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1. 系统设计任务及技术指标 1.1 技术指标 1) 摆角稳定时间小于5 秒，摆动次数小于3 次 2) 吊车启动时最大摆角小于±10° 3) 吊车最大速度为0.5 米/秒 4) D/A 输出100mV 电机起动，D/A 输出5V 时对应电机最大速度 1.2 设计任务 1) 系统方案设计和主要元部件选择 2) 系统元部件测试 3) 建立系统数学模型 4) 系统设计静态设计、动态设计和仿真 5) 数字控制系统电路设计 6) 数字控制器软件设计 7) 闭环系统实验和调试 8) 编写课程设计及专业实验报告 北京航空航天大学学生设计用纸 第 7 页
2. 系统的组成和工作原理 2.1系统的组成 数字桥式吊车系统的结构如图 1所示。 图 1 系统结构图 吊车系统的整套机械部件安装在一块底板上。底板上固定着导轨、皮带轮、电机、测速机、车位置反馈电位计，底板开槽，使吊摆垂下去。吊车轨道的有效长度约为0.7 米，吊车组件包围在轨道外，四个车轮在导轨上方运动，吊车板下面连着小车板支架和角位置电位计支架，两支架之间安装吊摆，在角位置电位计支架上装有测量吊摆角度的单圈电位计。 计算机作为数字控制器实现对系统的实时控制，同时也为操作者提供人－机界面，完成对系统的监督管理功能，如实时画图、采集数据等。A/D D/A 接口板插在计算机内，完成模数、数模转换。小功率随动系统用于电压和功率放大。电机、测速机是系统的执行元件和速度反馈元件，电位计1 和2 分别是车位置反馈元件和摆角度反馈元件。 北京航空航天大学学生设计用纸 第 8 页
计算机、A/D、D/A 板，小功率随动系统、电机、测速机、桥式吊车装置通 过机械或电气手段连接成一个整体。其中电气连接通过控制盒实现。 2.2 工作原理 数字桥式吊车系统的控制系统框图如图 2所示。 图 2 控制系统框图 吊车（下装吊摆）在电机拖动下沿固定的直线导轨进行运动，相应地，产生了吊车直线位移和吊摆的转角。线位移由与皮带轮同轴安装的多圈电位计测得，角位移由安装在吊摆上的单圈电位计测得，吊车的运动速度由与电机同轴相连的测速机测得，这三个物理量经过A/D 转换送入计算机，经过内部的实施控制程序运算产生控制指令，该指令经D/A 变换送入小功率随动系统，经过功率放大再送出给电机，产生相应的控制作用，从而实现对吊车线位移和吊摆角位移的控制。图中的并联校正、串联校正和功率放大均由小功率随动系统实现。 北京航空航天大学学生设计用纸 第 9 页
3.计算机控制系统设计与实现 3.1计算机控制系统的设计方案 3.1.1硬件设计方案 图 3吊车控制系统电路图 系统硬件设计如图 3所示，计算机DA信号通过三级运放进行功率放大，将电压加到电动机上，同时测速机电机的转速，多圈电位计测量吊车位置，单圈电位计测量吊摆的摆角，将以上各量经过AD传入计算机进行软件反馈，同时将测速机的电压进行硬件反馈。 3.1.2软件设计方案 基本要求： ? 用硬件定时器实现，采样周期20 毫秒 ? 能够实时显示X,X',?,R曲线 ? 基本数据可以记录 ? 可以修改控制参数 ? 实时动画显示（选做） 北京航空航天大学学生设计用纸 第 10 页
为了达到以上软件设计要求，我采用Borland C 进行编程。利用8253定时器精确定时，每20ms进入一次中断。进入中断服务程序后通过AD采集测速机电机的转速、多圈电位计测量吊车位置、单圈电位计测量吊摆的摆角对应电压，按照控制率进行计算，最后输出控制电压。主程序根据AD所采集回的电压实时进行画图操作和小车动画显示。 3.2实时控制软件框图 图 4控制软件主程序结构图