（控制理论与控制工程专业论文）桥式吊车水平运动过程智能防摆控制技术研究.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 摘要 吊物的摆动是影响吊车装卸效率的主要原因。电子防摇作为一种主动防摇方式，它 将减摇和运行控制结合起来考虑，不依赖于吊车司机的操作经验，可以有效的提高吊车 的装卸效率，减轻司机的工作强度，是实现港g l 、厂矿装卸自动化的趋势。 本文为了获得接近于实际的实验结果，设计并完成了吊车系统的实验模型。利用 m a t l a b 的r e a l - - t i m e - - w i n d o w s - - t a r g e t 软件工具箱通过p c l - - 8 1 8 l 多功能数据采 集控制卡与按比例缩小的吊车物理模型建立了控制算法应用平台。该平台不但可以真实 模拟吊车控制效果，而且还可以作为多输入、多输出；单输入、单输出；非线性、时变 等多种控制理论研究的应用环境。 针对设计的吊车实际物理模型，应用理论力学的基本方法，运用拉格朗日方程建立 了吊车系统三维条件下的运动方程，以及简化条件下的定绳长吊车系统运动方程。完成 了简化条件下的模型线性化，并得到了系统状态空间模型。 研究了常规p i d 控制策略在各种条件下的实验效果，提出了一种基于模糊控制技术 的吊车防摆、定位控制算法。该方法将吊车防摆和定位控制分开设计，采用位置模糊控 制器和角度模糊控制器两个控制器实现吊车的准确定位和防摆。简化了控制器的设计， 减小了控制器的运算量。 针对模糊控制中存在的位置静差问题，本文进而提出了采用模糊自整定p i d 位置控 制器加模糊摆角前馈控制器来消除位置偏差和改善摆角控制。仿真和实验结果显示该方 法可以消除系统静差，缩短系统响应时间，抗干扰能力强。 关键词：吊车系统，防摆，模糊控制，模糊自整定p i d 控制在回路仿真 沈阳工业大学硕士学位论文 s t u d yo ni n t e l l i g e n ta n t i s w i n gc o n t r o lt e c h n o l o g yf o rh o r i z o n t a l m o v i n gp r o c e s so fb r i d g ec r a n e a b s t r a c t g e n e r a l l y ，t h el o a d i n ge f f i c i e n c yo f c r a n ei sm a i n l yi n f l u e n c e db ys w i n go f h a n g i n go b j e c t s a sa l la c t i v em e t h o df o ra v o i d i n gs w i n g ，e l e c t r i ca n t i - s w i n gc o m b i n es w i n g - d e c r e a s i n gw i t h m o v e m e n t - c o n t r o lt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo f c r a n e ，a n dl i g h t e nt h ei n t e n s i t yo f d r i v e rw i t h o u t d r i v e r se x p e r i e n c e t h e r e f o r ei tw i l lb eu s e dw i d e l yf o rl o a d i n go f p o na n df a c t o r y 。 i no r d e rt oa t t a i ne x p e r i m e n t a lr e s u l t ，t h ee x p e r i m e n t a lm o d e lo fc r a n es y s t e mi sm a d e u s i n gp c l - 818 lc a r da sd a t ac h a n n e l s ，t h er e a l t i m ew i n d o w st a r g e tt o o l b o xo fm a t l a b a n dp r o p o r t i o n a lr e d u c e dc r a n em o d e la r eu s e dt ob u i l dah a r d w a r e - i n - - l o o ps i m u l a t i o n e x p e r i m e n tp l a t f o r m t h ep l a t f o r mm a yp r o v i d er e s e a r c he n v i r o n m e n tf o rs i s o 、m i m o 、 n o n l i n e a r 、t i m ev a r i a n c ec o n t r o ls y s t e m a i m i n ga tt h ea c