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东北大学硕士学位论文 摘要 塔式起重机的平衡自动控制 摘要 随着现代化建设的曰益深化，塔式起重机在建筑行业中应用越来越广，它不但 可以提高工作质量，缩短工期，降低工程成本，而且可以减轻笨重的体力劳动。整 机性能的优劣对提高作业率至关重要，而塔机的平衡效果对整机性能有重要影响。 因此，在设计塔式起重机时，除了慎重考虑各个参数的选取，进行反复计算和校核 外，还应该实现塔机的平衡自动控制，提高整机性能，确保安全生产。 本文所作的研究是关于动臂式塔式起重机的平衡自动控制，它是塔机设计中的 一个重要部分。文中首先介绍了塔式起重机在国内外的研究与应用现状，确定了本 课题研究的意义和主要内容。据此确定了进行控制系统开发的环境、相关技术及整 个硬件电路的设计过程。在设计过程中，反复进行试验，最终研究出一套高精度的 控制方案，整个控制过程确保控制安全有效、数据准确、稳定性好。控制过程采用 了带有自调整因子的模糊控制，并采用了数字滤波对数据进行处理。将模糊控制引 入塔式起重机的平衡自动控制，能快速、安全、有效地进行平衡自动调节。数字滤 波使采集数据更准确和稳定。文章最后完成了硬件产品成型后的调试，使控制过程 得到了实验验证，并给出了研究结论及对本研究的展望。 将塔机配重设计成可移动的，实现了塔机的动态平衡控制，可以大大提高塔机 的稳定性。而且，由于塔机工作过程中，影响不平衡力矩的因素变化没有规律，连 杆机构方法和手控电机拖动方法，在对不平衡力矩调节方面存在严重缺陷，只有单 片机自控系统具有不可比拟的优越性。不平衡力矩单片机控制系统的开发利用，必 将大大改善塔机的工作性能，并取得显著的经济效益，而且对后续设计有重要的指 导意义。 关键词：塔式起重机；平衡自动控制；模糊控制；自调整因子；数字滤波 东北大学硕士学位论文 t h eb a l a n c ea u t o c o n t r o ls y s t e mo ft o w e rc r a n e a b s t r a c t a l o n gw i t ht h em o d e r n i z a t i o n ，t o w e rc r a n ei sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ep o p u l a ri n a r c h i t e c t u r ei n d u s t r y i tc a ni m p r o v eq u a l i t y , s h o r t e nw o r k d a y , r e d u c ep r o j e c tc o s t ，a n d b el a b o r s a v i n g t h ew h o l ep e r f o r m a n c ei sv e r yi m p o r t a n ti ni n c r e a s i n gw o r ke f f i c i e n c y , a n dt h eb a l a n c eo ft o w e rc r a n et a k e sag r e a ti n f l u e n c ei nt h ep e r f o r m a n c e t h e r e f o r e ， b e s i d e sc a r e f u l l yc h o o s i n gt h ep a r a m e t e r , c a l c u l a t i n ga n dc h e c k i n gf o rm o r et i m e sw h e n d e s i g nt h et o w e rc r a n e i ta l s on e e dt oa c h i e v eb a l a n c ec o n t r o lt oi m p r o v ep e r f o r m a n c e a n dm a k es n r ci tr ss a f e t h er e s e a r c hi nt h i st h e s i sw a sa b o u tt h eb a l a n c ea u t o c o n t r o lo ft o w e rc r a n e ，a n d i t sa ni m p o r t a n tp a r to fc r a n ed e s i g n a tf i r s tt h i sa r t i c l ei n t r o d u c e dt h ea c t u a l i t yo f d e s i g na n da p p l i c a t i o na n dt h ed e v e l o p m e n tt r e n do ft o w e rc r a n ed o m e s t i ca n da b r o a d ， m a k i n go u tt h em e a n i n ga n dc o n t e n to ft h i sa r t i c l e a c c o r d i n g t