天车吊钩防摆控制器设计

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1、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，是实现港口、厂矿装卸自动化的趋势。本文首先建立了桥式吊车运动系统的数学模型，并搭建了系统的仿真实验模型，设计了双闭环PID控制器来实现吊车系统的防摆和定位控制。针对常规PID控制器很难满足桥式吊车这类控制参数变化很大的复杂系统对控制精度的要求，设计了非线性PID控制器（即PID参数随误差的变化而变化），该控制方案可以消除系统静差，缩短系统响应时间，抗干扰能力较强。运用增量型PID控制算法对PID控制策略进行了数字实

2、现。本系统实现了吊车到达目的地吊钩不在摆动的目的，使所吊重物在到达指定地点时，摆角为零。从而避免了作业时，照成不必要的事故。关键词：桥式吊车；防摆；非线性PIDAbstractGenerally speaking, the loading efficiency of crane is mainly influenced by swing of hanging objects. As an active method for avoiding swing, electronic anti-swing is not dependent on the drivers experience and c

3、an combine swing-decreasing with movement-control to improve the efficiency of crane, and lighten the intensity of drivers. Therefore, it will be used widely for loading of port and factory.In this thesis, the mathematical model of the overhead crane motion system is established and the simulation m

4、odel is also built . The two closed-loop PID controller is designed to achieve the control of anti-swing and orientation. Comparing with the controlling results of using conventional PID algorithm as a controller on different disturbance conditions, we can find that it is difficult to meet the accur

5、acy requirements of the practical operation of crane system which has easily variable control parameters in the process of running. So we design the nonlinear PID whose variable parameters change with error. The results of simulation indicate that the steady-state error can be eliminated, and the re

6、sponse time of system can be shortened, in addition, the disturbance rejection ability of system can be strengthened. Then, we complish the digital realization of PID control strategy with increment PID control algorithm.This system has realized the crane hook is not swinging the purpose of arriving

7、 at our destination, make lifting heavy weights in got to the designated place, pendulum Angle is zero. Avoiding the homework, as into unnecessary accidents.Key Words：Overhead crane；Anti-swing；Nonlinear PID目 录第1章 绪 论11.1 课题的背景及意义11.2 国内外研究现状21.3 本文研究主要内容4第2章 系统建模52.1 问题的提出52.2 建模机理52.3 系统模型的建立6第3章 方

8、案论证103.1 系统方案的论证103.2 总体方案设计113.3 传感器的选型113.4 转换器的选型133.5 单片机的选型153.6 变频器的选型16第4章 硬件电路设计174.1 数据检测模块174.2 滤波电路模块194.3 转换电路204.4 单片机最小系统204.5 变频器调速模块214.6 键盘电路224.7 电源电路23第5章 软件设计255.1 系统流程图255.2 检测控制流程图265.3 变频器子程序265.4 报警程序275.5 PID控制的设计285.5.1 非线性PID设计295.5.2 仿真实验验证325.5.3 增量型PID385.5.4 吊车系统数字PID的

9、实现39第6章 总结41参考文献42致 谢43附录44附录46附录53IV第1章 绪 论1.1 课题的背景及意义桥式吊车，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，它广泛的运用于现代厂房、安装工地和集装箱工地等需要大量货物调运的场所。另外，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。吊车的体积和容量因应用场合不同而异，但绝大多数场合都要求它们的运输速度应尽可能地快，这样会提高生产效率。然而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，这种摆动不仅可能损坏货物，而且容易

10、引发生产事故。过去，消除吊车摆动的方法大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，在一些特殊的工作场合，对吊车运行过程中的摆动有严格的生产要求。例如：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，将会造成金属液过早冷却，从而降低产品质量和生产效率，甚至会导致金属液溅到浇注口外，引发生产事故。在港口作业中，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，将会造成集装箱和船舱

11、或汽车相撞，从而导致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且无摆动。另外，随着全球合作经济的快速发展，吊车运用的场合不断扩大，货物调运量也越来越大，单纯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。为了提高吊车的工作效率，目前大多数吊车都安装了吊具防摆装置。防摆装置主要有机械式防摆和电子式防摆两种形式。机械式防摆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摆方式。这种方式不但耗费的时间长，而且消摆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。比较而言，电子式防摆是一种主动防摆方式，它能将防摆和小车的

12、运行控制结合起来考虑，不依赖于司机的操作经验。针对实际应用的需求，研究吊车、集装箱起重机等一类利用柔性绳索吊运重物时如何消摆的问题，不仅可以保证安全生产，而且会对提高货物调运效率，缩短工业产品的生产周期，提高产品质量带来客观的经济效益。第1章 TC0图1.1 施工现场的桥式吊车1.2 国内外研究现状目前在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：交叉钢丝绳减摇装置。这是日本三菱重丁公司研制的，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

