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机械毕业设计论文
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机械毕业设计149投篮机器人,机械毕业设计论文
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用学校提供的蓝色打印 本科毕业设计（论文）说明书 （ 题目） 小二号粗黑体，居中 系 别 专业班级 学生姓名 指导教师 提交日期 年 月 日 小三号宋体，加粗 210g 橙色卡纸（ A3） 论文统一用 A4 纸打印。边距上 2.54cm，下 2.54cm，左 2.2cm，右 2.2cm。行距为固定值 20 磅。nts 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 ，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密 。 （请在以上方框内打“ ”） 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 指导教 师签名： 日期： 年 月 日 nts 四号宋体，加粗，居中 毕 业 设 计 （论文） 任 务 书 小二号宋体，加粗，居中 正文小四号宋体，行距为固定值 20 磅 兹发给 班学生 毕业设计（论文）任务书，内容如下： 1.毕业设计（论文）题目： 2.应完成的项目： （ 1） （ 2） （ 3） （ 4） 3.参考资料以及说明： （ 1） （ 2） （ 3） （ 4） （ 5） （ 6） （ 7） 4.本毕业设计（论文）任务书于 年 月 日发出，应于 年 月 日前完成，然后提交毕业考试委员会进行答辩。 专业教研组（系）负责人 审核 年 月 日 指导教师（导师组） 签发 年 月 日nts 毕业设计（论文）评语： 三号宋体 毕业设计（论文）总评成绩： 四号宋体 毕业设计（论文）答辩小组负责人签字： 四号宋体 年 月 日 四号宋体 nts I （以下含有范例） 摘 要 三号粗黑体，居中上下空一行 正文小四号宋体，行距为固定值 20 磅 本文详细介绍了多变量预测控制算法及其在环境试验设备控制中的应用。由于环境试验设备的温度和湿度控制系统具有较大的时间滞后，而且系统间存在比较严重的耦合现象，用常规的 PID 控制不能取得满意的控制效果。针对这种系统，本文采用了多变量预测控制算法对其进行了控制仿真。 预测控制算法是一种基于系统输入输出描述的控制算法，其三项基本原理是预测模型、滚动优化、反馈校正。它选择单位阶跃响应作为它的“预测模型”。这种算法除了能简化建模过程外，还可以通过选择合适的设计参数，获得较好的控制效果和解耦效果。 本文先对环境试验设备作了 简介，对控制中存在的问题进行了说明；而后对多变量预测控制算法进行了详细的推导，包括多变量自衡系统预测制算法和多变量非自衡系统预测控制算法；然后给出了系统的建模过程及相应的系统模型，在此基础上采用多变量预测控制算法对环境试验设备进行了控制仿真，并对仿真效果进行了比较。 仿真结果表明，对于和环境试验设备的温度湿度控制系统具有类似特性的多变量系统，应用多变量预测控制算法进行控制能够取得比常规 PID 控制更加令人满意的效果。 关键词 ：多变量系统，预测控制，环境试验设备 小 4 号黑体 关键词 3 5 个，宋体 小 4 号字 中文摘要共 400 600 个字，关键词 3 5 个词 中文摘要和关键词占一页 nts II 英文全部用 Times New Roman 字体 Abstract 三号字体，加粗，居中上下空一行 正文小四号字体，行距为固定值 20 磅 In this paper, multivariable predictive control algorithm and its application to the control of the environmental test device are introduced particularly. The temperature and humidity control system of the environmental test device is characterized as long time delay and severe coupling. Therefore, the