oi t ，t h i s p a p e r r e c o m m e n d e dt h ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n ta n dr e l a t e ds k i l l so ft h ec o n t r o ls y s t e m ，a n d t h ew h o l ed e s i g np r o c e s so ft h eh a r d w a r ec i r c u i t m a n ye x p e r i m e n t sh a db e e nt r i e dt o m a k es u r et h ec o n t r o lw a ss a f e ，e f f i c i e n c y , a n dt h ed a t aw a sn i c e t ya n ds t a b l e ，a n da tl a s t ig o tac o n t r o ls c h e m e t h ep r o c e s sa d o p t e dt h es e l f - a d j u s t e dc o e f f i c i e n tf u z z yc o n t r o l a n dd i g i t a lf i l t e rt od e a lw i t ht h ec o l l e c t i n gd a t a u s i n gt h ef u z z yc o n t r o lm a d et h e s e l f - r e g u l a t ef a s t ，s a f ea n de f f i c i e n c y , a n dc o u l dg e tas a r i s f y i n gr e s u l t d i g i t a lf i l t e r m a d et h ec o l l e c t i n gd a t ab em o r ee x a c ta n ds t e a d y a tl a s tc o m p l e t e dt h et e s to ft h e p r o d u c t ，m a k i n gt h ec o n t r o lp r o c e s sv a l i d a t e db ye x p e r i m e n t ，a n dp r o v i d e dt h er e s e a r c h c o n c l u s i o na n dt h ep r o s p e c to f t h i sr e s e a r c h m a k i n gt h em a t c hm o v e a b l ea c h i e v e dt h eh o m e o s t a s i sc o n t r o lo ft o w e rc r a n e ，a n d c o u l de n o r m o u s l yi m p r o v et h es t a b i l i t yo ft o w e rc r a n e f u r t h e r m o r e ，b e c a u s eo ft h e u n c e r t a i n t yo f t h e f a c t o rw h i c hi n f e c tt h ei m b a l a n c et o r q u e ，t h e r ee x i s t sg r e a td e f i c i e n c y i na d j u s t m e n to fi m b a l a n c et o r q u e j u s tt h em c uc o n t r o ls y s t e mh a st h ei n c o m p a r a b l e a d v a n t a g e t h er e s e a r c ho fi m b a l a n c et o r q u em c uc o n t r o ls y s t e ms h o u l dg r e a t l y i m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft o w e rc r a n e ，a n da c q u i r en o t a b l ee c o n o m i cb e n e f i t i i i - 东北大学硕士学位论文 k e y w o r d s ：t o w e rc r a n e ；b a l a n c ea u t o - c o n t r o l ；f u z z yc o n t r o l ；s e l f - a d j u s t e dc o e f f i c i e n t ； d i g i t a lf i l t e r i v 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰 写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者签名：闺麴 日 期：硎绰2 月绷 学1 ：立论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位 论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字目期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论帚一早三；百下匕 1 1 课题的提出 改革开放以来，我国国民经济获得高速的发展。