复合速度控制（共8篇）
复合速度控制 篇1
0 引言
加热炉是热连轧生产中的重要设备。步进式加热炉由于其步进机构操作灵活, 生产过程中钢坯无损伤等优势, 已逐渐地取代了推钢式加热炉[1]。步进梁是步进式加热炉的核心设备, 由N+1根固定梁和N根移动梁组成, 如图1所示。
移动梁采用液压驱动, 静止时停止在下后位, 在一个正运动周期中, 按照上后位、上前位、下前位、下后位的顺序, 依次做上升、前进、下降、后退四个动作, 使支撑的钢坯前进一个步距。按照生产要求, 步进梁具有正循环, 逆循环, 踏步和中间保持等工作模式[2]。
步进梁在满载时总质量可以达到数百吨, 另外还存在负载阶跃式变化、油液泄漏等多种不确定干扰因素[3]。因此, 步进梁是一个典型的大惯性、非线性、强负载扰动的系统。为了满足生产工艺要求, 必须对步进梁运动速度进行准确地控制。本文以某步进式加热炉为背景, 在已建立的数学模型的基础上, 针对负载阶跃式突变, 采用负载扰动前馈控制;对于工程上负载扰动难以测量, 设计负载扰动状态观器;针对不确定干扰因素, 建立鲁棒控制器。最终实现了基于负载观测的步进梁速度前馈鲁棒复合控制, 实现了对系统速度的准确控制。
1 步进梁系统数学描述
在步进梁的四个运动过程中, 考虑到上升过程最难以控制, 且具有代表性, 本文只对上升过程进行分析。
步进梁系统由非对称电液比例阀、非对称液压缸、双轮斜轨式步进机构、移动梁和固定梁构成[4]。双轮斜轨式步进机构如图2所示。
图中, m (kg) 为钢坯、水平框架和移动梁等部件质量之和, M (kg) 为m加上提升框架质量之和。在上升过程中, 计算得到步进机构对液压缸产生的负载力FL为[5]:
电液比例方向阀的阀芯位移Xv与控制电压信号U之间的传递函数为[6]:
其中, Kv为比例阀的增益。
活塞位移Xp (s) 的表达式为[7,8]:
其中:Kq为流量增益, Kc为流量压力系数, A1、A2分别为液压缸无杆腔和有杆腔的有效面积, L为液压缸行程长度, V1为液压缸无杆腔的容积, V1=A1L/2, βe为有效体积弹性模量, Ci为液压缸内泄漏系数。
活塞位移xp (s) 与负载FL (s) 之间的传递函数为:
活塞位移xp (s) 与阀芯位移Xv (s) 之间的传递函数为:
步进梁位移为:
2 负载前馈状态观测器设计
负载扰动前馈, 可以提高系统的反应速度, 及时消除阶跃式负载扰动对移动梁运动速度的干扰, 减小控制系统的滞后性[9]。考虑到工程上对钢坯重量难以直接测量的问题, 拟通过状态重构的方式建立状态观测器来观测负载FL的值。
2.1 负载状态观测器的建立
在步进梁的上升运动过程中, 由液压缸力平衡方程:
其中, PL为无杆腔与有杆腔的压力差 (Pa) , A1为无杆腔面积 (m2) , xp为位移输出 (m) , K为系统弹簧刚度 (N/m) , Bp为粘滞阻尼系数 (N.s/m) 。
对式 (9) 进行变换, 可以得到:
令其中的FL, xp和分别为状态变量, 可得到系统∑ (A B, C) 的状态空间方程:
即:
由知, 系统能观性矩阵秩为3, 根据能观性判据, 符合满秩的要求, 因此系统是完全能观的。
由于只要求对状态变量FL的值进行观测, 可构造降维状态观测器, 以使系统简化。将状态空间模型的系数矩阵按式 (14) 和式 (15) 进行分块:
根据降维状态观测器理论, 状态观测器方程为:
其中:
令L=[0 l]。代入各系数, 得到:
对式 (18) 进行拉普拉斯变换, 计算得到:
而, 将式 (19) 代入, 得到:
则即为状态重构后负载的状态观测值。其中, xp可以通过位移传感器测量得到, 而无杆腔和有杆腔压力可以由压力变送器测量, 即PL可以通过测量得到。这就实现了对负载这一不可测量的状态观测。
2.2 前馈通道的选择
根据步进梁系统模型, 可以得到上升过程中步进梁负载状态观测前馈系统如图3所示。
其中, U为电压输入控制信号, FL为实际负载, 为状态观测器观测的负载值, xp为系统位移输出, 为前馈通道传递函数。
由系统框图可知经过前馈通道和前向通道之后, 理论上能够抵消实际负载FL的影响, 即:
则:
即前馈控制器:
3 基于H∞混合灵敏度的鲁棒控制器
步进梁系统的数学描述具有很多不确定性, 包括参数的摄动, 未建模动态, 干扰等。针对这些不确定性, 建立基于H∞混合灵敏度的鲁棒控制器, 改善系统的控制性能并提高系统的鲁棒稳定性[10]。
H∞混合灵敏度的优化问题, 就是设计控制器R (s) , 使得闭环系统稳定, 且使得最小, 其中由下式给出:
其中S、K和T分别为三个灵敏度函数, w1、w2和w3为对应的权系数。在步进梁的上升过程中, 由输入电压信号U到速度输出的传递函数为Wv (s) :
设所求的鲁棒控制器为R (s) , 可以得到三个灵敏度函数分别为:
可以得到:
通过的表达式可推得广义被控对象P (s) :
选取适当的权系数w1、w2和w3, 利用Matlab软件的鲁棒控制工具箱augtf函数, 得到广义被控对象P (s) 。通过hinfopt函数求解Riccati方程, 由广义对象P (s) 求取控制器R (s) [11]。
基于鲁棒控制器的闭环控制系统如图4所示。
其中, R (s) 为鲁棒控制器, W1 (s) 为电液比例方向阀传递函数, W2 (s) 为液压缸部分传递函数, W3 (s) 为扰动通道传递函数。
4 系统仿真与分析
4.1 系统相关参数及计算
某加热炉步进梁系统上升过程中参数为:
A1=0.0616m2, L=0.92m, Kq=0.945m2/s, Kc=2.36×10-10m5/ (N.s) , Kv=1.0×10-3m/V, Ci=6.3×10-11m5/ (N.s) , θ=17°, K=800N/m, βe=1.0×109Pa, V1=0.0283m3, M=1.31×105kg考虑到系统特点, 粘滞阻力Bp可以忽略[12]。代入相应数据可得:
满载时负载力FL=1310N, 空载时负载力FL=580N。
比例方向阀的传递函数为:
活塞位移xp (s) 响应为:
状态观测器输出:
前馈通道传递函数为:
由输入控制信号U到速度输出的传递函数为:
将其表示为状态空间方程, 选取适当的权系数w1、w2和w3, 求得其广义空间P (s) 为:
通过求解Riccati方程, 得到鲁棒控制器R (s) :
4.2 仿真图形及分析
下面通过仿真实验来验证所建立系统的控制效果。图5为状态观测器输出, 从图中可以看出观测器输出可以很好地跟踪实际的负载值。图6为闭环前馈系统速度响应曲线, 可以看出跟普通闭环系统相比, 带前馈的系统基本没有速度跌落。
图7为鲁棒控制器速度输出和普通PID控制器速度响应曲线比较, 图8为经放大处理后的在第6秒平衡点处托起钢坯时的速度响应曲线。可见普通PID控制器在负载发生阶跃变化处产生振荡, 而鲁棒控制器则没有振荡。
图9为鲁棒控制器参数摄动后速度响应曲线, 将液体有效体积模量βe分别增大20%, 40%和60%, 结果可以看出参数摄动后速度响应曲线基本不发生变化, 系统具有较强的鲁棒性。
图10为前馈-鲁棒复合系统的速度响应曲线, 可以看出系统速度曲线和给定曲线基本重合。
5 结论
1) 步进梁作为步进式加热炉的核心设备, 由于其运动部分惯性非常大, 加上负载阶跃式突变的特点, 实现其运动速度的精确控制有很大的难度, 是目前工程设计上突出的难题。
2) 在步进梁系统中, 由于钢坯的重量是随机的, 而且工程上难以对其进行测量, 引入负载扰动前馈补偿控制的方法难以实现。鉴于系统结构复杂, 工作环境恶劣, 系统运行过程中存在各种参数随机跳变的问题, 一般的控制系统难以保证其鲁棒稳定性。
3) 采用状态重构的方法观测负载, 并通过前馈进行补偿, 可以实现对步进梁运动速度的准确跟踪, 消除负载扰动对系统动态性能的影响。
4) 鲁棒控制器的引入, 使得系统具有很高的控制精度和鲁棒稳定性, 能够消除系统运行过程中各种参数跳变等因素对系统输出造成的的影响。
5) 步进梁前馈-鲁棒复合控制方法简单易行, 控制效果明显, 具有很高的应用价值。
摘要：步进梁由固定梁与移动梁构成, 是钢坯加热炉的核心部件。移动梁由液压缸驱动做矩形运动, 使数百吨重的钢坯在加热过程中一步一步地自入炉侧向出炉侧移动。步进梁的运动速度既要保证生产的节奏, 又要保证对钢坯轻托轻放, 以免产生碰创, 损坏移动梁和固定梁。所以, 移动梁运动速度的准确控制至关重要。由于运动部分的惯性太大, 加上负载的阶跃式突变, 实现速度和位移的精准控制难度很大。在分析研究步进梁系统工作原理及数学模型的基础上, 针对系统负载的不确定性, 设计了基于负载观测的前馈鲁棒复合控制。仿真实验证明该控制可实现速度的准确跟踪。
关键词：加热炉,步进梁,负载状态观测,前馈控制,鲁棒控制,速度闭环控制
参考文献
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复合速度控制 篇2
教学背景：
本课是学生在学习《铁生锈了》以后，观察了解了铁和铁锈的变化、区别，初步探索了铁生锈的原因后，通过实验结果来讨论铁生锈的原因，并进一步探讨铁生锈快慢和哪些因素有关，怎样防止、减缓铁生锈。
本课就是在前面探索研究的基础上，进一步研究如何控制铁生锈的速度。
一、教学内容
教科版《义务教育课程标准实验教科书 科学（六年级 下册）》第38-39页
二、教学目标
（一）科学概念
1.水和空气的共同作用，使铁生锈。
2.在平常生活中，铁生锈的快慢与水的多少关系很大。其他因素，会影响铁生锈的速度。
（二）过程与方法
1.继续学习“假设—检验”得出结论的科学探究方式，自己设计对比实验进行验证。
2.用“科学讨论会”的方法进行合作学习，互相启发，以便更好的得出科学结论。
3.利用老师提供的材料，进行来控制铁生锈的速度，看看哪些情况会加快或者减慢铁生锈的速度。
（三）情感态度价值观
分辨现象与证据的关系，体会证据支持结果的重要性。
三、教学重点
设计方案，并开始实施。
四、教学难点
设计合理的对比实验和逻辑推理证明生锈条件和生锈速度。
五、教学准备
39人，分10组，约4人一组。
每组材料：铁丝 4条，烧杯2个，蒸发皿2个，标签纸，抹布一块
为全班准备：盐水400ml 自来水400ml 碱水400ml 醋400ml
六、教学过程
（一）回顾导入，1．铁生锈了，变成了——铁锈，铁生锈属于什么变化？ 2．你有什么证据证明自己的观点？学生说一说。
3.每年因为铁生锈造成的损失不可估量的，所以我们如何控制铁生锈的速度，就非常重要了。这节课，我们就来设计一个实验，看看哪些因素影响了铁生锈的速度。
（二）科学讨论会
我们进行过好多对比实验，关于对比实验的方法，在五年级讲沉浮与什么因素有关时，五年级下册教材5页做了比较详细的说明：“科学家往往采用控制其他因素不变的方法，来研究某一个因素是否对物体产生作用。”
我们先来看一位同学的实验记录单，这个探究过程，是否合理呢？ 这个实验中要研究的是铁生锈是否与空气有关，那么设计实验时要控制的变量就是空气，其他条件不变。
所以，这组对比实验要控制的唯一变量就是空气，其余条件应该保持一致。现在我们来看这个实验中，设置了三种环境，空盘子（有空气），水盘子（有水，有空气），油盘子（没有水没有空气）。
（本讨论环节主要抓住空盘子，水盘子和菜油盘子三个环境进行讨论）请同学们想想那种环境是多余的呢？
小结：此方案在方法设计上不符合对比实验的规则，所以不妥。
（三）以“铁生锈的快慢”实验进一步验证
1.刚才大家通过研讨教材中一位同学实验记录单知道了对比实验要注意的问题，就是只改变一个因素，要控制其他条件不变，用这样的办法来研究。
2.今天我们也来设计一个对比实验，来看看什么可以情况能影响铁生锈的速度。
3.现在老师给大家提供了这些材料和仪器：
两人一个小组，每组两个烧杯（或者两个蒸发皿）、4段铁丝、一份实验报告单，2张标签纸。
为全班同学提供的液体有：自来水、醋、食盐水、碱面水。需要可以到老师的实验台来取用。注意每个大烧杯里，都放着一个注射器，注射器有刻度可以知道自己小组取了多少毫升的水。
4.请同学们思考一下，想想自己要研究哪些因素会影响铁生锈的速度，自己小组要研究的问题，选取哪些材料来进行实验。