t u a lc r a n em o d e l ，t h eb a s i cm e t h o do ft h e o r e t i cm e c h a n i c sa n dl a g r a n g e e q u a t i o ni su s e dt oe s t a b l i s ht h r e e d i m e n s i o n a ld y n a m i c so f t h es y s t e ma n ds i m p l i f i e dd y n a m i c s o f f i x e ds t r i n g yc r a n es y s t e m i i lt h i sw a y t h es i m p l i f i e dm o d e ll i n e a r i z a f i o nw a sa c c o m p l i s h e d a n dm o d e lo f s t a t es p a c ei so b t a i n e d c o m p a r i n gw i t hc o n t r o l l i n gr e s u l to fu s i n gp i da l g o r i t h ma sac o n t r o l l e ro n d i s t u r b a n c e c o n d i t i o n ，t h e 矗珂c o n t r o ll a wi sp u tf o r w a r dt os o l v eo r i e n t a t i o na n da n t i s w i n go fc r a n e a n t i - s w i n ga n do r i e n t a t i o nc o n t r o l l e ri sd e s i g nr e s p e c t i v e l y t h e 叻l o c a t i o nc o n t r o l l e ra n d f u z z ya n g l ec o n t r o l l e ra r eu s e dt or e a l i z et h ea c c u r a t el o c a t i o na n da n t i s w i n g u s i n gt h i s m e t h o d ，t h ed e s i g no fc o n t r o l l e ri ss i m p l i f i e d ，a n dt h eo p e r a t i o na m o u n to fc o n t r o l l e ri s d e c r e a s e d t oe l i m i n a t et h es t e a d y - s t a t ee r r o ri nf u z z yc o n t r o l ，am e t h o dw a sp r e s e n t e di nt h i st h e s i s i nb r i e ci t i s u s i n gf u z z ya u t o - t u n i n gp i dl o c a t i o nc o n t r o l l e rc o m b i n e dw i t hf u z z ya n g e l f e e d f o r w a r dc o n t r o l l e rt oe l i m i n a t es t e a d y - s t a t ee r r o ra n di m p r o v es w i n ga n g l ec o n t r 0 1 t h e r e s u l t so fs i m u l a t i o na n da c t u a le x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h es t e a d y - s t a t ee r r o rc a nb ee l i m i n a t e d ， 2 沈阳工业大学硕士学位论文 a n dr e s p o n s et i m eo fs y s t e mc a l lb es h o r t e n e d ，i na d d i t i o n , t h ed i s t u r b a n c er e j e c t i o na b i l i t yo f s y s t e mc a nb es t r e n g t h e n e d k e yw o r d s ：c r a n es y s t e m , a n t i - s w i n g , f u z z yc o n t r o l ，f u z z ya u t o - t u n i n gp i dc o n t r o l h a r d w a r e - i n l o o ps i m u l a t i o n 一3 一 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明荠表 示了谢意。 