经济建设规模的加大，总是以 工程建设开始，所以我国工程建设行业出现了一片欣欣向荣的景象。塔式起重机是 一种应用广泛的大型起重设备，具有塔高、臂长、有效服务空间大的特点，无论是城 市建设，还是大的工程建设项目，塔式起重机的应用已越来越广泛，它已成为工程 施工中一种主要水平运输和垂直运输机械设备。它不但可以提高工作质量，缩短工 期，降低工程成本，而且可以减轻笨重的体力劳动，改善工作环境。市场的需求有 力地促进了技术的进步，计算机辅助设计、微电子技术、程控语言控制技术都在塔 式起重机上得到了应用。 但是，塔式起重机是一种安全要求很高的机械设备，设计制造考虑不周到，制 作质量不好以及工作环境条件变化，用户操作使用不当，都会造成重大事故。每年 我国因倒塔引起的伤亡人数达i 0 0 人以上。 电子技术及控制原理在我国已有多年的发展历程，已经具备一定的基础。但是 较国外的控制水平还存在很多问题，如精度差、稳定性差等。特别是基础零部件的 可靠性、电气元件、液压元件、工艺安装、生产设备和检测手段等，差距更大。但 是有一个优点还是值得肯定的，那就是价格优势。致力于我国电子事业的发展是广 大电子工作者的普遍心愿，他们也一直朝着这个方向努力着。 本文所研究的塔式起重机的平衡自动控制，在设计的时候，综合考虑了精度、 稳定性以及成本的因素，最终目的就是为了在塔机的平衡自动控制过程中，能获得 很高的精度，良好的稳定性，较高的性价比。这样不仅能降低劳动强度，减少材料 损耗，还能做到反应灵敏，进行适时调控，保证安全。 1 2 国内外研究现状及发展趋势 塔式起重机的发展及其应用在国内虽然还不到半个世纪，但在国外已有近百年 的历史。半个多世纪以来，以法国波坦( p o t a i n ) 和德国利勃海尔公司( l i e b h e r r ) 为 代表的欧洲几大塔机制造商一直是世界塔机技术的领跑者，在塔机的机构性能、结 构形式、应用领域等各方面都取得了突飞猛进的发展。就结构形式而言，动臂变幅 东北大学硕士学位论文第一章绪论 式、水平臂架小车变幅式塔机等都曾经在很长的时期内各领风骚，在最近几十年水 平臂架小车变幅式的自升塔机无论在国内还是国外的市场 一直占据主导地位。 1 2 1 国内研究现状 根据我国塔式起重机的发展形式和市场需求，在产品品种方面预计今后几年塔 式起重机要向大型化( 1 0 0 0 t m ) 以上的和小型化( 4 0 t m ) 以下的发展；在技术性能方面 要向产品智能化、数字化和机一电液一体化方面发展；在结构形式方面要发展一 机多用的塔机，如：吊重、布料、高空作业等：要加大力度研究解决高性能、高技 术含量、高可靠性的塔机，最低限度的降低塔机事故率。 从总体来看，国内塔机新产品电气控制系统采用可编程控制，减少可能产生故 障的环节，提高整机可靠性，注意提高产品的智能化程度，实现实时监控，具有故 障诊断功能，三大机构多数采用变频调速技术，提高丁塔机工作的平稳性和工作效 率。目前为止，在国内关于本课题的研究尚不成熟，国内大型厂家在开发智能型塔 机时大多是对传统型塔机的电控系统进行改进或创新，只有少数企业在动臂塔机的 平衡自动调节上做出了研究： 中国兵器工业集团江麓工业公司制造的q t d l 6 0 动臂式塔式机重机运用平衡重 随力矩变化的移动技术 4 ”，变换起重臂上下范围的角度，根据施工环境允许，利用 减小和调节超重臂回转半径，达到减小和调整塔机施工面积的目的。其摄大作业面 积与同类水平式塔机无异，可做水平式塔机使用；其最小作业面积仅为同类水平式 塔机作业面积的十分之、。 1 2 2 国外研究现状 现今活跃在国际塔机市场上的一些著名厂商是：德国的l i e b h e r r 、p e i n e r 、w o l 垃 法国的p o t a i n 、b p r ，意大利的p o t a i n 。s i r n m a 、c o m e d i l 、n o u v a 、e d i l m a c ，西班 牙的c o m e n s a ，芬兰的b e t r o x ，丹麦的k r o l l ，澳大利亚的f a v e o 。这些大厂为了在 国际塔机市场上占有更多的份额，莫不注重总结经验认真分析市场动态，f 大力 气进行产品的更新和开发 4 8 】。而对日益激烈的市场竞争，各厂家对塔吊无不精工细 琢以保证质量，并采用先进技术以完善使用性能，降低成木。塔机产品正在趋向大 型化，自动化，智能化。 国外在很早就已经实现了可编程控制的电气控制系统，丈现实时监控，具有故 障诊断功能，三大机构多数采用变频调速技术。但就本课题而言，相关资料很少。 只有一个平头塔机的设计采用了移动平衡中系统。 只有一个平头塔机的设计采用了移动平衡中系统。 