1、- 1 -目录全套图纸，加 1538937061. 引言 .21.1 选题的依据及课题的意义 21.2 国内外的研究概况 31.3 单片机控制系统的发展概况 41.4 PID 控制算法的发展概况 51.5 设计要求及工作内容 61.6 目标、主要特色及工作进度 72 机械结构与液压传动系统设计 .72.1 系统结构分析 72.2 千斤顶零部件分析 92.3 油缸与螺纹的校验 .122.3.1 油缸的壁厚校验 122.3.2 锁母螺纹牙剪切强度校验 .132.3.3 锁母螺纹牙的弯曲强度校验 142.4 液压系统分析 .142.5 液压泵与电动机的选择 .152.6 超高压泵站简介 .163 .
2、 单片机控制系统设计 173.1 单片机的选用及功能介绍 .173.2 片外存储器功能简介 .183.3 显示部分设计 .213.4 键盘部分设计 .25- 2 -3.5 交流异步电动机变频调速系统 .273.5.1 交流异步电动机变频调速原理 .283.5.2 主电路和逆变电路工作原理 283.5.3 变频与变压 .323.6 位移检测部分的设计 .383.6.1 位移检测传感器的选用 .383.6.2 光栅位移传感器与单片机的接口设计 .403.7 位移传感器部分的设计 .433.7.1 A/D 转换器的选择 433.7.2 压力传感器与单片机的接口设计 .474系统的 PID 控制算法
3、.484.1 PID 控制原理 .484.2 数字 PID 控制算法 504.2.1 位置式 PID 控制算法 .504.2.2 增量式 PID 控制算法 514.3 智能自适应 PID 控制器 525. 系统模拟仿真 .575.1 SIMULINK 概述 585.2 SIMULINK 的窗口和菜单 585.3 用 SIMUINK 创建模型 .605.4 用 SIMULINK 进行系统仿真与分析 615.4.1 建立控制系统模型 .615.4.2 系统模块参数设置与仿真参数设置 .625.4.3 系统仿真与分析 .646.结论 677.致 谢 .688. 参考文献 .681. 引言- 3 -1
4、.1 选题的依据及课题的意义随着现代社会的不断发展，工业化程度的不断深入，大尺寸、大重量、不规则表面的工件越来越多的成为工厂加工的对象。而在加工过程中如何将这些工件准确的提升至预定位置则成为最难解决的问题，这时传统的千斤顶和起重机等设备就显示出先天不足的缺陷来。也正是在这种环境下，同步顶升系统应运而生，并在建筑、机械加工、造船等行业扮演着越来越重要的角色。同步顶升系统是由控制系统协调控制多个千斤顶，使其具备顶升大重量、大体积、复杂工作表面的工件的能力，并具有同步升降、点动升降、连续升降、侧翻仰俯等功能的机电一体化设备。其控制系统可以是微机、单片机、可编程控制器等；其动力系统有液压式、气电式、汽
5、液两用式等；吨位从几百公斤到几千吨不等，主要由动力方式和千斤顶的个数来决定 。由于其体积小、承载重、精度高、结构简单、控制方便、使用灵活等优点被广泛的用于电力、建筑、机械制造、矿山、铁路桥梁、造船等多种行业中，在设备安装、起顶拆卸、静力压桩、设备校调、基础沉降等工作岗位发挥了重要的作用。基于单片机控制、液压传动的四顶顶升系统是较常见的，控制算法较简单的一种。由于其控制简便、吨位适中、价格也很低廉的优点使得其在中小企业、民营单位甚至轻工业领域都有很高的使用度。其重要性不言而喻，对其进行研究和开发具有很大的市场空间和实用价值。1.2 国内外的研究概况国外对同步系统的研究起步较早，基于单片机控制、液
6、压传动的四顶顶升系统是较常见的，控制算法较简单的一种。由于其控制简便、吨位适中、价格也很低廉的优点使得其在中小企业、民营单位甚至轻- 4 -工业领域都有很高的使用度。美国实用动力 ENERPAC 是这一行业的佼佼者，在澳大利亚的昆士兰州，G b为许用弯曲应力。锁母内螺纹的公差直径 d 为 160mm，查表可知螺纹中径 d2为152mm弯曲力臂 l*=(d-d2)/2=4mm，- 15 -许用弯曲应力 b=1.2=72Mpa经计算 b=29.44MPa72Mpa经校验螺纹牙的弯曲强度在许用范围之内。2.4 液压系统分析液压系统的主要功能是为千斤顶提供动力，通过换向装置使千斤顶具有上升和下降的功能