签名：蕴、致垒曰期：翌! ! ：! ! ：17 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：鱼避导师签名：耋瑟d 舀厶日期：盘堑垡互孚 沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题的背景及意义 吊车，又名起重机，是一种利用连在活动架上的缆绳举起和移动重物的机械装置。 作为一种运载工具，吊车广泛的适用于现代厂房、安装工地和集装箱工地等需要大量货 物调运的场所。吊车一般都在离地面很高的导轨上运行，占地面积小，省工省力，是工 厂、仓库、码头必不可少的装卸搬运工具。图1 1 为实际桥式吊车照片。 图1 1 实际桥式吊车 按照吊车的运输线路可将吊车分为门式吊车和桥式吊车。前者只能在吊车所在的平 面内实现二维运输，后者则可以在吊车所在的区域内实现立体搬运。按照吊车抓取吊物 的方式，又可以把吊车分为吊钩式，抓斗式，电磁式三种类型。 由于吊车的吊绳是柔性的缆绳，所以吊车的吊具在运行过程中不可避免的会产生摆 动。过去，消除吊车摆动的方法多是利用吊车司机的操作经验。这种方式不但操作人员 的劳动强度大，而且人工控制方式精度差、效率低，已经远远不能满足现代化生产、运 输的需要。 其次，还有一些特殊的工作场合，对吊车运行过程中的摆动也有严格的生产要求。 在冶金浇注车间，将盛着金属液的吊车运抵浇注口上方进行浇注，这一过程要求吊 车的动作快速准确。如果由于吊车行走时摆动的原因，加大了吊车的运行时间，将会造 沈阳工业大学硕士学位论文 成金属液过早冷却，甚至降低产品质量和生产效率，或者导致金属液溅到浇注口外，引 发生产事故。 在港口和仓库，常常要在码头、仓库和船、汽车之间装卸集装箱等货物，由于集装 箱质量很大，稍有不慎，会造成集装箱和船舱或汽车相撞，都有可能造成集装箱解体或 者损坏汽车等运输工具，因此需要集装箱就位准确无摆动。 另外，随着全球合作经济的快速发展，货物调运量越来越大，依靠人工操作吊车来 调运货物的工作方式越来越成为阻碍货物快速调运的瓶颈。 为了提高吊车的效率，目前大多数吊车都安装了吊具防摆装置。防摆装置的形式主 要分机械式防摇系统和电子防摇系统两种方式。机械防摇主要是通过机械手段来消耗摆 动能量以达到最终消除摆动的目的。因此是一种被动的防摇方式，这种方式不但消耗的 时间长，而且减摇效果与吊车司机的操作经验有很大关系，阻碍了吊车工作效率的进一 步提高，而电子防摇方式是一种主动防摇方式，它能将减摇和小车的运行控制结合起来 考虑，不依赖于司机的操作经验。另外随着人民生活水平的提高，迫切需要改善恶劣的 工作环境，最终达到使司机离开驾驶室。为此，电子防摇技术的研究越来越广泛的得到 研究者的重视。 研究吊车、集装箱起熏机等一类运用柔性绳索吊运重物时如何消摆问题，将对提高 货物调运效率，缩短工业产品的生产周期，提高质量具有深远的意义。本课题的立题就 是以此为背景，研究柔性绳索的防摆控制技术。 1 2 国内外研究现状 目前在实际的吊车系统防摆应用方面，大多数吊车采用机械式防摆装置。主要有以 下几种方式： ( 1 ) 交叉钢丝绳减摇装置。这是日本三菱重工公司研制的，在行走小车上沿运行 方向装设两组交叉悬挂的减摇钢丝绳及其驱动装置，分别驱动液压泵，由于液力回路中 安全阀的阻抗，使钢丝绳产生张力，从而防止吊具摇摆。这种装置当小车停车后五秒 内，摆角幅度可减到l o c m ，不影响起升绳的使用寿命，当减摇钢丝绳万一发生折断 时，集装箱也不至于掉下。但这种减摇装置增加了一套减摇钢丝绳卷绕系统，同时吊运 货物和不吊运货物时减摇性能差异很大。 一2 沈阳工业大学硕士学位论文 ( 2 ) 分离小车式减摇装置。这种减摇装置的工作原理是，当小车行走时，前后两 组小车通过螺杆驱动机构向两头分离，使起升钢丝绳形成v 字型，从而起到减摇效 果。当小车停止运行后，起升或下降吊物时，前后两组小车自行靠拢，这时起升绕组和 不起升绕组都不致碰撞运载工具。这种减摇装置使小车重量增大，构造也较为复杂。 ( 3 ) 翘板梁式减摇装置。它是由日本日立制作所研制的。它由跷板梁和装在小车 的液力缓冲缸组成。当行走小车以额定速度行走时，吊物将大致位于行走小车的中心线 上。当行走小车减速时，由于惯性的作用，吊物将摆向前方，从而使跷板梁也跟着倾 斜，在这种情况下，跷板梁的倾斜能量将由液力缓冲缸吸收。由于吊物前进方向的摆动 受到阻力，于是吊物将向相反的方向摆动，此时，跷板梁也跟着向相反的方向倾斜，并 迅速吸收吊物摇摆能量。如此反复数次，便将吊物的摇摆能量转化为跷板梁的转动能 量，并迅速吸收而使其缓冲，以达到减摇的目的。这种减摇装置结构简单，操作容易， 工作平稳，而且减摇效果较为理想。 随着电控技术和信息技术的飞速发展，电子防摇技术越来越受到重视，国内外很多 学者采用各种控制方法做了大量的研究。与国外学者在这一问题研究相比，国内学者在 研究内容的深度上、规模上、还与国外学者有很大的差距。 国内最早从事吊车防摆控制研究的学者是中国民航学院的华克强掣”j 人，在文献 【1 】中，作者针对桥式吊车，给出了系统的简化模型，根据此模型，设计了最优控制器、 自适应控制器、模糊控制器、并对三种控制器进行了比较分析。 