一2 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 j o s t ( 优氏得) j t 3 0 0 型平头塔机是马来西亚必得控股集团投入重金，由德国塔 机设计权威优氏得先生( m r f r a n cj o s t ) 精心设计，起重能力为3 0 0 t m 。j t 3 0 0 型平头 塔机采用上部回转、小车变幅、液压自升式结构，标准的起重臂长7 5 m ，标准节高 度为6 m 。可内爬、附着、轨道行走使用。应用了已取得专利的移动平衡重系统， 减轻塔机上部卷扬机重量，增加了塔机稳定性，留出了更多的维修空间，也取消相 应的缓冲器和弹簧等缓冲元器件。 法国波坦公司的塔机曾采用连杆一划块机构实现可移动平衡配重，但只适用于 起吊重量不大的情况。实际应用中仍然存在较大的不平衡力矩。 塔式起重机安装使用中，最重要的要求是防止塔机的整机倾翻。塔机工作过程 中，由于影响不平衡力矩的各种因素反复变化，且无一定规律，用连杆机构方法和 手控电机拖动方法很难控制，在对不平衡力矩调节方面存在严重欠缺。而用单片机 控制系统来实现不平衡力矩的控制就容易得多，具有不可比拟的优越性。本文研究 的就是这样一个可移动平衡重的自动调节系统。 1 2 3 平衡调节研究的发展趋势 塔机的自动化设计对提高塔机性能有着极为重大的意义。随着电子器件性能的 不断提高，和科研水平的不断进步，在动臂塔机的平衡配重方面也必将朝着自动控 制的方向发展。 1 3 本课题研究的意义 本课题的研究具有以下意义： ( 1 ) 保证整机工作时的平衡性能，提高作业率和安全性能。 ( 2 ) 提高了整机的设计水平和自动化水平。 ( 3 ) 首次将模糊控制方法和理论应用于配重的平衡系统，具有深刻的理论意 义。 ( 4 ) 具有自主知识产权，提高了产品的竞争力。 ( 5 ) 为后续的工作研究创造了较好的基础。 1 4 本文研究的主要内容 1 4 1 研究目标 该课题的成功研究应达到以下目标： 一3 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 ( 1 ) 实现动臂塔机配重的自动调节，动态显示塔机运行状态。 ( 2 ) 对塔机的起重量级工作参数进行监测和报警。 ( 3 ) 设置最大起重量、最大力矩的安全作业区间，具有清楚的显示界面。 在设计过程中以沈阳建筑机械有限公司起重量为1 0 t ，型号为f l 2 5 3 0 的动臂式 塔式起重机为例。要确保塔机的稳定性，并保证测量精度。首先由传感器保证信号 输入的准确性，再由主控板保证信号处理的准确性和稳定性。系统详细设计过程见 第四章硬件电路设计部分。 1 4 2 研究内容 塔机力矩示意图如图1 1 所示。 图1 1 塔机力矩示意图 f i g u r e l 1t h es k e t c hm a po f t o w e rc r a n em o m e n t 图中， g 配重重力 g + 平衡臂重力 g t 吊臂重力 gm 吊重 x 配重到塔身距离 厶平衡臂重心到塔身距离 厶吊臂臂长 为了实现上节所述目标，在设计中应研究以下内容： ( 1 ) 平衡工况的确定。 对塔式起重机的整机倾翻，要进行无风静载工况、有风动载工况、突然卸载工 况、安装工况和暴风袭击下的非工况进行计算。本设计中根据工作状态，分析无风 4 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 静载工况。对于其他工况，在设计中设置更改相应参数即可。 ( 2 ) 设计套控制系统，实现平衡动态移动，达到与外负荷变化自动适应。 控制系统的设计包括以下两个部分： 软件设计部分。要设计一个实时数据采集控制系统进行数据采集、数据处理、 存储、显示和报警。 硬件设计部分。由信号输入板和信号采集板组成。信号输入板由各种类型的 传感器、放大器及其他处理芯片组成。信号采集板由a d 转换器、m c u 及l c d 等 组成。 传感器安装在塔机的相应部位。在吊运过程中，根据起吊重量、臂角和配重位 移传感器输出信号作为输入信号，采用仪器进行放大后输入到a d 转换器。输出信 号要反馈到位移传感器，转化为电量带动电机的转动，使之能控制整个塔机工作过 程中平衡配重的自动调节。显示器必须能显示整个过程中吊重、臂角和配重位移的 状态。 1 4 3 拟解决的关键问题 拟解决的关键问题有： ( 1 ) 软件设计中算法的选取。 算法的选取对数据采集系统有重要影响。采用合适的算法，能保证数据的稳定 性和准确性，从而保证控制的稳定性和准确性。利用起重力矩特性曲线将塔机的运 行状态分为安全运行区、警示区和危险作业区，在显示参数的同时自动识别和显示塔 机的运行状态。 ( 2 ) 控制方法的选取。 控制方法直接影响控制效果。智能控制的基本出发点是仿人的智能实现对复杂 不确定性系统进行有效的控制。由于塔机的吊重不确定，拟采用智能控制作为整个 控制系统的基础。具体的智能控制类型将在设计研究中确定。 ( 3 ) 保证测量精度抗干扰措旌。 采用测量精度高、线性好、性能稳定的传感器，传感器输出信号采用四线制屏 蔽线输出，并进行屏蔽驱动。采用高精度的仪表放大器，利用有效元件在电源输入 处就滤除纹波干扰，其它的一些干扰，由硬件在相应处滤除。 