7、。为千斤顶的正常工作提供保证和保护措施。由于该顶升系统采用单片机控制，并配有压力传感器和光栅位移传感器来检测压力信号和千斤顶的位移量，所以可通过单片机控制油缸内的压力、进油口的流量和活塞的运动速度。这样在一般液压系统中常用到的节流阀、调速阀、背压阀、减压阀等元器件可不必使用到，液压回路得到极大的简化。在液压油路的进油端设置一个溢流阀，给液压系统提供双重保护。在回油端设置一滤油器，保证油液清洁，可提高使用寿命。使用二位四通的电磁换向阀改变油路方向。为使液压缸的运动速度不受载荷变化的影响，保持稳定，我们在油缸的下腔进油口处安装一个平衡阀，该阀不但能保证千斤顶升降时都处于进油调速状态，同时还具有单向
8、阀的功能，所以无论是停电还是破管时，平衡阀均能无泄漏的立即将下腔封闭，保证工件不会自由下滑。使千斤顶在停电状态仍能可靠承载。综合上述观点，我们将液压原理图设计如下：- 16 -如图 2.4-1 所示，二位四通电磁换向阀的电磁铁的工作状态是由单片机控制的，当换向阀电磁铁通电时，换向阀左位接入系统，油液经电磁换向阀和平衡阀进入油缸下腔，使得千斤顶上升，再从油缸上腔流出，经电磁换向阀和滤油器流回到油箱内，这时平衡阀的作用相当于一个单向阀；反之，当换向阀电磁铁断电时，换向阀右位接入系统，油液经换向阀流入油缸上腔，当上腔压力达到一定值时，平衡阀上位接入系统，这时平衡阀的作用相当于一个节流阀，油液从油缸下
9、腔流出，经平衡阀、电磁换向阀和滤油器流回到油箱。从而实现了千斤顶升降换向功能，并具有过载保护和断电保护的功能。2.5 液压泵与电动机的选择为了保证系统正常运转和泵的使用寿命，一般在固定设备系统中，正常工作压力为泵的额定压力的 80%左右。正常工作时千斤顶的最大压力为 28.656MPa。所以为满足要求，泵的工作压力为：p=28.565/0.8=35.71 MPa- 17 -千斤顶的最大运动速度为 60mm/min，液压缸的有效面积为7077.56mm2。所以液压泵向液压缸提供的最大流量为：q=7077.56x60/1000000=0.425L/min若回路中的泄漏按液压缸输入流量的 10%估计
10、，则液压泵的总流量为Q=0.425x1.1=0.467L/min。根据以上压力和流量的数值查阅产品目录，最终确定所选液压泵的型号为 7631-R0.61。这种液压泵的额定工作压力为 40MPa，流量为0.61L/min，完全符合工作要求。千斤顶的最大工作载荷为 20t，即 200000N，运动速度为60mm/min，即 0.001m/s。按液压泵的总效率为 0.75， ，则液压泵驱动电动机所需的功率为：P=200000x0.001/0.75=0.266kW根据此数据查阅电动机产品目录选用功率大于 0.266kW 的电动机。2.6 超高压泵站简介最后我们综合考虑了液压泵、电动机、液压回路等因素后
11、，选用BZ40-0.61 型超高压油泵站。这个油泵站的外形尺寸（mm）为650x370x765，主要部件包含有 1 个 HAWE 公司生产的 7631-R0.61 液压泵、1 个二位四通的电磁换向阀与溢流阀组件，一个 ABB 公司生产的 M2QA 90L4A 型电动机、两根 63MPa 高压软管和两个软管接头。液压泵的额定压力为 40Mpa，流量为 0.61L/min，电动机的功率为1.5kW，所采用的工作介质是 Y-N32 型抗磨液压油，储油量为 45L。这种液压油需要经过过滤精度为 0.5m 过滤后才能使用，这样可提高同步系统的可靠性并延长泵站使用寿命。- 18 -选用这个超高压的原因是站