山东建筑工程学院的李伟等 4 - 7 1 人在吊车防摆控制领域也开展了研究。李伟等人是 国内从事防摆研究发表文章较多的学者，近年来，他们发表了多篇文章，分别在吊车的 模型，控制方法等方面进行了研究。在文献【4 】中，应用最优控制理论，提出了天车点动 消摆和全程消摆等控制策略。文献 5 1 6 0 作者提出了基于时间最优的小车载荷摆动的两拍 消摆策略。在文献 7 中作者采用极点配置技术，以积分二次型性能指标提出最优消摆策 略，同时实现消摆、提高运行速度两个目标。但这些研究都只局限于理论研究与软件仿 真，而没有进行实验验证。 山东大学的邹军、陈志坚等【8 曲1 人在此方面也进行了一定的研究，在文献【8 中建立 了桥式吊车数学模型，并依据此模型，应用最优控制理论，提出了桥式吊车水平运动规 3 沈阳工业大学硕士学位论文 律，并对抓斗进行了防摆控制研究。在文献【9 忡，作者根据文献【8 中提出的桥式吊车 水平运行规律和抓斗摆动规律，提出了一种抓斗防摆的方法。该方法通过控制桥式吊车 行走的时间顺序实现其停车与抓斗消摆的同步控制。邹军等人提出的控制策略大多与李 伟等人具有一致性，都是以最优控制理论作为基础提出的，同样也只做了理论仿真而无 实验验证。 近年来，随着控制理论的发展，一些新的控制方法也用到了吊车防摆控制研究中。 上海交通大学的梁春燕等人【】o 】利用一种能抑制系统残留振荡的时滞滤波技术消除吊物摆 动。北京理工大学的刘毅等1 人也提出了一些新的方法和控制策略。这些研究几乎都是 基于简化模型的理论仿真，而无实验验证，具体控制结果如何，不能确定。 在吊车防摆控制技术的研究上，国外学者采用的控制方法多种多样，既有比较传统 的经典控制理论、现代控制理论、最优控制理论f i2 1 、也有比较新的自适应控制理论 1 3 q 4 、模糊控制”9 1 、神经网络 2 0 l 、非线性控制等方法。 韩国学者l e e l 2 卜2 4 1 的控制方法多采用传统的控制理论与现代人工智能理论相结合设 计吊车的防摆与定位控制器。在文献 2 2 1 中，l e e 采用根轨迹，频域法等常规分析方 法，结合智能控制设计了吊车的防摆、定位控制器，在文献 2 1 1 中，l e e 提出了一种基 于l y a p u n o v 稳定性设计的吊车防摆控带6 器。虽然在文献中，l e e 分别采用模糊、神经 网络等进行防摆控制，但整个设计思想仍旧是采用经典控制。 日本学者y a m a d a 在3 c n t 1 5 1 q u 将模糊控制用于吊车的防摆控制中，取得了较好的 效果。h a n sb u t l e r 等人在文献 1 3 1 设计了模型参考自适应控制器，但参考模型的选择比 较困难，当参考模型选择不合适时，控制效果大大降低。 由于吊车防摆系统本身就是个非线性系统，所以有很多学者直接从非线性角度研究 问题1 2 5 - 3 2 1 ，取得了丰富的研究成果。t b u r g 等人在文献【2 5 中提出了基于饱和控制的非 线性二维吊车控制策略。他们先对吊车模型进行状态变换，使其变为典型的球一棒系统 模型，然后按照球棒系统进行非线性控制器的设计。使用非线性控制方法对吊车系统进 行控制器的设计解决了因线性化带来的简化误差，但控制器设计方法复杂，计算量大， 不易于实验实现。 一d 沈阳工业大学硕士学位论文 相对于国外学者的研究，国内学者大多采用最优控制和模糊控制等方法1 3 3 - 3 6 1 ，并只 有仿真结果，而无实验结果。可信度，可行性都不能完全确信。而国外的学者研究比较 严谨，实验条件也比较好，采用的控制策略也很多3 列矶，大多数学者在理论分析的基础 上，进行了实物仿真实验。学术参考价值较高。 1 3 本文研究的主要内容 针对国内吊车防摆控制的研究现状，设计了吊车系统物理模型，完成了吊车系统的 电控部分并完成配线组装，从理论与实践相结合的角度出发，研究吊车系统的水平定位 控制与防摆控制技术，具体内容包括以下几个方面。 ( 1 ) 吊车防摆控制系统物理模型的设计与实现 针对国内学者研究理论分析仿真多，实验结果少的现状，本文根据实验室的自身的 条件以及课题研究的需要，设计了吊车防摆控制系统的物理模型，该模型的设计包括三 个方面： 1 ) 系统机械部分的设计与实现 2 ) 系统电控部分的设计与实现 3 ) 软件工具箱的选择与吊车防摆实验平台的建立 吊车防摆实验系统由小车水平驱动装置、位置检测装置、偏角检测装置、编程软件 工具箱四部分构成。本文利用m a t l 8 b 的r e a l 一1 j m e w i n d o w s - - t a r g e t 工具箱作为控制 器编程平台，利用p c l 一8 1 8 l 卡作为数据输出和采集通道，驱动水平位嚣电机伺服驱动 器和采集位置与偏角信号，实现实时控制。 ( 2 ) 系统数学模型的建立与简化 利用理论力学理论，应用拉格朗日方程对吊车系统进行分析，建立吊车防摆系统运 动的数学模型。同时，为了便于控制器的设计，需要对系统模型进行线性化及简化，推 导系统的简化模型。 ( 3 ) 吊车防摆系统控制器的设计 本文应用常规p i d 控制器、模糊控带0 器、模糊自适应p i d 控制器设计了吊车水平 运动过程定位控制器。同时利用p i d 、模糊控制器作为摆角前馈控制器，加速摆角的衰 减速度。 沈刚工业大学硕士学位论文 ( 4 ) 吊车防摆系统控制器的实验与结果分析 本文对以上设计的各种算法进行了实验，并旌加各种扰动检验控制效果。对实验 现象和结果进行分析，进一步完成控制器的改进，从而获得较好的控制响应。 6 沈阳工业大学硕十学位论文 2 吊车系统模型设计 2 1 引言 长期以来，国内学者在吊车防摆控制技术的研究中，由于缺少一个合适的实物装 置，因而存在理论研究与实际应用相脱节的问题。本文为了解决吊车防摆研究中的这一 问题，设计了吊车防摆系统实物模型。 在一般的离线控制系统设计中，通常需要提取出受控对象的数学模型，然后根据受 控对象的数学模型来设计控制器。在仿真框图中往往使用的是受控对象的数学模型，所 以仿真结果是针对数学模型得出的纯数字结果，如果将这样设计出的控制器进行硬件实 现，直接用于实际受控对象的控制，就不一定能得出满意的控制效果了，因为在基于模 型的纯数字仿真中忽略了很多因素，如模型的准确性、外部扰动、模型本身的参数变化 和结构变化、检测信号的量测及噪声等，所以即使纯数字仿真能得出理想的结果，将其 用于实际系统也可能是不可行的。就是说我们一般的仿真都是纯数字的仿真方法，并未 考虑和外部真实世界之间的关系。 在很多实际过程中，不可能准确获得系统的数学模型，所以也就无从建立s i m u l i n k 所描述的框图，有时还因为实际模型的复杂性，建立起来的模型也不准确，所以需要将 实际系统模型放置在仿真系统中进行仿真。这样的仿真经常称为“硬件在回路” ( h m d w a r e i n - t h e 1 0 0 p ) 的仿真，又常称为半实物的仿真。因为这样的半实物仿真是针对 实际过程的仿真，又是实时进行的，所以有时还称为实时( r e a l t i m e ) 仿真。因为设 计出来的控制器可以直接对实际受控对象进行控制，所以可以立即得出对其控制效果的 评价。 硬件在回路仿真的最大优势是仿真结果的验证过程是直观的，所以在一些工业过程 中，采用硬件在回路的实时仿真策略可以大大地缩短产品开发周期。目前应用硬件在回 路仿真最广泛的领域包括汽车制造业、硬盘驱动器开发等行业，从这方面发表的文献 看，使用硬件在回路仿真和快速原型技术，尤其是基于m a f l a b s i m u l i n k 的半实物仿真 方法，大大地缩短了相关产品的开发周期，提高了产品的可靠性，有着巨大的前景。 7 沈阳工业大学硕士学位论文 控制器的设计是个复杂的调整过程，采用快速原型设计方法，利用m a t l a b 的r e a l t i m e w i n d o w s 一丁a 培e t 工具箱可以实现在线修改控制器参数，直接检验控制器的控 制效果，极大的缩短控制器的设计、测试周期。因而本文采用r e a i 一1 1 m e w i n d o w s t a r g e t 工具箱作为控制器的设计平台，利用智能卡作为数据传输通道，构建了系统实验 测试平台。该平台不但可以作为本文研究的实验平台，也可以作为基于非线性建模设计 的控制算法测试平台。 系统由三部分组成： ( 1 ) 机械系统部分 机械部分主要由行走小车、横梁、立柱、底座等组成，是实际吊车的等比例缩小模 型，用以模拟吊车运行中的各种状态。 ( 2 ) 电控系统部分 吊车系统的电控系统部分主要由伺服电机，驱动器，p c l 一8 1 8 l 智能卡，位置检测 编码器，摆角检测电位器组成。 ( 3 ) 系统软件工具箱与实验平台的设计 本文采用r e a l - - t i m e - - w i n d o w s - - t a r g e t 软件工具箱作为系统控制器调试平台，设 计了软件调试平台与外界模型的程序连接与调试。 2 2 机械系统设计 2 2 1 性能参数与总体结构设计 ( 1 ) 实物模型的性能参数 系统水平行程：1 5 米 系统垂直行程：1 5 米 水平行走速度： 0 。1 7 m s 垂直提升速度： o 1 7 m s 小车自重： 1 0 蛔 重物质量： 7 垤 ( 2 ) 实物模型的总体结构设计 根据上面的参数设计与实际情况，设计的吊车系统结构如图2 1 所示。 一8 一 沈同；= | 工业大学硕士学位论文 1 ) 水平运动小车 浚部分是整个机械系统e 滋心，上部装有小车的提升装置、水平限位装置、角度检 钡4 装置。如图22 所示。 图2 1 实验吊车模型 图2 2 水平运动小车 2 ) 支撑部分 支撑部分主要包括横梁、立柱、底座、导链等四部分，其中导链是连接水平驱动电 机与小车之间的驱动传送带。 3 ) 悬挂部分 悬挂部分主要由重物、钢丝、以及小车上部的卷筒、提升电机、穿线导管组成。 4 ) 保护部分 系统的保护部分主要由左右限位开关组成。如图2 3 所示 图2 3 保护装置 一9 一 沈阳工业大学硕士学位论文 2 3 系统电控部分的设计 从电控角度，系统分为小车驱动装置、位置检测装置、摆角检测装置、软件工具箱 四部分。