研制电磁制导小车的pid控制

设计（论文）专用纸目录TOC\o"1-4"\h\u5805摘要 328656ABSTRACT 430940前言 513292本课题的发展及现状 51395（1）国内外的发展 515403（2）现状 615306本课题的任务及意义 78328第一章设计方案 768301.1设计方案 7311181.1.1方案一 8249961.1.2方案二 954241.1.3方案选定 102383第二章电路设计 11189682.1电磁信号源电路 1151182.1.1功能及功能指标 1198502.1.2电路构思 128107电路结构及工作原理： 1224219555电路： 1311507功率放大电路： 14164852.2.1晶体管的选择 15273432.2.1工作原理及结构： 17237442.3、LED电平显示电路 19236852.3.1功能及指标： 1992352.3.2电路构思： 20261872.3.3电路结构及工作原理： 21157872.4555构成的占空比可调电路 22254402.4.1电路组成： 2374102.4.2功能 249632光敏电阻特性 242840占空比可调 25156392.4.2电路构思 267448暂稳态 26902自动翻转 27173022.5电机驱动电路 28218332.5.1电路组成 2826301功能 2827180电路构思 2922060元件特性 305684元件参数选择 317965第三章整体电路设计 32188733.1整体电路 32205523.1.1整个系统工作原理 331314第四章设计问题及解决方法 34148344.1等效电阻与电机两端电压关系： 34231944.2调试运行小车 35204204.2.1获取等效电阻方法 35280514.2.2运行小车中电磁传感器位置的问题 3621551问题1及解决方法 3630835问题二及解决方法 3831440第5章设计成果 40327455.1主要成果 40325105.1.1功能 40322085.1.2技术参数 40224275.1.3产品（见附录1） 41102815.1.4元件参数（见附录2) 41150105.2操作流程步骤 4123803附录1 4230225附录2 4416921总结与体会 454373谢辞 4724598参考文选 4832677中英文翻译 4931223英语原文： 4917392中文翻译： 61摘要本次毕业设计的任务是：研制电磁制导小车的PID控制，即在地面敷设一条通有交流信号的电缆线，由小车的两个电磁传感器（分别置于电缆两侧）探测电磁信号，小车在行驶中如偏离电缆，两个电磁探头输出的信号将产生差值，经控制电路使两个小车驱动轮的转速产生差值，实现自动引导，从而应用于物流自动化。关键词：电磁制导；PID控制；电磁信号；自动引导；信号产生差值；转速产生差值ABSTRACTThegraduationdesigntaskisto:developmentofelectromagneticguidedvehicleofPIDcontrol,namelyintheacsignalonacablelayingontheground,twobythecarelectromagneticsensors(respectivelyinthecable)todetecttheelectromagneticsignal,thecarontheroadsuchasdeviationfromcable,twoelectromagneticsensoroutputsignalwillhavedifference,thecontrolcircuittomaketwocarsdrivingwheelspeeddifference,bootautomatically,whichisappliedtothelogisticsautomation.

Keywords:electromagneticguidance;PIDcontrol;Theelectromagneticsignal;Automaticguided;Signaldifference;Speeddifferenceisproduced前言本课题的发展及现状（1）国内外的发展AGV扮演物料运输的角色已经50多年了。第一辆AGV诞生于1953年，它是由一辆简易的AGC产品牵引式拖拉机改造而成的，带有车兜，在一间杂货仓库中沿着布置在空中的导线运输货物。到上世纪五十年代末到六十年代初期时，已有多种类型的牵引式AGV用于工厂和仓库。20世纪70年代，基本的导引技术是靠感应埋在地下的导线产生的电磁频率。通过一个叫做“地面控制器”的设备打开或关闭导线中的频率，从而指引AGV沿着预定的路径行驶。20世纪80年代末期，无线式导引技术引入到AGV系统中，例如利用激光和惯性进行导引，这样提高了AGV系统的灵活性和准确性，而且，当需要修改路径时，也不必改动地面或中断生产。这些导引方式的引入，使得导引方式更加多样化了。从20世纪80年代以来，自动导引运输车（AGV）系统已经发展成为生产物流系统中最大的专业分支之一，并出现产业化发展的趋势，成为现代化企业自动化装备不可缺少的重要组成部分。在欧、美等发达国家，发展最为迅速，应用最为广泛；在亚洲的日本和韩国，也得到迅猛的发展和应用，尤其是在日本，产品规格、品种、技术水平、装备数量及自动化程度等方面较为丰富，已经达到标准化、系列化、流水线生产的程度。在我国，随着物流系统的迅速发展，AGV的应用范围也在不断扩展，如何能够开发出能够满足用户各方面需求（功能、价格、质量）的AGV系统技术是未来我们必须面对的现实问题。综合分析AGV技术的发展，我们不难分析出国内外AGV有两种发展模式：第一种是以欧美国家为代表的全自动AGV技术，这类技术追求AGV的自动化，几乎完全不需要人工的干预，路径规划和生产流程复杂多变，能够运用在几乎所有的搬运场合。这些AGV功能完善，技术先进；同时为了能够采用模块化设计，降低设计成本，提高批量生产的标准，欧美的AGV放弃了对外观造型的追求，采用大部件组装的形式进行生产；系列产品的覆盖面广：各种驱动模式，各种导引方式，各种移载机构应有尽有，系列产品的载重量可从50kg到60000kg（60吨）。尽管如此，由于技术和功能的限制，此类AGV的销售价格仍然居高不下。此类产品在国内有为数不多的企业可以生产，技术水平与国际水平相当。