12、内设有溢流阀和二位四通电磁换向阀组件，具有电动控制部分，使油泵站具备操作简单、使用方便、安全可靠的优点。3 . 单片机控制系统设计同步顶升系统的控制系统可以是微机、单片机、可编程控制器等，考虑到本次设计的顶升系统仅有 4 个千斤顶，控制器需要进行的运算量不大，而且本系统提供的功能并不复杂，单片机 MCS-51 足以。所以从节省成本的角度出发选择了单片机控制系统。将本次单片机的控制系统划分为以下几个模块：图 3-1 单片机模块图3.1 单片机的选用及功能介绍MCS-51 系列单片机是美国 INTEL 公司在 1980 年推出的 8 位单片微型计算机。其典型产品有 8031、8051 和 8751
13、 三种机型，除片内程序存储器的容量不同外，其内部结构与引脚完全相同。在此我们选用了较为常用的 8051 芯片。其引脚示意图如图 3.1-1 所示：MCS-51 系列单片机由微处理器、存储器、定时器/计数器、串行和并行的 I/O接口、中断系统合振荡器构成。8051 的 P0.0P0.7 这 8 根引脚采用分时复用的方法作低 8 位地- 19 -址线与双向 8 位数据线；P2.0P2.4 这 5 根引脚在访问片外存储器或扩展 I/O 接口时，提供高位地址；P2.5P2.7 和 P1.0 这 4 根引脚接2 片 74LS138 译码器，产生片选信号；引脚 ALE 接地址锁存器74LS373、8155
14、、8279 和 SA4828 的使能端；EA/V PP端因不访问片内存储器而接地；X1、X2 接 6MHz 的晶振；RESET 端接重启电路。图 3.1-1 MCS-51 芯片引脚示意图3.2 片外存储器功能简介片外存储器扩展包括程序存储器（ROM）扩展和数据存储器（RAM）扩展。MCS-51 系列单片机具有 64KB 的程序存储空间，其中 8051、8071片内有 4KB 的程序存储器，8031 片内无程序存储器。当采用8051、8071 型单片机而程序超过 4KB，或采用 8031 单片机时，就需对程序存储器进行外部扩展。外部程序存储器的扩展原理如图 3.2-1 所示：P0 口EAALEP
15、2 口PSN数据输出锁存器数据输入指令EPROMOE- 20 -图 3.2-1 外部程序存储器扩展原理图外部程序存储器可选用 EPROM、E PROM、PAGED EPROM 和 KEPROM2等。紫外线擦除电可编程只读存储器 EPROM，典型产品有 Intel 公司的系列芯片 2716（2K 8 位）、2732A（4K 8 位） 、2764A（8K 8 位）、27128A（16K 8 位）、27256（32K 8 位）和 27512（64K 8 位）等，在这些芯片上均设有一个玻璃口，在紫外线下照射 20 分钟左右，存储中的各位信息均变为 1。以后通过编程器可将这些程序固化到这些芯片中。Int
16、el 2764 是 8K 8 位的 E PROM，单一+5V 供电，最大工作电流2为 140mA，维持电流 60 mA，其 24 脚的管脚及原理框图见图 2-6。由于片内编程所需要的高压脉冲产生电路，因此无需外加编程电源和写入脉冲。8031 单片机内部仅有 128 个字节 RAM 存储器，而 CPU 对内部的RAM 具有丰富的操作指令。如在实时数据采集和处理时，仅靠内部的RAM 是远远不够的，因此必须扩展外部数据存储器。常用的数据存储器有静态 RAM 和动态 RAM 两种。以下为静态 RAM 与 MCS-51 的接口外部数据存储器的扩展方法如图 3.2-2 所示：P0 口ALEP2 口WRDD
17、 D07地址RAMCEWO锁存器译 码- 21 -图 3.2-2 外部数据存储器的扩展原理图8031 单片机应用系统中，静态 RAM 最为常用，因为这种这种存储器无需考虑刷新问题。但是与动态 RAM 相比，需要消耗较大的功率，价格也较高。下面对本文中所涉及的 6264 为例，介绍静态 RAM 的扩展。6264 是 8K 8 位的静态随机存储芯片，采用 CMOS 工艺制造，单一+5V 供电，额定功率 200mW，典型存储时间 200ns，为 28 线双列直插式封装。6264 的 A A 这 13 条地址线与锁存器的输出及 P2 口对012应线相连，6264 的 D D 这 8 条数据线与 803
