随动控制系统（共8篇）
随动控制系统 篇1
0 引 言
近年来,随着高新技术武器的不断涌现,其目标识别能力、隐蔽程度、目标命中精度均大大提高,这给火炮武器系统提出了新的要求。对火炮随动系统而言,必须具备很高的角速度、角加速度和很高的跟踪精度,要求有很好的快速性和动态品质,还应有很高的可靠性和可维护性[1]。
火炮随动系统是一种位置反馈的控制系统,在设计及产品交验时,需要知道火炮随动系统的各类技术指标,如跟踪性能、阶跃性能等。该火炮随动控制系统监控仪主要用来控制和监测火炮随动系统能够的方位及高低位置,并根据主令曲线计算出误差曲线,从而判定随动系统的跟踪性能、阶跃性能等,当火炮运行至所设定的极限位置时,能够输出开关量。该火炮随动控制系统监控仪要求:体积小;能通过图形显示火炮的速度、位置及误差曲线;响应时间快,要求到限响应时间不大于10 ms。
1 PC104模块与MCS-51单片机之间的通信
随动控制系统监控仪采用PC104计算机作为主控制器,与外部随动系统的通信采用PC104 CAN卡,操作系统为Windows XP。因此,可以通过PC104计算机实现曲线图形显示及误差计算等功能。但是,由于Windows XP是非实时操作系统,程序运行时,无法通过应用程序精确控制时间,因此无法做到真正的实时性。所以在火炮到限检测时,采用单片机电路,可确保快速响应的要求。MCS-51单片机通过串口与PC104计算机系统连接,串口设置为最简单的工作方式,串口通信波特率设置为9 600 b/s,接口芯片使用MAX232,串口通信协议采用十六进制编码方式[2]。
1.1 下位机数据包组成
下位机(单片机)数据包定义相同,每个数据包由4个字节组成,依次为:
发送顺序为先高后低。
BYTE3:起始帧,0xAB。
BYTE2:长度帧,0x02。
BYTE1:命令帧,0xA0/0xA1/0xA2/0xA3:执行复位/停止监控/恢复监控/射角限制设置等命令成功;0xFF:接收数据错误,要求重发;0xF3/0xF4:火炮位置超下限/上限,产生下限/上限报警;0x3F/0x4F:清除下限/上限报警显示。
BYTE0:结束帧,0xCD。
1.2 上位机(PC104计算机)数据包组成[3]
上位机数据包组成有两种定义,第一种数据包定义由4个字节组成,依次为:
发送顺序为先高后低。
BYTE3:起始帧,0xAB。
BYTE2:长度帧,0x02。
BYTE1:命令帧,0x00/0x01/0x02:复位/停止监控/恢复监控命令;0xFF:接收数据错误,要求重发;0xE3/0xE4:解除下限/上限警报;
BYTE0:结束帧,0xCD。
上位机第二种数据包定义由8个字节组成,依次为:
发送顺序为先高后低。
BYTE7:起始帧,0xAB。
BYTE6:长度帧,0x06。
BYTE5:命令帧,0x04:设置射角上下限。
BYTE4～BYTE3:数据帧,射角上限值。
BYTE2～BYTE1:数据帧,射角下限值。
BYTE0:结束帧,0xCD。
上位机与下位机之间一包的通信数据量为8个字节和4个字节,其所用时间大概为7 ms和3.5 ms。
2 监控仪与随动系统之间的通信
随动控制系统功能要求:
(1) 监控仪能接收CAN总线上的数据,并显示在显示器上,显示的内容包括:火控机数据、随动反馈角、方位高低误差、故障报警,显示到小数点后一位;
(2) 能模拟射角限制器功能,并能随意的设置射角限制区等;
(3) 监控仪能够通过CAN总线向随动系统发送主令数据。
根据控制系统的要求,在监控仪和随动系统之间使用CAN总线通信方式。单片机电路主要功能是同上位机进行通信和监控火炮的极限位置[4,5]。
2.1 MCS-51单片机与随动系统之间的通信电路设计
单片机与随动系统之间使用实时性强、可靠度高、价格低廉、传输距离远、传输速率快和有较强的抗电磁干扰能力等的CAN总线通信方式。在电路设计中,使用AT89S52作为微处理器。CAN总线控制器选用Philips半导体公司的SJA1000,它支持CAN 2.0A和CAN 2.0B协议,可以工作在BasicCAN模式或者是具有更多功能的PeliCAN模式。
CAN总线收发器选用PAC82C250,其能提供CAN总线的差动发送能力及对CAN控制器的差动接收能力,信号使用差分电压传送,两条信号线被称主CANH和CANL。为了提高抗干扰能力在SJA1000与PAC82C250 之间采用高速光耦6N137进行信号隔离。电路连接如图1所示[6,7,8]。
为了保证系统的可靠性,提高系统的抗干扰能力,电路中使用隔离型DC/DC电源模块向收发电路供电,DC/DC电源使用可以提供稳定、低噪声5 V DC电压的BO505RN-1W的电源模块。
2.2 MCS-51单片机与随动系统之间通信的软件设计
监控仪软件功能为:
(1) 使用CAN 2.0B通讯协议,通信波特率500 Kb/s;
(2) 上限位置、下限位置设置:可设置一定的区域,设置单位为密位;
(3) 上下限的响应必须足够快,为此电路上设计了单片机电路板,通过串口与PC104计算机系统连接;
(4) 故障指示: PC104系统接收到故障代码后,除了显示器上显示故障情况,同时通过串口传送给单片机,单片机控制故障指示灯亮。
(5) 通信数据格式:
① CAN总线上不同节点具有不同的节点号;
② 位置反馈方位、高低角数值范围0～65 535,代表0～6 000密位;
BYTE7:方位反馈低位;
BYTE6:方位反馈高位;
BYTE5:高低反馈低位;
BYTE4:高低反馈高位;
BYTE3:BYTE2:空;
BYTE1:方位误差;
BYTE0:高低误差。
依据控制系统的要求,SJA1000初始为peliCAN模式,通信波特率为500 Kb/s,使用CAN 2.0B通讯协议,其初始化代码如下[9,10]:
单片机电路主要是接收CAN总线上随动系统的数据,并监控火炮的极限位置;超上限或者超下限时向上位机发送报警命令,同时释放继电器,火炮处于超限锁死状态。流程图如图2所示。
CAN总线上数据的报文格式有标准帧和扩展帧。本文中使用扩展帧,其数据帧由13个字节组成,依次为:
BYTE12:RX帧信息 EFF;
BYTE11～BYTE8:RX识别码1～RX识别码4;
BYTE7～BYTE0:RX数据1～RX数据8。
单片机完成一次CAN总线随动数据的接收,数据量有13个字节;通信波特率为500 Kb/s的情况下,大概需要210 μs。
3 结 语
火炮随动控制系统监控仪在现场测试中到限响应时间为8 ms,满足到限快速响应要求。监控仪是一种实时的火炮随动控制系统监测仪器,且电路结构合理、体积小、易维护,可以通过计算机接口进行软件升级和各项参数的调整,具有较强的实用性。
摘要：介绍基于嵌入式PC104计算机和MCS-51单片机的火炮随动控制系统监控仪设计。该系统要求实时显示火炮高低和方位主令曲线及火炮位置反馈曲线,并且实时监控火炮的极限位置。采用PC104模块实现主令发送及曲线显示,单片机实时检测火炮极限位置,单片机和PC104模块与火炮随动系统之间通过CAN总线通信,单片机与PC104模块之间通过串口进行数据设置及状态信息传送。该设计不仅利用PC104模块实现了强大的计算及图形显示功能,同时采用单片机又保证了整体系统的实时性。
关键词：随动系统,PC104,CAN总线,串行通信
参考文献
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随动控制系统 篇2
晴风暖雨天碧蓝，柳丝连春江，柳绿江暖，春暖花香春一色，夕阳落红彼岸花。
待到桃红花纷落，春光无限美，与你相约，一曲心音相思未，夜阑犹剪灯花弄。
