北航课程实验

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北京航空航天大学 本科生专业实验任务书 Ⅰ、专业实验题目： 数控式桥式吊车控制系统

Ⅱ、专业实验技术要求： 1．摆角稳定时间小于5秒，摆动次数小于3次； 2．吊车启动时最大摆角小于±10°； 3．吊车最大速度为0.5米/秒； 4．界面友好的控制程序 Ⅲ、专业实验工作内容： 1．A/D、D/A及定时器中断测试； 2．系统调试与结果分析； 3．程序设计（能够在线修改参数，友好的控制界面）； 4．撰写专业实验报告。

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Ⅳ、主要参考资料： 1．数字式桥式吊车控制系统试验说明书 王卫红 2．计算机控制系统系列实验指导书 袁少强 3．计算机控制系统设计与实现 郭锁凤 学院（系） 专业类 班 学生 专业实验时间： 年 月 日至 年 月 日 答辩时间： 年 月 日 成 绩： 指导教师： 注：任务书应该附在已完成的专业实验（报告）的首页。 北京航空航天大学学生设计用纸 第 3 页

目录 图录 ...................................................................................................................... 5 1. 系统设计任务及技术指标 ............................................................................. 6 1.1 技术指标 ................................................................................................ 6 1.2 设计任务 ................................................................................................ 6 2. 系统的组成和工作原理 ................................................................................. 7 2.1系统的组成 ............................................................................................. 7 2.2 工作原理 ................................................................................................ 8 3.计算机控制系统设计与实现 .................................................................... 9 3.1计算机控制系统的设计方案 ................................................................. 9 3.1.1硬件设计方案 ............................................................................... 9 3.1.2软件设计方案 ............................................................................... 9 3.2实时控制软件框图 ............................................................................... 10 3.3数据采集与模拟量输出 ....................................................................... 11 3.3.1 A/D程序 ..................................................................................... 11 3.3.2 D/A程序 ..................................................................................... 12 3.4 采样周期的实现 .................................................................................. 12 3.5界面设计与实现 ................................................................................... 13 3.5.1软件初始界面 ............................................................................. 13 3.5.2功能选择界面 ............................................................................. 14 3.5.3参数设置界面 ............................................................................. 15 3.5.4运行程序主界面 ......................................................................... 16 3.5.5软件新手向导界面 ..................................................................... 17 北京航空航天大学学生设计用纸 第 4 页

3.5.6软件基本信息界面 ..................................................................... 17 4.系统的组装与调试 ......................................................................................... 18 4.1吊摆实现电路 ....................................................................................... 18 4.2反馈极性判别 ....................................................................................... 18 4.3系统调试 ............................................................................................... 19 4.4系统性能分析与结果 ........................................................................... 19 4.5 问题及解决方案 .................................................................................. 21 5.收获和体会 ..................................................................................................... 22 参考文献： ........................................................................................................ 22 北京航空航天大学学生设计用纸 第 5 页

图录 图 1 系统结构图 ................................................................................................ 7 图 2 控制系统框图 ............................................................................................ 8 图 3吊车控制系统电路图 ................................................................................. 9 图 4控制软件主程序结构图 ........................................................................... 10 图 5中断程序软件结构图 ............................................................................... 11 图 6双极性D/A 数码/电压对应关系 ............................................................ 12 图 7软件初始界面 ........................................................................................... 13 图 8功能选择界面 ........................................................................................... 14 图 9参数设置界面 ........................................................................................... 15 图 10参数设置界面 ......................................................................................... 15 图 11运行程序主界面 ..................................................................................... 16 图 12软件新手向导界面 ................................................................................. 17 图 13软件基本信息界面 ................................................................................. 17 图 14 吊摆实现电路 ........................................................................................ 18 图 15 吊车运行结果 ........................................................................................ 19 图 16 吊车扰动图 ........................................................................................... 20

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1. 系统设计任务及技术指标 1.1 技术指标 1) 摆角稳定时间小于5 秒，摆动次数小于3 次 2) 吊车启动时最大摆角小于±10° 3) 吊车最大速度为0.5 米/秒 4) D/A 输出100mV 电机起动，D/A 输出5V 时对应电机最大速度 1.2 设计任务 1) 系统方案设计和主要元部件选择 2) 系统元部件测试 3) 建立系统数学模型 4) 系统设计静态设计、动态设计和仿真 5) 数字控制系统电路设计 6) 数字控制器软件设计 7) 闭环系统实验和调试 8) 编写课程设计及专业实验报告 北京航空航天大学学生设计用纸 第 7 页

