桥式吊车专业实验任务书终稿

1、北 京 航 空 航 天 大 学专 业 实 验 报 告专业名称 自动化 专业方向 飞行控制系统 班 级 学生姓名 吴崇珂 指导教师 袁少强 2014年 10月 11 日目 录1系统设计任务及技术指标32系统的组成和工作原理42.1 系统的组成42.2 工作原理53计算机控制系统的设计与实现53.1 计算机控制系统的设计方案（硬件、软件）53.2 实时控制软件框图63.3 数据采集（吴崇珂负责）、数据处理（赵友铖负责）与模拟量输出（赵子豪负责）73.4 采样周期的实现（赵子豪负责）123.5 界面设计与实现（张娱负责）133.6 动画的设计与实现（李昆鹏负责）194系统的组装及调试194.1 吊摆

2、实现电路244.2 反馈极性判别244.3 系统调试25系统性能分析与结论255收获和体会261系统设计任务及技术指标专业实验任务书题目：数控式桥式吊车控制系统一 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103 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5 v时对应电机最大速度二 实验任务1 桥式吊车实验系统方案和主要部选择2 桥式吊车系统元部件测试与建模3 数字控制器硬件实现4 数字控制器软件实现5 闭环系统的组成和实验调试6 实验结果分析7 编写专业实验报告2系统的组成和工作原理2.1 系统的组成图 1 数字式桥式吊车系统

3、的结构原理数字式桥式吊车系统的结构原理如图所示，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的放大。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。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

4、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、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 图 2 Digital Crane数字式桥式吊车控制系统框图吊车（下装吊摆）在电机的拖动下沿固定的直线导轨进行运动，相应地，产生了吊车的直线位移和吊摆的转角。线速度、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轴上的单圈电位计测得，这三个物理量通过A/D转换送入计算机，经过机内的实时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，经过功率放大再输出给电

5、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。3计算机控制系统的设计与实现3.1 计算机控制系统的设计方案（硬件、软件）硬件部分：软件部分：编程环境为TC.定时器初始化.开机动画.A/D转换，数字量处理.吊车运动状态实时显示.D/A转换3.2 实时控制软件框图3.3 数据采集（吴崇珂负责）、数据处理（赵友铖负责）与模拟量输出（赵子豪负责）首先是A/D函数的调用，具体内容：使计数器8253工作在方式4；给A/D转换器发送转换的通道；延时25微秒；启动A/D转换；延时25微秒；读取高四位和低八位；合成12位浮点数；返回；程序如下：float adc(int n) int adh=

6、0,adl=0,adint=0; int i=0; float ad=0; outportb(0x31b,0x18); /* 8253工作与方式4 */ outportb(0x310,n); /* 发送通道号（0-15） */ for(i=0;i5000;i+); /* 延时25us */ outportb(0x311,0x0); /* 启动A/D转换 */ for(i=0;i=0.9) ek=0.9; else if(ek=0.005)&(ek100)&(r+0.1sk*10/1.1249)&(r-0.1=-0.02)&(ek100)&(r+0.1sk*10/1.1249)&(r-0.1sk

7、*10/1.1249) ek=-0.02; dac(ek); ek=-5*ek; outportb(0x20,0x20); sk=100*sk; /* cm */ vk=100*vk; /* cm/s */ ok=180*ok/3.14; /* sk=sk*10/(1.1249); m */ if (k500) enable();void dac(float x1) unsigned int lo=0,hi=0,newhi=0,newlo=0,x; x=(x1+1)/2*0xfff0; /* 转换为16进制偏移码 */ lo=x%256;hi=(x-lo)/256; /* 分为高8位和低8位

8、*/ newhi=hi%16*16+(int)hi/16; /* 高4位和低4位互换 */ outportb(0x316,newhi); /* 写入高8位 */ newlo=lo%16*16+(int)lo/16; /* 高4位和低4位互换 */ outportb(0x317,newlo); /* 写入低8位 */ inportb(0x317); /* 启动D/A转换 */正如上面所说，A/D通道0为小车位置通道；A/D通道1为小车速度通道；A/D通道2为小车摆角通道；一开始对小车这三个参数的初值进行了读取，然后每过一个采样周期，读取一组新的值。因为参数读取有延迟，所以要读取两次以上，才能读取