18、1 的 P0 口对应相连，76264 的 和 与 8031 的 和 对应，CS 接高电平。OEWRW2按照这种片选方式，6264 的 8KB 地址范围不唯一，6000H7FFFH是一种地址范围。当向该片 6000H 单元写有个数据 DATA 时，可用如下指令：MOV A，#DATAMOV DPTA，#6000HMOVX DPTR，A从 7FFFH 单元读一个数据时，可用如下指令：MOV DPTR，#7FFFHMOVX A，DPTR上面讨论的是 8031 扩展一片 EPROM 或 RAM 的方法。在实际应用中，可能需要扩展多片 EPROM 或 RAM。本次设计要扩展 8K 8 位的EPROM 和
19、 8K 8 位的 RAM 各 3 片。当 CPU 通过指令 MOVC A，A+DPTR- 22 -发出读 EPROM 操作时，P2、P0 发出的地址信号应能选择其中一片的一个存储单元，即 8 片 2764 不应该同时被选中，这就是所谓的片选。我们采用了地址法译码，译码芯片为 2 片 74LS138。总共可提供 16 个片选信号。3.3 显示部分设计显示设备有 CRT、LCD、LED 等，我们选用的是功能简单的 LED 数码管显示器。LED 显示器由 7 条发光二极管组成显示字段，有的还带有小数点dp。将 7 段发光二极管阴极连在一起，称为共阴接法，当某个字段的阳极为高电平时，对应的字段就点亮。
20、如下图所示点亮 LED 显示器有静态和动态两种方法。所谓静态显示，就是显示某一字符时，相应的发光二极管恒定的导通或截止，这种方式，每一显示位都需要一个 8 位输出口控制，占有硬件较多，一般仅用于显示器位数较少的场合。图 3.3-1 数码管的引脚示意图所谓动态显示，就是一位一位地轮流点亮各位显示器。对每一位- 23 -显示器而言，每隔一段时间点亮一次。显示位的亮度显示位的亮度跟导通电流有关，也和点亮时间和间隔时间的比例有关。动态显示器因为其成本较低，多数显示撕常常采用。为了显示字符，要为 LED 显示器提供显示段码（或称字形代码） ，组成一个“8”字形的 7 段，再加上一个小数点位，共计 8 段
21、，因此提供 LED 显示器的显示段码为一个字节。各段码位的对应关系如表 3.3-1：表 3.3-1 段码位 D 7D 6D 54D 3D 2D1D 0显示位 dp g f e d c b aLED 要正常工作需要通过 I/O 接口芯片 8155 与 8051 相连。8155 芯片内具有 256 个字节的 RAM，两个 8 位、一个 6 位的可编程 I/O 和一个 14 位计数器，与 MCS-51 接口简单，是单片机应用系统中使用最广泛的芯片8155 的结构框图如图 3.3-2 所示。图 3.3-2 8155 的逻辑结构图和引脚示意图- 24 -在 8155 内部具有：（1）256 字节的静态
22、RAM，存取时间为 400ns。（2）三个通用的输入/输出口。（3）一个 14 位的可编程定时/计数器。（4）地址锁存器及多路转换的地址和数据总线。（5）单一+5V 电源，40 脚双列直插式封装。8155 可以和 MCS-51 直接相连，见附图所示。8155 的 RAM 和各端口地址如下：RAM 的地址：000H00FFH命令口：0200HA 口：0201HB 口：0202HC 口：0203H定时器低位：0204H定时器高位：0205H6 位 LED 显示器和 8155 的接口逻辑见附录图所示。设 8051RAM 中有 6 个显示缓冲单元 79H7EH，分别存放 6 位显示器的显示数据。815
