)平液壓系統(tǒng)的原理圖 目前國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的 車載 均采用機(jī)電液一體化的自動(dòng) 調(diào) 平控制系統(tǒng)，其中液壓系統(tǒng)是多種多樣的，但其共同點(diǎn)都是向油缸供定量油液，以保證油缸調(diào)節(jié)的及時(shí)性及穩(wěn)定性。通常，典型的電液控制系統(tǒng)由油泵、安全閥、流量閥、電磁換向 閥、液控單向閥、油缸及油管、接頭等組成 (參見圖 )。系統(tǒng)采用定量泵供油，油泵輸出的壓力油經(jīng)過兩個(gè)流量閥排出定量的油液，在電磁換向閥的控制下經(jīng)液控單向閥進(jìn)入左右兩個(gè)油缸。再經(jīng)油缸活塞桿的伸縮來控制牽引架繞前鉸點(diǎn)上下擺動(dòng)，從而達(dá)到對(duì)平地鏟刀高度的精確把握。 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(shí)，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(huì)發(fā)生上下移動(dòng)，所以它也會(huì)帶著鏟刀一起升降，同時(shí)安裝在牽引架上的超聲波傳感器也共同升降。這樣，超聲波傳感器就能檢測(cè)到當(dāng)前的與路基的實(shí)際距離，通過與基準(zhǔn)值進(jìn)行比較，可以得出偏差信號(hào)。 這個(gè)偏差信號(hào)被控制器采樣后，通過一定的分析和處理，發(fā)出控制信號(hào)，通過功率驅(qū)動(dòng)電路給電磁閥供電。電磁閥接到信號(hào)后，根據(jù)信號(hào)的不同做出不同的響應(yīng)，使得牽引點(diǎn)的工作油缸上腔或下腔進(jìn)油，讓牽引點(diǎn)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。至此，偏差信號(hào)消失，控制器切斷電磁閥的控制信號(hào)，油缸停止運(yùn)動(dòng)。這樣就保證了鏟刀始終維持在初始設(shè)定的位置，達(dá)到了 自動(dòng)調(diào)平 的目的。 電磁閥的控制模式 作為系統(tǒng)的主要控制對(duì)象，電磁換向閥的控制方式是決定整個(gè)控制系統(tǒng)性能的主要因素。對(duì)于電 磁換向閥的控制，目前主要有兩種控制方式，一是開關(guān)式控制；二是比例脈沖式控制?；谙到y(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性考慮，本系統(tǒng)采用了脈寬調(diào)制 (PWM)比例脈沖式來對(duì)電磁換向閥進(jìn)行控制。 PWM是通過改變導(dǎo)通時(shí)間 t與工作周期 T的比值，即調(diào)節(jié)占空比，使一個(gè)周期時(shí)間內(nèi)輸出的平均值與相應(yīng)時(shí)刻采樣得到的信號(hào)成正比。如圖所示不同的占空比情況。 占空比圖 PWM脈沖信號(hào)經(jīng)功率驅(qū)動(dòng)電路放大，在電磁換向閥的電磁鐵線圈兩端產(chǎn)生與之同向的脈沖電壓，由于電磁鐵線圈電感的濾波作用而變?yōu)橥l率小幅度充電的近似直流電流信號(hào)。當(dāng) fPWM遠(yuǎn)高于電磁鐵線圈的截止頻率時(shí)，閥對(duì) PWM信號(hào)的響應(yīng)不完全，其響應(yīng)特性近似于對(duì)模擬信號(hào)的響應(yīng)，但疊加上一個(gè)脈動(dòng)幅值很小的顫振信號(hào) ， fPWM越高，脈動(dòng)幅值越小。 PWM信號(hào)的調(diào)制頻率的選擇應(yīng)考慮閥本身的響應(yīng)特性，例如固有頻率和過渡時(shí)間。車載自動(dòng)調(diào)平 系統(tǒng)的電磁換 向閥的截止響應(yīng)頻率為 4Hz，所以在設(shè)置 PWM信號(hào)輸出時(shí)，其頻率必須小于截止頻率。本系統(tǒng)將輸出的 PWM控制信號(hào)頻率設(shè)定為 3Hz，通過改變 PWM信號(hào)的占空比來控制電磁閥的通斷時(shí)間，從而達(dá)到對(duì)鏟刀的精確控制。 系統(tǒng)對(duì)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(cè)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(hào)，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(duì)油缸的運(yùn)動(dòng)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(duì)電磁閥相應(yīng)一端的電磁鐵供以脈沖信號(hào)， 通過控制電磁閥的通斷時(shí)間使得油缸的運(yùn)動(dòng)速度放慢，以較小的速度逼近理想狀態(tài)。為了使得系統(tǒng)的控制精度進(jìn)一步提高，在脈沖區(qū)內(nèi)對(duì)脈沖的寬度采用比例調(diào)節(jié)的方式，根據(jù)逼近理想高度的不同程度來調(diào)整 PWM的占空比，這樣即能將調(diào)平精度控制在一個(gè)很小的范圍之內(nèi)，又可以最大限度的避免系統(tǒng)超調(diào)的發(fā)生。 