一种悬挂运动控制系统的近似插补算法研究

合集下载

列车主动悬挂预测控制算法研究

结果表明：设计的预测控制器能够优化高速列车在运行时的振动主动控制性能，改善列车的乘坐舒适性。
关键词：振动与波；轨道干扰激励；主动悬挂；正交基函数；状态空间模型；预测控制器
中文分类号：U270.1+.6；TP273
文献标识码：A
DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.01.005
Keywords : vibration and wave; track interference incentive; active suspension; orthogonal base functions; state space model; predictive controller
随着列车速度不断提升，导致振动量也随之增加 [1, 2]。这不仅影响了乘客乘坐舒适性，也会对列车上使用的一些精密仪器设备性能产生较大的影响。悬挂系统的减振性能是保证列车的舒适性、安全性和运行平稳性的重要指标，因此，人们对其提出了更高的要求。被动、半主动和（全）主动等三种悬挂方式，是当前铁道车辆采用的主要悬挂形式。被动悬挂系统只是按照人们一些相关经验和简单的优化方法进行参数设定，对外界环境变化适应性能较差，不
第 36 卷第 1 期 2016 年 2 月
噪声与振动控制 NOISE AND VIBRATION CONTROL
文章编号：1006-1355(2016)01-0021-05
列车主动悬挂预测控制算法研究
Vol 36 No.1 Feb. 2016
曹青松，王明翔，陶晶
（华东交通大学机电工程学院，南昌 330013 ）
摘要：为有效抑制列车车体的振动，针对列车在运行时受到的不确定轨道干扰激励等影响因素，开展一种基于标

悬挂运动控制系统的设计

目录摘要与关键字------------------------------------------------------------------------------------4 第一章设计任务及要求----------------------------------------------------------------------51.1设计任务--------------------------------------------------------------------------------51.2技术要求--------------------------------------------------------------------------------61.2.1基本要求- ----------------------------------------------------------------------------61.2.2发挥部分----------------------------------------------------------------------------6 第二章模块方案比较与论证--------------------------------------------------------------- 72.1 电动机驱动调速模块------------------------------------------------------------- 72.2 控制器模块----------------------------------------------------------------------------82.3 滑块位移检测模块-------------------------------------------------------------------92.4 纸面线段寻迹模块------------------------------------------------------------------9 第三章系统硬件设计与实现---------------------------------------------------------------103.1 系统硬件结构总体设计-----------------------------------------------------------103.2系统主要单元模块的设计与实现------------------------------------------------103.2.1 机械部分的设计-----------------------------------------------------------103.2.2智能控制部分的设计----------------------------- ------------------------11 第四章系统软件设计------------------------------------------------------------------------154.1 运动机构数学模型的建立--------------------------------------------------------154.2 控制系统程序的设计与实现-----------------------------------------------------164.2.1 控制程序总体设计--------------------------------------------------------16 第五章系统测试------------------------------------------------------------------------------185.1测试仪器------------------------------------------------------------------------------185.2指标测试------------------------------------------------------------------------------185.2.1自行设定运动测试----------------------------------------------------------------185.2.2圆周运动测试----------------------------------------------------------------------185.2.3键盘输入坐标点并运动到该点的测试----------------------------------------18第六章总结-----------------------------------------------------------------19参考文献----------------------------------------------------------------------------------------20致谢----------------------------------------------------------------------------------------------21附录----------------------------------------------------------------------------------------------22摘要本系统的控制部分采用两块单片机实现（AT89C55和AT89C52），主单片机用于控制信号输入和电机驱动，从单片机用于信号检测和运动滑块坐标的实时显示。