2. 系统的组成和工作原理 2.1系统的组成 数字桥式吊车系统的结构如图 1所示。 图 1 系统结构图 吊车系统的整套机械部件安装在一块底板上。底板上固定着导轨、皮带轮、电机、测速机、车位置反馈电位计，底板开槽，使吊摆垂下去。吊车轨道的有效长度约为0.7 米，吊车组件包围在轨道外，四个车轮在导轨上方运动，吊车板下面连着小车板支架和角位置电位计支架，两支架之间安装吊摆，在角位置电位计支架上装有测量吊摆角度的单圈电位计。 计算机作为数字控制器实现对系统的实时控制，同时也为操作者提供人－机界面，完成对系统的监督管理功能，如实时画图、采集数据等。A/D D/A 接口板插在计算机内，完成模数、数模转换。小功率随动系统用于电压和功率放大。电机、测速机是系统的执行元件和速度反馈元件，电位计1 和2 分别是车位置反馈元件和摆角度反馈元件。 北京航空航天大学学生设计用纸 第 8 页

计算机、A/D、D/A 板，小功率随动系统、电机、测速机、桥式吊车装置通 过机械或电气手段连接成一个整体。其中电气连接通过控制盒实现。 2.2 工作原理 数字桥式吊车系统的控制系统框图如图 2所示。 图 2 控制系统框图 吊车（下装吊摆）在电机拖动下沿固定的直线导轨进行运动，相应地，产生了吊车直线位移和吊摆的转角。线位移由与皮带轮同轴安装的多圈电位计测得，角位移由安装在吊摆上的单圈电位计测得，吊车的运动速度由与电机同轴相连的测速机测得，这三个物理量经过A/D 转换送入计算机，经过内部的实施控制程序运算产生控制指令，该指令经D/A 变换送入小功率随动系统，经过功率放大再送出给电机，产生相应的控制作用，从而实现对吊车线位移和吊摆角位移的控制。图中的并联校正、串联校正和功率放大均由小功率随动系统实现。 北京航空航天大学学生设计用纸 第 9 页

3.计算机控制系统设计与实现 3.1计算机控制系统的设计方案 3.1.1硬件设计方案 图 3吊车控制系统电路图 系统硬件设计如图 3所示，计算机DA信号通过三级运放进行功率放大，将电压加到电动机上，同时测速机电机的转速，多圈电位计测量吊车位置，单圈电位计测量吊摆的摆角，将以上各量经过AD传入计算机进行软件反馈，同时将测速机的电压进行硬件反馈。 3.1.2软件设计方案 基本要求： ? 用硬件定时器实现，采样周期20 毫秒 ? 能够实时显示X,X',?,R曲线 ? 基本数据可以记录 ? 可以修改控制参数 ? 实时动画显示（选做） 北京航空航天大学学生设计用纸 第 10 页

为了达到以上软件设计要求，我采用Borland C 进行编程。利用8253定时器精确定时，每20ms进入一次中断。进入中断服务程序后通过AD采集测速机电机的转速、多圈电位计测量吊车位置、单圈电位计测量吊摆的摆角对应电压，按照控制率进行计算，最后输出控制电压。主程序根据AD所采集回的电压实时进行画图操作和小车动画显示。 3.2实时控制软件框图 图 4控制软件主程序结构图

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图 5中断程序软件结构图 3.3数据采集与模拟量输出 3.3.1 A/D程序 float adc(int n) { float ad; int p,q,i,r; outportb(0x31b,0x18); outportb(0x310,n); for(i=0;i<500;i++) outportb(0x311,0x0); for(i=0;i<500;i++) p=inportb(0x312); q=inportb(0x313); r=p*256+q; float r1=r; ad=r1/0x800-1; return ad; } 北京航空航天大学学生设计用纸 第 12 页

3.3.2 D/A程序 void dac(float da) //da function { long lo,hi,newhi,newlo,x; da=(da+1)/2*0xfff0; x=da; lo=x&0x00ff; //low8 hi=(x&0xff00)/256; //high8 newhi=(hi&0x000f)*16+(hi&0x00f0)/16; //change_high4&low4 outportb(0x316,newhi); //write_high8 newlo=(lo&0x00f0)/16; //change_high4&low4 outportb(0x317,newlo); //write_low8 inportb(0x317); //start_DA } 图 6双极性D/A 数码/电压对应关系 3.4 采样周期的实现 本实验采用硬件定时器实现Ts=20ms的采样周期。 int n,temp; n=2000000*t; temp=n%6; n=n/256; outportb(0x31b,0xb6); //写入控制字 outportb(0x31a,temp); //写入低八位 outportb(0x31a,n); //写入高八位 outportb(0x21,inportb(0x21)&0xf7); 北京航空航天大学学生设计用纸 第 13 页

3.5界面设计与实现 3.5.1软件初始界面 图 7软件初始界面 运行软件，显示如图 7所示界面，在按下任意键后，进入功能选择界面。 北京航空航天大学学生设计用纸 第 14 页