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(yùn)動(dòng)將沿著牽引點(diǎn)的作用點(diǎn)連線方向，可建立如圖所示的運(yùn)動(dòng)關(guān)系?，F(xiàn)在分析鏟刀的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。 車載 鏟刀的運(yùn)動(dòng)關(guān)系 設(shè)圖中 T是牽引點(diǎn)， P為鏟刀與路面的接觸點(diǎn)， T、 P分別是鏟刀經(jīng)時(shí)間 dt后的相應(yīng)位置。其中坐標(biāo)值分別表示為 T(x1， y1。 )， P(x1， y1)及 T(x2+dx2， y2+dy2)， P(x2+dx2，y2+dy2， )，由此可得到線性方程為 ： （ dy2/dx2） =（ y2y1） /（ x2x1） （ 6） 設(shè) L=x1x2， 其為調(diào)平大臂有效長(zhǎng)度的水平投影， dx2/dt=v為整平速度，式又可寫成 （ dy2/dx2） =（ y1y2） /L或（ dy2/dt） =（ dx2/dt） （（ y1y2） /L） （ 7) 若設(shè) v恒定，對(duì)式 (7)進(jìn)行拉氏變換可得 Y2（ S） /Y1（ S） =1/（ 1+tS） (8) 式 (8)為鏟刀的傳遞函數(shù)，其為一階慣性環(huán)節(jié)，式中 z=％為鏟刀的時(shí)間常數(shù)。 執(zhí)行機(jī)構(gòu)環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué) 模型 執(zhí)行環(huán)節(jié)主要由開關(guān)型電磁換向閥和雙作用液壓油缸組成，下面分別以二者的其中之一為對(duì)象展開討論，建立它們的數(shù)學(xué)模型。 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 19 開關(guān)型電磁換向閥可簡(jiǎn)化為一階慣性環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)可表示為： （ 9） 式中： 一開關(guān)電磁換向閥的流量增益， 一開關(guān)電磁換向閥的時(shí)間常數(shù)， s。 根據(jù)液壓伺服系統(tǒng)的理論，可得到流量增益 的計(jì)算公式： （ 10） 式中： Cd—— 銳邊節(jié)流閥， Cd在 ～ ； W— 閥的面積梯度， p— 油的密度， kg/m3 P— 系統(tǒng)中油缸通過開關(guān)電磁換向閥時(shí)的壓降， Mpa。 雙作用液壓油缸的傳遞函數(shù)可表示為： （ 11） 式中： A— 雙作用液壓油缸的有效面積，即油缸大腔活塞面積與油缸小腔活塞面 積之差， W 一閥控液壓油缸的液壓固有頻率， ξ一閥控液壓油缸的液壓阻尼比， ? 在 0． 10~0． 20之間； d1一液壓油缸直徑， m； d2一活塞桿直徑， m； M一單個(gè)油缸所承載的油缸運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量和 平地鏟刀折算質(zhì)量之和， kg； 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 20 β一等效容積的彈性模數(shù)， Mpa； V— 括管路在內(nèi)的等效液壓油缸容積， V=L*A， m3； L_一活塞桿有效行程， m。 由 G(s)和 Gy(s)可求得執(zhí)行機(jī)構(gòu)環(huán)節(jié)的總傳遞函數(shù) G(s)為： （ 11） 反饋環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型 單反饋環(huán)節(jié)可表示為： k=C/L （ 13) 式中： C為傳感器位置到牽引點(diǎn)之間的距離；取 C=2／ 3L，則 k=2／ 3。 控制器的數(shù)學(xué)模型 控制器由信號(hào)調(diào)理電路、單片機(jī)、光電隔離電路及功率放大器等組成，用以檢測(cè)高度偏差，并據(jù)此以脈沖或連續(xù)調(diào)節(jié)信號(hào)的形式驅(qū)動(dòng)電磁換向閥，使油缸動(dòng)作。整個(gè)環(huán)節(jié)為非線性環(huán)節(jié)。當(dāng)高度偏差在死區(qū)范圍內(nèi)，控制器不做任何調(diào)節(jié)，液壓油缸不運(yùn)動(dòng)；當(dāng)系統(tǒng)工作在脈沖調(diào)節(jié)區(qū)時(shí)，輸出脈沖的脈寬占空比與偏差信號(hào)成正比，屬于脈寬調(diào)制 (PWM)；當(dāng)系統(tǒng)工作在恒速區(qū)時(shí)，找平油缸進(jìn)行恒速調(diào)節(jié)。因此本環(huán)節(jié)可簡(jiǎn)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