悬挂运动控制系统中软件算法设计与综合调试

（Ｅ）ＤＣ
系统中驱动装置采用步进电机，由于步距角是一定的，转速与单位时间所给脉冲数是成正比的，在转动时线距离可以很容易计算出来，停止时也不存在惯性，易控制，应用于控制精度要求较高的场合。在寻迹检测方面，系统采用反射式光耦。遇见黑色物体，发射管发射的光线被黑色物体吸收，接收管截止不导通，出一种输电平信号；遇见白色物体或浅色物体，由于物体反光，使光耦接收管导通，输出另外一种电平信号；单片机可以根据光耦输出信号的不同，判断轨迹位置，控制画笔的运动。画笔采用自动控制的方式，在程序中控制它的抬起与落下。用一个三极管驱动一个电磁铁作为画笔的主控元件；当执行画线命令时，以高电平触发三极管使电磁铁吸合，画笔落下；当画线命令取消时，以低电平触发三极管使电磁铁断电，画笔弹起。并且在画笔旁安了一个发光二极管，当画笔划线时，二极管点亮，不划线时熄灭，通过二极管实时显示画笔的状态。为了避免电磁铁对单片机干扰，采用光电隔离措施。显示电路采用字符型液晶ＡＣ６２液晶显示屏具有轻薄短小、Ｍ１０Ａ。低压微功耗、体积小、无辐射危险，平面直角显示及影像稳定不闪烁等优点，可视面积大，画面效果好，分辨率高，抗干扰能力强等特点。它足专门用于显示英文、数字、符号等点阵型液晶显示模块。Ｉ电路简单，接：１不需要扩展外围电路。一片７Ｌ２３Ｐ４Ｓ７将０口分时复用作为液晶的数据输入，用Ｐ１０．Ｐ．作为控制线。１２

悬挂运动控制系统设计报告

悬挂运动控制系统设计王奇彪梁美谭延龄摘要：本系统采用STC89C52单片机作为悬挂控制系统的检测和控制核心，实现通过人机界面对物体所作运动进行设定，通过LCD 实时显示此时画笔所在的坐标值；系统具有可画出相应的运动轨迹，可自动跟踪曲线运动，和画圆运动等功能。

运动参数的设定通过红外遥控输入。

系统通过比较当前画笔所在位置与设定的位置的差异以及运动类型，控制步进电机完成相应运动；曲线跟踪采用红外对射式传感器来实现。

关键词： STC89C52单片机 LCD 红外遥控红外传感器一、方案论证根据题目要求，系统由图（1）中模块组成：图（1）（1）、控制模块的设计方案论证与选择方案一：采用FPGA （现场可编辑门列阵）作为系统控制器。

FPGA 可以实现各种复杂的逻辑功能、规模大、集成度高、体积小、稳定性好，并且可利用EDA 软件进行仿真和调试。

FPGA 采用并行工作方式，提高了系统的处理速度，常用于大规模实时性要求比较高的系统。

在本设计中FPGA 的高速处理能力得不到充分发挥。

方案二：采用SPCE061A 单片机来实现，次单片机内置8路10位ADC 和2路DAC ，避免了外接A/D 转换芯片和D/A 转换芯片，并且I/O 接口比较多，易于扩展外围电路，开发板集成了语音播报的硬件，通过软件编程即可以用于语音采集和播报，集成开发环境中配有很多语音API 函数，实现语音播放比较简单，另外方便的是该芯片内置在线仿真、编程接口，可以方便实现在线调试，这大大简化了系统的开发和调试的复杂度。

方案三：采用C8051F020作为系统控制器器。

次单片机运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制。

由于其功耗低、体积小、技术成熟等优点，各个领域应用广泛。

在本系统中使用芯片引脚少，没有使用模数转换芯片，在硬件上很容易实现。

因此，在本设计中采用C8051F020处理输入的数据并控制电机运动。

（2）、曲线跟踪模块的设计方案论证与选择方案一：通过开关型霍尔传感器来实现，但是由于该方法只能跟踪磁性物质组成的曲线，成本高、安装起来比较麻烦，而且容易受环境中磁性物质的干扰，控制模块曲线跟踪模块电源模块键盘输入模块显示模块电机驱动模块抗干扰性能不好。

悬挂运动控制系统的设计

悬挂控制运动系统

竞赛设计报告竞赛课题：悬挂运动控制系统学生姓名：罗建龙、熊尚德、唐远钢指导老师：彭勇、罗胜华二〇一一年七月六日摘要本设计为悬挂运动控制系统。

悬挂运动控制系统能够用两个电机来实现控制一个点做轨迹运动。

系统通过按键设定运动点的坐标参数，能在规定的时间之内画出自行设定的运动轨迹，也可以实现画出圆形轨迹的要求。

其系统是由单片机STC89C52来核心控制的，通过单片机的强大的逻辑计算能力实现电机的转速控制，以达到运动点的正常轨迹，利用单片机的端口资源优势实现按键控制和显示输出，可以达到很好的人机交流，，显示输出还可以看出题目要求的时间，更好的可以检测系统的优越性。