第二种是以日本为代表的简易型AGV技术－－或只能称其为AGC（AutomatedGuidedCart），该技术追求的是简单实用，极力让用户在最短的时间内收回投资成本，这类AGV在日本和台湾企业应用十分广泛，从数量上看，日本生产的大多数AGV属于此类产品（AGC）。该类产品完全结合简单的生产应用场合（单一的路径，固定的流程），AGC只是用来进行搬运，并不刻意强调AGC的自动装卸功能，在导引方面，多数只采用简易的磁带导引方式。由于日本的基础工业发达，AGC生产企业能够为其配置上几乎简单得不能再简单的功能器件，使AGC的成本几乎降到了极限。这种AGC在日本80年代就得到了广泛应用，2002到2003年达到应用的顶峰。由于该产品技术门槛较低，目前国内已有多家企业可生产此类产品。（2）现状随着物流系统的迅速发展,AGV的应用范围也在不断扩展,AGV系统,研究设计一种基于电磁导航的无人驾驶小车系统方案.通过实际硬件实验,系统能够达到预期设计要求,能够广泛运用于工业、军事、交通运输、电子等领域,具有良好的环境适应能力,很强的抗干扰能力和目标识别能力。本课题的任务及意义本次毕业设计的任务是：研制电磁制导小车的PID控制，即在地面敷设一条通有交流信号的电缆线，由小车的两个电磁传感器（分别置于电缆两侧）探测电磁信号，小车在行驶中如偏离电缆，两个电磁探头输出的信号将产生差值，经控制电路使两个小车驱动轮的转速产生差值，实现自动引导，从而应用于物流自动化。本次毕业设计的意义是：高等工科院校的毕业设计是完成教学计划达到本科生培养目标的重要环节。它通过深入实践、了解社会、完成毕业设计任务或撰写论文等诸环节，着重培养学生综合分析和解决问题的能力和独立工作能力、组织管理和社交能力；同时，对学生的思想品德，工作态度及作风等诸方面都会有很大影响。对于增强事业心和责任感，提高毕业生全面素质具有重要意义。是学生在校期间的昀后学习和综合训练阶段；是学习深化、拓宽、综合运用所学知识的重要过程；是学生学习、研究与实践成果的全面总结；是学生综合素质与工程实践能力培养效果的全面检验；是实现学生从学校学习到岗位工作的过渡环节；是学生毕业及学位资格认定的重要依据；是衡量高等教育质量和办学效益的重要评价内容。第一章设计方案1.1设计方案功能：研制电磁制导小车的PID控制，如图1所示即在地面敷设一条通有交流信号的电磁引导线，由小车的电磁传感器1和电磁传感器2（分别置于电缆两侧）探测电磁信号，小车在行驶过程中如果偏离电磁引导线，两个电磁探头输出的信号将产生差值，经相应的控制电路使小车的两个电机M1、M2驱动轮的转速产生差值，由于两个电机的转速有差值，所以小车能够平稳的纠正偏差，从而实现小车能够按照人为的预定的电磁引导线（路线）行驶实现自动引导，从而应用于物流自动化监测、管理等。图1功能原理图1.1.1方案一先由放大电路将电磁传感器输出的信号放大为0—5的电压信号，送单片机A/D转换的模拟量输入端，根据小车的转向特性建立数学模型，经单片机开关量输出口（如p1.0口）送出相应的脉宽信号，再经功率放大电路驱动电动机按相应转速转动，实现小车纠偏。电机驱动电路M1A/D转换放大电路单片电机驱动电路M1A/D转换放大电路单片机8091电磁信号源电机驱动电路M1电机驱动电路M1图2方案一框图1.1.2方案二首先通过电磁信号源电路产生电磁信号，通过电磁传感器把探测到的电磁信号由LED电平显示电路显示，从而把电磁信号强弱的变化转化为LED灯亮灭个数的变化，本设计采用4级显示即控制四个LED灯亮灭的变化。由于可以通过555电路可构成通过调节其中的某个电阻阻值的变化来产生占空比可调的脉宽电压，如果这个电阻为光敏电阻，于是可以采用四级光电耦合的方式使555电路输出占空比可调的脉宽即把上述中的光敏电阻阻值的变化转化为通过LED灯亮灭个数的变化来控制光敏电阻阻值的变化。将该555电路的输出端经两个电机驱动电路分别驱动电机M1、M2,通过实验测出光电耦合光电耦合等效电阻的大小与电机驱动电路中电机两端的电压之间的关系后，建立的起相应的数学关系即PID控制关系，从而能够有效控制电机能够按相应转速转动。555占空比可调电路LED电平显示电磁引导线信号源电路电磁传感器 四级光电耦合555占空比可调电路LED电平显示电磁引导线信号源电路电磁传感器电机驱动电路电机驱动电路电机驱动电路电机驱动电路M2M1M2M1 图3方案二框图 1.1.3方案选定两个方案各有优势，使用方案一的话控制起来比较方便，但使用过程中存在死机现象，对设计者编写程序的能力也有很强的要求，而且在设计过程中出现问题则需要对硬件和软件两方面进行检查这种带来不便。采用方案二控制起来有一定的难度，而去纠偏的精度没有方案一的好但也能很好的对小车的纠偏进行有效的PID控制，但方案的话是纯硬件设计，设计起来比较方便，遇到问题时也不需要考虑程序书写是否错误的影响，所排障比方案一容易，综合起来方案二比方案一好一点，因此设计时采用方案一的方法。电路设计2.1电磁信号源电路图4电磁信号源电路图2.1.1功能及功能指标图4为设计方案中为电磁信号源电路，通过本电路能够产生本设计所需要的电磁信号源，其输出连接电磁引导线即可在电磁引导线上产生电磁信号；在设计前实验本设计的提供的电磁传感器的特性时发现电磁传感器的谐振频率存在不一致性但本设计采用电磁传感器的频率约为21.48KHZ的谐振频率,因此设计电磁信号源电路时产生的频率应该与电磁传感器的谐振频率相符合，因为在该频率下工作电磁传感器的抗干扰能力较强。2.1.2电路构思555电路是一种中规模集成电路，只要在外部配上RX1、R2、C2、C3等阻容元件，就可以方便地构成脉冲产生和整形电路，555电路加上相应的外围电路即可构成555多谐振荡器，多谐振荡器是一种自激振荡电路，当电路连接好之后，只要接通电源，在其输出端便可获得矩形脉冲，由于矩形脉冲中除基波外还含有极丰富的高次谐波，所以把这种电路叫做多谐振荡器；电磁信号是一种震荡信号而矩形脉冲就是一种震荡信号于是可由555电路加外围电路构成的多谐振荡器产生震荡信号（交变的电信号），按理来说555电路构成的多谐振荡器其输出端输出的震荡信号可直接使用即直接连接电磁引导线，但经过实验发现直接使用由555电路产生的震荡信号直接连接电磁引导线时，在该引导线上产生的电磁信号不是很强，因此小车在沿着电磁引导线行驶时寻线效果将会不佳，故本设计中加入了由三级管构成的功率放大电路来加强引导线上的电磁信号（如图4晶体管部分所示）。