3.5.2功能选择界面 图 8功能选择界面 进入功能选择界面后，可供用户选择的共有五个选项。 ? 设置参数 ? 运行程序 ? 帮助提示 ? 软件信息 ? 退出程序 程序界面友好，提示清晰，可以根据控制的效果实时修改参数，提高程序调试的效率。 北京航空航天大学学生设计用纸 第 15 页

3.5.3参数设置界面 图 9参数设置界面 图 10参数设置界面

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3.5.4运行程序主界面 图 11运行程序主界面 图 11是程序运行的主页面，在表格上方是用户设置的参数和考虑硬件比例系数后实际的控制参数。界面中间是实时绘制的曲线。其中蓝线代表设置的目标位移曲线，黄线是吊车实际位移曲线，白线是吊车速度曲线，绿线是摆角曲线。界面下方是吊车实时动画。 北京航空航天大学学生设计用纸 第 17 页

3.5.5软件新手向导界面 图 12软件新手向导界面 3.5.6软件基本信息界面 图 13软件基本信息界面 北京航空航天大学学生设计用纸 第 18 页

4.系统的组装与调试 4.1吊摆实现电路 图 14 吊摆实现电路 4.2反馈极性判别 吊车控制系统的反馈共有3种：速度反馈、位置反馈、角度反馈； 其中，速度反馈与位置反馈极性判别方法相同，首先在软件中试凑参数，运行软件，用手向任意方向推动吊车，若外力去掉后吊车会自动向反方向运动，回到初始位置，则极性正确； 角度反馈极性判别方法为：在软件中试凑参数，运行软件，将吊摆向任意方向摆动一个角度，若吊车移动方向与摆角方向相同，企图消除摆角，则极性正确。 北京航空航天大学学生设计用纸 第 19 页

4.3系统调试 先带入软件仿真的数据，注意系数的符号以保证负反馈，观测控制效果的优劣。再利用控制变量法，分别调整参数K1、K2、K3，观察动态过程图像，使系统最终达到比较理想的状态，能满足设计要求。但由于各个参数之间存在耦合，需要进行多次试凑。 4.4系统性能分析与结果 反馈参数对控制的效果有很大影响。 K1影响吊车的位置误差，若K1过小，误差加大；若K1过大，吊车出现震颤，通过试凑K1=18较合适。K2影响吊车的速度，K2增大，吊车速度加大，经过试凑K2=2时吊车速度较快且不出现震颤。K3影响吊摆角度的震荡情况，经过试凑K3=14时，吊摆震荡次数最少。 图 15 吊车运行结果 北京航空航天大学学生设计用纸 第 20 页

图 16 吊车扰动图 图 16是吊车在稳定状态下，在1.5s时对吊摆进行扰动，吊摆经过两次震荡后回到稳态，车速度回到零，吊车回到初始稳态位置。 最终结果摆角稳定时间约为3.5s，摆动次数2.5次，最大摆角在10°以内，符合“摆角稳定时间小于5 秒，摆动次数小于3 次，吊车启动时最大摆角小于±10°”的设计要求。

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4.5 问题及解决方案 在实际调试中，我们遇到了很多的问题，现阐述一下问题和解决方案。 ? 电位计故障 电位计的地线因为多次使用发生接触不良的现象，进过焊接后问题解决。 ? DA输出电压错误 在实际的调试过程中发现小车只向一个方向运行，通过测试DA输出的电压发现DA只输出正电压，没有正电压，将DA0通道换为DA1通道后问题解决。 ? 吊车控制效果不佳 最初运行程序时吊车运动发散，向老师请教后找到问题是控制参数极性不正确。采用控制变量法，将位置、速度、摆角反馈一一测试，最终把每个参数的极性设置正确，吊车运动收敛。 ? 吊车位置误差过大 在实际的控制当中，若采用 da=ad0 -kr1*adx1-kr2 *adx2-kr3 *adx3的控制率，无论怎么调整K1，稳态误差达到50%；经过考虑，我将控制率改为 da=kr1*(ad0-adx1)-kr2*adx2-kr3*adx3 位置误差减小，可达到95%。 ? 吊车速度过慢 运行程序时，吊车到达目标位移的速度很慢。经调试，排除了软件故障，硬件连线的故障，考虑可能是功放的问题。故换了一台硬件设备，解决了小车速度慢的问题。 北京航空航天大学学生设计用纸 第 22 页

5.收获和体会 在实际实验中，我们经历了无数次的参数调试，最终才达到比较满意的结果，深刻体会到了实际工程的繁琐。同时也要感谢两位老师耐心的指导，引导我们最终解决了问题，实现了小车的控制要求。 参考文献： 1．数字式桥式吊车控制系统试验说明书 2．计算机控制系统系列实验指导书 王卫红 袁少强 3．计算机控制系统设计与实现 郭锁凤

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