9、到正确的参数值。读取到参数值之后，与初值算出相对的差。因为测速抖动较大，所以采用了均值滤波，改善了抖动。取到相对值之后，经过通过由最优算法的控制律得到e(k).因为要满足最大电压5v，启动电压100mv,所以对e(k)进行了饱和特性处理，符合了设计的要求。然后是D/A函数的调用，具体内容：先将输入的数字信号转换成十六进制偏移码；由于使用DAC1213芯片，分别为D/A1和D/A2，I/O接口是8位的，因此必须写入两次才能完成12位数据的传递，同时由于实验设备的特殊，需要将这八位中的高低四位互换后再写入，最后通过起动信号使D/A转换开始；3.4 采样周期的实现（赵子豪负责）使用的是8253，并使

10、其工作在方式3，通道2选通，先读低字节后读高字节，二进制计数的方式构成计数器；同时采样周期的实现需要用到中断向量，在每一次关中断时给8253写入控制字，然后再开中断。程序：void init_int() oldint=getvect(0xb); /* 获得旧的中断向量*/ setvect(0xb,newint); /* 建立新的中断向量*/ disable(); /* 关闭中断 */ outportb(0x31b,0xb6); /* 初始化编程，写入控制字,定时时间25ms */ outportb(0x31a,0x40); /* 低位 80 */ outportb(0x31a,0x9c); /

11、* 高位 195 */ outportb(0x21,inportb(0x21)&0xf7); enable(); /* 开中断 */3.5 界面设计与实现（张娱负责）界面设计主要实现功能：(1)在界面上可以输入小车的期望位置，实现对小车任意位置的控制，可以比较在不同位置时控制系统的性能(2)界面上实时显示小车的位置，速度和摆角变化曲线. 在曲线幅值标注的过程中，根据技术指标，分别在在小车速度达到0.5m/s和摆角达到10处绘制出最大速度标准和最大摆角限制，由此根据曲线能清晰地看出小车的运动过程是否达到了技术指标，方便了调试过程。.主要调用了setcolor：设定当前颜色；settextstyl

12、e：图形屏幕文字显示风格setlinestyle：设置线型outtextxy：图形屏幕文字的显示等主要绘图函数实现了界面的设计。程序：void init_background() /* 图形背景初始化 */ int i=0,j=0; /* 显示系统参数 setcolor(WHITE);*/ /*for(i=0;i7;i+) sprintf(buf,k%d=%f,i+1,_ki); outtextxy(X4,Y4+i*D,buf); */ /* 绘制坐标网格*/ /* 小车位置坐标*/ cleardevice(); /* 清屏 */ setcolor(WHITE); settextstyle(D

13、EFAULT_FONT,HORIZ_DIR,0); setlinestyle(1,0,NORM_WIDTH); for(i=0,j=-1*B/2;i9;i=i+2) /* if(i=0|i=4|i=8) */ if(i=4) setlinestyle(SOLID_LINE,0,NORM_WIDTH); line(X1,Y1+j,X1+A,Y1+j); setlinestyle(1,0,NORM_WIDTH); else line(X1,Y1+j,X1+A,Y1+j); /*幅值标注*/ switch (i) case 0: outtextxy(X1-X1,Y1+j-5, 60); outtex

14、txy(X1-X1+45,Y1+j+5,S(cm); break; case 1: outtextxy(X1-X1,Y1+j-5, 60); break; case 2: outtextxy(X1-X1,Y1+j-5, 30); break; case 3: outtextxy(X1-X1,Y1+j-5, 20); break; case 4: outtextxy(X1-X1,Y1+j-5, 0 ); break; case 5: outtextxy(X1-X1,Y1+j-5, -20); break; case 6: outtextxy(X1-X1,Y1+j-5, -30); break;

15、case 7: outtextxy(X1-X1,Y1+j-5, -60); break; case 8: outtextxy(X1-X1,Y1+j-5, -60); break; j=j+B/4; setlinestyle(1,0,NORM_WIDTH); for(i=0,j=0;i7;i+) line(X1+j,Y1-B/2,X1+j,Y1+B/2); /*时间标注*/ switch (i) case 0: break; case 1: outtextxy(X1+j-15,Y1+5,100T); break; case 2: outtextxy(X1+j-15,Y1+5,200T); bre

16、ak; case 3: outtextxy(X1+j-15,Y1+5,300T); break; case 4: outtextxy(X1+j-15,Y1+5,400T); break; case 5: outtextxy(X1+j-15,Y1+5,500T); break; case 6: outtextxy(X1+j-35,Y1+5,600T); break; j=j+A /6; setlinestyle(SOLID_LINE,0,NORM_WIDTH); line(X1,Y1-B/2,X1,Y1+B/2); /* line(X1+A,Y1-B/2,X1+A,Y1+B/2); */ /*