5.下发表格，每个小组开始设计自己小组的实验，并填写实验设计。（引导学生按照表格中的步骤进行实验设计）
6.完成表格填写的小组，开始动手，进行实验。教师巡视，观察指导每个小组的实验情况。
注意各小组到前面取液体时，拿好容器小烧杯或者蒸发皿，排好队，不要着急，不要弄洒了，及时用抹布擦干净。
7．小结：这个实验大家都做好了，同学们一定发现了，和我们原来做的硫酸铜溶液和铁钉铁丝的反应不一样啊。硫酸铜溶液和铁钉的反应速度快，铁钉很快就有了红褐色的铜；小苏打和醋的化学反应很快就产生了气泡。这说明什么呢？(化学反应有快有慢)铁生锈的速度这个实验就比较慢，需要我们长期观察。所以，这节课结束后，我们还要继续观察。为了方便大家来实验室观察，每天早上到校后，学号是1-20号到实验室，来观察记录自己小组的实验情况。下午学号是21-39号观察。
8．后续观察非常重要，下面请大家看看老师做的实验。出示老师的实验过程图片。
（四）课堂小结
这节课你有了哪些新的收获？
七、板书设计 控制铁生锈的速度
对比实验：改变一个因素，控制其他因素不变。
是否需要空气 ：空盘子（有空气），菜油盘子（无空气），水盘子（多余）
复合地层盾构推进速度优化 篇3
盾构在施工过程中掘进参数众多, 各参数之间关系复杂, 与推进速度有关的参数主要有刀具贯入度、刀具转矩、刀具转速、总推力和输送机转速等。目前, 很多学者对盾构推进速度进行研究, 廖少明研究了注浆量、正面压力等掘进参数对推进速度的影响, 袁敏正研究了刀具布置以及刀盘扭矩对掘进速度的影响, 徐前卫运用实验模型获得盾构参数和推进速度之间的函数关系。当前研究主要通过实验模型来研究掘进机推进速度, 但实验结果不能适应复杂地层, 并且绝大多数学者只对单一掘进参数对推进速度的影响进行研究, 忽略了各因素之间的复杂关系, 使分析结果存在较大偏差。综上所述, 需要通过整体控制各掘进参数来优化推进速度。
以西安市轨道交通3号线3标段隧道施工为研究背景, 利用遗传算法, 通过整体控制各掘进参数对推进速度进行优化, 对实际施工的参数选择提供一定依据。
1 优化模型建立
1.1 目标函数
盾构推进速度必须在保证施工质量和符合施工设备能力的前提下尽可能提高推进速度。目标函数应该以各掘进参数为自变量, 推进速度为因变量。具体推进速度优化函数的表达式为
其中f (X) 代表需要优化的目标函数;X是目标函数的自变量, 即各掘进参数;Xi分别为刀具贯入度、刀盘转矩、刀盘转速、总推力、土仓渣土压力以及输送机转速。
1.2 适应度函数
适应度是指评价种群个体在算法中能逼近最优解的指标, 是促进种群中个体优化过程的原动力。种群个体适应度值越大, 被遗传到下代中的概率就越高。具体的约束函数表达式为
式中Xi是种群中的样本个体, f (Xi) 是当前盾构的推进速度值, S (Xi) 是在当前推进速度时的地面沉降值, Smax是地面沉降值的最大值。
1.3 约束条件
将约束条件引入数学模型, 需要对各代种群中的个体是否满足约束条件进行判断, 本文的约束条件选为“复合地层盾构推进速度预测模型”, 当满足所有约束条件时, 可以对推进速度进行预测并获得所需的目标推进速度值, 若其中任何约束条件无法满足, 将不能预测推进速度, 这样可以保证优化过程在种群可行个体中进行。
2 优化模型的实现
2.1 优化程序
利用遗传算法进行推进速度优化的思路是:首先把一定数量的个体X组成初始种群, 将初始种群中的个体进行预处理、适度值判断、约束处理以及遗传算子的迭代进化和操作, 最后在个体中选出一个最优推进速度的个体以及对应的掘进参数的取值范围。
本文推进速度的优化基于MATLAB计算机编程, 具体的优化算法框图如图1所示。
2.2 优化实现
合理采集盾构施工现场的100组掘进参数, 分别在每环0.5m、1.0m处采集一组参数, 排除受人为因素和随机因素的掘进参数。初始种群为M=100, 每个个体长度为L=6, 交叉概率为PC=0.5, 变异概率为Pb=0.01, 选择终止代数为T=100。
经过迭代, 得到初始种群分别经过25次、50次、75次、100次迭代优化后的结果如图2~图4所示。各次优化迭代后盾构推进速度分别比原始推进速度提高11.5%、26.3%、36.5%、38.3%。
由于有49组个体在优化过程中不满足掘进参数的约束条件, 不满足初始种群在经过25次的代后“复合地层盾构推进速度预测模型”所预测的盾构推进速度, 故经过淘汰只剩下51组个体, 依次类推, 经过100次迭代后最终剩余17组个体, 这时掘进参数和种群数量已接近稳定, 迭代优化停止, 经过优化后得到的17组参数如表1所示。
3 优化结果验证
试验地点选择与采集数据相同地质层的区间, 施工人员和设备一致, 将优化后的掘进参数作为盾构的输入参数, 每组掘进参数掘进10环, 每环在0.5m、1.0m处采集掘进推进速度, 将得到的结果取平均值。将试验得到的推进速度值和优化后的推进速度值进行对比, 如图5所示, 可以看出两者较为接近, 趋势基本重合, 最大误差为9.09%, 说明优化方法正确可靠。
4 结论
本文利用遗传算法, 通过整体控制各掘进参数对推进速度进行优化, 得到的结论如下。
1) 建立了盾构推进速度的遗传算法优化模型, 经过优化后可将推进速度提高38.3%, 在此基础上得到了与掘进速度对应掘进参数的取值范围。
2) 将优化后的推进速度和实测推进速度进行对比, 误差较小, 对复合地层实际盾构施工的参数选择提供一定依据。
参考文献
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复合速度控制 篇4
一、方法的提出
带电粒子在正交的匀强磁场和匀强电场中运动, 若所受洛伦兹力与电场力或 (和) 重力不平衡而做复杂的曲线运动时, 问题往往变得很复杂。若把带电粒子的初速度进行“拆分”, 那么带电粒子复杂的曲线运动就可等效为沿某一方向的匀速直线运动和沿某一时针方向的匀速圆周运动的合运动, 从而使问题得以简化。
二、方法的应用
1. 初速度方向与电场线方向垂直情况下的拆分