13、角幅度可捡到10cm，不影响起升绳的试用寿命，当减摇钢丝绳万一发生折断时，物体也不至于掉下。但这种减摇装置正佳了一套减摇钢丝绳卷绕系统，同时吊运货物和不掉货物时减摇性能差异很大。分离小车减摇装置。这种装置的工作原理是，当小车行走时，前后凉组小车通过螺杆驱动机向两头分离，使起升钢丝绳成V字型，从而祈祷减摇效果。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，构造也比较复杂。翘班梁式减摇装置。它是由日本日立制作所研究的。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

14、，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。由于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，电子防摇急速越来越收到重视，国内外学者采用各种控制方法做了大量的研究。与国外学者在这个问题研究相比，国内学者在研究内容在深度上、规模上、还与国外学者有很大的差距。国内

15、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等人，针对桥式吊车，给出了系统的简化模型，根据此模型，射击流最优控制器，自适应控制器、模拟控制器、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。应用最优控制理论，提出了天车电动消摆和全程消摆等控制策略。并提出了基于时间最优的小车载荷摆动的两拍消摆策略。作者采用几点配置技术，以激愤二次型性能指标提出最优消摆策略，同时实现消摆、提高了运行速度两个目标。但这些研究都只局限于理论与软件仿真，而

16、没有进行实验验证。山东大学的楚军、陈志坚等人在此方面也进行了一定的研究，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规律，并对抓斗进行了防摆控制器研究。坐着提出了桥式吊车水平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。楚军等人提出的控制策略大多与李伟等人具有一致性，都是以最优秀的理论最为基础提出的，同样也只能做理论仿真而无实验验证。在吊车防摆控制的研究上，国外学者的控制方法多种多样，既有比较传统的经典理论控制、现代控制理论、最优控制理论、也有比较心的自适应控制理论、模糊控制、神经网络、非线性控制

17、、PID控制等方法。韩国学者的控制方法采用传统的控制理论与现代人工智能理论向结合设计吊车防摆与定位控制器。Lee采用根轨迹，频域法等常规分析方法，结合只能控制设计了吊车的防摆、定位控制器。Lee提出了一种基于Lyapunov稳定性的吊车防摆控制器。虽然在文献中，Lee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Yamada将模糊控制试用于吊车的防摆控制中，取得了教好的效果。Hans设计了模型参考只适应控制器，但参考模型的选择比较困难，当参考模型悬着不适合时，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，所以很多学者直接从非线性角度研究问题，取得了丰富

18、的研究成果。Burg等人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，使其变为典型的一棒系统模型，然后按照球棒系统进行非线性控制的设计。试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。由于国外学者的研究，国内学者大多采用最优控制、PID控制模糊控制等方法，并只有仿真效果，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禁，实验条件也比较好，采用的控制策略也很多，大多数学者在理论分析的研究上，进行了实验仿真实验。学术参考价值超高。1.3 本文研究主要内容针对国内外吊车防摆控制的

19、研究现状，建立了桥式吊车系统的动力学模型，研究了桥式吊车系统的水平定位与防摆控制技术，具体内容包括以下几个方面：（1）系统动力学模型的建立与简化根据理论力学的相关原理，应用拉格朗日方程对吊车系统进行分析，建立了桥式吊车运动系统的数学模型。同时，为了便于控制器的设计，对系统模型进行了线性化，推导出了系统的简化模型。（2）针对桥式吊车系统建立了吊车系统仿真实验模型针对桥式吊车系统的动力学模型，运用MATLAB/Simulink中的模块搭建了桥式吊车系统的仿真实验模型，并对其进行子系统封装。（3）桥式吊车防摆控制器的设计针对桥式吊车系统的特点，分别采用常规PID控制器、非线性PID控制器、设计了吊车

20、水平运动过程的定位控制器。（4）桥式吊车防摆控制器的仿真实验与结果分析。针对以上所采取的不同控制策略和算法，分别进行了仿真实验，并施加各种扰动以检验控制器的控制效果。在对各种实验现象和结果进行比较、分析的基础上，给出了桥式吊车防摆控制器的一些选择策略，以便更好的满足实际应用的要求。第2章 系统建模2.1 问题的提出桥式吊车利用绳索一类的柔性体代替刚体工作，以使得吊车的结构轻便，工作效率高。但是，采用柔性体吊运也带来一些负面影响，例如吊车负载重物的摆动问题一直是困扰提高吊车装运效率的一个难题。为研究吊车的防摆控制问题，需要对实际问题进行简化、抽象。吊车的“搬运行走定位”过程可抽象为如图2-1所示

21、的情况。图2.1 吊车系统的物理抽象模型图中，小车的质量为,受到水平方向的外力的作用，重物的质量为，绳索的长度为。对重物的快速吊运与定位问题可以抽象为：求小车在所受的外力的作用下，使得小车能在最短的时间由A点运动到B点，且，为系统允许的最大摆角。2.2 建模机理该问题为多刚体、多自由度、多约束的质点系动力学问题。由于牛顿经典力学主要是解决自由质点的动力学问题，对于自由质点系的动力学问题，是把物体系拆开成若干分离体，按反作用定律附加以约束反力，而后列写动力学方程。显然，对于桥式吊车运动系统的动力学问题应用牛顿力学来分析势必过于复杂。对于约束质点系统动力学问题来说，1788年拉格朗日发表的名著分析