电路结构及工作原理：本设计电磁信号源电路由两部分构成即555电路构成震荡信号电路和由三极管构成功的率放大电路，如图5框图所示。图5电磁信号源框图555电路：555电路内部电路如图6所示接通电源前电容C2上无电荷，所以接通电源瞬间，C2来不及充电，故电容C2两端电压为，比较器C1输出为1、C2输出为0，基本RS触发器的起始状态为、=0,3脚输出、截止。、=0、，截止是一种暂稳态，因为在此状态下，电容C2充电、缓慢升高，进行充电，充电回路为，当电容C2充电上升到时，比较器C1输出跳变为0，基本RS触发器立即翻转到0状态，=0、=1、,饱和导通。此时=0、=1是555电路内部电路的另一种暂稳态，因为在这种状态下，电容C2放电、缓慢下降，进行放电，放电回路为；当电容放电C2放电、下降到时，比较器C2输出跳变为0，基本RS触发器立即翻转到1状态，，=0、，截止变为起始状态。电容C2这样交替充电、放电，接通电源后电路的状态不断来回翻转—振荡，于是在输出端就产生了矩形脉冲。由于本设计电磁传感器存在谐振频率不是很稳定的问题即电磁传感器的谐振频率不固定，因此单一频率信号的电磁信号源在实际操作中中使用起来不方便因此本设计采用的是可调555频率可调占空比可调的电路构成占空比，，这种情况下只要改变电位器活动端的位置，就可以方便的调节占空比q,当RX1=R2时，q=0.5，此时将输出对称的矩形脉冲；震荡信号频率电位器(RX1可变电阻值范围为)。由于产生震荡信号的频率要约要约等于电磁传感器的谐振频率21.48KHZ，因此在相应元器件阻值大小的选择上以这个为目的来进行选择，但本设计使用上采用了，电位器RX1的变化范围为，电容的阻值大小（上述元器件阻值的选择不是唯一的，只要能够得到震荡信号频率约等于上述选用的电磁传感器谐振频率的R2、R1、C0都可以本设计的要求），通过上述公式以及采用的元器件阻值计算得到震荡信号的频率范围约为14.3KHZ~28.6KHZ。（1）当时，通过公式计算得最高频率。（2）当时，通过公式计算的最低频率。本设计需要的最佳频率约为21.48KHZ的震荡频率故通可过调节电位器RX1阻值大小来得到约为21.48KHZ的震荡信号频率。功率放大电路：功率放大电路由三极管T2、R2、R3构成，其中R2、R3均作为限流电阻；R3对三极管的基极电流进行限制、555电路输出端的最高电压约为故流过基极的最大电流，通过基极的一般都电流较小，所以在选取R3的阻值时，因尽可能使基极电流较小，因此选取的R3阻值只要符合这个要求就行，本设计采用R3=500来进行限流并产生基极电流；合理的选取R4才能得到合适的管压降并产生合适的集极电流，只要R4的选取使集极的饱和电流>即让三极管不可能工作在饱和状态的值都可以本设计采用R4=20。555输出端连接由三极管构成的功率放大电路后，即可在连接的电磁引导线上产生寻线效果俱佳的震荡信号即电磁信号。图6555电路内部结构2.2.1晶体管的选择图4电路为电磁信号源电路部分的设计：先确定电磁线电流为1A、晶体管T2工作在饱和区，所选用晶体管T2的型号为TIP41C，晶体管TIP41C的主要参数为：电流-集电极截止（最大）：700µA最大集电极流--基极直流电压：最大值120V发射极直流电压：最大值100V基极直流电压：最大值5V最高有效结温：最大值150摄氏度封装形式：直插封装TO-220管脚：B、C、E（正面看）最大电流允许值：6A最大耗散率：65W放大倍数：65功率-：2W安装类型：通孔包装：散装晶体管类型：NPN在某Ic、Vce时的最小直流电流增益(hFE)：15@3A,4V主要用途：适用于电子开关线路主要特点：功率大、驱动电流大性质：低频或音频放大（LF），功率放大（L）根据晶体管TIP41C的主要参数选取放大倍数为50，由此计算得：实际中没有4.8、115的电阻，所以以的电阻代的电阻代替。2.2电磁传感器2.2.1工作原理及结构：电磁感应式传感器又称电动势式传感器，是利用电磁感应原理将被测量（如振动、位移、转速等）转换成电信号的一种传感器。它是利用导体和磁场发生相对运动而在导体两端输出感应电动势的。它是一种机-电能量变换型传感器，不需要供电电源，电路简单，性能稳定，输出阻抗较小，又具有一定的频率响应范围（10~1000HZ),所以得到普遍应用。电磁感应式传感器是以电磁感应原理为基础的。由法拉第电磁感应定律可知，N匝线圈在磁场中运动切割磁力线或线圈所在磁场的磁通变化时，线圈中产生的感应电动势E(V)大小取决于穿过线圈的磁通（Wb)的变化率，即本设计使用的电磁传感器采用5W220/2x6v电源变压器的原边绕组做线圈，将变压器E型铁芯改为条型铁芯，制成有条型铁芯的两个线圈作为电磁传感器，电路图如7所示条形磁铁用来增强磁场从而增加感应电动势从而感应效果也会变得很好。 图7电磁传感器根据麦克斯韦电磁场理论，交变电流会在周围产生交变的电磁场。导线中的电流按一定规律变化时，导线周围的磁场也将发生变化，则线圈中将感应出一定的电动势；电磁引导线上的电流是交变的电流，因此会在电磁引导线的周围产生按一定规律分布的和磁场。AGV小车在沿着电磁引导线构成的路径进行行驶时，由条形磁铁构成的两个线圈距离导线的距离、位置在不断的变化，于是在线圈中产生的磁通量也在不断的变化，由公式可知，分别在线圈1、线圈2的AB、CD两端产生可变的感应电动势u0、u1，故把两个线圈的输出端连接到LED电平显示电路的输入端将会使LED电平显示器中LED灯亮灭个数产生变化，当两个线圈离电磁引导线的距离一样时，两个线圈产生的感应电动势是一样的，此时LED显示器中LED灯的亮灭个数也是一样的当两个线圈距离电磁引导线的距离不一致时，两个线圈产生的感应电动势将不一样导致LED灯的亮灭个数也不一样。靠近电磁引导线的线圈产生的感应电动势E会大一点，远一点的产生的感应电动势会小一点，所以利用这一点我们可以对AGV小车的位置进行检测。2.2.2本设计所用电磁传感器的特性：由于电磁传感器在谐振频率下工作时抗其它信号的干扰能力较强。因此需要测出本设计自作的电磁传感器的特性，通过实验测得电磁传感器的谐振频率频率约为21.48KHZ，由谐振频率公式可计算得到电磁传感器的电感L、电容C，本设计的电磁传感器是自作的故在质量和工艺方面很差，电磁传感器的谐振频率的特性不是非常稳定，因此在给电磁传感器提供信号的信号源为频率可调最佳。