routine PID control effect is unsatisfactory. In this case, the simulation of the temperature and humidity control of the environmental test device based on multivariable predictive control algorithm is made. Predictive control algorithm is one of control algorithm based on description of systems input-output. Its three basic principles are predictive model, rolling optimization and feedback correction. It chooses unit step response as its predictive model, so that the modeling process is simplified. In addition, good control and decoupling effects could be possessed by means of selection suitable parameters. In this paper, the environmental test device is introduced briefly and the existing problems are showed. Then multivariable predictive control algorithm is presented particularly, including multivariable auto-balance system predictive control algorithm and multivariable auto-unbalance system predictive control algorithm. Next, system modeling process and corresponding system model are proposed. Further, the multivariable predictive control algorithm is applied to the temperature and humidity control system of the environmental test device. Finally, the simulation results are compared. Results of the simulation show that multivariable predictive control algorithm could be used in those multivariable system like the temperature and humidity control system of the environmental test device and the control result would be more satisfactory than that of the routine PID control. Keyword: Multivariable system, Predictive control, Environmental test device 英文摘要和关键词应该是中文摘要和关键词的翻译 英文摘要和关键词占一页 nts III 目录范例 目 录 摘要 Abstract 第一章 绪论 1 1.1 预测控制概述 1 1.2 环境试验设备简介 2 1.3 主要研究工作 2 1.4 本文安排 3 第二章 基础知识介绍 4 2.1 预测控制的基本原理 4 2.1.1 预测控制的三项基本原理 4 2.1.2 预测控制的几种算法 5 2.2 动态矩阵控制算法 5 2.2.1 概述 5 2.2.2 动态矩阵控制算法 6 2.3 本章小结 10 第三章 环境试验设备介绍及建模研究 11 3.1 环境试验设备介绍 11 3.1.1 简介 11 3.1.2 环境试验设备的结构及硬件 11 