22、力学一书中以质点系统为对象，应用虚位移与虚功原理，消除了系统中的约束力，得出了质点系平衡时主动力之间的关系。拉格朗日给出了解决具有完整约束的质点系动力学问题的具有普遍意义的方程，被后人称为拉格朗日方程，它是分析力学中的重要方程。2.3 系统模型的建立实际中的吊车系统比较复杂，除了元件的非线性外，还要受到多种干扰，如小车与导轨之间的干摩擦、风力的影响等。为了分析其本质，必须对实际吊车系统做进一步抽象和必要的简化处理，因此给出如下假设：（1）对于桥式吊车，由于吊车在进行装卸作业时，大车一般处于静止状态，故建立力学模型时，可不考虑大车运动。（2）钢丝绳的质量相对于吊物的质量可以忽略不计。（3）钢丝绳

23、的刚度足够大，其长度变化可以忽略不计。（4）负载只在垂直于水平面的平面内运动。（5）不计风力和空气阻尼。基于上面的假设，吊车系统的力学简化模型如图2.2所示。图2.2 桥式吊车的物理模型重物通过绳索与小车相连，小车在行走电机的水平拉力的作用下在水平轨道上运动，小车的质量为,重物的质量为，绳索的长度为，重物可以在提升电机的提升力的作用之下进行升降运动；绳索的弹性、质量、运动的阻尼系数均可忽略；小车与水平轨道的摩擦阻尼系数为，其他扰动可忽略。研究整个桥式吊车运动系统，选取小车位置为，绳长为，摆角为作为系统的广义坐标系，在此基础上对系统进行动力学分析。由图2.2所示的坐标系可知，小车的位置和重物的位

24、置坐标为： （2-1） 所以小车和重物的速度分量为： （2-2）系统的动能为： （2-3）此系统的拉格朗日方程组为： （2-4）综合以上公式得系统的方程组为： (2-5） 式中：小车的质量（）；重物的质量（）；重力加速度（）；小车与水平轨道的摩擦阻尼系数（）；小车受到水平方向的拉力()；绳子受到提升电机的拉力()。式（2-5）即为考虑绳长变化情况下的三维吊车运动系统的动力学模型。考虑到实际情况，在吊车水平运动过程中，总是将提升电机制动，使绳长保持不变，当定位完成且消除摆动时，再使提升电机起动，将重物放到指定位置。为此，可将吊车调运重物的过程分成水平运动过程和垂直运动过程，分别设计相应的控制器进

25、行控制。当吊车处于垂直运动过程时，只要提升电机具有良好的定位准确性就能够使重物准确的提升并放在指定位置。而吊车处于水平运动过程时，要求电机准确定位的同时，摆角要迅速衰减到零。可见吊车的水平运动过程是防摆控制研究的重点。有鉴于此，本文只研究吊车的水平运动过程和消摆控制。令式（2-5）中的，,并令，则可得到绳长不变时的桥式吊车运动系统的数学模型为： （2-6）对于式（2-7）的定摆长吊车系统，其中为小车的位置，为重物的摆角；是小车行走电机的水平拉力，为小车的质量，为重物的质量，为绳索的长度，绳索运动的阻尼、弹性和质量可忽略；小车与水平轨道的摩擦阻尼系数为，忽略其他扰动。取为系统的状态变量，为系统的

26、输出变量，令，则由式（2-6）可得： （2-7） （2-8）将式（2-7）代入式（2-8）可得： （2-9）经过整理可以得到： （2-10）从而可得系统的状态空间描述方程为： （2-11）第3章 方案论证3.1 系统方案的论证本设计是吊钩防摆控制器的设计，针对设计提出以下控制方法：（1）最优控制。模拟计算机对矿石卸载起重机的动力特性做了仿真。经过尝试和修正，他们提出了最优速度曲线，它能够使小车和吊绳的运动时间最短，同时能够避开途中的障碍物。但是，该方案不能控制载荷的摆动。吊杆式吊车的最优控制方法运用到桥式吊车，将桥式吊车模型在平衡点附近线性化，同时将它的运动过程分为上升运动、水平运动、下降运动

27、三个阶段，然后对每个过程设计最优控制律，仿真结果表明虽然可以保证终点无摆动，但是在上升、下降阶段有高达的摆角。基于线性二次型最优的水平运动过程的控制，仿真结果表明该方法可以使速度最优，摆角收敛，但是鲁棒性和干扰性没有保证。由于最优控制和输入整定技术都对模型名义值、初始条件及外部扰动非常敏感，要求“系统参数高度精确”以达到满意的系统响应，所以限制了他们的应用。（2）自适应控制。运用一个线性状态反馈器来抑制摆角，借助一个增益可调模块用极点配置的方法来调整增益适应绳长的变化。在一个模型上验证过，结果表明，位置有静差，在运动过程中摆角在左右，而且时变参数方案在小车定位的时候会出现状态不稳定。利用PI控