例题1:如图所示, 一质量为m、电荷量为q的带正电粒子 (重力不计) , 以初速度v0从左端中央沿虚线射入正交的电场强度为E的匀强电场和磁感强度为B的匀强磁场中。若qv0B>qE, 当从右端某点A离开时速率为vA, 侧移量为d, 则下列说法中正确的是 ()
A.在该区域中粒子的加速度大小恒为
B.粒子有可能从图中虚线下方离开该区域
C.粒子从A点离开时速率
D.粒子到达A点时洛伦兹力大于电场力
解析: (1) 由于粒子刚射入时qv0B>qE, 现将其初速度v0沿原方向拆分为v1和v2, 使qv1B=qE。这样粒子的运动就等效为速率为, 方向水平向右的匀速直线运动和速率为的沿逆时针方向的匀速圆周运动的合运动, 其半径, 那么在该区域中粒子的加速度大小。所以选项A正确。2
(2) 根据两种运动的合成可知, 粒子运动的轨迹不可能在虚线的下方, 所以选项B错误。
(3) 由动能定理得:, 所以选项C正确。
(4) 由于vA>v0, 则有qvAB>qE, 所以选项D正确。
拓展: (2010年盐城三模) 如图所示, 空间匀强电场的场强为E、方向沿着-y方向, 匀强磁场的磁感应强度大小为B、方向垂直xOy平面指向纸内。有一质量为m、电量为q的带正电的粒子 (不计重力) , 从O点出发开始计时, 沿+x方向以初速度射入场区。求:
(1) 带电粒子能够y到达离x轴的最远距离;
(2) 从开始到离开场区的时间内, 粒子沿x轴运动的距离;
(3) 在时撤去电场, 粒子在以后的运动中还受到与速度大小成正比、方向相反的阻力作用, 即f=kv (k为已知常数) , 求电场撤去后粒子还能发生的位移大小。
解析: (1) 由动能定理得:
(2) 把速度v0沿x轴拆分为2个, 其中一个产生的f洛与F电平衡。带电粒子的运动可等效为速率为的沿x轴做匀速直线运动和速率为沿逆时针方向做匀速圆周运动的合运动。
(3) ∵f洛=qvB, f阻=kv, f洛与F阻都与v成正比, 其合力方向与速度方向保持不变, 其大小为:由牛顿第二定律得:
2. 初速度为零的情况下的拆分
例题2:在空间有相互垂直的电场强度为E的匀强电场和磁感强度为B的匀强磁场, 如图所示。一质量为m、电荷量为e的电子从坐标原点由静止释放, 不计重力。求电子在y轴方向的最大距离。
解析:由于电子的初速度为零, 现将它沿x轴方向配上一对等大反向的速度为+v和-v, 使v的大小满足evB=eE, 即。与+v对应的洛伦兹力与电子所受的电场力平衡, 与-v所对应的洛伦兹力与y轴同向提供向心力。这样电子的运动可等效为一个速率为v沿x轴正方向的匀速直线运动和速率为v沿顺时针方向的匀速圆周运动的合运动。
对匀速圆周运动, 设半径为R, 根据
拓展: (2008年江苏高考第14题) 在场强为B的水平匀强磁场中, 一质量为m、带正电q的小球在O点静止释放, 小球的运动曲线如图所示。已知此曲线在最低点的曲率半径为该点到x轴距离的2倍, 重力加速度为g。求
(1) 小球运动到任意位置P (x, y) 的速率v;
(2) 小球在运动过程中第一次下降的最大距离ym;
(3) 当在上述磁场中加一竖直向上场强为E (E>mg/q) 的匀强电场时, 小球从O点静止释放后获得的最大速率vm。
解析: (1) 洛伦兹力不做功, 由动能定理得:
(2) 由于带电小球的初速度为零, 现将它沿x轴方向上配一对等大反向的速度为+v和-v, 使v的大小满足qvB=mg, 即。与+v对应的洛伦兹力与带电小球所受的重力平衡, 与-v所对应的洛伦兹力沿y轴正方向提供向心力。这样, 带电小球的运动可等效为一个速率为v沿x轴正方向的匀速直线运动和速率为v沿逆时针方向的匀速圆周运动的合运动。
对匀速圆周运动, 设半径为R, 根据
设最大距离为ym, 根据题意ym=2R, 则
(3) 小球运动如图所示:
3. 一般情况下的初速度的拆分
例题3: (2010年南京二模) 如图所示, 在的空间有垂直纸面向里的匀强磁场, 磁感应强度B=4×10-3T, 在y≤0空间同时存在沿y轴负方向的匀强电场, 电场强度。一个质量m=6.4×10-27kg、带电量q=+3.2×10-19C的带电粒子以初速度v0=2×104m/s从y轴上的P点 (纵坐标为) 出发, 沿着-y方向进入区域I, 粒子重力不计, 粒子在整个运动过程中始终没有穿出电磁场区域。
(1) 求带电粒子第一次穿越x轴时的横坐标;
(2) 请结合运动合成和分解的知识, 求出带电粒子在区域II中到达最低点的纵坐标y;
(3) 求带电粒子从进入区域I开始到第二次穿越x轴时经过的时间t。
解析: (1) 由, 由图中几何关系可知, 得θ=60°, 即带电粒子离开区域Ⅰ时的速度方向与x轴正向成30°角。所以, 带电粒子第一次通过x轴时的坐标:x=r1-r1cos 60°=0.05 (m) ;
(2) 将带电粒子进入区域Ⅰ时的速度沿坐标轴拆分为, vy=v0sin 30°=1×104 (m/s) 。
与两个分速度对应的洛伦兹力分别为:
fx=Bqvy=4×10-3×3.2×10-19×1×104=1.28×10-17 (N) , 方向沿+x方向;
可见fy=F, 二力平衡。所以带电粒子在区域II中的运动可视为沿x轴正方向的速率为vx的匀速直线运动和以速率为vy、洛伦兹力Bqvy作为向心力的、沿逆时针方向的匀速圆周运动的叠加。圆周运动半径为:, 粒子做匀速圆周运动四分之一周期后到达最低点, 对应的纵坐标:y=-r2=-0.05 (m) 。
(3) 粒子做匀速圆周运动周期
带电粒子从进入区域Ⅰ开始到第一次穿越x轴, 经过的时间
粒子在区域II中做匀速圆周运动半个周期后, 第二次穿越x轴, 经历时间
故带电粒子从进入区域Ⅰ开始到第二次穿越x轴时经过的时间
复合速度控制 篇5
随着科学技术的飞速发展, 电梯技术的发展也极为迅速, 尤其是在电梯的速度控制上, 更是投入了先进的变频控制技术, 根据电梯的实际使用情况来调整运行速度, 为人们营造良好的乘梯环境。同时, 电梯变频控制技术能够对电梯运行的各项参数进行采集和分析, 一旦电梯运行异常, 可以及时地发现, 从而保证电梯变频控制的安全性、可靠性、舒适性。