3.1.3 环境试验设备控制的难点 12 3.2 环境试验设备的建模研究 12 3.2.1 环境实验设备的模型概述 12 3.2.2 飞升曲线法辨识环境试验设备的数学模型 14 3.3 本章小结 19 第四章 多变量预测控制算法的研究与推导 20 4.1 多变量预测控制算法的推导 20 4.2 仿真研究 24 4.3 本章小节 25 nts IV 第五章 多变量非自衡系统预测控制算法的研究与推导 26 5.1 多变量非自衡系统预测控制算法 26 5.1.1 单变量非自衡系统预测控制算法 26 5.1.2 多变量非自衡系统预测控制算法 29 5.2 仿真研究 33 5.3 本章小结 34 第六章 环境试验设备的预测控制研究 35 6.1 脉冲响应系数模型的获得及对象特性分析 35 6.1.1 脉冲响应系数模型的获得 35 6.1.2 对象特性分析 36 6.2 仿真控制实验 37 6.2.1 参数选择 37 6.2.2 仿真控制结果 43 6.3 本章小结 45 结束语 46 参考文献 47 附录 48 致谢 49 nts第一章 （标题） 1 论文正文的排版： 1. 换章时必须换页 2. 第一级标题用三号粗黑体，居中上下空一行 3. 第二级标题用小三黑体，靠左上下空一行 4. 第三级标题用四号黑体，靠左本身不空行 5. 正文小四号字体，行距为固定值 20 磅 6. 图题及图中文字用 5 号宋体 7. 参考文献标题用三号粗黑体，居中上下空一行，参考文献正文为五号宋体 有关论文排版的其它说明： 1 纸张大小及版心：统一用 A4 纸（ 21 29.7） 打印，边距设为： 上 2.54cm，下 2.54cm，左 2.2cm，右 2.2cm。行距为固定值 20 磅。 2 注意文中代表变量的英文字母必须用斜体，其它用正体。微分号 d、圆周率 、自然底数 e、矩阵转置 T 均应为正体。 3 文章中的英文均用 Times New Roman 字体。 4 页眉标注从论文主体部分（绪论、正文、结论）开始，采用五号宋体居中排布。页眉 分奇、偶页标注，其中偶数页 的 页眉 为 ；奇数页的页眉为章序及章标题，例如： 第三章 城市道路的景观设计研究 。 页眉的上边距为 15mm，在版心上边线加一行 1.5磅粗的实线，其上居中打印页眉 ；页脚的下边距为 15mm。 5 页眉居中置于页面上部。论文页码居中置于页脚。 偶数页式样： 奇数页式样： 华南理工大学广州汽车学院本科毕业设计（论文）说明书 第一章 绪论 nts第一章 （标题） 2 6. 论文页码从 主体部分（绪论、正文、结论） 开始 ，直至“ 参考文献、 附件 、致谢”结束 ，用阿拉伯 数 字编连续码，页码位于页脚 ，采用五号宋体 居中 排布 。封面、学位论文版权使用说明书、任务书、毕业设计（论文）评语 不编入页码。摘要 及 目录用五号 罗马 数字编连续码，页码位于页脚居中。 nts河南科技学院 2009 届本科毕业论文（设计） 论文题目：投篮机器人的动作设计 学生姓名： 李风雷 所在院系： 机电学院 所学专业： 机械设计制造及其自动化 导师姓名： 丛晓霞 完成时间： 2009 年 5 月 20 日 nts 1 摘 要 本文的主要研究方向是其中的手动机器人控制系统设计。首先 对手动机器人的行走方案 吃球方案、投球方案进行讨论和设计，随后又对投球装置使用的气动控制系统进行了设计。简单介绍了为手动机器人设计的以单片机为核心的控制系统。同时出于对稳定性的考虑，设计了以 PLC 为核心 的控制系统，并以此为重点，对机器人的功能进行设计和扩展。 关键词 ： 机器人，投球，气动控制， PLC控制 nts 2 Abstract The main research direction of this article is manual robot control system design. First of all we carry on the discussion and the design to the manual robot walking plan, ball collecting plan, ball shooting plan ,afterwards to design the pneumatic control system of ball shooting system.Simply introduced the control system takes SCM as the core designed