23、5 的 A 口扫描输出总有一位为高电平，8155 的 B 口输出相应位的显示数据的段数据，使每一位显示出一个字符，其余位为暗，依次改变 A 口输出的饿高电平位及 B 口输出对应的段数据，6 位显示器就显示出缓冲器的显示字符。程序清单如下：DIR： MOV R0，#79H ；显示缓冲区首址送 R0MOV R3，#01H ；使显示器最右边位亮MOV A，R3LD0： MOV DPTR，#0101H ；扫描值送入 PA 口MOVX DPTR，A- 25 -INC DPTR ；指向 PB 口MOV A，R0 ；取显示数据MOV A，#12H ；加上偏移量MOVX A，A+PC ；取出字形MOVX DP
24、TR，A ；送出显示ACALL DL1 ；延时INC R0 ；缓冲区地址加 1MOV A，R3 ；JB ACC.5，LD1 ；扫到第 6 个显示位了吗？RL A ；没有，R3 左环移一位，扫描下一个显示位MOV R3，AAJMP LD0LD1： RETDSEG： DB 3FH，06H，5BH，4FH，66H，6DH ；显示段码表DSEG1： DB 7DH，07H，7FH，6FH，77H，7CHDSEG2： DB 39H，5EH，79H，71H，73H，3EHDSEG3： DB 31H，61H，1CH，23H，40H，03HDSEG4： DB 18H，00H，00H，00HDL1： MOV R7
25、，#02H ；延时子程序DL： MOV R6，#0FFHDL6：DJNZ R6，DL6DJNZ R7，DLRET3.4 键盘部分设计- 26 -键盘共设有 32 个键，由 4 条行线 8 条列线组成开关矩阵。对于开关矩阵的接法大多数单片机的入门教科书上大多是采用 8155 作为键盘 I/O 的接口芯片，但 8155 芯片不具备中断请求输出端，于是不得不采用键盘扫描程序不断的检测是否有按键被使用，这样就给单片机造成了很大的运算负担，运算量较大时有可能造成系统无法响应，所以我们在这里选用了专门用于键盘连接的 8279 芯片。8279 芯片的引脚示意图如图 3.4-1 所示：图 3.4-1 8279
26、 的引脚示意图8279 采用单一5V 电源供电，40 脚封装。DB0DB7:双向数据总线，用来传送 8279 与 CPU 之间的数据和命令。CLK:时钟输入线，用以产生内部定时的时钟脉冲。RESET:复位输入线，8279 复位后被置为字符显示左端输入，二键闭锁的触点回弹型式，程序时钟前置分频器被置为 31,RESET 信号为高电平有效。CS:片选输入线，低电平有效，单片机在 CS 端为低时可以对 8279读/写操作。A0:缓冲器低位地址，当 A0 为高电平时，表示数据总线上为命令- 27 -或状态， 当为低电平时，表示数据总线上为命令或状态，当为低电平时，表示数据总线上为数据。RD:读信号输入
27、线，低电平有效，将缓冲器读出，数据送往外部总线。WR:写信号输入线，低电平有效，将缓立器读出,将数据从外部数据总线写入 8279 的缓冲器。IRQ:中断请求输出线，高电平有效，在键盘工作方式下，当FIFO/传感器 RAM 中有数据时，此中断线变为高电平，在 FIFO/传感器RAM 每次读出时，中断线就下降为低电平，若在 RAM 中还有信息，则此线重又变为高电平。在传感器工作方式中， 每当探测到传感器信号变化时，中断线就变为高电平。SL0SL3:扫描线，用来扫描按键开关，传感器阵列和显示数字， 这些可被编程或被译码。RL0RL7:回送线，经过按键或传感器开关与扫描线联接， 这些回送线内部设置有上
28、拉电路，使之保持为高电平，只有当一个按闭合时，对应的返回线变为低电平；无按键闭合时，均保持高电平。SHIFT:换位功能，当有开关闭合时被拉为低电平，没有按下SHIFT 开关时，SHIFT 输入端保持高电平，在键盘扫描方式中，按键一闭合，按键位置和换位输入状态一起被存贮起来。CNTL/STB:当 CNTL/STB 开关闭合时将其拉到低电平，否则始终保持高电平， 对于键盘输入方式，此线用作控制输入端，当键被按下时，按键位置就和控制输入状态一起被存贮起来，在选通输入方式中，作选通用，把数据存入 FIFO RAM 中。OUTA3OUTA0 及 OUTB3OUTB0:显示输出 A 口及 B 口，这两个口