1 电梯变频控制对电梯运行稳定性的影响
电梯是人们日常生活、生产以及工作中必不可少的重要工具, 电梯越来越受到人们的重视, 尤其是在人们生活水平不断提升的情况下, 对电梯运行的安全性、可靠性以及舒适性等也提出了更高的要求[1]。通过对以往电梯运行的调查中发现, 电梯在运行的过程中, 由于速度的不适宜, 经常会给人们带来不舒适感, 甚至会引发电梯安全事故, 让人们对电梯产生抗拒的心理, 不利于电梯行业的发展。而影响电梯运行速度的最关键因素则是电梯的速度变频器, 电梯变频控制器应本着以速度控制的方式进行, 应从硬件和软件等两方面对电梯运行速度进行优化, 这样才能根据电梯的实际使用情况, 对其速度进行控制, 并实现对电梯运行速度的调整, 从而有效的提高电梯运行的舒适度。并且, 在对电梯进行控制的过程中, 能够通过对数据的采集和分析, 了解电梯的运行问题, 并对其采取针对性的处理, 可见, 电梯变频控制器的重要性。
2 速度控制方式的电梯变频控制策略
在进行电梯变频控制的过程中, 应该采取有效的控制策略, 以下主要从硬件方面对电梯运行速度优化模块进行设计;从软件方面对电梯运行速度优化模块进行设计。以下就从这两大模块进行分析。
2. 1 从硬件方面对电梯运行速度优化模块进行设计
在科学技术飞速发展之下, 电梯技术的发展也极为迅速, 再加上人们对电梯使用的要求越来越高, 尤其是从安全性、舒适度等方面提出了更高的要求, 相关研究部门应对电梯的运行速度进行不断的优化, 以此来给人们创造更舒适的电梯运行条件[2]。基于速度控制方式的电梯变频控制, 应从硬件设计的角度对电梯的运行速度进行优化, 具体实施的策略如下。
2. 1. 1 对RS485 通信模块的优化
通信模块作为电梯变频控制的重要组成部分, 其运行的可靠性将直接影响着电梯变频控制的运行效率, 也就影响到电梯运行的安全性、可靠性以及舒适性, 因此, 在硬件上必须注重对通信模块的优化[3]。RS485 通信模块的主芯片主要是采用HVD3082 芯片, 该芯片在使用的过程中, 能够实现差分传送数据的功能。以下是RS485 通信模块的原理图 ( 如图1 所示) 。
根据图1 RS485 通信模块的原理图来看, 其中的TL43 和TL33 主要是控制通信设备两个通信接口的数据收发, TI54 电梯速度优化模块主要向外发送相应信号。而且, 该芯片主要是由内部电源5 V电压对其实施供电, TI64 主要是外设发送给电梯速度优化模块信号的接收引脚, 在对整个RS485 通信模块硬件设备进行优化过程中, 确保内部电源和内部之间的用电隔离, 避免在设备运行过程中出现相互干扰的问题, 从而有效提高通信设备运行的可靠性。
2. 1. 2 对接口模块的优化
电梯变频器在运行的过程中, 需要多种设备进行连接, 而接口模块则是电梯运行速度优化模块不可缺少的重要组成部分, 因此, 对接口模块的优化是必不可少的重要组成部分[4]。对接口模块的优化, 主要完善接口模块, 如, 命令通信接口、DC / DC内部电源模块、JTAG接口、控制通信接口等, 每个接口都有着不同的作用, 例如, 命令通信接口, 主要是用于电梯的速度优化模块和主控制器之间的数据通信接口; DC/DC内部电源模块, 主要是对内部实施供电, 提供内部电源; JTAG接口, 主要是用于连接仿真器; 控制通信接口, 顾名思义是通信接口主要用于电梯速度优化模块和变频器之间的信号输出和输入。
2. 1. 3 光耦隔离模块的优化
基于速度控制方式的电梯变频控制的策略实施, 除了以上几种对硬件设备的优化之外, 还需要对光耦隔离模块进行优化。在以往电梯运行的过程中, 内部电源和外部电源之间会产生一定的干扰情况, 给电梯运行的安全性、可靠性造成极大的影响, 因此, 在基于速度控制方式的电梯变频控制, 应做好光耦隔离模块的优化。通过利用光耦来将内部电源和外部电源进行隔离, 从而有效地避免内部和外部电源相互干扰的问题。一般情况下, 隔离光耦主要分为数据信号、控制信号两组, 具体选择的光耦型号应根据电梯的实际运行情况来定。
2. 2 从软件方面对电梯运行速度优化模块进行设计
除了以上从硬件方面考虑之外, 还要注重电梯运行速度优化模块的软件设计, 而且, 软件可以说是电梯变频控制的灵魂, 只有保证软件系统运行可靠, 才能确保硬件的稳定运行, 可见, 软件设计的重要性[5]。从电梯变频控制系统运行的情况来看, 速度曲线实时控制程序是电梯变频控制软件设计的重要部分, 是与电梯的运行速度有着直接的联系。笔者通过自身多年的工作经验, 对曲线实时控制程序的优化主要应按照理想的速度进行, 由于电梯所使用的场合不同, 以及电梯类型的不同, 使得电梯的运行理想速度也有着一定的差异性。在具体的曲线实时控制程序设计的过程中, 应结合电梯的实际使用情况采取相应的设计措施。例如, 在对某电梯运行速度优化模块的曲线实时控制程序进行优化的过程中, 主要对其采取四张曲线表, 并按照OA段、AB段、BC段、CD段等进行优化。在编程的过程中, 要求按照查表的方式来给出相关的速度实时值。而且, 电梯在额定速度以及非额定速度时, 其查表公式也有所不同, 对电梯运行的整体效果也有着很大的差异性, 结合实际情况对软件进行调整设计, 才能将电梯变频控制系统的最大作用充分地发挥出来。
3 结语
在科学技术飞速发展的过程中, 电梯技术的发展也极为迅速, 尤其是电梯行业的发展非常之快, 并在各个领域中得到了广泛的应用。然而, 在电梯运行的过程中, 其电梯的运行速度将对电梯运行的舒适性、安全性等造成直接的影响, 对此必须加强技术投入。通过本文对基于速度控制方式的电梯变频控制策略分析, 笔者结合自身的工作经验, 主要从硬件上对电梯运行速度优化模块进行设计, 以及从软件上对电梯运行速度优化模块进行设计, 并从这两方面内容展开分析, 希望能够对电梯运行速度进行科学的控制, 实现最佳的运行效果, 促进电梯行业的长远发展。
参考文献
[1]陈伟国, 赵国军, 王文良, 等.VVVF电梯的绝对剩余距离的速度控制研究[J].机电工程技术, 2012 (4) .