for the manual robot. Simultaneously base on the stable consideration, we designed a control system takes PLC as the core, and take this as the key point, carries on the design and the expansion to the robot function. Keywords: Robot, Shooting ball, Pneumatic control, PLC control nts 3 目 录 1 引言 . 4 1.1 机器人概述 . 4 1.2 目前研究的概况和发展趋势 . 4 1.3 机器人竞赛介绍 . 5 2 总体方案分析与策略 . 5 3 行驶机构的设计 . 6 4 吃球部分设计 . 7 5 投球部分设计 . 9 6 控制回路设计 . 10 7 单片机控制系统 . 10 7.1 AVR 单片机的特性 . 10 7.2 控制电路介绍 . 11 8 以 PLC 为核心的控制系统方案 . 12 8.1 PLC 介绍 . 12 8.2 PLC 的选择 . 14 8.3 PLC 各单元介绍 . 15 8.4 控制系统功能介绍 . 19 8.5 前进 /后退，变速控制及投球控制 . 19 8.5.1 /O 分配 . 19 8.5.2 程序梯形图： . 20 8.6 自动送球控制 . 23 9 总结 . 23 致谢 . 24 参考文献 . 25 nts 4 1 引言 1.1 机器人概述 机器人科学是一门综合了机械、电子、材料、计算机、传感器、仿生、人工智能等多种前沿科学的综合性学科，是最能体现一个国家基础科学技术和制造业水平的学科之一。 1920年捷克作家卡雷尔卡佩克发表了科幻剧本罗萨姆的万能机器人。在剧本中，卡佩克把捷克语“ Robota”写成了“ Robot”，“ Robota”是 奴隶的意思。该剧预告了机器人的发展对人类社会的悲剧性影响，引起了大家的广泛关注，被当成了机器人一词的起源。在该剧中，机器人按照其主人的命令默默地工作，没有感觉和感情，以呆板的方式从事繁重的劳动。后来，罗萨姆公司取得了成功，使机器人具有了感情，导致机器人的应用部门迅速增加。在工厂和家务劳动中，机器人成了必不可少的成员。为了防止机器人伤害人类，科幻作家阿西莫夫于1940年提出了“机器人三原则”： (1)机器人不应伤害人类； (2)机器人应遵守人类的命令，与第一条违背的命令除外； (3)机器人应能保护 自己，与第一条相抵触者除外。 这是给机器人赋予的伦理性纲领。机器人学术界一直将这三原则作为机器人开发的准则。 机器人真正出现在人类社会中的历史并不算长， 1959年美国英格伯格和德沃尔制造出世界上第一台工业机器人，机器人的历史才算真正开始。机器人发展到现在，可以分为三代：第一代是示教再现型机器人：它由人操纵机械手做一遍应当完成的动作或通过控制器发出指令让机械手臂动作，在动作过程中机器人会自动将这一过程存入记忆装置。当机器人工作时，能再现人教给它的动作，并能自动重复的执行。这类机器人不具有外界信息的反馈能力 ，很难适应变化的环境。 第二代是有感觉的机器人：它们对外界环境有一定感知能力，并具有听觉、视觉、触觉等功能。机器人工作时，根据感觉器官（传感器）获得的信息，灵活调整自己的工作状态，保证在适应环境的情况下完成工作。第三代是具有智能的机器人：智能机器人是靠人工智能技术决策行动的机器人，它们根据感觉到的信息，进行独立思维、识别、推理，并作出判断和决策，不用人的参与就可以完成一些复杂的工作。目前，智能机器人已在许多方面具有人类的特点，随着机器人技术不断发展与完善，机器人的智能水平将越来越接近人类。 1.2 目前研究 的概况和发展趋势 当今世界，机器人特别是工业机器人已经发展成为一个规模巨大的产业。 据nts 5 粗略估算，全球现在至少有 76万台机器人正投入使用。中国于 1972 年开始研制自己的工业机器人。我国于 1985年研制成功第一台弧焊机器人，距世界最早的机器人实用机型推出晚了 23年。目前，我国从事机器人研发、制造的单位已达200多家。 2000年，我国工业机器人的拥有量约为 3500台，其中国产的占五分之一。但是由于我国机器人产业化起步较晚，步伐较慢，基础工业力量比较薄弱，致使工业机器人长期大量依赖进口。研究与市场脱节是我国机器人产业 化过程中一个急需解决的问题。