关键字：悬挂运动；步进电机；单片机目录1 系统方案的选择与论证 (4)1.1 基本要求： (4)1.2 发挥部分 (4)1.3 控制器器模块 (4)1.4 电源选择 (5)1.5 驱动芯片的选取 (5)1.6 电机的选取 (6)1.7 显示模块的选取 (6)2 系统框图和单元电路设计 (7)2.1 按键控制 (7)2.2 L298N驱动 (8)2.3 显示模块 (9)3理论分析与计算 (10)4 程序流程图 (12)4.1 主程序流程框图 (12)5 调试 (13)5.1 按键调试 (13)5.2 定点运动测试 (13)6 总结 (15)7 参考文献 (16)附录一 (17)电路原理图： (17)附录二 (18)主程序： (18)1系统方案的选择与论证1.1 基本要求：（1）控制系统能够通过键盘或其他方式任意设定坐标点参数；（2）控制物体在80cm×100cm的范围内作自行设定的运动，运动轨迹长度不小于100cm，物体在运动时能够在板上画出运动轨迹，限300秒内完成；（3）控制物体作圆心可任意设定、直径为50cm的圆周运动，限300秒内完成；（4）物体从左下角坐标原点出发，在150秒内到达设定的一个坐标点(两点间直线距离不小于40cm)。

步进模式数控系统插补算法的研究及实现

第８期
２０１３年８月
机械设计与制造
ＭａｃｈｉｎｅｒｙＤｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ１９３
步进模式数控系统插补算法的研究及实现
马西沛，一，曹胜彬．一，贾会欣，王士涛
（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｉｒｎｇ，ＳｈａｎｇｈａｉＤｉａｎｊｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２００２４０，Ｃｈｉｎａ；２．ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ
Ｓｈａｎｇｈａｉ２００２３３，Ｃｈｉｎａ；４．ＳｈａｎｇｈａｉＳｕｎｔｒｉｘＣｏｍｐａｎｙＬｔｄ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０４３０６，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＡｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｓｏｆｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌＮＣｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎｓｉｎｇｌｅｃｈｉｐｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒｃｏｎｔｒｏｌ，ｉｔｐｕｔｓｆｏｒｗａｒｄａｎｅｗｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｏｎｉａｌｇｏｒｉｔｈｍｆｏｒｔｈｅｓｔｅｐｐｅｒｍｏｄｅｌＮＣｓｙｓｔｅｍ．Ｉｎｔｅｒｐｏｌｔａｏｎｉｌａｇｏｒｉｔｈｍｉｓｄｉｖｉｄｅｄｉｎｔｏｄｔａａｐｒｅ－ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ｉｎｔｅｒｐｏｌｔｉａｏｎｏｐｅｒｔｉａｏｎｏｎＤＳＰ，ｄｔａａｄｏｗｎｌｏｄ，ｒａｅａｌｉｚｔｉａｏｎｆｍｏｏｖｅｍｅｎｔｏｎＳＣＭ，ｅｔｃ．Ｔｈｅｎｅｗｉｎｔｅｐｏｒｌａｔｏｉｎａｌｏｒｇｉｔｈｍｓｉａｎａｌｙｚｅｄｎｄａｖａｌｉｄｔｅａｄｂｙｍｕｌｔｉ－ＣＰＵｍｏｔｏｎｉｃｏｎｔｒｏｌｃｒａｄａｎｄｃｏｍｐｕｔｅｒ￥ｏｊ￣ｗｒａｅ．Ｔｈｅｎｅｗｓｙｓｔｅｍｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｓｏｌｖｅｓｔｈｅ

基于单片机的悬挂运动控制系统毕业设计(论文)

毕业设计论文基于单片机的悬挂运动控制系统毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：日期：指导教师签名：日期：使用授权说明本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：日期：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。

本人授权大学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。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日注意事项1.设计（论文）的内容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300字左右）、关键词4）外文摘要、关键词5）目次页（附件不统一编入）6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论7）参考文献8）致谢9）附录（对论文支持必要时）2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。

1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。

和各标定点载荷量,对钢丝绳施加标定力,把检测器夹持于钢丝绳上,稳定后记录显示器读数.由小到大逐级递增标定力的值直到最大值.在完成1次加载过程后,调准传感器的平衡点(零点),进行卸载标定.将上述标定测试过程循环进行3次,从而取得3组标定原始数据供分析计算.经过对传感器进行加载和卸载2次逆续标定后,利用Matlab多项式拟和功能[5]对试验数据进行分析处理,得出实际所测的电压值与所需测量的张力值之间的关系:F=-0.021+0.067U,最后把张力值后送入LED进行显示.为了确保采集数据的准确,系统采用了数据冗余技术,这样可以有效防止因钢丝绳的抖动而造成的测量误差.5　结束语从硬件、软件两方面对细钢丝绳在线检测装置进行了设计,并采取了一系列抗干扰措施来保证测量精度.现场试验结果表明,该检测装置检测功能强,工作稳定可靠.