[2]唐国兰, 罗荣华, 吴云忠.分布式PLC控制系统在全连续棒材轧机速度控制中的应用[J].机电工程技术, 2011 (8) .
[3]贾建华, 丁国林.电梯曳引功能失效原因分析及预防措施[J].机电信息, 2014 (27) .
[4]朱兴华, 左健民, 汪木兰, 等.基于FPGA的数控系统脉冲式速度控制模块实现技术[J].制造业自动化, 2012 (16) .
速度伺服控制系统的探讨 篇6
关键词：伺服控制系统,速度控制,仿真结果分析
1 伺服控制系统
1.1 伺服控制系统的内容
伺服控制系统是一种能够跟踪输入的指令信号进行动作, 从而获得精确的位置、速度及动力输出的自动控制系统。它由于有着精确、高效等特点, 在时早期, 人们都是运用在船舶的自动驾驶、火炮控制和指挥仪上。不过随着社会的不断发展和科技的不断进步伺服控制系统也被逐步的应用在各个领域, 特别是在工业生产中得到了良好的发展, 例如:机床的进给推动、原动机调试等, 加工中心的机械制造过程也是伺服控制过程, 位移传感器不断地将刀具进给的位移传送给计算机, 通过与加工位置目标比较, 计算机输出继续加工或停止加工的控制信号。绝大部分机电一体化系统都具有伺服功能, 机电一体化系统中的伺服控制是为执行机构按设计要求实现运动而提供控制和动力的重要环节。
1.2 伺服控制系统的意义
目前, 在生活中人们对伺服控制系统的控制十分广泛, 由于它的高精确性给人们带来了好大的便利。但是, 伺服控制系统的作用不仅仅如此, 人们采用它主要有以下几个目的:
第一, 以小功率指令信号去控制大功率负载, 在火炮和交通运输工具中得到了很好的运用;第二, 它在没有机械连接的情况下, 可以有输入轴控制位于远处的输出轴, 实现远距同步传动;第三, 它可以使输出机械位移精确地跟踪电信号, 其中记录器和指示仪表就是典型的代表。[1]
1.3 伺服控制系统的分类
伺服系统的分类有很多, 根据不同的依据可以不同的分类。目前, 我们常见的分类方法有:
1.3.1 按照被控量参数特性进行分类, 我们可以分为位移伺服控制系统、速度伺服控制系统和力矩伺服控制系统等。
1.3.2 按照驱动元件的类型我们可以分为, 电气伺服系统、液压伺服系统、气动伺服系统。
1.3.3 按照控制原理可以分为:开环控制伺服系统, 闭环控制伺服系统和半闭环控制伺服系统。
下面, 我们就针对速度伺服控制系统进行比较详细的分析和介绍。
2 速度控制分析
速度伺服控制系统对机械设备进行控制的原理是指, 输入信号通过电子放大器的型号控制, 在传播到电液伺服阀中, 让伺服阀接到信号后产生一定的电子反应使得阀芯发生位移变得, 然后利用液压产生的压力油进入到了电子元件中, 从而带动其工作零件的运动, 把这些工作零件出现的位移量或者运动量应用在各个传感器重, 在通过其他的检测装置把运动参数在转化成电信号, 再反馈到信号读取设备中, 再把输入端的信号与输入信号进行相对的比较, 把比较出的偏差应用到了电子放大器中进行信号控制, 电液伺服阀在对这些偏差数值进行一定的控制。当我们在进行控制时如果发现偏差为零的话, 那就说明执行元件已经到了一个新的平衡点, 并且也已经停止了运动。因此, 我们可以了解到当执行元件输出一定的运动参数后, 就会达到一个新的平衡点, 而且速度伺服控制系统将把这个运动参数进行不断的反馈和进一步的修正。[2]
3 速度伺服系统的设计
在进行速度伺服控制系统的设计时, 我们主要从拟定控制方案、绘制系统原理图、确定马达的排量从而选择伺服阀的规格等方面入手。下面我们就针对这几个方面进行介绍。
3.1 拟定控制方案;
据设计要求该系统属于电液速度伺服闭环控制系统, 本设计采用伺服阀控制液压马达的控制系统, 其执行元件为液压马达。
3.2 绘制系统原理图;
为满足设计要求, 在构成原理图时, 确定各个元件之间相互关系, 如采用输入信号发送器和反馈传感器的方式, 采用不同方式则系统电子部分方框图也将随之不同。
3.3 确定马达的排量, 选择伺服阀规格;
电液伺服阀是电液伺服系统中的核心元件, 它即是电液转化元件, 又是功率放大元件。在系统中将输入的小功率电信号转变为大功率的液压能 (压力与流量) 输出, 其性能对系统影响很大, 所以选择伺服阀时需慎重。
伺服阀控制液压马达速度控制系统由电液伺服阀、液压马达、积分放大器、速度传感器等组成。电液伺服阀灵敏度高、快速性好, 它可将微弱电信号转换成巨大的液压功率, 可驱动各种负载。当输入线圈通入电流时, 衔铁在磁力作用下便绕转轴旋转一定角度来控制挡板, 使喷嘴起节流作用来控制流量的大小, 阀芯的运动用来控制流入流出液压缸的流量。电液伺服阀是把控制信号和反馈信号进行比较所得的误差信号放大转换。速度传感器用于测量机械运动的速度。液压马达是将液压能转换成机械能。积分放大器则把控制信号和反馈信号进行比较所得的误差信号进行放大转换。
4 速度控制
从系统的频率特性响应曲线来看, 幅频特性的谐振峰比较小, 低通性很好;系统相频特性曲线的起始阶段也基本是直线, 后边的跳变是因为反正切函数的特性, 我们还可以得出对应频率下系统的增益和相位值。对应系统的阶跃响应曲线, 系统的输出量变化比较平缓, 超调量比较小, 振荡次数也不多, 很快达到了稳态值。因此, 由系统频率响应曲线能预测系统时间域阶跃响应情况, 并可推断任意激励函数下的响应。从阶跃响应曲线上不难看出该系统是稳定的, 满足在规定时间内准确跟踪的任务。
这种伺服控制系统, 在使用中还是存在着一些问题, 例如当控制系统中的回路增益变得很低的时候, 也就是说控制系统中的回路处于一个稳定的状态, 那么速度伺服看看系统就是暂时失去了反馈控制的作用, 这样很大程度上影响了速度伺服系统的控制功能, 对于设备的控制有着一定的影响, 而且由于不是高度精确, 也会对某些项目有着不同程度的影响。因此, 我们为了减少此类事件的发展, 为了得到比较合适的回路, 从而使得回路可以进行稳定的工作, 我们就在速度控制回路中增加了补偿装置, 这种补偿装置也大大正确了电子放大器的信号使放大功能, 让速度伺服控制系统对设备进行了更有效的控制。
5 速度伺服控制系统补偿算法
目前, 速度伺服控制系统在对速度的跟踪在自动控制这方面的应用上较少, 主要是应用在对位置的跟踪上。这主要是因为在对位置的跟踪的上出现的误差是属于稳定性的误差, 虽然没有办法进行改变, 但是我们可以采取其他方式进行补偿。而速度的跟踪是暂态性的误差, 这个无法通过其他方式进行补偿, 而且现在的科技技术在这方面的控制还存在着许多技术上的缺陷, 因此在对速度伺服控制系统跟踪方向时, 一般都是应用在位置的跟踪上, 而采用的补偿算法是基于隐马尔克夫模型的进行整体的设计
结束语
在现代生活和生产中, 伺服控制系统有着十分重要的作用, 无论是交通运输、国防、农业和工业生产, 还是我们日常生活中的电器使用, 都大量的使用了伺服控制系统。而且这样的控制控制技术, 有效的减少了能源的消耗和机械的磨损。但是, 由于我国目前在这方面的技术上, 还存在着许多不足, 因此我们还需要在科学实践中不断的探索。
参考文献
[1]张晓俊, 穆临平.液压防爆提升机速度控制系统的模糊控制[J].机械管理开发, 2003 (4) .[1]张晓俊, 穆临平.液压防爆提升机速度控制系统的模糊控制[J].机械管理开发, 2003 (4) .