同时，我国的企业也缺少大规模集成的经验，难以形成很强的竞争力 1。 1.3 机器人竞赛介绍 近年来 ,随着计算机、传感器和人工智能等技术的飞速进步，机器人科学得到了前所未有的发展 .在制造行业中，尤其是汽车工业 ,机器人已经成为生产线上的主力，可以说一个企业其生产线上机器人的质量和数量几乎可以说明这个企业的生产效率和水平。不仅如此，机器人的应用也扩展到很多其他领域，比如侦察、探测机器人，护理机器人，农业机器人，甚至还有家用的清洁机器人而各类机器人竞赛就是近年来发展起来的一 种新兴事物。通常情况下，比赛发布一个目标和一套规则，参赛选手据此设计机器人，与其他选手竞争，从而赢得比赛。机器人比赛集合科技、教育、比赛、娱乐于一体，即是科普活动的一个良好载体 ,同时也是基础研究的一个大舞台 ,不仅是有趣的娱乐项目同时也能反映出一个国家科技水平的高低。机器人竞赛给青年人提供了一个充分展示聪敏才智的舞台 ,培养了他们实际动手能力 ,团队协作能力 ,提高了创新能力 , 更使大学生对相关学科的理论学习有了更直观的认识。 同时，这些非工业用途的研究型和教学型机器人，其意义远不仅是它们自身所能带来的直接经济价值 。这类机器人往往是各种学科最新技术的交叉实验平台，在新型机器人上应用的技术有可能很快就出现在其他领域的实际产品中，不但促进了机器人自身的发展，也带动了其他相关领域产品的进步。 2 总体方案分析与策略 要想实现投篮的功能， 机器人必须在以下几个方面达到要求： (1)功能强大 为了能完成比投篮 动作，必须具备高效、可靠的动作机构。 (2)信息处理能力强 需要按照一定的路线行进，对环境位置信息进行处理和判断，以便完成既定任务。 (3)速度快 速度是抢占场上优势最重要的手段。 (4)坚固稳定 要考虑防止机器人倾覆的措施 。 nts 6 3 行驶机构的设计 大多数手动机器人的驱动布局方案都是 ：采用两台电动机，分别驱动机器人后方的两个主动轮，而前方安装一个或两个万向轮作从动轮。这种方案的优点是转向控制方便。没有复杂的转向机构，通过分别控制两个电机的正反转就能使机器人转向，无论从结构上还是电路控制上都比较简单。 图 1 双电机驱动布局 但是这种方案有一个缺点，那就是很难让机器人在原地绕某一点精确地旋转。而只有做到能够精确旋转，才能让机器人的定向发射机构进行精确瞄准。 于是设计了另一种方案：在车体后部安装一个可以控制转 向的主动轮，由一台电机控制它的转向，一台电动机控制其正反转。 图 2 主动轮转向方案 nts 7 当主动轮转动方向与车身方向垂直时，车身就会以 O点为圆心旋转，箭头所示就是车体的瞄准方向。通过微调主动轮前后旋转，可以比较容易地实现车体的精确瞄准。 但最终没有采用这种方案，而是在前面方案的基础上增加一个差速器和一个主动轮，形成双可控转向驱动轮 +双定向从动轮的布局。 图 3 双主动轮加差速器方案 选择这种方案主要基于以下几个原因：一是四轮布局要比三轮布局稳定性高；二是如果 主动轮只有一个，那么当主动轮原地旋转向时，其与地面接触的部分是滑动摩擦，阻力比较大，且运动不平稳。我们使用电机来控制主动轮的转向，因此驱动阻力是个值得考虑的问题。如果采用双主动轮 +差速器的方案，那么主动轮原地转向时，两个主动轮就是饶电机主轴旋转，与地面之间是滚动摩擦，阻力较小，运动平稳 2； 4 吃球部分设计 对吃球机构的要求是，能够在较 短的时间内尽可能地将 球拾取到机器人内的指定位置。另外如果 球散落各个角落，手动机器人应该有足够的灵活性来拾取这些燃料球。手动机 器人的球发射机构通常距离地面有一定距离 ，所以还需要特定机构将 球提升到指定高度。 我 的设计方案是将拾取机构和提升机构和为一体。 nts 8 图 4 吃球路径 如图所示，吃球模块是由电机带动的胶皮传送带，与地面的距离略微小于燃料球的直径，因此能够利用传送带和地面夹紧燃料球，同时将其沿内舌板与吃球模块组成的通道输送到球舱，球舱里的球在重力的作用下落入传送槽，在此由横向传送带送入发射位置。 图 5 吃球机构结构图 吃球模块实际上是一个三角形的传送带系统，有一条传送带，四个滚筒，其中一个是由电动机带动的动力滚筒，其余三个是从动滚筒，分别 起到支撑和预紧的作用。 nts 9 5 投球部分设计 经过初步讨论， 设计了几种备选方案。 一是用风扇。用直流电动机带动风扇高速转动，将风扇靠近对方的燃料球，用高速气流将燃料球吹离篝火盘。 图 6 风扇方案 二是用压缩空气。手动机器人携带一个储满高压空气的气瓶，在机器人的特定位置引出一个喷嘴，用电磁阀控制气路的开关。