春暖花香情随动，时光清浅爱随风，风动烟雨风中远，四月情暖碧阳天，邻院花开香暗渡，岸边柳曳韵悄传，柳绿花红着春意，春风细雨弹奏着春的序曲。微风徐徐梳理着翩翩起舞的柳丝，鸟儿鸣唱着这春天的秀丽。浓雾蒙蒙绕远山，青青嫩草亦心欢，一怀画意，小酌怡情，吟风弄月，无关他言，且歌且行，静守一份安然，育情一汪梦想。
流年带走了过往，往事写满了心伤， 走过风花的雪月，多少繁华似梦中，留下落英纷飞的惆怅。 走过春秋冬夏，多少往事如烟，留下零落伤感的茫然。 一段曾经，一段过往，多少春去秋来，握不住流年，握不住的缘，有一种陪伴，叫山遥水远，有一种期盼，叫寂静喜欢，有一种回忆，叫苦中有甜，有一种牵念，叫望眼欲穿，情淡春暖。
春色如秋，冷暖自如，凝视远处，硝烟茫茫，沉寂无声。相思未央，丝丝成伤，一纸难诉，只因它溢满了太多的牵念，太多的期许和太多的爱意绵绵。岁月如你，书一笔相思，蘸一缕花香，素韵中，描绘了一幅永恒的情长;盈一怀温婉，挽一袭幽梦，恬静中，轻吟了一曲不朽的篇章;掬一抹朝阳，携一世牵挂，温暖中，嫣然了一季浪漫的流光。
燕飞花落，细雨微风，春意萌萌，轻诉流年，温润了一季的春暖花开。若水清颜，馨墨冉，微雨清寒声声慢。一念之间，三月飘雪戏花残。你从红尘中依约走来，如莲淡雅，如兰静娴。笑靥如花，柔软了我的眼眸，回首一瞬间，暖一场相逢，捻一指花香，红尘相念，一份懂得，时光静好，流年的`光阴如飘零的花瓣雨，带着幽幽暗香在指间流淌。
既相逢，却匆匆。携手佳人，和泪折残红。为问东风余几许?春纵在，与谁同!暖雨晴风初破冻，柳眼梅腮，已觉春心动。酒意诗情谁与共?泪融残粉花钿重。 君一袭白衣胜雪，乘一叶轻舟，荡一江春水花月，吹一曲东风破，衣袂蹁跹，潇洒巍峨。我与你青梅煮酒同欢歌，共赏美景如画，坐拥潮起潮落，看姹紫嫣红开遍，山水共天连一色，夕阳西下彼岸欢。
花间拾梦，相逢此刻，对酒当歌，不问人间曾几何，细雨微风春一色，轻诉流年，温润了一季的春暖花开。盈一怀温婉，挽一袭幽梦，恬静中，轻吟了一曲不朽的篇章;掬一抹朝阳，携一世牵一挂，温暖中，嫣然了一季浪漫的流光。静握笔端相念。一抹如水的心事，点缀了流年中斑驳的时光。相遇是一种美，珍惜一份美丽的遇见，高山流水觅知音，共谱一曲相思情。
春意悠悠，相偎相依，含情脉脉，柔情蜜意，欲语还休，温婉如玉。一曲心音，涤荡了世间尘埃。一缕花魂，沉醉了唯美忧伤。一次邂逅，倾尽了高山流水。一念执著，爱不同生死同穴。春水凝碧，倾予几许柔肠。纤指红尘，千世轮回成殇。愿得一人心，白首不相离。静听花开，为你，倾尽千年的等待。蓦然回首，花开彼岸，月舞云袖，墨染江南。
春风入梦柔，潇潇夜雨谧清眸，情也悠悠，念也悠悠。漠漠轻寒，独上西楼，飞花似梦，烟雨如愁。爱未休，恨未休，帘卷西风瘦。陌上花开，黄泉碧落，月如钩。锦瑟无端，弦乐随风，拂红袖，轻吟浅唱，关关雎鸠，心似舴艋舟。惊起却回首，半阕新词叠春昼。雨霏霏，风细细。陌居家，绿柳青，桃谢红妆残杏李，春处杨花起，与山水为伴，与日月同欢。
酒新尝，人卧醉。迟醒推窗，满院凄凉意。几惜芳华曾费泪。苦短浮生，豆蔻随流水。凝眸初见，一见倾颜，复又倾心。万里烟尘，笑尽无意。怎奈相思，牵君随行。一眼春宵月，千回悲欲绝。轻描眉，独梳妆，两眸朱砂泪，蒹葭又苍苍。夜未央，春宵残梦难思量。枕一帘幽梦，诗一曲华章。望尽千帆何处是，归心渺渺如雾恍，不慕群芳艳，但闻幽语娴。
轻烟雾霭，夜色阑珊，纤月如寒，微雨声声慢。念往昔，空如梦，一脉情深凝翠眸。冷风如霜，景年几时同。红尘一别，千里姻缘付凄凄，黄粱一梦中。蝶羽依依似空朦，抚琴一曲雕花笼。吟一缕墨魂，掬一袭婉筠，悠悠蓝谷相思引。凌步花间，霓裳轻飘，嗅一妩梅芳，谱一阕情长。红袖潋添香，何似云袖舞月光，雾非雾，花非花，嫣然一笑情爱暖。
千般情，万般念，浅笔素心，淡写轻描，笔走红尘间，情爱两缠绵，青山伴秀水，回眸一瞬间。轻语处，时光已浸染成相思无数。凝指尖，深情已挥洒成牵挂遥遥。一声暖念，划过岁月的尘烟，能否抵达你灵魂寞处悠悠的彼岸。一曲心愿，穿过记忆的长空，惟愿，你安我安流年安，惟念，情长水长意更长，佳期如梦梦千年，深情款款爱意绵。
随动系统数字化 篇3
随动系统按指控系统送来的目标信息,在高低角和方位角两个通道,完成对未来目标的跟踪、对准,直至发射。所以,随动系统的对准、跟踪精度和响应快慢直接影响作战效果。
微处理器使得随动系统电脑化,软件决定了控制装置的功能。现代伺服系统回路的反馈部分,基于“IF…THEN…”软件规则的动态变化形成数字式反馈补偿。随动系统应具备快速性好,无超调,无静差特点。工程上为了达到这些技术指标同时又要考虑实际工作中算法简单有效,对此本文采取数字式模糊/PID混合控制方法来解决。
1 伺服系统功率放大器
随着晶闸管技术的发展,产生了能满足各种性能要求的晶闸管直流调速系统。在晶闸管供电的直流调速系统中,由于晶闸管元件的单向导电性,必须在电动机回路中采取适当措施,才能实现电动机的可逆运行。通过改变电枢电压极性实现可逆运行的系统称为电枢可逆系统,如图1所示。
两组晶闸管之间是由一个交流电源同时向两组晶闸管供电成为反并联线路。如果两组都工作在整流状态,则会在两组晶闸管之间产生很大的直流环电流。这实质上是电源两端直接短路,会使设备损坏,是绝对不允许的。通常采用的抑制脉动环流的办法是在环流回路中串入环流电抗器L1、L2、L3和L4。环流电抗器必须在整流状态侧和逆变状态侧各设置两个,因为处于整流状态侧的晶闸管除流过脉动电流外,还流过电动机负载电流,使环流电抗器饱和,不能起限流作用,所以必须依靠逆变状态晶闸管一侧的环流电抗器来限制脉动环流。
2 计算机控制的随动系统
2.1 数字式的直流电力传动系统
计算机控制直流传动系统由计算机控制器、驱动电路、电流和速度反馈电路、功率放大电路、位置传感器和直流电动机组成,如图2所示。
计算机控制器采用了单片机80C196KC,其单片机本身具备D/A转换功能,通过脉冲宽度调制寄存器实现的。其模拟量的表现形式为宽度可变的脉冲波,亦称PWM。当该寄存器出现于窗口0时,可对其进行写操作,写入数据后,PWM的宽度随之而定。因为该寄存器的内容只能在00H~0FFH之间变化,所以PWM的可调节范围是一定的。
本系统设计采用80C196KC单片机,其为晶振10 MHz。PWM脉宽频率由IOC3输入输出控制寄存器在窗口为1,设置由第2或3位来决定,本系统采用PWM输出的频率9.8 k Hz,周期约为102 ms。PWM的占空比取决于PWM寄存器的值,其分辩率为1/256。
2.2 数字电力传动系统位置反馈信号的采样
电动机位置的被控制量是模拟量形式的物理量,通过旋转变压器和A/D转换将模拟量转换为数字量进行角度计算。旋转变压器粗示角度a正弦波的个数与精示角度b正弦波的个数比为1∶20,亦是1个粗示正弦波里套着20个精示角度正弦波。
因为粗示角度a正弦波的个数与精示角度b正弦波的个数比为1∶20,所以1个精示角度b对应于粗示角度a的范围是0°~18°(360°/20=18°)。实际角度γ的计算公式:
2.3 计算机控制系统中的数字运算方法
2.3.1 数字式PID调节器
在连续控制电力传动系统中,PID控制器得到广泛的应用。在计算机控制系统中,PID调节可用软件实现。PID调节器对电动机的位置进行控制,调节器的输入量是输出量y(t)与给定值r(t)的误差e(t),
在工程实际应用中,采用了PID调节器,其时域的表示形式为
式中:Kp为比例放大系数;τ0为积分时间常数;τd为微分时间常数。
在数字计算机中用软件来实现PID控制,可以使用数字逼近的方法。用求和代替积分,用差商代替微分,使PID算法离散化。
PI调节器将比例与积分组合即可
PI调节器在计算中需要将系统运行以来的误差值e(0)…e(k)全部计算。PID调节器是比例、积分、微分调节器的组合,可以得到