液压机速度控制技术研究 篇7
一、液压机速度控制技术的研究现状
我国相关专家学者对于液压机速度控制技术的研究, 最早开始于上个世纪九十年代末期。随着我国社会经济、文化以及科学信息技术水平的不断进步和发展, 液压机速度控制技术的研究工作也不断深入, 并取得了卓越的研究成果。但由于在我国现今社会之中, 相关专家学者对于液压机速度控制技术的研究, 正在并将长期处于不断借鉴学习和探索研究的初期阶段。在我国液压机速度控制技术的研究过程之中, 还存在着一系列的问题和弊端现象。
在现今社会液压机速度控制技术的研究和应用过程之中, 液压机速度在控制方面的基本理论并没有发生实质性的改变, 与液压机速度控制技术相对应的控制方式也没有得到明显的完善。这使得液压机速度控制技术的研究工作基本维持着传统的理论根底, 换汤不换药的研究模式, 严重阻碍了研究工作的发展进程。在液压机压制速度的调节方面, 虽然相关科技研究的工作人员对液压机在压制速度的方式方法上做出了一定的调整。但并没有从根本上改变液压机对于节流速度的调整方式。在相应的节流速度调整上, 依旧采取的是串联节流速度调节和并联节流速度调整两种主要的调节方式。
二、液压机速度控制技术应用和发展
PLC管理程序在液压机速度控制技术中的应用, 已经成为现今社会发展阶段, 国内外在液压机速度控制方式上的主流趋势。液压机速度控制技术的应用和研究, 让其越来越广泛的应用在人类社会生产生活的方方面面。随着液压机速度控制技术水平的不断提升, 其在未来社会发展阶段中的发展前景也越来越广阔。
(一) 人工智能在液压机速度控制技术中的广泛应用
随着我国相关专家学者对液压机速度控制技术研究的不断深入, 人工智能控制技术将逐渐被广泛应用在液压机速度控制过程之中。相关工作人员可以通过人工智能控制技术在液压机速度控制过程中的有效应用, 更准确的判断出液压机中柱塞设备控制阀行进速度的具体数值是多少, 也能够通过人工智能技术在液压机速度控制技术中有效应用, 在模型描述的帮助下更全面的了解柱塞运行速度和电力节流设备电机控制脉冲设置之间的联系。
人工智能技术手段在液压机速度控制技术运行过程中的有效应用, 能够最大限度的减少电力挤压速度对控制对象具体参照数据的影响, 对于最终提升我国液压机速度控制技术的研究水平有显著的促进和保障作用。
(二) 步进电机控制技术在液压机速度控制技术中的应用
想要更好的促进我国液压机速度控制技术的长远稳定发展, 将步进电机控制技术更好的应用在液压机速度控制系统之中, 是非常有必要的。我国的步进电机控制技术在液压机速度控制系统中的应用范围将越来越广泛。把步进电机控制技术更好的应用在液压机速度控制系统的运行工作过程之中, 将在传统步进电机控制技术三相混合式数字变量循环线路控制处理技术的基础上, 对步进电机控制技术水平进行进一步的完善和提升。步进电机控制技术通过对自身工艺运行水平的合理改进, 最大限度的缩小了液压机速度控制系统闭环工作线路的可控范围。在步进电机控制技术在液压机速度控制系统中应用的带动和影响下, 我国的液压机工作处理水平, 以及其相应的速度误差控制和调节的技术都将达到世界领先水平。
(三) 图像处理技术在液压机速度控制技术中的应用
图像处理技术在液压机速度控制技术中的应用, 一般情况下以嵌入式的图像处理技术为主。嵌入式的图像处理技术与相应的电机设备管理技术相互配合, 最终促进液压机在压制在线速度上的有效调节。将图像信息处理技术更好的应用在液压机速度控制技术之中, 能够最大限度的保持压制力度的平稳性, 有效提升液压机闭环电路的适应能力。在合理兼顾工作效率和液压机工作质量的基础上, 最终实现液压运动与视觉美的有效结合。
三、结语
总而言之, 液压机的速度调节和控制的技术, 在液压机应用技术中一直占据着重要的地位, 对液压机速度控制技术的研究和发展, 也发挥着不可小觑的作用。及时改善现今社会液压机速度控制技术应用和发展的问题, 才能够制定出有效的研究方案, 最终促进液压机速度控制技术的高速稳定发展。
参考文献
[1]谢丁龙.基于可编程序控制器的等温煤炭机械锻造液压机控制系统研究[J].煤炭技术, 2014, 03:151-153.
[2]王宇翔, 冯作全, 芦光荣.SIMATIC T-CPU在快锻液压机压头控制中的应用[J].机电工程技术, 2015, 10:107-111.