将喷嘴对准对方的燃料球，利用喷射出高压气体将球逐出篝火盘。 图 7 吹气方案 但是这两种方法都有缺点，那就是作用距离近，而且击球的力量也比较小。于 是我们设计了另一种方案：利用气缸作为动力元件，制作 一个弹射机构。 经过试验，这种方法十分有效。球的弹射距离非常远，能达到 3米以上，撞击力量也很大 。配合手动机器人上安装的可见红外激光瞄准器，射击精度也非 常高。 图 8 弹射机构示意图 nts 10 6 控制回路设计 经过研 究决定气缸用 二 位五通电磁阀控制。为了调节气缸运动速度，使用节流调速回路，在 电磁阀的出气口分别安装节流阀。节流阀的流量需要经过实验反复调节，观察整个机构的运动速度，达到要求之后用螺纹扣件锁死。 G2为气缸， F2 为二位五通电磁阀， J2 和 J6分别为电磁阀两种状态下的出气节流阀。在正常情况下电磁阀电源 断开，高压气体从气缸前端进入，气缸处于缩回状态并保持不动。当发射命令产生，电磁阀电源接通，高压气体从气缸末端进入，气缸前端气体经节流阀调速后排出，使气缸按照一定速度伸出，从而驱动射球机构将球射出 3。 以下为投篮机器人的控制系统的设计，由于单片机和 plc均可，我做两个系统进行比较。 7 单片机控制系统 7.1 AVR 单片机的特性 AVR单片机是 1997年由 ATMEL公司研发出的增强型内置 Flash 的RISC(Reduced Instruction Set CPU) 精简指令集高速 8位单片机。 AVR的单片机可以广泛应用于计算机外部设备、工业实时控制、仪器仪表、通讯设备、家用电器等各个领域。 AVR单片机技术体现了单片机集多种器件 (包括 FLASH程序存储器、看门狗、EEPROM、同 /异步串行口、 TWI、 SPI、 A/D模数转换器、定时器 /计数器等 )和多种功能 (增强可靠性的复位系统、降低功耗抗干扰的休眠模式、品种多门类全的中断系统、具输入捕获和比较匹配输出等多样化功能的定时器 /计数器、具替换功能的 I/O端口 )于一身，充分体现了单片机技术的从“片自为战”向“片上系统 SoC”过渡的发展 方向。 AVR系列单片机的选型 AVR单片机系列齐全 ,可适用于各种不同场合的要求。 AVR单片机有 3个档次 : 低档 Tiny系列 AVR单片机 : 主要有 Tiny11/12/13/15/26/28 等； 中档 AT90S系列 AVR 单片机 : 主要有 AT90S1200/2313/8515/8535 等； (正在淘汰或转型到 Mega 中 ) 高档 ATmega系列 AVR单片机 : 主要有 ATmega8/16/32/64/128（ 存储容量为 8/16/32/64/128 KB）以及 ATmega8515/8535 等。 AVR器件引脚从 8脚到 64脚 , 还有各种不同封装供选择。根据我们比赛的需要，选择了中档 AT90S系列 AVR 单片机 :AT90S8515 nts 11 7.2 控制电路介绍 这里只简单介绍机器人上单片机系统的各部分电路。 图 9 单片机系统 AVR AT908515单片机系统，包括单片机、时钟晶振部分、单片机复位部分和单片机电源滤波部分。 PC0PC7为电磁阀控制部分。 PA0PA7为继电器控制部分。 图 10 继电器控制回路 继电器控制电路。 由于单片机 IO 断口驱动能力有限，所以需要借助三极管放 大电路来驱动继电器和电磁阀。 nts 12 图 11 放大电路 整个系统的电源部分（稳压模块） 7。 图 12 稳压模块 8 以 PLC 为核心的控制系统方案 8.1 PLC 介绍 在制作了以单片机为核心的控制系统之后，我们发现了一些单片机系统的问题。 一个缺点就是可靠性不足。我们使用的控制电路从设计到印刷电路板到焊接元器件都是由 自己完成，其中肯定有不足之处甚至是错误。对于这样的复杂控制系统来说，一点小失误就有可能造成整个系统的崩溃。特别是焊接元器件这一环节，很容易出现虚焊甚至短路这样的缺陷。 另外单片 机本身的抗干扰能力也比较有限。机器人自身的电路系统中有很多电动机和继电器等感性负载，在电流剧烈变化的瞬间会产生很高的感生电动势。nts 13 这个很高的电动势本身既能在线路上造成电磁感应干扰，又能造成接点间电火花或电弧干扰，既瞬变噪声干扰。上述这些干扰都会对单片机的工作稳定性造成很大的威胁。 虽然有一些措施可以减少干扰对单片机的影响，比如安装电磁屏蔽罩，以及在电路中使用光电隔离等等，但制作能力方面的不足恐怕无法避免。 