其中,Kp为比例环节:成比例的响应控制系统地偏差e(k),偏差一旦产生,控制器立即产生控制作用,减少偏差;KI为积分环节:主要消除静差,提高系统的误差度;KD为微分环节:响应偏差信号的变化趋势(变化速率),并能在偏差信号变得太大之前,在系统中引入一个有效的早期修正信号,从而加快系统的动作速度,减少调节时间。
计算机在PID的每一步运算中,需要存储PID调节器前次的输出值u(k-1)和前次的误差值e(k-1)。
2.3.2 数字PID调节器的饱和抑制法(积分分离法)
在闭环控制系统中,由于执行机构的线性范围有限,当控制量U(k)对应于执行机构的线性范围以内时,随控制量U(t)的增大,执行机构的输出功率也增大,反之减小。但是当U(k)增大到执行机构的输出功率最大(电机转速最高)以后,U(k)增加功率也不会再增大,此时控制量为Umax。这种饱和现象使执行机构不能及时按U的要求动作,产生较大偏差,使超调量增大甚至振荡。因此,PID调节器需要设计为限幅调节器,限幅调节器就是PID调节器输出U(k)的值为:Umin≤U(k)≤Umax。
在系统中如果PID控制器计算得到的是U(k)≤Umin或者U(k)>Umax,而强制使输出是Umin或者Umax,则控制不能达到预期的结果,甚至引起系统的振荡。
计算机控制的系统中,使用积分分离法。积分分离法的设计思想是:在误差e(k)较大时,调节器不进行积分运算,只计算比例项和微分项;当误差e(k)小到进入误差带时,才进入积分运算。这样一开始误差e(k)很大,积分不累加,防止了积分项过大。进入误差带后,才开始累加积分增量ΔIk,有利于消除偏差。而且偏差小时,积分累加之和也小,即使饱和也容易退出。于是积分分离法的PID的算法为
其中,B为系统本拍的误差宽度;ΔIk为系统本拍PI控制器的积分增量。
当系统误差-B≤e(k)≤B时,PI控制器的积分增量ΔIk累加;若系统误差在宽度B的误差带外,积分项的增量不累加。
3 模糊逻辑控制器设计
计算机软件实现的模糊控制器是控制系统的中心,由三部分组成“模糊化”,“模糊控制规则”和“模糊判决”。这种控制方法是非线性的控制方法,适应于解决非线性问题,对无法取得数学模型或数学模型相当粗糙系统可以取得较满意的控制效果。
系统中的偏差E,偏差的变化率Ec和模糊控制器的输出控制量U都是确定的数值。把E,Ec的精确量转换成控制规则所需的模糊量,即找到该精确量隶属于某个模糊子集的隶属度。如图3所示。本文选择位置误差E和位置误差变化Ec作为控制器的输入量,由电压值U作为控制器输出。
用梯形隶属函数可以避免大量的运算,大大减少模糊化时的计算工作量,有利于用软件实现模糊化和实时控制。不同的隶属函数对系统有不同的响应,当遇到偏差较大时,采用高分辩率的模糊集,它引起的输出变化相对强烈,控制的灵敏度高;当遇到偏差很小或接近零时,则应用低分辩率的模糊集,它引起的输出变化相对缓慢,控制特性较为平缓,系统较稳定。
定义变量的变化范围通常七个模糊集:
模糊变量E模糊集为:E={NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}
模糊变量Ec模糊集为:Ec={NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}
模糊变量U模糊集为:U={NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}
对每个变量用模糊集来描述,NB(负大)、NM(负中)、NS(负小)、ZO(零)、PS(正小)、PM(正中)、PB(正大)量化为7级。模糊集所代表的语言值表示人对输入变量和输出变量大小的反映。
输入模糊化后,应进行模糊推理,模糊推理采用条件语句“IF…THEN…”。本系统的模糊控制器是双输入单输出形式,采用模糊推理形式:
式中E是系统偏差,使系统给定量与反馈量之差的模糊子集。Ec是系统偏差E的变化率的模糊子集。
可以根据系统误差量E及误差量变化Ec的相互关系归纳出控制规则:
(1)误差量很大时:误差量变化与误差量方向一致,则系统的误差量有增大的趋势。此时,控制量应取最大值,使误差尽快减小。
(2)误差量很大时:误差量变化与误差量方向相反,则系统的误差量有减小的趋势。此时,为了使尽快减小误差量,同时避免出现超调控制量应取较大值。
(3)误差量较小时:根据误差量变化情况,控制量可适当取一些较小值。
模糊控制器的控制规则,可根据系统误差及误差变化得模糊控制规则49条。以下是部分规则:
4 结论
随动系统数字化后,在阶跃信号给定下,可以达到缩短调节时间,降低最大超调量和减少超调次数。使随动系统有良好的静态特性,较高的调节精度,比较理想的动态过渡过程。
原随动系统的技术指标要求:
消除150密位失调角:响应时间≤3秒、振荡次数≤6次;
随动系统数字化后能达到的技术指标:
消除150密位失调角:响应时间≤3秒、振荡次数≤4次;
记录图形如图5:横轴每50单位表示1秒,纵轴表示失调角密位。
摘要：采用晶闸管驱动电动机,模拟量PWM输出及数字式模糊/PID混合控制器控制直流电动机方式。以Intel80C196KC作为主控制器部分,实现9.8kHz的可编程PWM占空比输出和数据解算。
关键词：晶闸管,Intel80C196KC,PWM,数字式模糊/PID混合控制器
参考文献
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随动系统运动参数测试研究 篇4
针对武器随动系统运动控制的实际需求 (比如火炮等武器系统随动系统在靶场的检验、鉴定与定型试验等测试项目) , 研制了一种便携式随动系统运动参数测试系统。由于测试对象的特殊性, 这对随动系统动态参数的样本量和准确度的要求就更苛刻了, 而动态参数主要是当被测系统运动时测试得到的。一般情况下, 被测系统的结构比较复杂, 以至于测试的点位也比较分散, 并且需要测试的动态参数的信号类型也各异 (比如:交流信号和直流信号, 而且档位也不一样) , 同时对测试的带宽和采样率的要求也不同。以上这些测试要求已经不是传统测试手段所能完成的, 因此, 在综合考虑以上要求的基础上, 需要搭建一套新的多功能、扩展兼容性好且易于操作的测试系统, 从而实现对多通道及多类型信号的实时、高速和同步采集。
本系统主要是对随动系统运动参数的测试, 所以随动系统的运动信号作为输入信号给本系统。本系统将信号的检测、调理, 误差的分析、计算, 数据的导入、导出, 人机交互界面等功能集成为一个基于便携式工控机及少量附属设施的软硬件系统集成装置。
2 测试系统原理
2.1 系统原理
根据信号传递过程, 本系统原理如图1所示。
从图1中可以看出, 随动系统的输出信号 (电压信号) , 作为本系统的输入信号, 然后调理板将电压信号按一定比例缩放到±10V, 然后将信号传递给A/D采集卡, 采集卡将模拟信号转换成数字信号传递给控制计算机。
对于本系统, 主要功能在于对随动系统的信号进行处理分析, 所以控制计算机是本系统的核心部分。
控制计算机按功能可分为:数据采集。控制计算机从采集卡读取数据到计算机。数据存储。控制计算机将采集的数据保存到计算机硬盘, 以供分析判断用。数据分析。主要将数据以实时曲线图表的形式呈现 (包括:位置、速度和加速度) 。误差计算。将理论数据与实际数据相比较, 得出误差值。
数据采集卡选用中泰PCI-8348AJ。
2.2 调理板设计
调理板由调理电路和电压转换电路组成, 用于实现测试系统与被测随动系统模拟量信号输入、输出的电气连接转换。考虑到不同类型随动系统误差信号、速度信号电压幅度在较大范围内变化, 为确保测试精度, 进行分档, 并确保输入至控制计算机采集卡的信号幅值在±10V范围内, 便于采集与记录。