参考文献:

[1]　周绪祥.钢丝绳传统诊断方法的缺陷及科学方法介绍[J].鄂钢科技,2001,(3):14-15.[2]　强锡富.传感器[M].北京:机械工业出版社,2001.[3]　童诗白,华成英.模拟电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,2001.

[4]　周立功.LPC900系列Flash单片机应用技术(上册)[M].北京:北京航空航天大学出版社,2003.[5]　张志涌.精通Matlab6.5[M].北京:北京航空航天大学出版社,2003.

作者简介:李　瑞　(1984-),女,山西临汾人,硕士研究生,

研究方向为机电一体化;何永庆　(1953-),男,重庆人,工程师,研究方向为机电一体化.

一种悬挂运动控制系统的近似插补算法研究叶敦范,刘金全,欧阳才校(中国地质大学(武汉)机械与电子信息学院,湖北武汉430074)

ResearchontheInterpolationAlgorithmofOneControlSystemofSuspendedMovementYEDun2fan,LIUJin2quan,OUYANGCai2xiao(FacultyofMechanicalandElectronicInformation,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,China)

摘要:阐述了一种新的悬挂运动控制系统运动轨迹控制算法,通过悬挂系统的椭圆和双曲线轨迹来分别近似模拟二维平台在X,Y轴上的直线步进,

使悬挂系统也能像二维运动平台那样很好的实现对运动轨迹的控制,并通过Matlab仿真验证了其具有很好的控制效果.

关键词:悬挂系统;Matlab仿真;直线插补算法中图分类号:TP273

文献标识码:A

文章编号:100122257(2009)0320031203

收稿日期:2008210223

Abstract:Thispaperpresentsanewpathtrackcontrolalgorithmofsuspendedmovementcontrol.

Byseparatelysimulatinglinearstepof2DplatformonXandYaxisusingellipseandhyperbolatrackofsuspendedsystem,itcancontrolthemovementtrackaswellasthe2Dplatformdoes.SimulationonMatlabprovesthissystemhasexcellentlycon2troleffect.Keywords:suspendedsystem;Matlabsimula2tion;linearinterpolationalgorithm

0　引言目前悬挂运动控制系统在国内外许多行业中都有着广泛的应用,随着社会的发展,工业生产越来越要求自动化、省人力、效率高,人们对悬挂运动控制

・13・1机械与电子22009(3

)系统提出了更多更高的要求.悬挂运动控制系统的设计分为硬件设计和软件设计.其中,软件方面应解决的主要问题是控制器如何来控制电机的转动.通过控制器发出驱动脉冲,让2个电机转动改变两段吊绳的长度,从而使吊绳上悬挂的物体按一定的轨迹运动,这在当前具有很强的现实意义和经济价值.由于悬挂系统不能像一般的二维运动平台那样在X,Y轴上做直线运动,故不能用一般的插补算法.目前悬挂系统中,一般使用的按绳长变化量比例分配电机脉冲的算法,可以很好地实现定点运动,但很难对运动轨迹进行任意控制[1].1　悬挂系统模型以2005年全国大学生电子设计大赛E题为例,如图1所示.图1　坐标计算示意a,b分别为当前左右绳长,x,y为当前坐标,由图得到其当前坐标计算公式:a2-(x+15)2=b2-(95-x)2(115-y)2+(x+15)2=a2计算得:x=40+(a2-b2)/220(1)y=115-a2-(x+15)2(2)由于初始绳长和电机每走一步绳长的变化量都是已知的,因此任意时刻的绳长可经简单计算得到,由此可计算得出任意时刻的坐标.2　模拟X,Y轴直线步进的原理在介绍近似插补算法前,先介绍一下悬挂系统模拟X,Y轴直线步进的原理.这里将电机1、电机2的绳子伸长方向称为正转方向,缩短方向称为反转方向.当电机1、电机2都正转1步时,坐标点将向下走1步,其轨迹沿着一条经过该点以两滑轮中心为焦点向下的双曲线;当电机1、电机2都反转1步时,坐标点将向上走1步,其轨迹也沿着一条经过该点以两滑轮中心为焦点的双曲线;当电机1正转1