2.3、LED电平显示电路图8LED电平显示电路2.3.1功能及指标：图8所示电路是将由电磁传感器在电磁引导线感应的电磁信号强弱的变化转化为LED灯亮灭个数的变化，当电磁传感器距离电磁引导线近一点时电磁信号强一些，LED灯亮的个数多一些，当电磁传感器距离电磁引导线远一点时LED灯亮的个数少一些，当调节RP0时也能改变LED灯亮灭个数的变化，本设计采用4级LED显示即将电磁传感器感应到的电磁信号强弱的变化转化为4个LED灯亮灭个数的变化。2.3.2电路构思：由于电磁传感器感应到的电磁信号强弱的变化实际上是电磁传感器中感应线圈两端感应电动势E的变化、感应电动势一般都比较小不足以驱动负载故需要放大电路；由于本设要：a、采用4级LED灯显示即将电磁传感器感应到的电磁信号强弱的变化转化为4个LED灯亮灭个数的变化的变化。b、起始两电磁传感器距离电磁引导线的距离一样时4个LED灯全亮，当两电磁传感器偏离电磁引导线时，LED灯三个亮、两个亮、一个亮、0个亮。故采用固定放大倍数的放大电路时在设计中使用起来很不方便，集成运算放大器原理它有两个输入端，一个同相输入端，一个反向输入端，一个输出端。当同相输入端的电压比反相输入端高时，输出端电压升高；若同相输入端电压比反相输入端电压低，输出电压降低。如果引入适当的负反馈，则输出电压与输入电压的变化成比例，那么在集成运放的输出端连接相应的LED灯，就会使LED的亮灭情况与输入信号有关，LM324系列器件带有差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它有一些显著优点。该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。每一组运算放大器可用图8所示的符号来表示，其中“+(图8中2脚所示）即”、“-（图8中1脚所示）即”为两个信号输入端，“V+(图8中4脚所示）”、“V-(图8中5脚所示）”为正、负电源端，“Vo（图8中1脚”为输出端。两个信号输入端中，V（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反；（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同；因此本设计采用由集成运放LM324加外围电路构成可调增益的放大电路。2.3.3电路结构及工作原理：图8中C4是输入耦合电容，VD1、VD2是整流二极管，C5是滤波电容，R09是放电电阻。C4、VD1、VD2、C5、R09的作用是将输入的音频信号变成随音频幅度而变化的直流脉动信号，送往各运放的同相输入端，RP0、R50、R06、R07、R08组成分压电路，其各同相输入端的各参考电压电位为即图8中A、B、C、D的电位：A、B、C、D分别为各运放的反相输入端提供参考电压。R01、R02、R03、R04分别是四个发光二极管的限流电阻，四个发光二极管起电平指示作用。从上述等式中便可清楚看到通当输入的电磁的情况下通过过调节电位器RP0的阻值大小即可改变输出的大小，当电位器RP0值调高一点输出在相同的电磁信号下输出电压将变大点亮的LED灯多，当电位器RP0的阻值值调小一点时在相同的电磁信号下输出电压将变小，点亮的LED少；当输入信号电平为0时，使各运放同相输入端电压为0，各运放都输出低电平，各发光二极管都不亮，表示输入信号电平为0。当整流输出的直流脉动电压大于A点参考电压而小于B点电压时，运放1输出高电平，其他的运放输出低电平，只有D0点亮，表示输入信号幅度达到一级电平。当整流输出的直流脉动电压大于B点参考电压而小于C点电压时，运放1、2输出高电平，运放3、4输出低电平，使D0、D1点亮，表示输入信号幅度达到二级电平。以此类推，调整RP可以改变每级电平的幅度，也就是改变了电平指示灵敏度。2.4555构成的占空比可调电路图9555占空比可调电路图10555电路内部结构2.4.1电路组成：图9所示是用555电路构成的占空比可调的多谐振荡器、光敏电阻RG0~RG1、电位器W1~W2、电容通过C0、电位器RX0是外接定时元件，由图10,555电路内部结构知，555电路的TH(6)、(2)端连接起来接,由555电路内部结构图知道晶体三极管集电极（7）接到电位器RX0的活动动端与其中一个固定端相连接的公共点P。2脚、6脚作为信号输入端，三个阻值均为5的电阻串联起来构成分压器，给比较器和提供参考电压，的同相输入端、的反相输入端，如果在CO端加控制电压，可改变、的参考电压，本设计没有外加控制电压，所以2脚、6脚的参考电压分别为、；晶体管构成开关，其状态受控制，当为0时截止、为1时导通。3脚输出端接反向器G3、4脚接复位端，当为低电平时3脚输出与输入无关，输出始终为低电平即为。2.4.2功能光敏电阻特性通过图11的方法使用万用表、用LED电平显示电路中特定的光照实验测出所用光敏电阻的特性为：图11光敏电阻实验电路亮暗电阻测量亮电阻100暗电阻500图12亮暗电阻测量通过图11、12实验可以看出在图9电路中可以把光敏电阻没有光照时的电阻视为无穷大，5v提供电压时，流过光敏电阻的电流实在太小了，可以忽略不计即视其为断路。占空比可调上述电路是要实现在3脚输出端产生占空比可调的脉宽电压即高电平在一个周期之内所占的时间比率，如图13所示即改变在一个周期内所占的时间所占的T时间比例，图9中4个光敏电阻、外侧的三个电位器构成了4级控制电路，RG0构成一级、RG1与W1串联构成2级、RG2与W2串联构成3级、RG3与W3串联构成4级。图9中555电路构成的多谐振荡器的占空比为：；图9中光敏电阻、电位器与串并联的方式接入电路中，可算出其等效电阻来计算占空比，故由公式可知通过改变电位器W1、W2、W3的阻值即可改变等效电阻，同时也可以对光敏电阻是否接受进行光照（本设计的光源是图8中LED电平显示电路提供，D0给1级提供光源、D1给2级提供光源、D2给3级提供光源、D3给4级提供光源）控制来改变4级控制电路构成的等效电阻，由输出矩形脉冲的矩形脉冲频率知本设计通过RX0可改变3脚输出的矩形脉冲的频率f,当四级光敏电阻都不受光照时，调节RX0直至电机不转动即可。不TTtwtw图13矩形波形2.4.2电路构思555电路产生矩形脉冲起始状态接通电源签电容上无电荷，接通电源瞬间来不及充电，故，此时2脚、6脚两端的电位也为0，由555电路内部结构知此时比较器输出高电平1、输出低电平0，通过与非门构成的基本RS触发器，截止。