系统的工作原理图如图2 4 所示 图2 4 吊车水平部分电路工作原理图 由于本文只研究吊车水平运动过程防摆，所以在这里只介绍一下吊车水平运动过 程的电路基本原理。垂直过程只需要再把垂直的位置信号送入p c l 培18 l 的数字输入 口，p c l 8 1 8 再连接一套和水平驱动一样的变频器，驱动电机即可。 吊车的软件工具箱装在一台p c 机中，利用r e a l - t i m e w i n d o w st a r g e t 工具箱作为 控制器设计和控制的平台，p c l 8 1 8 l 智能卡作为控制器信号的输出和位置、摆角检测 信号的输入通道与外部的吊车形成实时控制系统。 吊车的位置检测装置采用绝对式编码器，产生位置信号。摆角检测装置利用环形 变阻器，通过对检测到的电压信号进行角度量化，即可得到角度信号。 位置、角度信号被送入控制器，控制器调整输出，如此反复，实现实时控制。 2 3 1 软件工具箱与数据输出输入采集卡 本文采用m a t l a b 的r e a l t m e w i n d o w s r 昭e t 作为仿真软件编程平台，采用 p c l 一8 1 8 l 作为数据输入、输出采集卡。采集卡作为内部控制器与外部系统模型交换数 据的通道。 1 0 沈阳工业大学硕士学位论文 由于r e a l - - t i m e - - w i n d o w s - - t a r g e t 直接支持p c l 一8 1 8 l 卡，而p c l 一8 1 8 l 又具备 本文要求的数字量、模拟量输入、输出接口要求。基于该卡能满足模型需要、价格又相 对便宜，所以本文选用该卡作为数据输入、输出采集卡。p c l - - 8 1 8 l 是用于i s a 插槽 的完成a d 、d a 转换功能的输入输出卡，可以直接插到计算机主板上，完成其输入与 输出功能。 此多功能数据采集卡具有以下特性： 1 6 个单端的模拟量输入通道或8 个差动的模拟量输入通道，可由转换开关选 择。 夺1 2 位的a d 转换，直接存储器存取( - d m a ) 转换，采样速度达到4 0 k h z ，每个 通道有不同的增益。 夺软件可编程增益值。 夺j 6 个数字输入通道、1 6 个数字输出通道，t t l d t l 兼容。 夺一个1 2 位的模拟输出通道。 夺灵活的触发模式：软件触发、可编程触发和外部脉冲触发。 实物组装如图2 5 所示 图2 5 p c 机与采集卡 沈阳工业大学硕十学位论文 2 3 2 小车驱动装置 小车的驱动装置由水平驱动装置和垂直驱动装置两部分组成，由于本文应用的两套 驱动系统相同，因此只以水平驱动装置做以介绍。 变额器 图2 6 水平位置驱动连线示意图 小车的水平驱动装置由一台接受控制器控制信号的变频器和由变频器驱动的交流电 机组成。伺服驱动连线图2 6 所示。选取的元件的参数如下所示： ( 1 ) 交流电机 夺型号：y s 6 3 1 4 冷转速：1 3 0 0 转分 夺减速比：3 12 ：l 夺功率：9 0 w 夺频率：5 0 h z 夺额定电压：2 2 0 伏 夺额定电流：o 5 l 安 ( 2 ) 伺服驱动器：变频器 本文选用中国台湾省台达能源有限公司的2 3 0 v 系列通用变频器。 夺型号：v f d 0 0 4 - - m 2 1 a 1 2 沈阳工业大学硕士学位论文 夺额定输出功率：1 0 k w 夺额定输入电压：1 8 0 - - 2 6 4v 夺额定输入电流：6 3 a 夺额定输入频率：5 0 6 0h z 夺额定输出电流：2 5 a 夺适配电机：o 4 k w 2 3 3 位置检测装置 位置检测装置分为水平位置检测装置和垂直检测装置。由于本文应用的水平、垂直 位置检测装置相同，所以同样只以水平位置检测装置加以介绍。实物模型如图2 ，7 示。 把编码器和电机的减速器同轴固定。这样，小车走过的距离就可以通过驱动轮的半径， 编码器走过的总码数算出来。 图2 7 水平驱动装置 图2 8 摆角检测装置 f 1 1 编码器 当要量测物体旋转角度变化时，常采用角度译码器( e n c o d e r ) ，其基本原理如图 2 9 所示，旋转轴带动刻有细长槽的圆盘，两侧分别摆放发光二极管与光敏晶体管， 发光二极管光线若透过刻槽让光敏晶体管接受到，将激活光敏晶体管形成通路，所 以当圆盘不断旋转，光敏晶体管将持续送出开路与通路讯号，我们只要记录讯号出 现的数目即可计算出旋转角度。圆盘的刻线分划越细密，所能量测的角度位置精度 1 3 沈阳工业大学硕士学位论文 越高，若要测量正反转位置时，则可以藉由不同的刻画方式将每一个位置区分开 来，获得绝对位置的角度变化。 所用的编码器为日本o m r o n 的e 6 c p - a g 5 c 绝对值式旋转编码器。其电源电压为 1 2 2 4 v d c , 集电极开路输出1 6 m a ，1 0 线，8 位，2 5 6 p r ，g r a yc o d e 输出不会发 生读取错误的情形，精度为1 。可以对各种自动机器的动作进行高精度检测。编码 器的电气连接图如图2 1 0 所示。 绝对式编码器的特点是：可以直接读出角度坐标的绝对值；没有累积误差；电源切 除后位置信息不会丢失；允许的最高转速度比增量式编码器高。 