交流信号分为:1∶1和1∶4;直流信号分为:1∶1、1∶10和1∶20。
交流信号共2路, 分别为:方位速度信号和俯仰速度信号。对于交流信号先对400Hz载波信号进行相敏解调, 解调出信号, 然后再按1∶1和1∶4两档分档衰减, 输入的信号将按40V和80V共两档进行衰减, 这样可以接收的误差信号幅值范围可以达到0~80V (最大有效值) 。交流信号调理单元结构框图如图2所示。
直流信号调理单元共3路, 分别为方位速度信号和俯仰速度信号。直流信号按1∶1、1∶10和1∶20进行信号衰减, 信号将按±10V、±50V和±100V分档输入, 测量范围为:-100~+100, 测量误差为1%, 通道输入阻抗大于200kΩ。直流信号调理单元结构框图如图3所示。
对信号采用信号隔离耦合、整形和采集等处理, 用于保证本系统的信号采集精度。
3 数据采集及处理
数据分析模块主要进行故障分析, 若无明显故障发生, 则程序继续运行。数据分析模块程序框图如图4所示。
显示模块主要将数据转换成图表或实时曲线的方式呈现给用户, 方便分析与人机交互。
存储模块保存实验时有关测试的所有信息, 方便后期数据分析和故障排查。
误差计算模块主要进行理论数据生成和误差计算, 并将结果传给显示模块进行显示。
生成报告模块主要是将误差计算结果信息以报告形式, 做个总结给用户, 用户可以根据此报告内容查看原始数据, 原始数据由存储模块保存生成。
3.1 数据处理方法
首先对输入的信号进行相关预处理, 如:分类筛选、去噪、滤波等。如果系统正常运行, 这些信号基本上都符合正态分布。经过n次的重复检测, 求取近似无偏估值和方差, 然后通过卡尔曼滤波非递归估值器对其进行处理、融合。最后, 计算出最小方差的数据值, 以此作为判断故障的依据。
根据特征性质可以将特征信息分为时域特征可测以及频域特征可测两类。经过分类筛选后分别对各自进行特征融合。则采用最邻近数据关联来进行融合, 满足最小均方差即可作为故障的判断依据。对一些因电源波动 (如:频率、相位、幅值) 而引起的子系统工作异常等情况, 则可以采用评价相关系数rxy方法来融合。
其中: (1) yi是被测单元在各种情况下的输出。 (2) xi是影响被测单元正常输出的相关要素。 (3) 分别为装备良好工况时的标准值rxy。
如果rxy越大, 则表明系统受到电源波动时的故障影响越大, 可以将其作为在电源波动时进行故障定位的主要依据和参照。
对于那些时域特征无法判断xi关联的故障, 通过小波分析来提取该信号的频率特征, 然后将其与正常工作状态时相互比较分析, 以此作为对故障诊断及定位的依据。本系统在融合中心采用的是赋范空间逼近技术。将系统故障特征与数据库中的故障特征作加权欧氏距离。融合模板为被测系统工作良好时的工况, 融合结果为被测系统随动部分对检测对象进行诊断分析的结果[1]。
3.2 软件关键技术
从研发周期与成本的角度出发, 最终决定设计一个基于美国NI公司Lab Windows/CVI软件开发平台编制的软件系统。而数据采集卡的驱动程序用采集卡自带的动态链接库 (DLL) 实现即可。这样不仅可以实现较复杂的接口功能, 而且还可以发挥CVI开发平台的快捷性, 使得本测试系统的开发更加简单快捷。
为了提高本系统的测试效率, 在软件设计中用到了多线程技术、线程安全队列技术和数据库技术。
(1) 多线程技术
线程是进程内部的一个执行单元。系统创建好进程后, 实际上就启动执行了该进程的主执行线程, 主线程终止了, 进程也随之终止。从本质上讲, 线程系统调度的一个最简的代码单元, 它负责执行包含在进程的地址空间中的程序代码。基于单线程的程序只有一个线程, 称为主线程。它由系统自动创建, 无需用户手动建立。基于多线程的程序可以实现并行处理, 避免了某项任务长时间占用CPU时间。这样也就更好地利用了系统的资源。
基于多线程技术的高效性, 将本系统的主要事件响应和人机交互界面在主线程中实现。而数据的采集、处理、计算、分析和存储在其他线程中实现。这样不仅提高了软件系统的整体效率, 同时也更好地发挥了多核CPU的硬件性能。这样就能最大限度地保证数据采集的实时性, 同时又能及时响应用户的其它操作。这种技术的应用在采集数据量很大且数据处理任务很重时, 其效果尤其明显[2]。
在典型的Lab Windows/CVI多线程程序中, 使用主线程来显示用户界面和数据曲线, 在次线程中进行实时数据采集操作和数据分析。这也是本系统采用的设计方式。部分代码及说明如下:
(1) 在主函数中创建辅助线程 (用于测试数据的采集) , 并且显示用户界面及其消息事件的响应、结束辅助线程并释放其占用的资源。主要代码如下:
(2) 在辅助线程中完成数据采集任务的主要工作有:线程回调函数的申明、线程的创建 (并与对应的回调函数关联) 、线程回调函数的实现。主要代码如下:
(2) 线程安全队列技术
进行多线程编程时一个特别关键的地方是如何能更安全有效地进行数据保护。在数据保护各种机制方法中特别需要注意的事项是避免死锁 (deadlocks) [3]。
Lab W indows/CVI提供了3种不同的机制, 这些机制可以帮助在程序设计时避免错误的数据访问。分别为:线程锁 (thread locks) ;线程变量 (thread safe variables) ;线程安全队列 (thread safequeues) 。
与其他机制相比, 线程安全队列的优点如下:
(1) 线程安全队列在其内部使用了一种锁策略, 一个线程可以从队列读取数据的同时另一个线程也能向队列中写入数据 (例如, 读取和写入线程不会互相阻塞) 。这样我们就能将数据的读取和写入分到2个不同的线程中操作, 而不用担心多线程间数据的错误访问。
(2) 用户可以为基于事件的访问配置线程安全队列。并且可以注册一个读取数据的回调函数, 当该队列中有一定数量的数据可用时, 调用这个函数 (即:读取数据) 或者注册一个写入数据的回调函数, 当队列中有一定的空间可用时, 调用这个函数 (即写入数据) 。这样我们就能根据需要注册一个读取或写入数据的回调函数, 在多线程间安全地访问数据。
(3) 用户可以对线程安全队列进行配置, 使得当数据增加而空间已满的时候, 队列可以自动生长用来存储额外的数据。这样我们就能放心地写入数据而不用担心数据的丢失问题。
根据各种机制的优缺点, 并结合实际需求, 本系统采用了线程安全队列用来进行数据保护, 其原理如图5所示。
4 实验验证
4.1 验证原理
随动系统输入信号由高精度信号发生器代替, 设置信号发生器输出固定信号作为验证本系统精度的标准值。
测试系统将读到的信号数据作为实测值保存, 并以图表形式显示。保存的数据可用于查看误差的变化。
根据标准值和实测值的比较, 即可验证本测试系统的输入精度。
4.2 实验结果
当信号以1∶1输入, 且信号发生器的输入电压为3.38V时, 本系统读取值为3.38±0.01V。从图6中可以看到误差精度明显小于1%, 符合设计精度。
5 结语
本文介绍了本测试系统的基本原理以及软硬件设计和相关的测试技术。实验结果和实际应用都证明本系统在信号采集和处理方面, 已达到了很高的速度和精度, 同时也满足了实际测试需要, 并且只须在本系统的硬件上增加适当的数据采集通道和对软件代码轻微调整, 就可以满足动态参数测试系统的升级, 以适应更多通道的采集要求, 这是传统的仪器测试方式所无法比拟的优越性。但是, 本系统对于信号的预处理方法还不是很完善, 如果能将此模块性能提高, 那么测试系统的测试精度还有很大的提升空间。这将是我们今后急需解决的难题。
参考文献
[1]赵黎明, 刘贺平, 张冰.便携式随动系统综合测试仪的集成设计[J].计算机测量与控制, 2010, 18 (12) :2904-2907.
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汽车辅助照明随动系统设计 篇5
驾驶A、B级汽车的驾驶员会遇到这样的问题,当夜晚行驶在盘山公路或乡村的小街巷时,总觉得前大灯照着的方向与你行驶的道路不一致。行车速度和行车安全存在很大问题。汽车辅助照明随动系统是以单片机AT892051芯片为控制核心,控制步进电机带动辅助照明光源,随方向盘的转动而转动。对汽车的前大灯照明起到辅助作用。辅助照明光源采用高亮度LED灯,这种光源节能、抗震性能好、重量轻,符合“辅助”的特点,可以随时安装或取下。安装时只需用光源底部的永久磁铁吸附在驾驶室顶部或汽车的任何部位。用霍尔开关检测汽车的转向、转角的大小以及转弯的速率,将检测信号和倒车信号一起送至单片机的输入接口,经单片机分析、计算、判断后,由单片机的输出接口输出控制信号,控制步进电机及辅助光源的转动,从而实现随动控制。
1 系统硬件基本组成及各部分作用
系统的硬件框图如图1,硬件系统由单片机AT89C2051芯片、4806—A步进电机、步进电机驱动电路、HAM8X20PNP霍尔开关、7805三端稳压器、晶体谐振器等组成。
1.1 单片机芯片
综合分析了汽车辅助照明随动系统的控制要求,选用AT89C2051芯片电路简单、经济实惠,完全可以满足要求。AT89C2051是一种带2K字节闪速可编程可擦除只读存储器(PEROM)的低电压、高性能CMOS 8位微控制器。该器件采用ATMEL高密度、非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS—51TM指令集和输出管脚相兼容[1]。由于将多功能8位CPU和闪速存储器组合在一个芯片中,ATMEL的AT89C2051是一种高效微控制器[1]。另外它为20个引脚、15条可编程I/O线、128×8内部RAM、工作电压2.7 V～6 V。
将AT89C2051芯片的(P3.0、P3.1、P3.2、P3.3)设为输入口,用它对系统的左转信号、定位信号、右转信号及倒车信号进行采集,送至CPU进行分析、比较、判断,并将判断结果送至输出口。将P1.2、P1.3、P1.4、P1.5设为输出口,P1.2～P1.5经驱动器,对步进电机进行控制,进而实现随动控制。
1.2 霍尔开关
霍尔开关是该系统采样的主要元件,汽车的转向信号就由它来采集。用霍尔开关作为检测元件的好处是对汽车原电路不作任何改动。霍尔开关选用HAM8X20PNP常开型[2],它具有体积小、易安装、电压范围宽等特点,适合于汽车12 V电源使用。HAM8X20PNP型霍尔开关的输出电平很容易与单片机直接连接。
1.3 步进电机驱动电路
驱动电路采用分立元件电路,由三极管及周边电路组成,单片机经P1.2、P1.3、P1.4、P1.5输出,再经三极管功放电路驱动步进电机,P1.2、P1.3、P1.4、P1.5设为低电平有效,三极管选用9012PNP型,这样设计电路简单,散热性能好。
1.4 步进电机
步进电机是随动系统的执行元件,选用4806—A型。该电机为4相(分别为A、B、C、D相)、绕组34 Ω,脉冲幅度12 V。
1.5 恒流三极管及LED灯
恒流三极管是第二代半导体恒流器件,它最大特点是输出的恒流可以利用调整端加外部元器件进行调整[3],最适合LED灯的设计。LED选用0.5 W高亮度白光二极管。
1.6 电源电路
电源采用汽车电瓶+12 V电源,直接供给霍尔开关和步进电机驱动电路。另外+12 V电源经三端稳压器7805稳压,变成+5 V供单片机控制电路使用。
1.7 时钟电路
时钟电路由6 MHz晶体振荡器和周边电路组成,为系统产生6 MHz时钟信号。
1.8 复位电路
复位电路由单片机1脚周边的阻容电路组成,为单片机控制电路上电时在RST端产生一正脉冲,启动单片机工作。
硬件电路原理图如图2所示:
2 软件流程图
软件流程图如图3所示。根据系统功能要求,当开关S闭合时,系统启动,单片机对左、中、右三个霍尔开关进行检测,辅助照明光源开启,灯光亮。当方向左转时,单片机控制步进电机左转。当方向右转时,单片机控制步进电机右转。当方向转正时,单片机控制步进电机转到中间位置。
但实际上方向左转时可能有三种情况:一是左转半圈,测到一个左转信号;二是左转一圈,测到一个左转信号、一个右转信号和一个中间信号;三是左转一圈半,测到一个左转信号、一个右转信号、一个中间信号和一个左转信号。这三种情况的任何一种都是使步进电机左转30度。同理右转时也存在三种情况:一是右转半圈,测到一个右转信号;二是右转一圈,测到一个右转信号、一个左转信号和一个中间信号;三是转一圈半,测到一个右转信号、一个左转信号、一个中间信号和一个右转信号。这三种情况的任何一种都是使步进电机右转30度。所以我们控制步进电机的左、右转并不能直接根据检测到的左、右状态信号来控制步进电机的左、右转,而要根据以上6种情况进行分析判断,完成对步进电机的左、右转动控制来解决夜间行车时左、右转动方向灯光照明问题。
3 结束语
以上是对汽车辅助照明随动系统硬件部分、接口分配以及软件流程的设计。以后还需从空气动力学的角度对LED灯具的外形进行设计,从防水密封的角度对辅助照明系统的转动部分进行设计,对控制程序进行调整和优化,力争做到简单、适用、可靠、经济。
摘要：分析了普通汽车前大灯照明存在的缺陷,应用单片机芯片,设计出汽车辅助照明随动系统。该系统可以随着汽车的转向提前把辅助光源照在汽车的左前方或右前方,使行车速度和行车安全问题得到改善。
关键词：汽车辅助照明,随动系统,2051单片机,霍尔开关,步进电机
参考文献
[1]美国爱特梅尔股份有限公司.AT89系列单片机技术手册[Z].北京威立姆电子技术有限公司,1996.