28、制器跟踪绳长变化，还增加了一个增益序列表，该表能改变摆角反馈控制器的增益。这些增益值是每个绳长的最佳阻尼值，是关于绳长的函数。实验表明该方案在低速运行时可以将摆角限制在内，定位无静差，能抗外界干扰。（3）PID控制。利用二阶先导补偿器来抑制载荷摆角。实验证明，尽管它能在绳-载荷装置的自然频率附近抑制摆角，但是在高频的时候会加大摆角。第一阶段使用线性控制器使载荷在目标位置能稳定。为了使载荷停住，小车分两个阶段减速。第一个减速阶段是反馈控制阶段的一部分。第二阶段用输入整定技术使负载到达目标位置。该控制器在实际吊车上运用，实验结果表明它能使摆角最小。PI和PD相结合的控制，PI用于位置控制，PD用来

29、抑制摆角，该方案在比例吊车模型上的实验结果表明可以得到较好的位置精度和较小的摆角，但是抗外部干扰的能力较弱。非线性PID控制器，该控制方案可以消除系统静差，缩短系统响应时间，抗干扰能力较强。结合所学知识和所查找的资料，PID控制符合本设计要求。PID控制原理简单，使用方便，适应性强，对模型依赖较少。3.2 总体方案设计本设了实现天车吊钩防摆。当吊钩吊取重物，在空中运动的过程中，会与垂直平面出现一个摆角。计的目的是为在运动直到到达终点的过程中，要使摆角逐渐的减小。到终点时，吊钩吊取重物不能摆动。经过查阅资料得知，本设计主要测量的是吊钩锁吊重量、平移速度以及吊绳长度，在将测量的信号送入单片机当中，

30、进行运算和控制。电源称重传感器 滤波电路单片机A/D转换电路变频器拉绳式位移传感器电机角度传感器外部设备键盘电路 图3.1 系统总体框图3.3 传感器的选型本设计因为要检测三个数据，所以用三个传感器分别测量。检测重量选择用称重传感器，称重传感器是用来将重量信号或压力信号转换成电信号的转换装置。检测吊绳长度选择用拉绳位移传感器，拉绳式位移传感器的功能是把机械运动转换成可以计量，记录或传送的电信号。测量吊钩摆动范围选择用角度传感器，角度传感器的原理是将角度变化量的测量变为电阻变化测量。电阻应变片是把一根电阻丝机械的分布在一块有机材料制成的基底上，即成为一片应变片。他的一个重要参数是灵敏系数K。灵敏

31、度系数K值的大小是由制作金属电阻丝材料的性质决定的一个常数，它和应变片的形状、尺寸大小无关，不同的材料的K值一般在1.73.6之间；其次K值是一个无因次量，即它没有量纲。在材料力学中L/L称作为应变，记作，用它来表示弹性往往显得太大，很不方便。常常把它的百万分之一作为单位，记作。弹性体是一个有特殊形状的结构件。它的功能有两个，首先是它承受称重传感器所受的外力，对外力产生反作用力，达到相对静平衡；其次，它要产生一个高品质的应变场（区），使粘贴在此区的电阻应变片比较理想的完成应变枣电信号的转换任务。检测电路的功能是把电阻应变片的电阻变化转变为电压输出。因为惠斯登电桥具有很多优点，如可以抑制温度变化

32、的影响，可以抑制侧向力干扰，可以比较方便的解决称重传感器的补偿问题等，所以惠斯登电桥在称重传感器中得到了广泛的应用。因为全桥式等臂电桥的灵敏度最高，各臂参数一致，各种干扰的影响容易相互抵销，所以称重传感器均采用全桥式等臂电桥。测量范围为011t；测量精度为0.02t；工作温度-20+70；非线性0.5%F.S；滞后0.5%F.S；重复性0.5%F.S图3.2 电阻应变式称重传感器拉绳位移传感器又称拉绳传感器、拉绳传感器、拉绳电子尺、拉绳编码器。拉绳位移传感器是直线位移传感器在结构上的精巧构成，充分结合了角度传感器和直线位移传感器的优点，成为一款安装尺寸小、结构紧凑、测量行程大、精度高的传感器，

33、行程从几百毫米至十几米不等。拉绳位移传感器的信号输出方式分为数字信号输出和模拟信号输出， 数字输出型可以选择增量旋转编码器、绝对值编码器等，输出信号为方波ABZ信号或格雷码信号，行程最大可以做到15000毫米，线性精度最大0.01%，分辨力根据配置不同最大可以达到0.001毫米/脉冲。测量长度可达18米(带限位开关）；恒力弹簧收绳最大拉力可达5公斤；直径1.5毫米软性多股不锈钢钢丝绳316L材料耐腐蚀、耐海水浸泡；选装绝对型多转编码器抗干扰，重复性高；特殊规格可按需定制；输出方式多种信号可选（SSI、模拟量4-20mA、RS484、Profibus-DP、CANopen、Modbus)；直接测