图2 9 编码器原理图 ” 输出信号 。l j _ | lj 出 u “。“。- 。- - 。一 t 输出飘虢 图2 1 0 编码器与采集卡的连线示意图 1 4 沈阳工业大学硕士学位论文 2 3 4 摆角检测装置 摆角检测装置采用x2 w a 一4 7 kq 环形变阻器。给变阻器施加正5 v 电压，测得垂直 位置电压作为基准点，再测得左右正负9 0 度电压进行角度量化，以垂直位置为角零 度。实物模型如图2 8 所示。电路示意图如图2 1 l 所示。 图2 1 1 摆角检测装置连线图 2 3 5 安全机构 为了防止在做实验时出现飞车现象，设计了限位机构作为意外情况的保护装置。采 用m e 8 11l 触点式行程开关作为安全机构在意外情况出现时的故障信号发送点。当行程 开关的常闭结点断开时，切断伺服驱动的输出，电机停转，防止飞车，保护电机。 2 3 6 系统的供电电源 为了系统供电的安全，系统的高电压直接由外部插座接入系统控制箱，减少了高电 压、大电流插接不紧可能造成的发热现象和多节点裸露产生的安全隐患。 为了防止高压交流电源可能对信号传输线产生的干扰，采用具有隔离作用的开关电 源作为信号线的供电电源。 交一直开关电源： 夺型号：j l 一2 4 v 5 夺输入电压范围：1 7 4 - - 2 8 6 v 夺输入额定电流：0 5 a 夺输出功率：1 2 0 w 夺输出电压：+ 5 v 5 a ，2 4 v 4 a 1 5 沈阳工业大学硕士学位论文 2 3 7 系统电控部分的配线要求 ( 1 ) 必须严格按照原理图配线。 ( 2 ) 尽量使强电线和弱信号线分开，减小电磁干扰。 ( 3 ) 变频器等设备必须严格接地，以便保证安全。 ( 4 ) 焊接结点必须饱满，防止虚焊，接触不良。 ( 5 ) 线标必须清楚牢固，便于电气故障排查。 ( 6 ) 配线规范、美观、整洁。 2 4 系统软件工具箱的选择与接口程序设计 2 4 1r e a l - - t i m e - - w i n d o w s - - t a r g e t 工具箱 r e a l - - t i m e - - w i n d o w s - - t a r g e t ( r t w t ) 是对实时系统进行快速原型设计和测试的 p c 机解决方案。在这个环境中，你可以用一个单个的计算机来完成“主机”和“目标 机”的任务。 这里所指的“主机”( h o s t ) 就是运行m a t l a b s i m u l i n k 的计算机，“目标计算机” ( t a r g e tc o m p u t e r ) 贝l j 是实际运行s i m u l i n k 所生成的可执行文件的计算机，它可以通过 r s 2 3 2 接口或t c p i p 协议与主机相连，共同完成实时仿真任务。目标程序不一定非得 在目标计算机上运行，在一般的应用中有时还可以用同一台计算机完成主机和目标计算 机的任务，但有些应用中，如构造d o s 目标时，因为参数调整不便，使用同一台计算 机则不甚方便。 r e a l - - t i m e - - w i n d o w s - - t a r g e t 一般用于控制系统的快速原型和硬件在回路仿真以 及信号处理算法的研究。 这里所谓的快速原型设计是指可以用s i m u l i n k 设计出来的控制器直接去控制被控 对象，通过硬件在回路仿真过程来观察控制效果。如果控制效果不理想，则可以在线调 整控制器的结构或调试控制器参数，直到获得满意的控制效果。这样调试好的控制器可 以认为是实际控制器的原型( p r o t o t y p e ) ，通过控制器设计的方法会将这样的原型直接 生成控制器，这样的控制器在开发和设计上往往能大大缩短控制器设计的过程。如果设 计出来的控常4 器效果是理想的，还可以将其生成的c 语言程序直接下装到控制用的计算 一1 6 一 沈阳工业大学硕士学位论文 机上，也可以生成嵌入式控制器所用的控制程序，脱离m a t l a b s i m u l i n k 环境直接用于 实时控制，最终实现产品化。 r e a l - - t i m e - - w i n d o w s - - t a r g e t 可以在同一台计算机上实时运行s i m u l i n k 模型，可 以完全通过s i m u l i n k 创建并控制一个实时可执行程序。应用r e a l t i m ew o r k s h o p 生成 c 代码，通过c 编译器对其进行编译。p c 通过i 0 接口板与实时硬件连接，这样就可 以开始一个硬件在回路的实时仿真了。 r e a l - - t i m e - - w i n d o w s - - t a r g e t 提供了支持各种l j o 板的i o 驱动器模块，通过它 们可以与传感器、驱动器、和其他的装置相连。这样就可以对实时系统进行实验、开发 和钡4 试了。 通过r e a l t i m e w i n d o w s t a r g e t ，加快了重复设计的过程。因为只要对 s i m u l i n k 方框图进行编辑，用r e a l t i m ew o r k s h o p 生成实时二进制文件，就可以实现实 时控制，而不需要对代码进行编辑和调试。 