[2]刘笃仁.传感器原理与应用技术[M].西安:西安电子科技大学出版社,2003.
随动控制系统 篇6
关键词：随动系统,步进电机,旋转变压器,CCD
0 引 言
位置随动系统又称伺服系统,主要用于解决位置跟随的控制问题,其根本任务是通过执行机构实现被控量(输出位置)对给定量(指令位置)的及时和准确跟踪,并要具有足够的控制精度。而基于单片机的应用系统,具有体积小、重量轻、性价比高、可靠性较高等优点,把可编程控制的单片机应用于CCD(电荷耦合器件)随动系统,使其具有较大程度的可改变性,从而可以更好地控制系统的随动性能、降低开发难度和生产成本。随着随动控制系统的应用日渐广泛,人们对系统的要求也越来越高,如安全性、轻巧性、性价比等。通过单片机开发的随动系统,恰好能够满足实际的需要,而且用单片机开发的随动系统也具有高稳定性和可以通过编程以进行控制和升级等特性。
1 电路设计原理
用AT89C51控制的CCD随动系统中,为了提高车辆(比如装甲战车、坦克、工程车和轿车等)的适时性和安全性,拟在车辆上装备CCD,要求CCD的方位与驾驶员手中的方向盘保持随动,而CCD安装在由步进电机带动的旋转台上,方向盘上安装测角组件(旋转变压器) ,车辆驾驶过程中,随着方向盘的旋转,旋转变压器发送相应的角度信号传入A/D转换模块,将旋转变压器传入的模拟信号转换为数字信号,再送到AT89C51,由AT89C51处理接收到的旋转变压器的信号,发出步进脉冲及方向电平,再让步进电机驱动器控制步进电机转动方向和转动角度,从而使车辆行进的方向与观察视角保持一致。在该设计中,由于该系统要求采样误差不得高于1%,步进精度不得低于2°,所以选用的A/D转换芯片其采样输出至少要在8位以上,在此,采用8位的A/D转换芯片ADC0804,采用双极性两相步进电机和相应的驱动电路。因篇幅所限,仅给出硬件电路的设计方案,硬件电路原理方框图如图1所示。
整个系统的硬件电路如图2所示。
2 电路部件设计
2.1 系统中央电路
由于系统的工作需要最基本的单片机最小系统的支持,所以图1中包括了单片机最小系统以及其他电气连接。整个中央控制电路硬件电路如图3所示。
2.2 中央处理电路
AT89C51为ATMEL公司推出的Flash单片机,采用CMOS工艺,来源于8051系列而优于8051系列,并且内部含有Flash内存的单片机,在工业、交通、仪器仪表、自动生产过程、航空、运输、汽车、家电等领域均获得较大的应用。对51系列单片机来说,为了使单片机正常工作,至少需要一个最小系统。在51系列单片机中,单片机芯片+晶振电路+复位电路,便组成了一个最小系统。但是一般在设计中总是喜欢把按键输入、显示输出等加到上述电路中,成为小系统。 因为在设计中,并不需要键盘和显示器等外围器件,只要求设计达到随动的要求即可,所以最小系统在此只包括单片机、晶振电路和复位电路。
应用C51系列单片机设计并制作一个单片机最小系统,应达到如下基本要求:
a) 具有上电复位和手动复位功能。
b) 使用单片机片内程序内存。
c) 为了达到较高的精度、速度以及稳定性,晶振频率选用12 MHz,晶振电路中选用的电容器C1、C2的容量均为10 pF。而在复位电路中,电阻器R17、R18选用阻值都为10 kΩ,电容为10 μF。
连接好相应的引脚,并仿真测试复位是否正常。
2.3 步进电机
步进电机是一种能将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电组件,它实质上是一种多相或单相同步电动机。由于步进电动机能直接接受数字量输入,所以特别适合微机控制。步进电机由专用的驱动器驱动,而驱动器的输出由脉冲信号和方向电平控制。每一个脉冲使步进电机转动一个固定的角度,这个角度称为步进角。脉冲个数决定旋转角度,脉冲频率决定旋转速度,方向电平决定旋转方向。因此,通过脉冲数量和方向电平的控制能较精确地控制步进电机的旋转角度和方向。步进电机的运动靠定子线圈激磁后,将临近转子上的相异磁极吸引过来实现的。因此,线圈排列的顺序和激磁信号的顺序很重要。以2相式步进电机为例,其驱动信号有1相驱动、2相驱动与1-2相驱动3种。本文采用2相驱动。2相驱动是在任何时候有2组线圈同时被激磁,因此,其所产生的力矩比1相和1-2相驱动都大。其信号依次见图4。
总共有4种不同的信号,呈现周期性的变化。在AT89C51中,若要产生这种信号,可以首先输出“00110011B”,即“33H”。经过小段时间的延迟,让步进电机有足够的时间来建立磁场和运动,再以“RL A”或“RR A”指令将“00110011B”左移(或右移),使之变为“01100110B”(或“10011001B”),再输出即可。
2.3.1 步进电机的定位
打开个人计算机,计算机上的软驱会动一下,连接该计算机的外围设备,也会有所反应。不管是动一下、闪一下或是反应一下,都是RESET动作,让所有设备归为一定的状态。步进电机是一种数字输出设备,这种设备在使用之前必须归零或定位,才能精确地使用。同样的驱动信号,如果一开始步进电机的转子位置不对,则可能发生如下2种非预期状态:一是先顺时钟转再逆时针转;二是先抖动,顺时钟转再逆时针转。
首先定位或归零。本方案中采用的是2相驱动,为了实现精确定位,必须在步进电机开始运动之前送出“1000”、“0100”、“0010”、“0001”这4个驱动信号。
2.3.2 步进电机控制与驱动设计
89C51的输出电压和电流均很小,其功率也不能达到实际的要求,不足以驱动步进电机,所以在数字脉冲送入步进电机之前,必须对其功率进行放大,才能驱动步进电机运转。本方案中步进电机的驱动电路芯片由L297和L298构成,其所加电压为36 V,输出电流也可以进行调节。对于绝大多数步进电机来说,其输出功率都足以驱动其运转。
L297作为一种步进电机控制芯片,可以在控制系统中为双极性的2相步进电机以及单极性的4相步进电机产生4相的驱动信号。
L298是一款具有高电压,高电流的双全步驱动芯片,可以接受标准的TTL电平输入,用来驱动继电器、螺线管、直流电机和步进电机等电感性设备。
2.3.3 步进电机驱动电路连接
如上所述,可以用L297和L298组成所需要的步进电机驱动电路。其中,L298用来把单片机送出的步进脉冲转换成并行数据送到L298,再由L298驱动步进电机旋转。根据芯片的需求,通过芯片外接相应的独立组件,以使L298和L297正常工作。