34、量长距离线性位移,测量长度可达18米；恒力弹簧收绳最大拉力可达5公斤；直径1.5毫米软性多股不锈钢钢丝绳316L材料耐腐蚀、耐海水浸泡；选装绝对型多转编码器抗干扰，重复性高。图3.3 拉绳式传感器 倾角传感器经常用于系统的水平测量，如工程车辆调平，和高空平台安全保护，定向卫星通讯天线的俯仰角测量，船舶航行姿态测量，盾构顶管应用，大坝检测，地质设备倾斜监测，火炮炮管初射角度测量，雷达车辆平台检测，卫星通讯车姿态检测。倾角传感器还可以用来测量相对于水平面的倾角变化量。一维倾角传感器可以用来测量相对于水平面的倾角变化量。理论基础就是牛顿第二定律，根据基本的物理原理，在一个系统内部，速度是无法测量的，

35、但却可以测量其加速度。如果初速度已知，就可以通过积分计算出线速度，进而可以计算出直线位移。所以它其实是运用惯性原理的一种加速度传感器。其特点是： 硅微机械传感器测量(MEMS)以水平面为参面的双轴倾角变化。输出角度以水准面为参考，基准面可被再次校准。数据方式输出，接口形式包括RS232、RS485和可定制等多种方式。抗外界电磁干扰能力强。 测量范围为5/15/30/45；精度0.05/0.1/0.3；响应时间0.2S；工作温度-40+85；储存温度-50+125图3.4 一维倾角传感器3.4 转换器的选型MAX197无需外接元器件就可独立完成A/D转换功能。它可分为内部采样模式和外部采样模式，

36、采样模式由控制寄存器的D5位决定。在内部采样控制模式(控制位置0)中，由写脉冲启动采样间隔，经过瞬间的采样间隔(芯片时钟为2MHz时，为3ms)，即开始A/D转换。当一次转换结束后，MAX197相应的INT引脚置低电平，通知处理器可以读取转换结果。MAX197是一种通用A/D芯片，可以和多种微机接口，在此选用AT89S51单片机作为主处理器。通过AT89S51的P0.0P0.7与MAX197的D0D7相连，既用于输入MAX197的初始化控制字，也用于读取转换结果数据。 用AT89S51单片机的P2.7作片选信号，则MAX197的高位地址为7FH。选择MAX197为软件设置低功耗工作方式，所以置

37、SHDN脚为高电平。本文采用外部基准电压，所以REFDJ接高电平，而REF则接外部输入参考电压。AT89S51单片机的P1.1脚用做判读高、低位数据的选择线，直接与HBEN脚相连。MAX197的INT脚可与AT89S51的INT0相连,以便实现中断，读取转换结果。图3.5 MAX197转换器DAC0832是8分辨率的D/A转换集成芯片。与微处理器完全兼容。这个DA芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。D/A转换器由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成。DAC0832结构： D0D7：8位数据输入线，TTL电平，有效时

38、间应大于90ns(否则锁存器的数据会出错)； ILE：数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效； CS：片选信号输入线（选通数据锁存器），低电平有效； WR1：数据锁存器写选通输入线，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效。由ILE、CS、WR1的逻辑组合产生LE1，当LE1为高电平时，数据锁存器状态随输入数据线变换，LE1的负跳变时将输入数据锁存； XFER：数据传输控制信号输入线，低电平有效，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效； WR2：DAC寄存器选通输入线，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效。由WR1、XFER的逻辑组合产生LE2，当LE2为高电平时，DAC寄存器的输出随寄存器的输入而变化，

39、LE2的负跳变时将数据锁存器的内容打入DAC寄存器并开始D/A转换。 IOUT1：电流输出端1，其值随DAC寄存器的内容线性变化； IOUT2：电流输出端2，其值与IOUT1值之和为一常数； Rfb：反馈信号输入线，改变Rfb端外接电阻值可调整转换满量程精度； Vcc：电源输入端，Vcc的范围为+5V+15V； VREF：基准电压输入线，VREF的范围为-10V+10V；DAC0832是微处理器兼容型D/A转换器，可以充分利用微处理器的控制能力实现对D/A转换的控制，故这种芯片有许多控制引脚，可以和微处理器的控制线相连，接受微处理的控制；有两级锁存控制功能，能够实现多通道D/A的同步转换输出；

40、内部无参考电压，须外接参考电压。图3.6 DNC0832引脚图3.5 单片机的选型AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4kBISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。图3.7 AT89S51 单片机AT89S51具有如下特点：40个引脚，4k Bytes Fla