17、绘制期望位置输入R?*/ setcolor(RED); setlinestyle(SOLID_LINE,0,NORM_WIDTH); line(X1,Y1-r*11.249/K4*B/(2*80),X1+A,Y1-r*11.249/K4*B/(2*80); /* 小车速度坐标*/ setcolor(WHITE); settextstyle(DEFAULT_FONT,HORIZ_DIR,0); setlinestyle(1,0,NORM_WIDTH); for(i=0,j=-1*B/2;i9;i=i+2) /* if(i=0|i=4|i=8) */ if(i=4) setlinestyle(SO

18、LID_LINE,0,NORM_WIDTH); line(X2,Y2+j,X2+A,Y2+j); setlinestyle(1,0,NORM_WIDTH); else line(X2,Y2+j,X2+A,Y2+j); /*幅值标注*/ switch (i) case 0: outtextxy(X2-X1,Y2+j-5, 60); outtextxy(X2-X1+45,Y2+j+5,V(cm/s); break; case 1: outtextxy(X2-X1,Y2+j-5, 45); break; case 2: outtextxy(X2-X1,Y2+j-5, 30); break; case

19、 3: outtextxy(X2-X1,Y2+j-5, 15); break; case 4: outtextxy(X2-X1,Y2+j-5, 0); break; case 5: outtextxy(X2-X1,Y2+j-5, -15); break; case 6: outtextxy(X2-X1,Y2+j-5, -30); break; case 7: outtextxy(X2-X1,Y2+j-5, -45); break; case 8: outtextxy(X2-X1,Y2+j-5, -60); break; j=j+B/4; setlinestyle(1,0,NORM_WIDTH)

20、; for(i=0,j=0;i7;i+) line(X2+j,Y2-B/2,X2+j,Y2+B/2); /*时间标注*/ switch (i) case 0: break; case 1: outtextxy(X2+j-15,Y2+5,100T); break; case 2: outtextxy(X2+j-15,Y2+5,200T); break; case 3: outtextxy(X2+j-15,Y2+5,300T); break; case 4: outtextxy(X2+j-15,Y2+5,400T); break; case 5: outtextxy(X2+j-15,Y2+5,50

21、0T); break; case 6: outtextxy(X2+j-35,Y2+5,600T); break; j=j+A /6; setlinestyle(SOLID_LINE,0,NORM_WIDTH); line(X2,Y2-B/2,X2,Y2+B/2); /* line(X2+A,Y2-B/2,X2+A,Y2+B/2); */ /* 绘制最大速度标准 */ setcolor(RED); setlinestyle(SOLID_LINE,0,NORM_WIDTH); line(X2,Y2-55*B/(2*60),X2+A,Y2-55*B/(2*60); line(X2,Y2+55*B/(

22、2*60),X2+A,Y2+55*B/(2*60); /* 小车摆角坐标*/ setcolor(WHITE); settextstyle(DEFAULT_FONT,HORIZ_DIR,0); setlinestyle(1,0,NORM_WIDTH); for(i=0,j=-1*B/2;i9;i=i+2) /* if(i=0|i=4|i=8) */ if(i=4) setlinestyle(SOLID_LINE,0,NORM_WIDTH); line(X3,Y3+j,X3+A,Y3+j); setlinestyle(1,0,NORM_WIDTH); else line(X3,Y3+j,X3+A,

23、Y3+j); /*幅值标注*/ switch (i) case 0: outtextxy(X3-X1,Y3+j-5, 12); outtextxy(X3-X1+45,Y3+j+5,O(degree); break; case 1: outtextxy(X3-X1,Y3+j-5, 9); break; case 2: outtextxy(X3-X1,Y3+j-5, 6); break; case 3: outtextxy(X3-X1,Y3+j-5, 3); break; case 4: outtextxy(X3-X1,Y3+j-5, 0); break; case 5: outtextxy(X3

24、-X1,Y3+j-5, -3); break; case 6: outtextxy(X3-X1,Y3+j-5, -6); break; case 7: outtextxy(X3-X1,Y3+j-5, -9); break; case 8: outtextxy(X3-X1,Y3+j-5, -12); break; j=j+B/4; setlinestyle(1,0,NORM_WIDTH); for(i=0,j=0;i7;i+) line(X3+j,Y3-B/2,X3+j,Y3+B/2); /*时间标注*/ switch (i) case 0: break; case 1: outtextxy(X

25、3+j-15,Y3+5,100T); break; case 2: outtextxy(X3+j-15,Y3+5,200T); break; case 3: outtextxy(X3+j-15,Y3+5,300T); break; case 4: outtextxy(X3+j-15,Y3+5,400T); break; case 5: outtextxy(X3+j-15,Y3+5,500T); break; case 6: outtextxy(X3+j-35,Y3+5,600T); break; j=j+A /6; setlinestyle(SOLID_LINE,0,NORM_WIDTH);