东北大学硕士学位论文 第二章应用软件的选取及相关技术 第二章应用软件的选取及相关技术 2 1 应用软件g v i s i o n 2 的相关技术 该控制系统为了完成目标功能，实现工程要求，在软件开发设计中采用的编程 软件为t x v i s i o n 2 。它比d o s 环境更易使用，同时还能兼容d o s 环境下的c 5 1 编译 器、汇编器、目标文件的连接与转换器、文件转换程序和分组目标文件转换程序等， 最大限度地保护了用户的利益。 g v i s i o n 2 全3 2 位的软件1 3 们，可以运行在w i n d o w s9 x 、w i n d o w sn t 、w i n d o w s 2 0 0 0 和w i n d o w sx p 等操作系统中，功能强大，支持的芯片更多。# v i s i o n 2 包含一 个高效的编辑器，一个项目管理器和一个m a k e 工具。在| _ t v i s i o n 2i d e 中，内嵌了 d s c o p e 5 1 调试器。它支持所有的k e i l8 0 5 1 工具，包括c 编译器、宏汇编器、连接 定位器、目标代码到h e x 的转换器。p v i s i o n 2 通过以下特性加速系统的开发过程： ( 1 ) 全功能的源代码编译器。 ( 2 ) 用器件库来配置开发工具。 ( 3 ) 用项目管理起来创建和维护项目。 ( 4 ) 集成的m a k e 工具可以汇编，编译和连接嵌入式应用。 ( 5 ) 所有开发工具的设置都是对话框形式的。 ( 6 ) 真正的源代码级的对c p u 和外围器件的调试器。 ( 7 ) 用高级g i d ( a g d i ) 接1 ；3 在目标硬件上进行软件调试，以及和m o n i t o r 5 1 进行通信。 ( 8 ) 与开发工具手册，器件数据手册和用户指南有直接的链接。 2 1 1g v i s i o n 2 集成开发环境 ( 1 ) 项目管理 工程( p r o j e c t ) 是由源文件、开发工具选项及编程说明三部分组成的。一个单 一的g v i s i o n 2 工程能够产生一个或多个目标程序。产生目标程序的源文件构成“组”。 开发工具选项可以对应目标，组或单个文件。 i - l v i s i o n 2 包含一个器件数据库( d e v i c ed a t a b a s e ) ，可以自动设置汇编器、编译 器、连接定位器及调试选项，来满足用户充分利用特定微控制器的要求。此数据库 东北大学硕士学位论文 第二章应用软件的选取及相关技术 包含：片上存储器和外围设备的信息，扩展数据指针( e x t r a d a t a p o i n t e r ) 或者加速 器( m a t ha c c e l e r a t o r ) 的特性。 p v i s i o n 2 可以为片外存储器产生必要的连接选项，确定起始地址和规模。 ( 2 ) 集成功能 g v i s i o n 2 强大的集成功能如下： 集成源代码浏览器利用符号数据库使用户可以快速的浏览源文件。用详细的 符号信息来优化用户变数存储器。 文件寻找功能：在特定文件中执行全局文件搜索。 工具菜单：允许肛v i s i o n 2 集成开发环境下启动用户功能。 可配置s v c s 接口：提供对版本控制系统的入口。 p c l i n t 接口：对应用程序代码进行深层语法分析。 i n f i n e o n 的e a s y c a s e 接口：集成块集代码产生。 i n f i n e o n 的d a v e 功能：协助用户的c p u 和外部程序。d a v e 工程可被直接 输入j _ t v i s i o n 2 。 2 1 2i x v i s i o n 2 的编辑器和调试器 ( 1 ) 原代码编辑器 i t v i s i o n 2 编辑器包括了所有用户熟悉的特性。彩色语法显示和文件辨识都对c 源代码进行优化。可以在编辑器内调试程序，它能提供一种自然的调试环境，使用 户更快速的检查和修改程序。 ( 2 ) 断点 i x v i s i o n 2 允许用户在编辑时设置程序断点( 甚至在源代码未经编译和汇编之 前) 。用户启动v 2 调试器后，断点即被激活。断点可设置为条件表达式，变量或存 储器访问，断点被触发后，调试器命令或调试功能即可执行。 在属性框( a t t r i b u t e sc o l u m n ) 中可快速浏览断点设置情况和源程序行的位置。 代码覆盖率信息可以让用户区分程序中已执行和未执行的部分。 ( 3 ) 调试函数语言 i t v i s i o n 2 中，用户可以编写或使用类似c 语言的函数语言进行调试。 内部函数：如p d n t f , m e m s e t ，r a n d 及其他功能函数。 信号函数：模拟产生c p u 的模拟信号和脉冲信号( s i m u l a t ea n a l o ga n dd i g i t a l i n p u t st oc p u ) 。 用户函数：扩展指令范围，合并重复动作。 一7 一 东北大学硕士学位论文 第二章应用软件的选取及相关技术 ( 4 ) 变量和存储器 用户可以在编辑器中选中变量来观察其取值。