41、sh片内程序存储器，128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。主要特征：8031CUP与MCS-51兼容，4K字节可变成FLASH存储器，三级程序存储器保密锁定，128*8内部RAM，32条可变成I/O线，两个16位定时器/计数器，6个中断电源，可编程串行通道，低功耗的闲置和掉电漠视，片内振荡器和时钟电路。3.6 变频器的选型变频器是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要由

42、整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，能实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转精度、改变功率因数、过流/过压/过载保护等功能。三菱变频器,L700内置了PLC功能,是一款非常经济型而又功能强大的变频器。L700变频器高水准的驱动性能，丰富的网络功能，简单高效、安全可靠的操作维护

43、，驱动带编码器的电机实现高精度控制（矢量控制），任意卷径自动推算速度增益自动调整转矩张力控制惯性补偿，标准附带独立的RS-485通信端子，参数单元（FR-PU07）数字键直接输入，缩短操作时间 电磁噪声降低，水准的驱动性能 丰富而实用的应用功能，友好的环境。图3.8 L700变频器第4章 硬件电路设计4.1 数据检测模块称重传感器主要由电阻应变片、弹性体、检测电路三部分组成。应变片是一种传感元件 , 它的作用是将变形转变成电阻变化;弹性体是一个有特殊形状的结构件,它的主要作用是将力转换为形变;检测电路的主要部件是惠斯登电桥,它可以比较方便地解决称重传感器的补偿问题,其功能是把电阻应变片的电阻变

44、化转变为相应的电信号输出。物料重量通过电子衡器的秤体或料斗作用于称重传感器 , 称重传感器的弹性体在外力作用下产生弹性变形 , 使粘贴在它表面的电阻应变片也随同产生变形 , 电阻应变片变形后 , 它的阻值将发生变化 (增大或减小) 。再经相应的检测电路 , 把这一电阻变化转换为电信号 (电压或电流) 输出 , 从而完成将外力变换为电信号的过程。图4.1 称重传感器检测电路拉绳式位移传感器的功能是把机械运动转换成可以计量，记录或传送的电信号。拉绳位移传感器由可拉伸的不锈钢绳绕在一个有螺纹的轮毂上，此轮毂与一个精密旋转感应器连接在一起，感应器可以是增量编码器，绝对(独立)编码器，混合或导电塑料旋转

45、电位计，同步器或解析器。操作上，拉绳式位移传感器安装在固定位置上，拉绳缚在移动物体上。拉绳直线运动和移动物体运动轴线对准。运动发生时，拉绳伸展和收缩。一个内部弹簧保证拉绳的张紧度不变。带螺纹的轮毂带动精密旋转感应器旋转，输出一个与拉绳移动距离成比例的电信号。测量输出信号可以得出运动物体的位移、方向或速率。图 4.2 绳长检测电路倾角传感器静止时也就是侧面和垂直方向没有加速度作用，那么作用在它上面的只有重力加速度。重力垂直轴与加速度传感器灵敏轴之间的夹角就是倾斜角了。理论基础就是牛顿第二定律，根据基本的物理原理，在一个系统内部，速度是无法测量的，但却可以测量其加速度。初速度已知，就可以通过积分计

46、算出线速度，进而可以计算出直线位移。它其实是运用惯性原理的一种加速度传感器。当倾角传感器静止时也就是侧面和垂直方向没有加速度作用，那么作用在它上面的只有重力加速度。重力垂直轴与加速度传感器灵敏轴之间的夹角就是倾斜角了。图4.3 角度检测电路可以调节输出频率，内置零位调整，可以根据要求定制零位调整按钮，从而实现在一定的角度置零的功能。这对于要测量相对倾角的场合非常有用。使用完毕后可以重新回归零位。倾角传感器在这种场合使用，只要将传感器固定在一定的平面，测量前使用零位按钮实现清零功能，传感器在此之后读出来的数据就是相对于该平面的相对倾角。倾角传感器把MCU，MEMS加速度计，模数转换电路，通讯单元

47、全都集成在一块非常小的电路板上面。可以直接输出角度等倾斜数据，让人们更方便的使用它。 4.2 滤波电路模块滤波电路主要是只传输指定频段信号,抑制其它频段信号的电路，滤波器分为无源滤波器与有源滤波器两种，有源滤波器: 一般由集成运放集成运放集成运放集成运放与RC网络网络网络网络构成，它具有体积小、性能稳定等优点，同时，由于集成运放的增益和输入阻抗都很高，输出阻抗很低，故有源滤波器还兼有放大与缓冲作用。有源滤波器的原理是自身实时产生一个与谐波方向相反,幅值相同的补偿电压(电流),这就要求滤波器产生的补偿电压(电流)必须具有很好的跟踪性和准确性。PWM(脉冲宽度调制)控制是有源电力滤波器控制系统中最