29、是 164 切换的数字显示。这两个端口可被独立控制，也可看成一个8 位端口。BD:空格显示,此输出端信号用于在数字转换时将显示空格或者用- 28 -显示空格命令控制其显示空格字符。VCC:5V 电源输入线。VSS:地线输入线。3.5 交流异步电动机变频调速系统交流异步电动机因为结构简单、体积小、重量轻、价格便宜、维护方便的特点，在生产和生活中得到广泛应用。与其他种类电动机相比，交流异步电动机的市场占有量始终第一位。然而，长期以来，交流异步电动机的调速始终是一个不好解决的难题。直到 20 世纪 70 年代，由于计算机的产生，以及近 20 年来新型快速的电力电子原件的出现，才使得交流异步电动机调速
30、成为可能，并得到迅速的普及。目前，交流异步电动机调速系统已广泛用于数控机床、风机、泵类、传带机、给料系统、空调器等设备的动力源或运动源，并起到节约电能、提高设备自动化、提高产品产量和质量的良好效果。因此，交流异步电动机调速技术是现代自动控制专业技术人员必须要掌握的知识。现代流行的交流异步电动机调速控制方法是变频变压法（VVVF） 。这种调速方法的原理比较简单，而且有 20 多年比较成熟的发展经验，因此应用得较多，市场上也有较多的相关产品。3.5.1 交流异步电动机变频调速原理根据电机学理论，交流异步电动机的转速可由式(3.5.1)表示：(3.5.1)60(1)fnsp式中: n-电动机转速p-
31、电动机磁极对数- 29 -f-电源频率s-转差率由上式可知，影响电动机转速的因素有：电动机的磁极对数 p、转差率 s 和电源频率 f。其中，改变电源频率来实现交流异步电动机调速的方法效果最理想，这就是所谓变频调速。3.5.2 主电路和逆变电路工作原理变频调速实质上是向交流异步电动机提供一个频率可控的电源。能实现这一功能的装置称为变频器。变频器由两部分组成：主电路和控制电路，其中主电路通常采用交-直-交方式，即先将交流电转变成直流电（整流、滤波） ，再将直流电转变成频率可调的矩形波交流电（逆变） 。图 3.5.2-1 是主电路的原理图，它是变频器常用的最基本的格式。图 3.5.2-1 电压型交-
32、直-交变频调速主田路（1）.主电路中各元件的功能主电路中各元件的功能如下。交-直电路整流管 D1D6 组成三相整流桥，对三相交流电进行全波整流。整流后的直流电压- 30 -U=1.35 x 380V = 513V滤波电容 Cr 滤除整流后的电压波纹，并在负载变化时保持电压平稳。当变频器通电时，瞬时冲击电流较大，为了保护电路元件，加限流电阻 Ra。延时一段时间后，通过控制电路使开关 JK 闭合，将限流电阻短路。电源指示灯 LP 除了指示电源通断外，还可以在电源断开时，作为滤波电容 Cr 放电通路和指示。滤波电容 Cr 容量通常很大；所以放电的时间较长（数分钟） ，几百伏的高电压会威胁人员安全，因
33、此，在维修时要等指示灯熄灭后进行。Rc 是制动电阻。电动机在制动过程中处于发电状态，由于电路是处在断开情况下，增加的电能无处释放，使电路电压不断升高，将会损坏电路元件。所以，应给一个放电通路，使这部分再生电流耗在电阻 Rc 上。制动时，通过控制电路使开关管 Tc 导通，形成放电通路。直-交电路逆变开关管 T1T6 组成三相逆变桥，将直流电逆变成频率可调的矩形波交流电。逆变管可以选择绝缘栅双极晶体管 IGBT、功率效应管MOSFET。续流二极管 D7D12 的作用是：当逆变开关管由导通状态变为截止时，虽然电压突变将为 0，但由于电动机线圈的电感作用，储存在线圈中的电能开始释放，续流二级管提供通道，维持电流继续在线圈中流动。另外，当电动机制动时，续流二级管为再生电流提供通道，使其回流到直流电源。电阻 R1R6、电容 C1C6、二极管 D13D18 组成缓冲电路，来保护逆变开关管。由于开关管在开通和关断时，要受集电极电流 Ic和集电极与发射极间电压 VCE 的冲击，如图所示，因此要通过缓冲电