单片机对步进驱动电路的控制可以通过对L297的控制来实现。相应的控制线连接方式为:L297的RESET连接到89C51的P3.3,通过单片机实现对L297的复位操作;L297的ENABLE连接到89C51的P3.2,控制L297的工作与否;L297的FULL连接到89C51的P3.1,控制驱动的模式;L297的CW连接到P3.0,控制步进电机的转动方向。
步进电机的电源输入由L298的VCC端供给,而L297的参考电压采用与ADC0804一致,为2.5 V电压,在此,在ADC0804部分设计了一个可用于全局的参考电压产生电路,如果需要,可以通过调节参考电路的分压电阻值,调节其输出电压,以改变L297的最大负载电流。
2.4 正余弦旋转变压器
正余弦旋转变压器实质上是可以随意改变一次绕组和二次绕组耦合程度的变压器,其结构与绕线转子异步电动机相似。正余弦旋转变压器的转子输出电压与转子转角θ呈正弦或余弦关系,可用于坐标变换、三角运算、单相移相器、角度数字转换、角度数据传输等场合。
定子、转子铁芯中各有互相垂直的分布绕组,转子绕组利用滑环和电刷与外电路连接。当一次绕组励磁后,二次绕组的输出信号与转子转角成正余弦函数关系,在控制系统中用于角度数据传输。旋转变压器的结构与绕线式异步电机相似,由定子和转子组成。
在一次(励磁)绕组D1、D2上施加交流励磁电压US1,D3、D4绕组短路, 则建立磁通势F而产生脉振磁场,当转子在原来的基准电气零位逆时针转过角度θ时,二次(输出)绕组Z1、Z2和Z3、Z4的输出电压为:
式中:KU为变比,即空载最大输出电压与励磁电压之比;θ为转子转角,即励磁绕组轴线与余弦输出绕组轴线间的夹角。
由式(1),称转子的Z3、Z4绕组为余弦绕组,Z1、Z2绕组为正弦绕组。为了使正余弦旋转变压器负载时的输出电压不会产生畸变,仍是转角的正余弦函数,则希望转子正余弦绕组的负载阻抗相等;希望定子上的D3、D4绕组自行短接,以补偿由于负载电流引起的与 垂直方向的输出电压畸变的磁通势,因此,D3、D4绕组也称补偿绕组。
旋转变压器是一种结构和制造工艺十分精细的控制电机,其精度很高。旋转变压器主要有正余弦旋转变压器和线性旋转变压器2种。正余弦旋转变压器主要用于要求坐标变换、三角运算的场合,线性旋转变压器主要用于要求将转角转换成电信号的场合。
2.5 信号预处理电路连接
信号预处理部分对旋转变压器的输出信号进行处理,因为旋转变压器的功率比较大,其输出的电压和电流也比较大,所以在把其信号送入A/D转换器进行采样之前,需用运算放大电路进行缩小,以不至于超出A/D采样的电压和电流范围而致使其不能有效工作,或烧坏A/D转换器件。
旋转变压器Z1、Z2的输出信号(该信号比较大)通过运算放大电路进行缩小,由运算放大器的基本原理可知,其衰减因子为K=R3/R1;而电路中同相输入端通过R4接地,R4为补偿电阻,以保证运算放大器输入级差分放大电路的对称性,其值为R4//R2=R1//R3。接着把缩减后的信号与一个直流电压进行求和,从而AD0口的信号变为U1=KUR2(R11/R9)+5(R11+R10),其目的是把信号限制为ADC0804内的电压采样范围(0～5 V),而R12的作用与R4完全一样,R12的阻值为R9//R11=R10//R12;Z3、Z4的输出信号与Z1、Z2的信号处理完全一样,不再叙述。
2.6 A/D转换器
由信号预处理部分送出的模拟信号,必须经过A/D转换后才能送到单片机,被单片机识别并进行处理。目前市场上的A/D转换芯片有单路串行以及多路并行2种,在此,因为由信号预处理电路送出的信号只有2个。所以选择2个单路串行的A/D转换芯片ADC0804。
ADC0804该芯片具有如下特点:
a) CMOS的逐次逼近式A/D转换器;
b) 具有8位解析能力,转换时间为100 μs,最大误差为一个LSB值(最小电压刻度);
c) 采用差动式模拟电压输入,三态式数字输出。
ADC0804的正常操作过程如下:
当WR的输入为由高到低的脉冲时,内部晶闸管复位,移位寄存器也被复位。INTR端的输出被置为高电平。只要CS端的输入和WR端的输入仍然保持在低电平,芯片将一直保持在复位状态。当CS和WR中至少有一端有由低到高的脉冲输入时,在经过1～8个时钟周期的延时后,A/D转换操作就将开始。再经过适当的时钟周期转换之后,INTR端将会产生由高到低的跳变,表示数据已经转换完成。它可以用来中断CPU,通知CPU数据转换已经完成;或者作为可以进行新一轮A/D转换的开始信号。此时若CS处于低电平,RD的操作将会重新把INTR拉成高电平。
当把CS接高电平,并且把INTR和WR连接在一起时,芯片将进入自由转换模式。但是,为了保证在任何情况都能开始进行转换,当进入第1个上电循环时,WR需要一个额外的脉冲信号,以便发出的另一个开始信号能够中断正在进行的A/D转换操作。
2.6.1 A/D转换时钟频率的产生
ADC0804的时钟脉冲可来自于CPU等外部振荡源、外部振荡电路,也可通过在外部接RC振荡网络来自己产生时钟脉冲,其中引脚4内部为一个Schmitt触发器。其产生的脉冲频率为f≈1(1.1RC),其中:R≈10 kΩ。在此,选择500 kHz作为ADC0804的内部时钟频率,因此,C=180 μF。
2.6.2 辅助参考电压的产生
在信号预处理阶段已经把信号幅度限制在0～5 V之间,所以可以把2.5 V作为ADC0804和L298/L297的参考电压VREF=VCC/2。可以设计一个电路,其参考电压由一个单独的外部电路来提供,对于一个简单的直流信号电压源,可以采用对+5 V标准电压利用电阻分压得到,电路中的电容有稳压以及滤除交流干扰的作用。单片机与ADC0804的连接不采用交互模式,而是把ADC0804连接成自由转换模式,单片机则可以随时进行数据的读取。完整的A/D转换硬件电路图如图5所示。
3 结束语
本文介绍了一种基于单片机控制的CCD随动系统。该系统接收到驾驶员手中的方向盘旋转角度信号后,经ADC(Analog-to-Digital Converter, 模数转换器)转换成数字信号后送入单片机,由单片机处理接收到的旋转变压器的信号,发出步进脉冲及方向电平,送入步进电机驱动器,再由步进电机驱动器驱动步进电机旋转,从而使安装在旋转台上的CCD的方位角随方向盘的旋转而变化。为了获得较好的随动性,控制系统采用AD(Analog-to-Digital,模拟到数字)转换技术,利用单片机对信号处理速度快的特点,使系统拥有更好的实时性能。
参考文献
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[5]吴海涛,郭猛.步进电机及其单片机控制[J].福建电脑,2007(2):183-184.