暂稳态起始状态，截止，是电路的一种暂稳态，在这样的状态下，由555电路内部结构值电容将会充电导致两端电压不断升高，2脚、6脚的电压也缓慢升高，充电回路为，当电容充到，2脚、6脚的电位也为，而比较器5脚同相输入端的参考电压为、比较器的反相输入端的参考电压为，故此时比较器的输出跳变为0、的输出跳变为1，通过基本RS触发器后立即翻转到的状态，此时三极管饱和导通。这种情况下三极管处于导通状态，将对电容进行放电，两端的电压逐渐下降，放电回路为，这种放电的过程缓慢的进行着，电容在放电的过程中其电位也不断的降低、当两端的电压下降到时，2脚、6脚的电位也为，而比较器5脚同相输入端的参考电压为、比较器的反相输入端的参考电压为，故此时故此时比较器的输出跳变为1、的输出跳变为0，通过基本RS触发器后立即翻转到的状态，此时三极管截止，电容又充电。自动翻转总是处在截止状态、要么饱和导通状态，截止时电容通过放电，饱和导通时电容通过进行充电，比较器也随着充电、放电的过程而不断的改变输出，基本RS触发器的状态也不断的改变即、两个状态，3脚输出端也不断在高低电平之间变来变去，高电平为、低电平为,于是就在输出端产生了具有周期的矩形脉冲电压。2.5电机驱动电路图14电机M1、M2驱动电路2.5.1电路组成功能截止区：当图9中555电路的3脚输出低电平的时候三极管工作在截止区，场效应管栅极、漏极之间电压（大于场效应管的开启电压)，场效应管漏极导通，漏极有电流，电流过电机，电机转动。饱和区：当图9中555电路的3脚输出高电平的时候三极管工作在饱和区，由三极管饱和区时的特性知道集电极电位为(小于场效应管的开启电压），此畅销管工作在截止区，漏极没有电流，没有电流流过电机，电机停止转动。电路构思从图9中3脚输出的电压不能直接驱动电机，实验时知道当电机在额定电压24下带负载工作时电机电流为10A，因此也不能用三级管TD来驱动电机，三极管TD集电极不能承受这么大的电流流过，故只能选用场效应管T1来驱动电机，因为场效应管T1的漏极一般都能承受很大的电流，而从图9中555的3脚输出的电压也不能直接连接到场效应管T1从而驱动电机，本设计需要的是可以自动的不断改变电机两端的平均电压，从而改变电机运转的速度，并且从图8中555电路的3脚输出的是占空比可调的矩形脉冲，矩形脉冲的高电平为、低电平为根本无法让畅销管导通（本设计所选用场效应管T1的开启电压高出高电平很多，所以无法让场效应管T1导通），而三极管TD的导通电压只为0.7，所以能够用来控制三极管的截止与饱和导通（只要基极电阻、集极电阻选取得当让输出高电平时基极电流始终大于集电极电流就能让三极管工作在饱和导通状态）；当三极管饱和导通时集电极电位为0.2<场效应管截止；当三级管截止时，如果把场效应管T1的栅极G直接连接到三极管TD集电极，此时并在场效应管T1的漏极D、源极S之间加24的电压，畅销管T1的漏极并接到三级管的集电极电阻，场效应管T1此时将会导通，场效应管T1导通时漏极D、源极S之间的电阻非常小，这种情况下如果把电机接到场效应管T1的漏极与电源正极之间的话，电机将工作在额定电压24下,555电路的3脚输出的是高低电平不断变化的矩形脉冲，故三极管TD就处在不断的饱和导通、截止的状态，而场效应管T1工作在与三极管TD相反的状态,从而电机两端的平均电压就会改变即电机的转速会不断的改变。元件特性图14中是由三极管、场效应管及相应电阻构成的电机驱动电路，通过实验、查阅相关资料测出三极管、场效应管特性为：三极管(TD)9013：9013是一种最常用的普通三极管。它是一种低电压,大电流,小信号的NPN型硅三极管,相应参数如下：集电极电流：500mA集电极-基极电压：40V工作温度：-55℃to+150℃功率(W):0.625hFE（放大倍数）:64～202管脚：B、C、E（从三极管平的那面正面看）主要用途：开关应用低频放大场效应管(T1)IRF640N特性：开启电压:7.4V漏极电流==200V=管脚：G、D、S（正面看）主要用途：开关应用元件参数选择因为要让三极管TD工作在截止状态、饱和状态，当图8中555的3脚输出低电平时TD自然截止，当输出高电平的时候要让TD工作在饱和区，由三极管的特性知道：三极管导通时基极电位为0.7，三级管饱和导通时集电极电位为0.2，基极电流集电极电流，由以上条件可得到基极电阻R0、集电极电阻R5,可有如下方法得到：设所要求基极电阻R0为、集电极电阻R5为则阻值可有如下计算式来确定：只要满足即可。本设计选用的阻值为即R0=、R5=。整体电路设计3.1整体电路图15整体设计电路原理图3.1.1整个系统工作原理电磁信号源在电磁信号引导线（图15中电磁信号引导线粗线所示）产生的电磁信号被两个电磁传感器的探头探测到，电磁传感器把感应到的信号由电磁传感器的信号输出端送到LED电平显示电路的信号输入端（图15中信号输入端标注处），经过集成运放放大后，通过限流电阻R01-R04输出后点亮相应的LED灯，当通过LED电平显示电路后，便把电磁信号强弱的变化转化为LED电平显示的变化即LED即LED灯亮灭个数的变化，逐一亮或者是逐一熄灭，本设计采用4级显示控制，因此只需要四个LED灯亮灭的变化来为光电耦合电磁制导电路中的光敏电阻提供光照，D0给RG0构成的1级控制提供供光源提供光源、D1给RG1与W1串联构成的2级控制提供光源、D2给RG2与W2串联构成的3级控制电路提供光源、D3给RG3与W3串联构成的3级控制电路控制提供光源，当相应的LED灯点亮时光敏电阻的阻值为100，没有被点亮时可视为大即该级断路；两个电磁传感器分别控制两个电机，小车在沿着电磁引导线的路径运动时两个电磁传感器分别探测的电磁信号强弱不一样通过其信号输出端把两传感器各自的信号送到各自的LED电平显示电路的信号输入端，由于两LED电平显示路得到的信号强弱不一样，因此通过三极管射极输出后LED灯亮灭情况也不一样，所以4级控制电路构成的等效电阻也不一样，导致电机M1、M2的光电耦合电磁制导电路中555电路输出的占空比不一样，三极管、场效应管导通截止情况、时间也不一样，所以电机两端的平均电压也不一样即电机M1、M2转速不一样。距离电磁引导线近一点的得到的电磁信号强，点亮的LED灯多，等效电阻小，对应的电机转的快距离电磁引导线远一点的得到的电磁信号弱，等效电阻大，点亮的LED灯少，对应的电机转的慢，两个电机的转速产生差值，因此小车将会自动转弯。第四章设计问题及解决方法4.1等效电阻与电机两端电压关系：实验测得4级控制电路构成的等效电阻与电机两端电压的关系为如图16中所示，由于光敏电阻LED灯照射时电阻阻值为100、小车是自动沿着电磁引导线构成的路径进行寻线，因此在使用AGV小车时，必须先调节电位器来得到相应的等效电阻但必须保证电机M1、M2在同样的LED亮灭情况下等效电阻是一致的，把各级控制电路的电位器预先调好，具体调多少可以根据需要对应图16中4级控制电路构成的等效电阻与电机两端电压的关系来进行调节。