相比之下， PLC 是一种非常成熟的控制系统。它相当于将单片机、继电器和各种外围电路集成到了一起，经过精心设 计和严格的测试，可靠性非常高，因此在工业领域得到了广泛的应用。 可编程控制器，简称 PLC（ Programmable logic Controller） ,是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置。在 1987 年国际电工委员会（ International Electrical Committee）颁布的 PLC标准草案中对 PLC做了如下定义：“ PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通 过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。 PLC 及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。” PLC是由摸仿原继电器控制原理发展起来的，二十世纪七十年代的 PLC只有开关量逻辑控制，首先应用的是汽车制造行业。它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令；并通过数字输入和输出操作，来控制各类机械或生产过程。用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求，并事先存入PLC的用户程序存储器中。运行时按存储程序的内容逐条执行，以完成工艺 流程要求的操作。 PLC每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。不同型号的 PLC，循环扫描周期在 1微秒到几十微秒之间。 PLC用梯形图编程，在解算逻辑方面，表现出快速的优点，在微秒量级，解算 1K逻辑程序不到 1 毫秒。它把所有的输入都当成开关量来处理， 16位（也有 32位的）为一个模拟量。大型 PLC使用另外一个 CPU 来完成模拟量的运算。把计算结果送给 PLC的控制器。 PLC的特点： （ 1） 可靠性高，抗干扰能力强 （ 2） 配套齐全，功能完善，适用性强 （ 3） 易学易用，深受工程技术人员欢迎 （ 4） 系统的设计、建造工作 量小，维护方便，容易改造 （ 5） 体积小，重量轻，能耗低 PLC的应用领域： nts 14 （ 1） 开关量的逻辑控制 （ 2） 模拟量控制 （ 3） 运动控制 （ 4） 过程控制 （ 5） 数据处理 （ 6） 通信及联网 PLC的构成： 从结构上分， PLC 分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式 PLC包括 CPU板、 I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式 PLC包括 CPU 模块、 I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。 8.2 PLC 的选择 根据机器人的具体情况， 应所选用的 PLC 应该满足以下几个基本条件： （ 1） 采用直流工作电源 （ 2） 体积小巧，重量轻 （ 3） 采用 DC 输入端子，继电器输出端子 （ 4） 输入 /输出点数至少各 16个，并且输出端子至少提供 2组公共地 （ 5） 输入 /输出点数扩展方便 （ 6） 知名品牌，容易得到广泛的技术支持 （ 7） 价格合理 综合以上因素考虑，最终选择了 Panasonic NAIS FP2 系列 PLC 作为本控制系统的核心。 图 13 FP2 PLC nts 15 NAIS FP2系列 PLC是松下电工推 出的小型模块式 PLC，其体积小，功能强大，采用模块化设计，可自由组合各部分功能，扩展方便。其能够实现中型机的功能，安装体积却维持在小型机的水平上。其功能模块可根据母板的情况自由选择，母板提供 5、 7、 9、 12、 14 不同数量的模块安装位置，可根据需要自由安装功能模块 8。 根据设计需要，我们选择 FP2系列的以下模块进行组合： （ 1） 母板： FP2-BP05 （ 2） 电源单元： FP2-PSD2（ DC 24V工作电源） （ 3） CPU单元： FP2-C1标准型 （ 4） I/O单元： FP2-X16D2 DC输入（端子 台型） （ 5） I/O单元： FP2-Y16R 继电器输出（端子台型） 以上单元共同组成 5模块型的基本组合。 