双层窗口显示，可以进行以下调 整： 当前函数的局部变量。 用户在两个不同w a t c h 窗口页面上的自定义变量。 堆栈调用( c a l ls t a c k ) 页面上的调用记录( 树) ( c a l lt r e e ) 。 不同格式的4 个存储区。 2 1 3 肛v i s i o n 2 的c 5 l 编译器 c 5 1 编译器在遵循a n s i 标准的同时，为8 0 5 l 微控制器系列进行特别设计。语 言上的扩展能让用户使用所有资源。 ( 1 ) 存储器和特殊功能寄存器的存取。 c 5 l 编译器可以实现对8 0 5 1 系列所有资源的操作。s f r 的存取由s f r 和s b i t 两 个关键字来提供。变量可旋转到任一个地址空间。用关键字一止还能把变量放入固 定的存储器，存储模式( 大、中、小) 决定了变量的存储类型。 连接定位器支持的代码区可达3 2 个，这就允许用户在原有6 4 k r o m 的8 0 1 5 基础上扩展程序。在p v i s i o n 2 的编辑器和许多高性能仿真器中，可以支持应用程序 的调试。 ( 2 ) 中断功能。 c 5 1 允许用户使用c 语言编写中断服务程序，快速进、出代码和寄存器去的转 换功能使c 语言中断功能更加高效。 可再入功能是用关键字来定义的。多任务，中断或非中断的代码要求必须具备 可再入功能。 ( 3 ) 灵活的指针。 c 5 l 提供了灵活高效的指针。通用指针用3 个字节来存储存储器类型及目标地 址，可以在8 0 5 1 的任意存储区内存取任何变量。 特殊指针在声明的同时已指定了存储器的类型，指向某一特定的存储区域。由 于地址的存储只需一两个字节，因此，指针存储非常迅速。 2 1 4i z v i s i o n 2 的测试程序 j _ t v i s i o n 2 调试器具备所有常规源代码调试，符号调试特性以及历史跟踪、代码 覆盖和复杂断点等功能，d d e 界面和s h i f t 语言支持自动程序调试。 一8 一 东北大学硕士学位论文第二章应用软件的选取及相关技术 ( 1 ) c p u 和外设模拟装置 p v i s i o n 2 为8 0 5 1 及衍生产品提供了高速c p u 模拟功能和片上扩展口，在对话 框内可直接观察和修改i o 值，也可以用预装的c l i k e 宏指令书写符号函数来提 供动态输入。 ( 2 ) 目标监控器 p v i s i o n 2 含有一个可配置的监控器，可测试目标器件上的软件。监控器采用 t v i s i o n 2 的调试器直接工作，可支持代码区。它要求目标系统具备6 字节堆栈空间， 6 k b 的代码r o m 和2 5 6 字节x d a t a i 淞m 。 ( 3 ) m c b 5 1 7 2 5 1 启动工具包 在开始一项8 0 5 1 工程时，m c b 启动工具有很大帮助。每一个启动工具包括一 套2 k b 的开发工具和许多可快速运行的举例程序。用户可在检测8 0 5 1 性能的同时， 查看开发工具的可行性。 m c b 5 1 7 a c 板含高性能i n f i n e o nc 5 1 7 a 单片机，它提供标准8 0 5 2 外围设备和 a d 转换器、p w m 、搜索比较、8 位数据指针和一个高速运算单元。同时包含对 8 1 c 9 0 c a n 控制器和代码区的支持。 2 2p r o t e ld x p2 0 0 4 的功能特点 p r o t e ld x p 2 0 0 4 是a l t i u m 公司最新一代的板级电路设计系统。它采用优化的设 计浏览器( d e s i g ne x p l o r e r ) ，通过把设计输入仿真、p c b 绘制编辑、拓扑自动布线、 信号完整性分析和设计输出等技术的完美融合，为用户提供了全线的设计解决方案， 使用户可以轻松进行各种复杂的电路板设计。p r o t e l d x p 2 0 0 4 已经具备了当今所有 先进的电路辅助设计软件的优点 3 】。 p r o t e ld x p2 0 0 4 主要由4 部分组成： 原理图设计系统( s c h e m a t i c s ) ：它主要用于电路原理图的设计，为印制电路板的 制作做准备工作。 印制电路板设计系统( p c b ) ：它主要用于印制电路板的设计，由它生成的p c b 文件将直接应用到印制电路板的生产中。 f p g a 系统：它主要用于可编程逻辑器件的设计。设计完成之后，可生成熔丝 文件，将该文件烧录到逻辑器件中，就可以制作具备待定功能的元器件。 v h d l 系统：它主要用于硬件的编程。 p r o t e ld x p2 0 0 4 的原理图编辑器为用户提供高速、智能的原理编辑手段。在 p r o t e ld x p2 0 0 4 的原理图编辑器内，可以输出设计p c b 板所必需的网络表文件， 一0 一 东北大学硕士学位论文第二章应用软件的选取及相关技术 可以设定p c b 板设计的电气法则，还可以根据用于的要求，输出令用户满意的原理 图设计图纸。 2 2 1p r o t e ld x p2 0 0 4 原理图绘制特点 p r o t e ld x p2 0 0 4 提供了丰富的元件库，在它的元件库里，用户可以很找到所想 要的元件。