图16等效电阻与电机两端电压关系4.2调试运行小车4.2.1获取等效电阻方法本设计调试运行前先对小车在沿着电磁引导线构成的路径巡线时的光电耦合后的等效电阻进行选，本设计选取电机M两端电压分别为23V、19V、14V、10V所对应的等效电阻，所对应的LED灯亮灭情况为：23V时4个LED灯全亮、19V时3个LED灯亮、14V时2个LED灯亮、10V时1个LED灯亮。如何调节电位器来得到等效电阻，具体方法如下：让电磁传感器由远到近的靠近电磁信号引导线当只有D0亮时，调节电位器使电机两端电压为10V；当D0、D1两个亮时此时一级控制电路的电位器不动，调节二级控制电路的电位器使电机两端电压为14V时为止；当D0、D1、D2三个亮时，一级、二级控制电路的电位器不动，调节三级控制电路的电位器，调到使电机两端电压为19V是停止调节；当D0、D1、D2、D3四个全亮时，前边3级控制电路的电位器都不动，调节4级控制电路的电位器，使电机两端电压为23V时停止调节，这样就可以得到四级控制电路的4个控制电压、构成的等效电阻与电机两端电压的比例关系，为调试安装带来方便。4.2.2运行小车中电磁传感器位置的问题问题1及解决方法当电磁传感器位置在两个电机的一侧时，按上述方法先得到4级控制电压的等效电阻，起始时让两电磁传感器距离电磁引导线的水平距离均为12cm，高度为5cm,调节LED电平显示电路的灵敏度，使电磁引导线在两电磁传感器之间的中点时，左电机M1所对应的LED灯D0D3全亮右电机M2所对应的LED灯D0D3全亮，将电磁传感器的位置放到两个电机的一侧，连接、安装好相应电路，接通电磁引导线，发现小车的两个电机转速会发生变化但不会沿着电磁引导线转弯，而是朝着相反方向转弯而且也走也偏离电磁引导线，导致电磁传感器探测不到信号，左电机M1、右电机M2所对应的LED电平显示电路中的D0D3四个LED灯全不亮，小车此时停止运行。由图17分析得知： 电磁引导线M2M1M2M1电磁传感器2电磁传感器1电磁传感器2电磁传感器1图17问题1分析图电磁传感器1、电磁传感器2分别控制的是电机M1、M2，起始时两个电磁传感器探测到的信号强度是一致的，所以两个电机的转速是一样的，小车将全速前进，不会转弯，小车在运行过程中由图16可知，电磁传感器1是在不断的远离电磁引导线、电磁传感器2是在不断的靠近电磁引导线，所以电磁传感器1得到的信号比电磁传感器2得到信号弱，经过LED电平显示后，电机M1所对应的LED电平电路中LED灯亮的个数比电机M2所对应的LED电平电路中LED灯亮的个数少。经过光电耦合后电机M1所对应的图9控制电路的等效电阻比电机M2对应的等效电阻大，因此电机M1比电机M2转的更慢，因此小车将右偏即朝着电磁引导线相反的方向转弯。此问题只需要把电磁传感器1的信号输出端接到电机M2所对应的LED电平显示电路的输入端，电磁传感器的信号输出端接到电机M1所对应的LED电平显示电路的信号输入端，因为此时电磁传感器1控制的是电机M2,磁传感器2控制的是电机M1,这种控制情况下，各电机所对应的LED电平显示电路中的LED灯亮灭个数、4级控制电路的等效电阻都与刚刚相反，此时电机M1的速度比电机M2的速度快，小车将会左偏即向左转弯，沿着图16所示的电磁引导线进行转弯。问题二及解决方法当电磁传感器在电机一侧时，将上述问题一解决好后，再次对小车的实际运行进行检测调试，在小车沿着电磁引导线的路径进行行驶时发现，小车已经能够沿着电磁引导线进行转弯，但转弯过程中存在一个很明显的问题：小车转弯的灵敏度不是很高，导致大多数地方不能准确转弯，从而也走也偏离电磁引导线，最终导致两电磁传感器探测不到信号，两电机停止转动即小车停止运行。由图18分析知，只有电机M1的速度比M2的速度快，小车此时才会转弯，但现在小车会转弯，说明两电机存在转速差， 电磁传感器2电磁传感器1 电磁传感器2电磁传感器1 电磁引导线M2M1M2M1图18问题2分析图但转弯过程中发现小车还没转过弯，电磁传感器1已经逐渐远离电磁引导线、电磁传感器2已经逐渐靠近电磁引导线，导致电机M1与M2的速度差逐渐为0，因此小车将不会转弯行驶，而是朝着正前方行驶，直到两个电磁传感器都探测不到信号时，小车停止行驶。说明两电机的转速差不足够大，导致小车还没转过弯，两电机的速度已经越来越接近，所以只有使小车在转弯过程中，两电机的转速差足够大才能顺利转弯即电机两端电压差足够大，由图18知，电机两端电压与等效电阻有关，所以就可以通过调节等效电阻的大小来控制电机在各级控制电路工作时电机两端的电压之间的差值很大即电机在各级控制电路工作时转速差很多；按上述分析重新调节各级工作时的等效电阻，得到4级的等效电阻后再次对小车进行实际运行，发现小车还是上述现象（但转弯效果有些提高），经过多次这样实际运行小车，发现图18中的所有值都不能很好的实现上述所需，因此最终把电磁传感器放在两电机之间正前方处，距离电磁引导线，电磁引导线在两电磁传感器的中点时，两电磁传感器距离引导线的距离均为8.5时，效果最好，能够实现上述所需的各级控制电路的等效电阻所对应的电压差的选取也很多，本设计采用了如下选取方案：一级等效电阻,二级等效电阻,三级等效电阻,四级等效电阻,设计成果5.1主要成果5.1.1功能本设计研制电磁制导小车的PID控制，即在地面敷设一条通有交流信号的电缆线，由小车的两个电磁传感器（分别置于电缆两侧）探测电磁信号，小车在行驶中如偏离或者靠近电缆，两个电磁探头输出的信号将产生差值，经控制电路使两个小车驱动轮的转速产生差值，从而会进行自动转弯即可以沿着地面铺设的电磁引导线所形成的路径进行自动寻线，从而无人工操作自动引导，从而应用于物流自动化。5.1.2技术参数电磁传感器在两轮之间正前方处转弯效果最好两电磁传感器距离电磁引导线的高度电磁引导线在两电磁传感器的中点时，两电磁传感器距离引导线的距离均为产品（见附录1）5.1.4元件参数（见附录2)5.2操作流程步骤图19操作流程图附录1 图1整车行走实验照片图2整车行走实验照片 图3LED电平显示图4电磁信号源附录2类型型号（数值）R01R02R03R04R05~R08R09RP0RA1~RANVVD1~VD2C4C5R2R3R4RX1C2C30.01uFT2TIP41CR0R5C0C1RX0W1~W3TD9013T1IRF640N运放LM324图5元器件参数总结与体会2010年5月，我开始了我的毕业论文工作，时至今日，论文基本完成。