26、line(X3,Y3-B/2,X3,Y3+B/2); /* line(X3+A,Y3-B/2,X3+A,Y3+B/2); */ /* 最大摆角限制 */ setcolor(RED); setlinestyle(SOLID_LINE,0,NORM_WIDTH); line(X3,Y3-10*B/(2*12),X3+A,Y3-10*B/(2*12); line(X3,Y3+10*B/(2*12),X3+A,Y3+10*B/(2*12);3.6 动画的设计与实现（李昆鹏负责） 1、基本思路利用c语言中graphics.h头文件实现动画，通过使用该文件中提供的，例如bar,bar3d, fillell

27、ipse,line等函数绘制出基本图形，用于表示试验中的小车，吊摆及车轮。而动画的实现方法是高频率的重复画图达到动画的效果。2、相关程序解释 （1）、开机动画部分 void open() int i=0,j=200,k=0; for(i=0,j=639;i100) setfillstyle(SOLID_FILL,BLACK); bar(j-5,95,640,120); setcolor(WHITE); setfillstyle(SOLID_FILL,BLUE); bar(j-5,95,j+450,120); settextstyle(DEFAULT_FONT,HORIZ_DIR,2); out

28、textxy(j,100,Digital Crane Control System); /画出小车的过程中，通过对变量j进行判断 利用outtextxy写出“Digital Crane Control System” setfillstyle(SOLID_FILL,BLACK); /*for(k=0;k3;k+) bar(0,0,100,100);*/ j=j-2; /擦去小车导轨 setcolor(BLACK); line(0,51,640,51); setcolor(WHITE); settextstyle(DEFAULT_FONT,HORIZ_DIR,0); setlinestyle(S

29、OLID_LINE,0,THICK_WIDTH); j=250; k=250; setfillstyle(SOLID_FILL,BLACK); outtextxy(j,k,); j=j+8; cursor(j,k); outtextxy(j,k,); j=j+8; cursor(j,k); outtextxy(j,k,); j=j+8; cursor(j,k); outtextxy(j,k,); j=j+8; cursor(j,k); outtextxy(j,k,); j=j+8; cursor(j,k); outtextxy(j,k,); j=j+8; cursor(j,k); outtex

30、txy(j,k,); j=j+8; cursor(j,k); outtextxy(j,k, ); j=j+8; cursor(j,k); outtextxy(j,k,); j=j+8; cursor(j,k); outtextxy(j,k,); j=j+8; cursor(j,k); outtextxy(j,k,); j=j+8; cursor(j,k); outtextxy(j,k,); j=j+8; cursor(j,k); outtextxy(j,k,); j=j+8; cursor(j,k); outtextxy(j,k,); j=j+8; cursor(j,k); outtextxy

31、(j,k,);j=j+8; /通过利用cursor函数和for函数实现字母的动态出现方式。该段程序只用于试验未填充内容 for(i=0;i30;i+) bar(0,300,640,480); for(i=0;i30;i+) bar(0,300,640,480); for(i=0;i30;i+) bar(0,300,640,480); settextstyle(DEFAULT_FONT,HORIZ_DIR,0); getch();（2）、实验动画部分 /该部分动画与open函数中绘画步骤基本相同。与之区别的内容是，某些参数不同例如：sk为小车的当前位置，x,y为小车当前屏幕上的位置。基本过程为，

32、首先利用颜色覆盖，清除上一次绘制的图形。在利用新数据（即sk）绘制出图形。 /* 抹去原图形 */ setfillstyle(SOLID_FILL,BLACK); /*bar(X4,Y4-B/2,X4+A,Y4+B/2);*/ bar(x+sk-1*A/160-a/2,y-b/2,x+sk-1*A/160+a/2,y+b/2+2*R); /* 重画 */ /* 小车 */ setcolor(BLUE); setlinestyle(SOLID_LINE,0,NORM_WIDTH); setfillstyle(SOLID_FILL,RED); bar3d(x+sk*A/160-a/2,y-b/2,

33、x+sk*A/160+a/2,y+b/2,0,1); /* 车轮 */ setcolor(BLUE); setfillstyle(SOLID_FILL,RED); fillellipse(x+sk*A/160-a/4,y+b/2+R,R,R); fillellipse(x+sk*A/160+a/4,y+b/2+R,R,R); /* 吊摆 */ setcolor(BLACK); line(x+sk-1*A/160,y+b/2,x+sk-1*A/160+L*sin(ok-1*3.14/180)/K,y+b/2+L*cos(ok-1*3.14/180); setcolor(RED); line(x+sk*A/160,y