除此以外，通过一定的方法还可以将p r o t e l9 9 s e 的库文件转换成d x p 2 0 0 4 的库文件。p r o t e l d x p2 0 0 4 的原理图编辑器采用了自动化的连线工具、智能化 的电气法则检测( e r c l 、人性化的设计界面、方便实用的查询功能和快捷的编辑方 式，所有这一切将使原理图设计变得轻松自如。 ( 1 ) 真正实现了多通道的设计方法；所谓的多通道设计方法实际上是一种非 常有效的、快捷的设计手段，使用这种方法，在原理图编辑器中设计的一份原理图， 用户可以多次参考，在p c b 编辑器中同时绘制出多个相同的模块。在整个操作过程 中，用户都不必担心会丢失网络标号，因为p r o t e ld x p 2 0 0 4 的符号管理器能够自动 产生各个模块的电气连接图表，并且将之作为工程文件中的一部分保存起来，这样 用户所要做的就是在总图的入口处标上模块的数目。 ( 2 ) 丰富的元件库及库文件的集成化组织管理：p r o t e ld x p2 0 0 4 提供了丰富 的元件库，几乎覆盖了所有电子元件厂家的元件种类。在元件库的组织管理方面， 不但继承了p r o t e l 上一版本的优点，而且还增加了图形显示的功能。在原理图编辑 器和p c b 编辑器中，从元件库管理面板上能够同时查看到元件的原理图符号和封装 形式。 ( 3 ) 更加强大的编辑功能：p r o t e ld x p2 0 0 4 的原理图编辑器使用标准化的图 形编辑方式，支持拖动、拷贝、剪切和粘贴等典型的w i n d o w s 操作，还支持元件的 旋转、镜像和阵列粘贴等功能，使用户的原理图绘制变得轻松自如。此外，p r o t e l d x p 2 0 0 4 还支持在线编辑元件的参数和管脚封装形式，给用户带来很大的方便。 ( 4 ) 方便、易用的查询功能；p r o e ld x p2 0 0 4 支持语句查询功能，在查询面 板中根据一定的语法规则输入查询语句，确定后，面板的列表中就会显示相应的查 询结果，同时工作区中也会高亮显示查询对象。 ( 5 ) 设计变量：原理图编辑器具有输出设计变量的功能，通过设计变量表， 可以查询原理图设计是否与设计思想相符。 ( 6 ) 分层次组织的设计环境：p r o t e ld x p2 0 0 4 继承了其上一版本的优点，支 持分层次组织的设计环境。当用户的设计项目较大，不容易在一张原理图上完成时， 可以把设计项目分为若干子项目，子项目可以再分成若干功能模块，功能模块还可 一1 0 东北大学硕士学位论文第二章应用软件的选取及相关技术 在往下划分直至底层的基本模块，然后分层逐级设计。p r o t e ld x p2 0 0 4 对同一设计 项目中的层次深度和原理图的张数都没有限制，这样做的目的是将一个复杂的设计 项目化整为零，逐个完成，使项目设计变得条理清晰，简单可靠。这种设计方法叫 自项向下的层次型设计方法。 ( 7 ) 与p c b 电路板的同步功能：与以前的版本相比，p r o t e ld x p2 0 0 4 的同步 化程度更高，支持自然的非线性设计流程双向设计同步。同时考虑到分层次组 织的原理图设计方法，p r o t e ld x p2 0 0 4 还支持各子图与p c b 电路板设计之间的对 应同步功能。 ( 8 ) 高质量的输出：p r o t e l d x p2 0 0 4 的输出格式为标准的w i n d o w s 输出格式， 支持所有的打印机和绘图仪的w i n d o w s 驱动程序，支持页面设置，打印预览等功能， 并且还支持图形的x 轴和y 轴坐标之间的比例输出和灰度输出等功能，输出质量明 显提高。 2 2 2 印制电路板( p c b ) 设计系统特点 印制电路板( p c b ) 设计系统具有以下特点【4 1 ： ( 1 ) 设计法则更加灵活 ( 2 ) 图形堆栈管理功能 ( 3 ) 简便的封装库的编辑及组织 ( 4 ) 基于人工智能的自动布线系统 ( 5 ) 支持单层显示功能 ( 6 ) 查询功能 ( 7 ) 强大的过滤功能 ( 8 ) 设计校检( d r c ) 2 2 3p r o t e ld x p2 0 0 4 运行环境 ( 1 ) 最小配置 操作系统：w i n d o w s2 0 0 0 专业版 硬件配置：c p u 主频为5 0 0 m h z 内存1 2 8 m b 硬盘空间6 2 0 m b 最低显示分辨率：1 2 8 0 x 7 6 8 ，1 6 位显示器 显存8 m b 一1 1 东北大学硕士学位论文 第二章应用软件的选取及相关技术 ( 2 ) 标准配置 操作系统：w i n d o w sx p 硬件配置：c p u 主频为p 4i g h z 内存5 1 2 m b 硬盘空间6 2 0 m b 最低显示分辨率：1 2 8 0 x 1 0 2 4 ，3 2 位显示器 显存3 2 m b 2 - 3 自动控制原理的确定 2 3 1 各类控制原理的比较 传统的控制方法包括p i d 控制、s m i t h 控制、自适应控制等。智能控制包括以 下几种类型：多级阶梯智能控制、基于知识的专家控制、模糊控制、神经控制、基 于规则的仿人智能控制、基于模式识别的智能控制、多模交结构智能控制、学习控 制和自学习控制、可拓控制和混沌控制。