从最初的茫然，到慢慢的进入状态，再到对思路逐渐的清晰，整个写作过程难以用语言来表达。历经了几个月的奋战，紧张而又充实的毕业设计终于落下了帷幕。回想这段日子的经历和感受，我感慨万千，在这次毕业设计的过程中，我拥有了无数难忘的回忆和收获。3月初，在与指导老师的交流讨论中系统介绍了一下我的题目是：电磁制导小车的PID控制。当选题报告，开题报告定下来的时候，我当时便立刻着手资料的收集工作中，当时面对浩瀚的书海真是有些茫然，不知如何下手。我将这一困难告诉了指导老师，在指导老师细心的指导下，终于使我对自己现在的工作方向和方法有了掌握。在搜集资料的过程中，指导老师让我准备了一个笔记本。让我我在学校图书馆、在网上查找各类与题目相关资料，将这些宝贵的资料全部记在笔记本上，尽量使我的资料完整、精确、数量多，这有利于论文的撰写。然后我将收集到的资料及时拿给导师进行沟通。4月-5月初，资料已经查找完毕了，我开始着手设计电磁制导小车的PID控制的工作。在设计电路初期，由于没有设计经验，觉得无从下手，空有很多设计思想，却不知道应该怎么做，经过赵老师的指导，并和同学互相交流，在设计过程中遇到困难我就及时和指导老师联系，我的设计渐渐有了头绪，在大家的帮助下，困难一个一个解决掉，设计也慢慢成型。5月底开始进行毕业论文的撰写，这次毕业论文的制作过程是我的一次再学习，再提高的过程。在论文中我充分地运用了大学期间所学到的知识。在撰写论文的过程中，赵老师也给了我很大的帮助，给我多次修改并提出意见，并及时的指出我论文中的一下错误和一些不准确的表达，让我对电磁制导小车的PID控制有了更深的理解，在此我非常感谢赵老师。在整个过程中，我学到了新知识，增长了见识。在今后的日子里，我仍然要不断地充实自己，争取在所学领域有所作为。脚踏实地，认真严谨，实事求是的学习态度，不怕困难、坚持不懈、吃苦耐劳的精神是我在这次设计中最大的收益。我想这是一次意志的磨练，是对我实际能力的一次提升，也会对我未来的学习和工作有很大的帮助。谢辞在临近毕业之际，我还要借此机会向在这四年中年中给予我诸多教诲和帮助的各位老师表示由衷的谢意，感谢他们四年来的辛勤栽培。不积跬步何以至千里，各位任课老师认真负责，在他们的悉心帮助和支持下，我能够很好的掌握和运用专业知识，并在设计中得以体现，顺利完成毕业论文。同时，在论文写作过程中，我还参考了有关的书籍和论文，在这里一并向有关的作者表示谢意。我还要感谢我的同学们以及我的各位室友，在毕业设计的这段时间里，你们给了我很多的启发，提出了很多宝贵的意见，对于你们帮助和支持，在此我表示深深地感谢！在本论文的写作过程中，我的指导老师赵永康老师倾注了大量的心血，从选题到开题报告，从写作提纲，到一遍又一遍地指出每稿中的具体问题，严格把关，循循善诱，在此我表示衷心感谢。同时我还要感谢在我学习期间给我极大关心和支持的各位老师以及关心我的同学和朋友。写作毕业论文是一次再系统学习的过程，毕业论文的完成，同样也意味着新的学习生活的开始。我将铭记我曾是一名昆明理工大学的学子，在今后的工作中把昆明理工大学的优良传统发扬光大。参考文选童诗白华成英.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社余孟尝.数字电子技术基础[M].北京：高等教育出版社赵燕.传感器原理及应用[M].北京：北京大学出版社周文良.电子电路设计与实践[M].北京：国防工业出版社黄坚.自动控制原理及运用[M].北京：高等教育出版社王志新罗文光.电机控制技术[M].机械工业出版社陈伯时．电力拖动自动控制系统[M]．北京：机械工业出版社冯冬青.谢宋和．模糊智能控制[M]．北京：化工工业出版社季维发,过润秋,严武升等.机电一体化技术[M].电子工业出版社飞思卡尔电磁传感器[J]韩利虎.浅谈步进电机的基本原理[J].内蒙古石油化工12、赵良炳.现代电力电子技术基础[M].清华大学出版社13、IsaoTakahashi,ToshihikoNoguchi.Anewresponeseandhigh-efficiencycontrolstrategyofanmotor[J].IEEETransonIndAppl14、DepenbrockM.Directself-control(DSC)ofinverterfedmachine[J].IEEETransonPE15、阎石.数字电子电路[Z]北京：中央广播电视大学出版社中英文翻译英语原文：PIDcontrollerAproportional–integral–derivativecontroller(PIDcontroller)isageneric.controlloopfeedbackmechanismwidelyusedinindustrialcontrolsystems.APIDcontrollerattemptstocorrecttheerrorbetweenameasuredprocessvariableandadesiredsetpointbycalculatingandthenoutputtingacorrectiveactionthatcanadjusttheprocessaccordingly.ThePIDcontrollercalculation(algorithm)involvesthreeseparateparameters;theProportional,theIntegralandDerivativevalues.TheProportionalvaluedeterminesthereactiontothecurrenterror,theIntegraldeterminesthereactionbasedonthesumofrecenterrorsandtheDerivativedeterminesthereactiontotherateatwhichtheerrorhasbeenchanging.Theweightedsumofthesethreeactionsisusedtoadjusttheprocessviaacontrolelementsuchasthepositionofacontrolvalveorthepowersupplyofaheatingelement.By"tuning"thethreeconstantsinthePIDcontrolleralgorithmthePIDcanprovidecontrolactiondesignedforspecificprocessrequirements.Theresponseofthecontrollercanbedescribedintermsoftheresponsivenessofthecontrollertoanerror,thedegreetowhichthecontrollerovershootsthesetpointandthedegreeofsystemoscillation.NotethattheuseofthePIDalgorithmforcontroldoesnotguaranteeoptimalcontrolofthesystemorsystemstability.Someapplicationsmayrequireusingonlyoneortwomodestoprovidetheappropriatesystemcontrol.Thisisachievedbysettingthegainofundesiredcontroloutputstozero.APIDcontrollerwillbecalledaPI,PD,PorIcontrollerintheabsenceoftherespectivecontrolactions.PIcontrollersareparticularlycommon,sincederivativeactionisverysensitivetomeasurementnoise,andtheabsenceofanintegralvaluemaypreventthesystemfromreachingitstargetvalueduetothecontrolaction.Note:Duetothediversityofthefieldofcontroltheoryandapplication,manynamingconventionsfortherelevantvariablesareincommonuse.1.ControlloopbasicsAfamiliarexampleofacontrolloopistheactiontakentokeepone'sshowerwaterattheidealtemperature,whichtypicallyinvolvesthemixingoftwoprocessstreams,coldandhotwater.Thepersonfeelsthewatertoestimateitstemperature.Basedonthismeasurementtheyperformacontrolaction:usethecoldwatertaptoadjusttheprocess.Thepersonwouldrepeatthisinput-outputcontrolloop,adjustingthehotwaterflowuntiltheprocesstemperaturestabilizedatthedesiredvalue.Feelingthewatertemperatureistakingameasurementoftheprocessvalueorprocessvariable(PV).Thedesiredtemperatureiscalledthesetpoint(SP).Theoutputfromthecontrollerandinputtotheprocess(thetapposition)iscalledthemanipulatedvariable(MV).Thedifferencebetweenthemeasurementandthesetpointistheerror(e),toohotortoocoldandbyhowmuch.Asacontroller,onedecidesroughlyhowmuchtochangethetapposition(MV)afteronedeterminesthetemperature(PV),andthereforetheerror.ThisfirstestimateistheequivalentoftheproportionalactionofaPIDcontroller.TheintegralactionofaPIDcontrollercanbethoughtofasgraduallyadjustingthetemperaturewhenitisalmostright.Derivativeactioncanbethoughtofasnoticingthewatertemperatureisgettinghotterorcolder,andhowfast,andtakingthatintoaccountwhendecidinghowtoadjustthetap.Makingachangethatistoolargewhentheerrorissmallisequivalenttoahighgaincontrollerandwillleadtoovershoot.Ifthecontrollerweretorepeatedlymakechangesthatweretoolargeandrepeatedlyovershootthetarget,thiscontrolloopwouldbetermedunstableandtheoutputwouldoscillatearoundthesetpointineitheraconstant,growing,ordecayingsinusoid.Ahumanwouldnotdothisbecauseweareadaptivecontrollers,learningfromtheprocesshistory,butPIDcontrollersdonothavetheabilitytolearnandmustbesetupcorrectly.Selectingthecorrectgainsforeffectivecontrolisknownastuningthecontroller.Ifacontrollerstartsfromastablestateatzeroerror(PV=SP),thenfurtherchangesbyt