r e a l - - t i m e - - w i n d o w s - - t a r g e t 软件工具箱具有以下主要特点： 夺在w i n d o w s 9 5 、9 8 、或n t 4 0 的环境下对模型进行实时运行 夺提供控制系统所需的快速的点到点的数据处理 令对大多数模型，采样速度超过1 0k h z 夺可以与1 0 0 多种i o 板进行实时的输入输出连接 可以在s i m u l i n k 环境下直接创建一个“p c 在回路”( p c i n - t h e l o o p ) 的原型 环境来实现对实时模型的控制 夺可以在实时模型运行过程中对参数进行调整。使用r e a l - t i m e - - w i n d o w s t a r g e t ，参数调整是非常容易的。s i m u l i n k 外部模式为r e a - - t i m e - - w i n d o w s t a r g e t 提供了一个通用接口。使用与p c 机共享的内存，s i m u l i n k 的外部模式 允许s i m u l i n k 方框图与实时模型通讯。通过改变方框图参数，能够快速地对动 态系统的性能进行优化。在运行过程中，新的参数值自动地传递给模型。 夺信号数据以m a t 文件的形式存储。模型正在运行过程中，使用标准的 s i m u l i n ks c o p e 模块从实时模型捕获信号并实况显示输出信号的状态，运用 s i m u l i n k 外部模式的数据存档性能可以存储运行时的数据。r e a l t i m e 一 一1 7 沈阳工业大学硕士学位论文 w i n d o w s - t a r g e t 也能捕获一系列的数据脉冲并存储在文件中，可以选择存储单 个的数据脉冲或自动地以连续的文件存储脉冲序列。这些数据被存储在m a t l a b 的 m a t 文件，可以留待以后在m a t l a b 环境下访问数据并依需要画出图形进行比较、 分析。 r e a l - - t i m e - - w i n d o w s - - t a r g e t 软件工具箱要求以下运行环境： ( 1 ) 软件环境需要以下产品： 夺m a t l a b 为r e a l - - t i m e - - w i n d o w s - - t a r g e t 的命令行窗口 夺s i m u l i n k 使用方框图来创建物理模型和控制器的环境 夺r e a l t i m ew o r k s h o p ( r t w ) 由s i m u l i n k 直接绘制出来的框图有时仿真速度 较慢，所以可能要求加速仿真过程；另外，有时还需要使该程序能脱离 m a t l a b 环境独立执行，所以在某些场合需要将其转换成可执行文件，以加 快其运行速度，也可以在没有安装m a t l a b 的机器上对相应的系统进行仿真 研究。r t w 可以由s i m u l i n k 的框图生成优化的语言( 如c 代码) ，产生的代 码既可以提高仿真的速度，又可以生成半实物仿真和实时控制与快速原型设计 所需的代码。r t w 建立起偏重软件的系统设计结果和偏重硬件的产品开发之 间的联系。 夺cc o m p i l e r 把r e a l t i m ew o r k s h o p 所生成的c 代码转换为可执行代码 ( 2 ) 硬件环境： 夺硬件环境包括一台p c 兼容机和i o 板以及实际的对象如传感器、驱动器等。 p c 兼容计算机可以使用任何运行于w i n d o w s 9 5 、w i n d o w s 9 8 、和 w i n d o w s n t 下的p c 兼容计算机。 夺i o 板 r e a l - - t i m e - - w i n d o w s - - t a r g e t 支持各种各样的i o 板。所支持的i o 板包括i s a 、p c i 、和p c m c i a ( 个人计算机存储卡国际协会) 板。这包括a d 转换、d a 转换、数字输入、数字输出和编码器输入。总之，目前支持1 0 0 多 种i o 板。 夺输入输出驱动器 r e a l - - t i m e - - w i n d o w s - - t a r g e t 使用标准的廉价的i o 板， 来实现控制器模型与实际被控对象的连接。当在实时状态下运行模型的时候， 一1 8 沈阳工业大学硕十学位论文 r e a l - - t i m e - - w i n d o w s - - t a r g e t 从一个或更多的输入通道获得采样数据，把这 些数据作为方块图模型的输入，立刻处理这些数据，然后通过i o 板上的输出 通道把控制信号传出去。 夺i o 驱动器模块库 r e a l - - t i m e - - w i n d o w s - - t a r g e t 提供了一个个性化的仿真 模块库。i o 驱动器模块库提供支持i o 板的通用驱动器。这些通用的模块被 配置成运行于所支持的驱动