本文设计中采用的是模糊控制。 模糊自动控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种计 算机数字控制。从线性控制与非线性控制的角度分类，模糊控制是一种非线性控制。 从控制器的智能性看，模糊控制属于智能控制的范畴，而且它已成为目前实现智能 控制的一种重要而又有效的形式。相对于其它智能控制类型，它更适用于本文所作 的研究。因为塔机的配重自动控制具有一定的不确定性，但是又不是很复杂。 模糊控制较之传统的p i d 控制等不仅对被控对象参数变化适应能力强，而且在 对象模型结构发生较大改变的情况下，也能取得较好的控制效果。 基于以上分析比较，本文确定采用模糊控制原理。下面介绍模糊控制的基本思 想、组成及原理。 2 3 2 模糊控制的基本思想 在自动控制技术产生之前，人们在生产过程中只能采用手动控制方式。手动控 制过程首先是通过观测被控对象的输出，其次是根据观测结果作出决策，然后手动 调整输入，操作工人就是这样不断的观测一决策一调整，实现对生产过程的手动控 制。这三个步骤分别是由人的眼一脑一手来完成的。后来，由于科学和技术的进步， 人们逐渐采用各种测量装置( 如测量仪表、检测装置、传感器等) 代替人的眼，完 成对被控制量的观测任务；利用各种控制器( 如磁放大器，由直流运算放大器加阻 1 2 东北大学硕士学位论文 第二章应用软件的选取及相关技术 容反馈网络构成的p i d 调解器等) 部分地取代人脑的作用，实现比较、综合被控制 量和给定量之间的偏差，控制器所给出的输出信号相当于手动控制过程中人脑的决 策：使用各种执行机构( 主要是电动的、气动的，如伺服电机、气动调节阀等) 对 被控对象( 或生产过程) 施加某种控制作用，这就起到了手动控制中受的调整作用。 上述由测量装置、控制器、被控对象及执行机构组成的自动控制系统，就是人 们所熟悉常规负反馈控制系统，见图2 1 。 图2 1 常规反馈控制系统框图 f i g u r e 2 1g e n e r a lf e e d b a c kc o n t r o ls y s t e mb l o c kd i a g r a m 经过人们长期研究和实践形式的经典控制理论，对于解决线性定常系统的控制 问题是很有效的。然而，经典控制理论对于非线性对变系统难以凑效。随着计算机 尤其是微机的发展和应用，自动控制理论和技术获得了飞跃的发展。基于状态变量 描述的现代控制理论对于解决线性或非线性、定常或时变的多输入多输出系统问题， 获得了广泛的应用，例如在阿波罗登月舱的姿态控制、宇宙飞船和导弹的精密制导 以及在工业生产过程控制等方面得到了成功的运用。但是，无论采用经典控制理论 还是现代控制理论设计一个控制系统，都需要事先知道被控对象( 或生产过程) 精 确的数学模型，然后根据数学模型以及给定的性能指标，选择适当的控制规律，进 行控制系统设计。然而，在许多情况下被控对象( 或生产过程) 的精确数学模型很 难建立。例如，有些对象难以用一般的物理和化学方面的规律来描述，有的影嘀因 素很多，而且相互之间又有交叉耦合，使其模型十分复杂，难以求解以至于没有实 用价值。还有一些生产过程缺乏适当的测试手段，或者测试装置不能进入被测试区 域，致使无法建立过程的数学模型。像建材工业生产中的水泥窑、玻璃窑，化工生 产中的化学反应过程，轻工生产中的造纸过程，食品工业生产中的各种发酵过程。 还有为数众多的炉类，如炼钢炉的冶炼过程，退火炉温控制过程，工业锅炉的燃烧 过程等等。诸如此类的过程的变量多，各种参数又存在不同程度的时变性，且过程 具有非线性、强耦合等特点，因此建立这类过程的精确数学模型困难很大，甚至 是办不到的。这样一来，对于这类对象或过程就难以进行自动控制。 一1 3 东北大学硕士学位论文第二章应用软件的选取及相关技术 与此相反，对于上述难咀自动控制的一些生产过程，有经验的操作人员进行手 动控制却收到令人满意的效果。在这样的事实面前，人们又重新研究和考虑人的控 制行为有什么特点，能否对于无法构造数学模型的对象让计算机模拟人的思维方式， 进行控制决策。 总结人的控制行为，正是遵循反馈及反馈控制的思想。人的手动控制决策可以 用语言加以描述，总结成一系列条件语句，即控制规则。运用微机的程序来实现这 些控制规则，微机就起到了控制器的作用。于是，利用微机取代人可以对被控对象 进行自动控制。 在描述控制规则的条件语句中的一些词，如“较大”、“稍小”、“偏高”等都具有 一定的模糊性，因此用模糊集合来描述这些条件语句，即组成了所谓的模糊控制器。 1 9 7 4 年英国马丹尼首先设计了模糊控制器，并用于锅炉和蒸汽机的控制，取得了成 功。模糊语言控制器、模糊控制论、模糊自动控制等概念，就从此诞生了。 2 3 3 模糊控制系统的组成 模糊控制属于计算机数字控制的一种形式【2 9 l 。因此，模糊控制系统的组成类同 于一般的数字控制系统，其方框图如图2 2 所示。 图2 2 模糊控制系统框图 f i g u r e 2 2f u z z yc o n t r o ls y s t e mb l o c kd i a g r a m 模糊控制系统一般可以分为四个组成部分： ( 1 ) 模糊