轮式机器人速度优化控制方法 篇8
在足球机器人比赛中, 机器人小车的快速启动非常重要。在小车的控制系统中, 一般编程者都是采用直接给定速度的方法, 使机器人的两个车轮一开始就以一个很大的速度转动, 经过PID控制后达到稳态。从控制的角度来说, 这是简洁有效的方法, 但是实际上由于车的惯性, 场地与车轮之间的摩擦力往往无法提供小车加速度所需的摩擦力, 这便产生了车轮与场地间的滑动, 造成小车运动轨迹不准或者启动速度反而变小。
1 优化速度设计
要使小车在加速时不打滑, 解决的办法有两个, 一是增加摩擦力, 二是减小加速度。显然, 只有有机的利用这两个方法才能真正解决这个问题。影响摩擦力的因素很多, 其中摩擦系数在本例中可视为主要因素。经过实践和理论研究发现, 相对滑动的速度和温度等因素会影响到摩擦系数的大小。图1为滑动速度与摩擦系数的关系。对于一般弹塑性接触的摩擦副, 摩擦系数随图中2, 3曲线变化。
摩擦系数随温度的变化符合下面的关系式:
式中:μ——总的摩擦系数;
μundefined——初始温度的分子粘合摩擦系数;
μundefined——初始温度时的变形摩擦系数;
α和γ ——温度系数;
Δt ——温升;
Ar ——真实接触面积。
从上式可以看出, 大多数物体之间的摩擦系数都会因为温度的增加而减小。因此, 针对摩擦系数变化的规律, 来优化小车的速度控制方法, 使小车在比赛过程中启动速度更快, 能够更完好地完成上位机的策略。
在足球机器人中, 两个轮子的速度是由上位机根据策略给出的, 下位机的任务是接收上位机传来的指令, 并且根据指令来控制两个轮子的转速。在控制的时候不仅要对每一个轮子进行控制, 而且还要对两个轮子的速度进行协调, 这样才能很好的支持上位机的策略。
优化算法的分析首先从小车的加速过程入手。当地面的静摩擦力大于小车在加速时所需的驱动力时, 小车车轮与地面之间将不产生相对滑动。在小车加速时, 由图1可知, 若有相对滑动发生, 地面与车轮的摩擦系数会减小, 摩擦生热也会使地面与车轮的摩擦系数减小, 则所提供的给小车加速用的力也就小了, 这样加速就比较慢。所以在加速过程中尽量控制小车车轮与地面的相对滑动程度可大大改善小车的启动性能, 也就是加大了小车的加速度。
首先, 小车在启动阶段速度的变化趋势如图2所示。
图中, 1为目标速度, 2为小车控制系统响应的速度曲线, 3为小车实际的速度曲线, 4为优化后的实际速度曲线。从图2可以很直观的看出, 曲线3和4开始部分的速度增长斜率是由小车车轮与地面的摩擦系数所决定的, 所以利用摩擦系数的变化规律就是优化的重点。
控制小车的速度来间接控制小车的加速度, 从而使小车在行驶过程中车轮与地面尽量不打滑或减小车轮与地面间的相对滑动, 这样就能使小车快速的启动。可以得到图2所示的曲线, 这就是我们所要设计的速度时间曲线 (V-t) 。
曲线的前半段 (0%-80%) 为直线段, 方程为
v=μgt (2)
式中:μ——摩擦系数;
v ——速度;
g ——重力加速度;
t ——时间。
曲线的后半段为直线1和2的切线方程, 切点的坐标设为 (a, b) 和 (c, d) , 这样, 得出切圆的半径为:
undefined (3)
切圆的方程为:
(x-c) 2+[y- (d-r) ]2=r2 (4)
将两个方程连起来就能得到小车所要执行的速度曲线方程。
得到速度曲线方程之后, 让单片机将曲线分割, 一步一步地将速度加上去, 就能够实现前面所设计的速度曲线, 小车车轮的速度开始较小, 但是从速度增长的方式可以看出, 根据速度曲线来实现小车的速度要比直接给一个很大的速度要启动得快。在速度的实现过程中, 还要考虑小车两个轮速不相同时两个车轮速度的协调。如果速度不匹配, 小车将无法实现上位机所需要的轨迹, 所以对两轮速度的协调也很重要。
2 程序设计
下面介绍如何用程序来实现这条曲线, 使小车缩短启动时间。程序流程如图3所示。小车先接收上位机传来的数据, 将左右轮速先分开, 然后将两个轮的速度分割, 做出20%, 40%, 60%, 80%这几个点, 存入数组中。因为这条速度曲线是分段函数, 所以随后应该判断速度是处于哪个阶段, 如果是在前一段, 用直线方程算出各个点的速度, 如果是在后一段则用切线段算出速度。然后将这些点存入数组中准备给下一步的函数调用。
下一步就是要将划分出来的速度再进行细分, 为了协调两个轮子的速度, 要先判断两个轮速哪一个的变化量大, 这样划分的时候按照差值大的来划分, 根据试验的方法, PWM以5%的增长律来对差值大的速度来增长, 这样能算出要经过多少次的增长能达到终点速度, 差值小的增长律就较低, 最终两个轮子都能达到终点速度。接着是调用函数Speed_Control () , 这是实现此控制方法的功能函数, 它的功能是将刚才存入数组的值, 来实现速度的递增, 其中对每次递增的值进行若干次PID计算, 这样能改善控制的响应速度和误差。最后当控制进行到了稳态, 就不需要调用这个函数了, 只需进行的一般PID控制就可以了, 这样就能实现这条速度曲线, 改善小车的性能。
3 对比试验
为了检验上述设计的运行效果, 采用两辆小车来做对比试验, 一辆是用传统的方法控制, 直接施加给定速度。另一辆小车用上述设计的优化控制方法控制, 分阶段的给出轮速。两辆小车的机械结构, 控制电路以及电量都是相同的, 我们通过无线通信来控制小车的启动和停止, 将两辆小车正向放在球场大禁区的线上, 然后给两辆小车发送同样的指令, 从启动阶段能很明显地看到, 用优化控制方法控制的小车启动速度明显要比传统控制的快, 这就意味着小车在比赛中能以最快的速度实现上位机的控制。
4 结语
1) 本文对摩擦系数的变化趋势及特性进行了研究, 小车车轮与地面属于弹性摩擦副, 所以车轮与场地的相对滑动速度和温度对摩擦系数影响较大。
2) 通过对摩擦系数特性的分析, 设计出一条曲线, 根据这条曲线设计出相应的软件。
3) 对设计的速度曲线进行了试验, 试验结果表明通过优化控制能使小车启动速度加快。
4) 对小车进行速度优化控制的目的在于充分利用小车车轮与场地之间的摩擦力, 从而获得最大的小车加速度, 缩短小车的启动时间。从以上的研究来看, 这个方法是行之有效的。
参考文献
[1]松原清.摩擦学[M].西安:西安交通大学出版社, 1987.
[2]温诗铸.摩擦学原理[M].北京:清华大学出版社, 1990.
[3]黄议源.机械设备电气与数字控制[M].北京:中央广播电视大学出版社, 1993.