随动控制系统 篇7
在控制系统中, 若给定的输入信号是预先未知且随时间变化的函数, 而系统的输出量跟随输入量的变化而变化, 这种系统称为随动系统[1,2]。
位置随动系统一般可采用的控制策略有等减速控制和分段变参数PID控制。如图1所示, 当系统误差位于II区时, 采用等减速的控制策略, 因为在大误差角调转时角速度很大, 必定造成大超调和振荡现象, 因此动态响应指标不高, 通过等减速可使系统平滑地向稳态进行过渡, 从而改善系统以大速度调转时的动态特性, 减少系统的超调量, 缩短调节时间;当系统误差处于I区时, 采用分段参数PID的控制算法, 通过它来提高系统在小误差范围内的稳态特性, 即减小系统的稳态误差, 提高系统的伺服精度。
2位置随动系统误差区域鉴别方案
以位置随动系统中姿态角测量为例, 来说明系统误差区间的界定。姿态角测量系统采用旋转变压器和感应同步器作为测量元件, 由定子和转子两部分组成。转子为单项绕组, 采用单项正信号激磁;定子为两相输出, 经前置放大器放大, 输出两路代表轴角变化的幅值信号[3,4]。若激磁信号的值表示为E0sinωt, 此时轴角位置为α, 则定子输出为:
V1=KE0sinαsinωt 。 (1)
V2=KE0cosαsinωt 。 (2)
其中:V1、V2为定子输出电压平均值的正弦和余弦分量;E0为激磁信号电压最大值;K为开环增益;ω为输入信号频率。
将V1、V2送入高速sin、cos乘法器, 与乘法器的sinΨ、cosΨ相乘, 得信号EΔ为:
EΔ=E1-E2=KE0sinωtsin (α-Ψ) 。 (3)
其中:Ψ为轴角位置的数字量;E1、E2分别为定子输出电压平均值数字量的正弦和余弦分量。信号EΔ送至相敏检波器, 在参考信号的作用下检出EΔ幅值信号。当EΔ=KE0sinωtsin (α-Ψ) =0时, 得出α=Ψ。
由以上分析可以得出如下结论:
(1) 输入机械角α和数字量Ψ相等时, 误差放大器输出为零, 这样机械角就可由数字量Ψ代替, 完成模拟量到数字量的转换。
(2) 当α-Ψ>0时, 误差信号与参考信号同相, 信号为正。
(3) 当α-Ψ<0时, 误差信号与参考信号反相, 信号为负。
将误差信号经滤波后送至压控振荡器, 控制压控振荡器的频率并控制可逆计数器的方向。当α-Ψ>0, sin (α-Ψ) >0时, 使可逆计数器进行加计数;当α-Ψ<0, sin (α-Ψ) <0时, 使可逆计数器进行减计数。因而可确定误差范围, 作相应的控制系统校正算法设计。
3等减速算法设计下的校正
3.1 校正算法设计
若上述位置随动系统的单位反馈开环传递函数为undefined, 要想使随动系统满足稳态, 而且能够改善大速度调转时的动态特性, 就必须做出一个合理的校正设计算法。设计一个串联校正网络, 使得系统在阶跃输入时超调量σ<50%, 调节时间ts<4 s。
由于要求σ<50%, ts<4 s, 可计算得到自然频率下的阻尼比εωn>0.875。考虑到非主导零极点影响, 取阻尼比ε=0.447, 主导极点位置s1=-1+j2, s2=-1-j2, 选用超前校正。设所串联校正网络为:
undefined。 (4)
其中:T1为向上转折频率下的倒数;T2为向下转折频率下的倒数。则:
undefined。 (5)
闭环特征方程f (s) 为:
f (s) =T2s3+s2+T1Ks+K=0 。 (6)
主导极点方程φ (s) 为:
φ (s) =s2+ (s1+s2) s+s1s2 。 (7)
将主导极点s1、s2代入式 (7) 得:
φ (s) =s2+ (-1+j2-1-j2) s+ (-1+j2) · (-1-j2) =s2+2s+5 。 (8)
由于φ (s) 应能整除f (s) , 所以用常除法可得:
f (s) =φ (s) (T1+1-2T2) 。 (9)
向上转折频率下的倒数和向下转折频率下的倒数 (即时间常数) 与开环增益的关系满足:K=5-10T (T为时间常数) , KT1=2+T2。校正后系统的开环传递函数为:
undefined。 (10)
3.2 图形仿真模拟
将此校正网络的模拟位置随动系统在MATLAB软件中进行仿真, 系统的输入为单位阶跃信号, 得到的仿真结果如图2、图3所示。图2为减幅振荡, ts=0.9 s, 图3是一种超调量的临界状态, ts=0.85 s。满足σ<50%, 调节时间ts<4 s。
4一种新的校正算法设计
这种求解校正网络的算法是通过验算系统的相位裕量和幅值裕量实现的。
若位置随动系统的单位反馈开环传递函数为undefined, 只有超调量不大于25%, 调节时间不大于1 s, 系统才是稳定的。可以设计一个超前校正网络, 使校正前系统的静态速度误差系数Kv=5 rad/s。
4.1 稳态情况下系统的初始截止频率及相位裕度
系统稳态情况下, 由以下经验公式来确定超调量:
σ=0.16+0.41 (Mr-1) 。 (11)
其中:Mr为闭环谐振峰值, 1≤Mr≤1.8。由性能指标要求σ≤0.25, 求得Mr≤1.22。
相应开环增益K的计算公式为:
K=2+1.5 (Mr-1) +2.5 (Mr-1) 2 。 (12)
将Mr=1.22代入式 (12) , 求得K=2.46。系统调节时间计算公式为:
undefined。 (13)
将ts=1, K=2.46, 代入式 (13) 求得稳态系统截止频率ω*C=7.72。
稳态系统相位裕度计算公式为:
undefined。 (14)
将Mr=1.22代入式 (14) , 求得稳态系统相位裕度γ*=51.4o。
4.2 校正前系统的截止频率及相位裕度
系统校正前振荡环节的对数幅频特性关系为:
undefined。 (15)
系统校正前K=5, 代入式 (15) 求得系统校正前截止频率ωC′=5 Hz。ωC′对应的相位裕度γ′=180o-90o-arctan (0.2ωC′) -arctan (0.05ωC′) =31o<γ*。不满足要求, 因而系统需要加入校正环节校正。
4.3 加入校正环节后系统的截止频率及相位裕度
根据相位裕度的要求, 确定超前校正装置的超前网络相角φm≥γ*-γ′+10o=34o, 轴角位置undefined。
根据加入校正环节后系统的频率特性关系, 求得加入校正环节后系统的截止频率ωC″=6.8 Hz。对应的相位裕度γ″=35.6o<γ*, 所以需要增大α值。
令α=4, 则undefined, 对应相位裕度undefined, 所以超前校正网络undefined。
5结束语
以位置随动系统中姿态角测量系统为例, 对系统误差区域的鉴别进行了方案设计, 经过理论推导、图形仿真、试例计算, 论证了一种随动控制系统的校正方法。该方法对研究其他种类的位置随动控制系统具有一定的借鉴意义。
参考文献
[1]胡寿松.自动控制原理[M].北京:科学出版社, 2001.
[2]陈世年.控制系统设计[M].北京:宇航出版社, 1996.
[3]戴世宗.数字随动系统[M].北京:科学出版社, 1976.
随动控制系统 篇8
1 系统模型的建立
位置随动系统是一类反馈控制系统, 其原理为具有位置指令和位置反馈的检测装置通过位置指令装置将希望的位移转换成具有确定精度的电量, 利用反馈装置随时检测出被控设备的实际位移 (转化为电量) 与初始指令进行比较, 把偏差信号放大后, 控制执行电机向消除偏差的方向旋转直到达到要求为止。这就是一个简单的位置随动系统结构模型。
1.1随动系统的模型图 (如图1)
2 校正前的系统分析
小功率随动系统因电机的电枢电阻较大, 允许的过载倍数较高, 且不必过多限制过渡过程中的电流, 为提升系统的快速性可不设置转速环和电流环。用SIMULINK进行动态仿真, 得出系统校正前的阶跃响应曲线和BODE图, 如图2和3所示。
3 由未校正系统得出结论
图中所得Gm=-7.57, P m=-3.2352Wg=31.6228, Wc=48.8475。该系统校正前的阶跃响应曲线是发散的, 说明系统不稳定, 必须进行校正。
4 系统的串联校正
提升增益系数Kp能够降低系统的静态误差、缩小过渡过程时间和上升时间;提升积分增益系数Ki, 能够降低系统的静态误差;而提升微分增益系数Kd能够降低系统的超调量、缩小过渡过程时间、而对系统的上升时间和静态误差的影响不大。于是我们可以取环节的传递函为:Gc (S) = (0.0087S2+0.2435S+1/ (0.0009984S2+0.4184S+1) 。
软件仿真后得到系统校正后的Bode图和阶跃响应曲线。系统的阶跃响应时域性能参数和频域性能参数如表1和2所示。
5 结语
该系统经过串联校正后, 其响应的频域和时域性能指标均达到较高要求。系统的性能达到了较高水平, 实验结果令人满意。
心得体会:实验建模后期, 必须反复试验, 绝不放弃, 只有坚持不懈才能得到想要的结果。想到这段时间的查资料, 学软件计算, 仿真, 付出了很多时间, 虽然很辛苦, 但也真的觉得值得了, 学到了很多课本上不曾讲过的东西, 也学会了翻阅大量资料查找自己需要的东西, 领会到前辈一些好的研究方法, 在这其中我认为最重要的还是加强了对matalab软件的学习应用, 对于电气专业的学生来说, 这个真的有必要, 我觉得这次论文的完成收获了很多, 学到了很多, 我也将一如既往的学习、研究下去让兴趣成为最好的老师, 把我们的思想带向更远的地方。
参考文献
[1]刘煜, 张科, 李言俊.一种位置随动控制系统的建模与仿真研究[J].弹箭与制导学报, 2005:4-6.