8.3 PLC 各单元介绍 (1)母板： FP2-BP05 图 14 母板 (2)电源单元： FP2-PSD2 nts 16 图 15 电源单元 (3)CPU单元： FP2-C1标准型 图 16 CPU 单元 nts 17 (4)I/O单元： FP2-X16D2 DC输入 图 17 输入单元 nts 18 (5)I/O单元： FP2-Y16R 继电器 输出 图 18 输出单元 nts 19 8.4 控制系统功能介绍 采用 PLC来控制手动机器人，目的在于提高手动机器人的自动化程度。将一些动作交给 PLC自动完成，减少操作者的工作量，减少人工操作失误的可能性。 整个手动机器人有以下几个部分需要实时操作：机器人的前进 /后退及变速功能，还有吃球、送球等动作需要通过 PLC 来控制。 8.5 前进 /后退， 变速控制 及投球控制 机器人的行走是通过直流电动机驱动的。为了让机器人能够对 环境有更强的适应性，应该 让机器人的行走状态能够随时进行调整。前进和后退两种 模式是必须有的，此外还应该让机器人在前进时能够随时调整速度。 使用了一种比较典型的控制方法，即用继电器控制直流电动机的正反转， 并增加两个输入不同电压的正转继电器，以实现前进时的三挡变速。 机器人的电源 可以 采用镍氢电池组，所以不同电压可以由电池组的不同抽头输出，比较方便。 操作时，将遥控器操纵杆向前推，触发前进按钮，此时电动机一档正传，同时激活换档模式。然后每按动加挡按钮一次，电动机转速提高一档，加到三档后加挡按钮失效；按动减档按钮一次，电动机转速在现有基础上减一 档，减到一档后减档按钮失效。如果操纵杆回到中间位置或向后推，则自动退出换档模式，加减档按钮都失效。 当机器人达到到快投篮的位置时，摁下瞄准状态键，若瞄准，者发射球，若未瞄准则前轮旋转直至瞄准状态 . 如将操纵杆向后推，则电动机一档反转，且无换档功能。 8.5.1 /O 分配 （ 1） I口 前进按钮 后退按钮 加档键 退档键 投篮位置检测 瞄准状态 吃球 吐球 光电开关触发 位控开关触发 nts 20 （ 2） 口： 继电器的控制 一档正转 二档正转 三档正转 继电器的控制 反转 吃球正转 吐球反转 传动带启动 指示灯 前驱动轮电机 8.5.2 程序梯形图： 图 19 程序图 nts 21 程序中用到的 指 令介绍： (1)ST上升沿开始 概述 :用于上升沿检测的触点指令，仅在检测到信号上升沿的周期内对触点进行逻辑处理。 图 20 上升沿指令 ST、 AN和 OR指令在 X0发生从 OFF到 ON的变化后， Y10 仅输出一个扫描周期。 在机器人程序中，这个命令起到了非常重要的作用：每次触发前进按钮时，换档模式启动，并让计数器复位，同时给计数器用的过程寄存器设定初始值，且只在触发前进按钮的上升沿时才进行复位和赋值，在随后换档模式的工作过程中不动作，因此不会对 其他程序产生影响。这个命令非常简单有效。 (2)F0（ MV） 16位数据传输 概述：将 16 位数据复制到指定的 16 位区。 其中 S为 16 位常数或存放常数的 16 位区 (源区 )， D为 16位区 (目的区 )。当触发器 R0为 ON 时，数据寄存器 DT10的内容复制到数据寄存器 DT20。 在机器人程序中，这个命令被用来给计数器用的寄存器赋初始值。 nts 22 图 21 数据传送指令 (3)ST= 、 = 字比较 : 相等时初始加载、大于等于时初始加载 图 22 比较指令 概述：将两个字数据 (16bit)项进行比较作为运 算条件。根据比较的结果触点闭合或断开。 S1是被比较的 16位常数或存放常数的 16位区， S2是被比较的 16位常数或存放常数的 16位区。 分别将数据寄存器 DT0的内容与 K50和 K60进行比较。若 DT0=K50，则外部输出继电器 Y30为 ON；若 DT0 K60，则外部输出继电器 Y31为 ON。在机器人程序中，这个命令用来比较计数器计算的结果与挡位之间的关系，从而决定输出档位。 (4)F118(UDC)加 /减计数器 概述：设置加 /减计数器。 图 23 加减计数器指令 nts 23 S是存放计数器预置值的 16位常数或 16位 区， D是计数器经过值 16位区。示例表示设置初始值，当目标值为 0时 R50 变为 ON。本程序示例可以用
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