48、常用,也是最有效的控制方法。图4.4 滤波电路有源电力滤波器，是采用现代电力电子技术和基于高速DSP器件的数字信号处理技术制成的新型电力谐波治理专用设备。它由指令电流运算电路和补偿电流发生电路两个主要部分组成。指令电流运算电路实时监视线路中的电流，并将模拟电流信号转换为数字信号，送入高速数字信号处理器（DSP）对信号进行处理，将谐波与基波分离，并以脉宽调制（PWM）信号形式向补偿电流发生电路送出驱动脉冲，驱动IGBT或IPM功率模块，生成与电网谐波电流幅值相等、极性相反的补偿电流注入电网，对谐波电流进行补偿或抵消，主动消除电力谐波。4.3 转换电路在数据采集系统中，A/D转换的速度和精度又决定

49、了采集系统的速度和精度。MAX197是Maxim公司推出的具有12位测量精度的高速A/D转换芯片，只需单一电源供电，且转换时间很短(6us)，具有8路输入通道，还提供了标准的并行接口8位三态数据I/O口，可以和大部分单片机直接接口，使用十分方便MAX197无需外接元器件就可独立完成A/D转换功能。它可分为内部采样模式和外部采样模式，采样模式由控制寄存器的D5位决定。在内部采样控制模式(控制位置0)中，由写脉冲启动采样间隔，经过瞬间的采样间隔(芯片时钟为2MHz时，为3ms)，即开始A/D转换。在外部采样模式(D5=1)中，由两个写脉冲分别控制采样和A/D转换。在第一个写脉冲出现时，写入ACQM

50、OD为1，开始采样间隔。在第二个写脉冲出现时，写入控制字ACQMOD为0，MAX197停止采样，开始A/D转换。这两个写脉冲之间的时间间隔为一次采样时间。当一次转换结束后，MAX197相应的INT引脚置低电平，通知处理器可以读取转换结果。 图4.5 转换电路4.4 单片机最小系统单片机的最小系统是由组成单片机系统必需的一些元件构成的，除了单片机之外，还需要包括电源供电电路、时钟电路、复位电路。1） 时钟电路 单片机工作时，从取指令到译码再进行微操作，必须在时钟信号控制下才能有序地进行，时钟电路就是为单片机工作提供基本时钟的。单片机的时钟信号通常有两种产生方式：内部时钟方式和外部时钟方式。2）

51、复位电路 无论是在单片机刚开始接上电源时，还是运行过程中发生故障都需要复位。复位电路用于将单片机内部各电路的状态恢复到一个确定的初始值，并从这个状态开始工作。单片机的复位条件：必须使其RST引脚上持续出现两个（或以上）机器周期的高电平。单片机的复位形式：上电复位、按键复位。上电复位和按键复位电路。在单片机XTAL1和XTAL2引脚上跨接上一个晶振和两个稳频电容，可以与单片机片内的电路构成一个稳定的自激振荡器。晶振的取值范围一般为024MHz，常用的晶振频率有6MHz、12 MHz、11.0592 MHz、24 MHz等。一些新型的单片机还可以选择更高的频率。外接电容的作用是对振荡器进行频率微调

52、，使振荡信号频率与晶振频率一致，同时起到稳定频率的作用，一般选用2030pF的瓷片电容。图4.6 单片机最小系统4.5 变频器调速模块本设计主要是防摆设计，所以，控制电机转速的快慢是主要的一点。变频器可以控制电机转速，从而控制小车的快慢。变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，能实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转精度、改变功率因数、过流/过压/过载保护等功能。变频调速是通过改变电源频率调整电动机转速的连续平滑调速方法，主要用于同步电动机和鼠笼型异步电动机。系统线路中利用变频器改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速。图 4.7 变频器电路4.

53、6 键盘电路常用的键盘借口分为独立式按键借口和矩阵式键盘借口。本方案选用独立式借口，这种方式是各种按键相互独立，每个按键各接一根输入线，一根输入线上的按键工作状态不会影响其他输入线上的工作状态。因此，通过检测输入线的电平状态就可以很容易的判断哪个按键被按下了。软件设计低电平有效，直接与89S51单片机的I/O口线相连接，通过读I/O口，判定各I/O口的电平，即可识别出按下的按键。独立式按键电路配置灵活，软件简单。但每个按键需要占用一根输入线，在按键数量较多时，需要较多的输入口线且电路结构复杂，故此种键盘适用于按键较少或操作速度较高的场合。独立式按键电路按键直接与单片机的I/O口线相连，通过读I

54、/O口，判定各I/O口线相连接，通过读I/O口，判定各I/O口的电平状态，即可识别出按下的按键。 图4-7 键盘电路本设计主要研究吊钩水平运动能够和垂直运动，水平运动分为吊钩吊取重物后向左或者向右运动。垂直运动是吊钩吊取重物上升时或者到达指定地点，将重物放下的运动。所以只需要考虑吊钩上，下，左，右运动。按键数量很少，采用独立式按键。P1.2是确定键，P1.3P1.6是四个方向键，P1.7为返回键。4.7 电源电路模拟电子技术是计算机基础理论的一个重要组成部分，是计算机科学与技术系的重要学科基础课。模拟电子技术是一门研究对仿真信号进行处理的模拟电路的学科。它以半导体二极管、半导体三极管和场效应管