步,电机2反转1步时,坐标点将向右走1步,其轨迹沿着一条经过该点以两滑轮中心为焦点的椭圆下半圆;当电机1反转1步,电机2正转1步时,坐标点将向左走1步,其轨迹也为一条经过该点以两滑轮中心为焦点的椭圆下半圆.其轨迹仿真如图2所示(从该点上下左右各走200步)

图2　(0,0)处的步进轨迹可见在整个悬挂物体工作坐标范围(x∶0～80,y∶0～100)内,悬挂系统的椭圆和双曲线步进可分别近似模拟X,Y轴上的直线步进.

假定电机每走一步绳长变化量为1,由此可分别定义上下左右4个步进子函数:up(),down(),

right(),left(),其中,up(),电机1、电机2都反转1步,a=a-1,b=b-1;down(),电机1、电机2都正转1步,a=a+1,b=b+1;right(),电机1正转1

步,电机2反转1步,a=a+1,b=b-1;left(),电机1反转1步,电机2正转1步,a=a-1,b=b+1.4个步进子函数中除了要给定电机步进脉冲和绳长计算外,还要利用式(1)和式(2)计算当前坐标,这样每走一步当前坐标都是已知的.

3　直线运动算法很显然在这里不能用一般的直线插补算法,因为当直线斜率大于经过该点的以两滑轮中心为焦点的双曲线渐近线斜率时,就会出现轨迹不是直线而是双曲线的现象,因为这时直线运动已是单纯的向上或向下运动,其轨迹只能是双曲线.同理当直线斜率很小时也会出现轨迹不是直线而是椭圆弧轨迹.

・23・1机械与电子22009(3

)针对这种情况,采用一种新的坐标逐点比较算法,其算法流程如图3所示.

图3　直线算法流程x0,y0为起点坐标;x1,y1为终点坐标;k为直线斜率;x,y为当前坐标;yy为以当前点x坐标对应的直线上y坐标;xx为以当前点y坐标对应的直线上x坐标;A为一阈值,为保证程序在当前点与坐标点足够接近后跳出,A要大于电机每走一步的绳长变化量;up(),down(),right(),left()为步进子函数.其中重要的一点是,根据直线斜绝对值是否大于1将直线分为2类,采用不同的算法,这样就有效地解决了上述直线斜率过大过小的问题.

利用Matlab对上述算法进行仿真[2],直线插补

原理仿真和所画不同点的近似插补算法直线轨迹如图4、图5所示,这里数据单位为cm,单步绳长变化量为0.01cm,阈值A为0.03cm.

由图4、图5可知,虽然单步运动轨迹为近似椭圆或双曲线的折线,但宏观上看已十分接近直线,故完全可看作是直线运动.

图4　直线近似插补原理的仿真

图5　近似插补算法直线轨迹4　圆弧运动算法有了直线运动算法做基础,圆和弧的运动就会很简单,因为圆或弧运动可以看成是小段直线的运动合成[3].由公式:

x=xo+R×cos(n)y=yo+R×sin(n)很容易将圆拆分成小段直线,其中xo,yo为圆心坐标,R为半径.

弧的运动只要将起点终点坐标转换为弧度或角度范围就行了[4].

5　结束语在分析悬挂系统椭圆和双曲线轨迹的基础上,

提出了坐标逐点比较算法,使悬挂系统能作任意的直线或圆弧轨迹运动.与一般的算法思路相比,它能更好地实现对悬挂系统运动轨迹的控制.

参考文献:

[1]　于海生,潘松峰,于培仁,吴贺荣.微型计算机控制技术[M].北京:清华大学出版社,2004.[2]　郑阿奇,曹　弋,赵　阳.Matlab实用教程[M].北京:电子工业出版社,2004.

[3]　陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京:机械工业出版社,2004.

[4]　张　勇.电机拖动及控制[M].北京:机械工业出版社,2003.

作者简介:叶敦范　(1956-),女,湖北武汉人,教授,硕士研

究生导师,研究方向为机电一体化.

・33・1机械与电子22009(3

)