55、为关键电子器件，包括功率放大电路、运算放大电路、反馈放大电路、信号运算与处理电路、信号产生电路、电源稳压电路等研究方向。直流稳压电源能为负载提供稳定直流电源的电子装置。直流稳压电源的供电电源大都是交流电源，当交流供电电源的电压或负载电阻变化时，稳压器的直流输出电压都会保持稳定。 直流稳压电源随着电子设备向高精度、高稳定性和高可靠性的方向发展，对电子设备的供电电源提出了高的要求。图 4-8 电源电路第5章 软件设计5.1 系统流程图 本设计实现了天车吊钩防摆。当吊钩吊取重物，在空中运动的过程中，会与垂直平面出现一个摆角。计的目的是为在运动直到到达终点的过程中，要使摆角逐渐的减小。到终点时，吊钩吊

56、取重物不能摆动。开始初始化程序检测模块工作Y是否超出范围N控制模块工作控制量输出结 束图5.1 系统主程序5.2 检测控制流程图吊钩在吊取重物后运动的过程中，三个传感器分别在不同位子检测到三个不同的信号，经过滤波后通过A/D转换将信号送给单片机。然后单片机控制电机转速的快慢调节吊钩。开始吊取重物运动传感器2采集信号传感器3采集信号传感器1采集信号单片机接受信号变频器调速小车快慢N 左右限位Y结束图5.2 检测控制流程图5.3 变频器子程序本设计是天车吊钩防摆控制器的设计。在设计中，应用到变频器。变频器可以方便地控制机械传动的上升、下降和变速运行。变频应用可以大大地提高工艺的高效性变速不依赖于机

57、械部分，同时可以比原来的定速运行电机更加节能。开始单片机输出信号D/A转换变频器电机转速结束图5.3 变频器程序流程图5.4 报警程序本设计用到三种传感器，分别是称重传感器，位移传感器，角度传感器。当传感器检测的数据超出范围的时候，则会报警。保护了器件不被破坏。 开始是否超出范围Y报警程序初始化启动A/D转换器分析检测数值结束图5.4 检测程序流程图5.5 PID控制的设计输入r（t）比例积分输出u(t)微分结束PID（比例-积分-微分）控制器作为最早实用化的控制器己有50多年的历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID控制器简单易懂、使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为最广泛的控

58、制器。PID控制器系统流程图如图5.4所示：开始图5.5 典型PID控制结构图图5.6是一个一般系统的阶跃响应曲线，采用该曲线可以分析非线性PID控制器增益参数的构造思想。 图5.6一般的系统阶跃响应曲5.5.1 非线性PID设计非线性控制器的设计原理如下： （1）比例增益参数：在响应时间段，为保证系统有较快的响应速度，比例增益参数在初始时应较大，同时为了减小超调量，希望误差逐渐减小时，比例增益也随之减小；在段，为了增大反向控制作用，减小超调，期望逐渐增大；在段，为了使系统尽快回到稳定点，并不再产生大的惯性，期望逐渐减小；在段，期望逐渐增大，作用与段相同。显然，按上述变化规律，随误差变化的大致

59、形状如图3-12所示，根据该图可以构造如下非线性函数： （5-1）式中，为正实常数。当误差时，取最大值为；当时，取最小值；为的变化区间，调整的大小可以调整变化的速率。图5.7 的变化趋势曲线（2）积分增益参数：当误差信号较大时，希望积分增益不要太大，以防止响应产生振荡，有利于减小超调量；而当误差较小时，希望积分增益增大，以消除系统的稳态误差。根据积分增益的希望变化特性，积分增益参数的变化形状，其非线性函数可以表示为： （5-2）式中，为正实常数，的取值范围为，当时，取最大值。的取值决定了的变化快慢程度。（3）微分增益参数：在响应时间段，微分增益参数应由小逐增大，这样可以保证在不影响响应速度的前

60、提下，抑制超调的产生；在段，继续增大，从而增大反向控制作用，减小超调量。在时刻，减小微分增益参数,并在随后的段再次逐渐增大，抑制超调的产生。根据的变化要求，在构造的非线性函数时应考虑到误差变化速率的符号。按上述变化规律，根据该图可以构造如下非线性函数： （5-3）式中，为误差变化速率，为正实常数，为的最小值，为的最大值，当时，.非线性PID调节器的控制输出为： （5-4)由上述分析可知，如果非线性函数中的各项参数选择适当的话，就能够使控制系统既达到响应快，又无超调的现象。另外，由于非线性PID调节器中的增益参数能够随控制误差而变化，因而其抗干扰能力也较常规线性PID控制强。b.非线性PID控制重物的摆角曲线a.非线性PID控制小车位置曲线时