精华内容
参与话题
问答
  • 基于51单片机的交通灯控制系统设计

    万次阅读 多人点赞 2018-11-24 13:38:11
    交通灯是生活中的重要系统。本设计为基于51单片机交通灯系统的设计,采用模块化、层次化设计。运用单片机AT89C51进行数据的分析和处理,为显示提供信号,显示部分采用8位数码管显示倒计时值。系统电路简单、集成度高...

    第一章 硬件设计与原理
    以AT89C51单片机为核心,起着控制作用。系统包括数码管显示电路、复位电路、时钟电路、发光二级管电路和按键电路。设计思路分为六个模块:复位电路、晶振电路模块、AT89C51、数码管显示电路、发光二级管电路和按键电路这六个模块。

    在这里插入图片描述

    1.2 硬件设计分析
    1.2.1 电源的设计
    系统电源使用直流5伏。
    由电脑USB接口提供电源。
    USB是通用串行总线(Universal Serial Bus)接口的简称。它是目前使用比较广泛的电脑接口之一,主要版本有1.0、1.1和最新的2.0三种版本。根据USB总线的工业标准,它可以提供额定功率为5V/500mA的电源供USB设备使用。
    1.2.2 单片机最小系统
    51单片机是对目前所有兼容intel 8031指令系统的单片机的统称。该系列单片机的始祖是intel的8031单片机,后来随着技术的发展,成为目前广泛应用的8为单片机之一。单片机是在一块芯片内集成了CPU、RAM、ROM、定时器/计数器和多功能I/O口等计算机所需要的基本功能部件的大规模集成电路,又称为MCU。51系列单片机内包含以下几个部件:
    一个8位CPU;一个片内振荡器及时钟电路;
    4KB的ROM程序存储器;
    一个128B的RAM数据存储器;
    寻址64KB外部数据存储器和64KB外部程序存储空间的控制电路;
    32条可编程的I/O口线;
    两个16位定时/计数器;
    一个可编程全双工串行口;
    5个中断源、两个优先级嵌套中断结构。
    如图1-2-1所示为AT89C51单片机基本构造,其基本性能介绍如下:
    图1-2-1 AT89C51单片机

    AT89C51本身内含40个引脚,32个外部双向输入/输出(I/O)端口,同时内含2个外中端口,3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口,STC89C51RC可以按照常规方法进行编程,但不可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起,特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。
    AT89C51的主要特性如下表所示:

    在这里插入图片描述

    AT89C51为40脚双列直插封装的8位通用微处理器,采用工业标准的C51内核,在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52相同,其主要用于会聚调整时的功能控制。功能包括对会聚主IC内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化,会聚调整控制,会聚测试图控制,红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。主要管脚有:XTAL1(19脚)和XTAL2(18脚)为振荡器输入输出端口,外接12MHz 晶振。RST/Vpd(9脚)为复位输入端口,外接电阻电容组成的复位电路。VCC(40脚)和VSS(20脚)为供电端口,分别接+5V电源的正负端。P0~P3 为可编程通用I/O脚,其功能用途由软件定义,在本设计中,P0端口(32~39脚)被定义为N1功能控制端口,分别与N1的相应功能管脚相连接,13脚定义为IR输入端,10脚和11脚定义为I2C总线控制端口,分别连接N1的SDAS(18脚)和SCLS(19脚)端口,12脚、27脚及28脚定义为握手信号功能端口,连接主板CPU的相应功能端,用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。
    P0口:P0口是一组8位漏极开路型双向I/O 口,也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时,每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路,对端口P0写“1”时,可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时,这组口线分时转换地址(低8位)和数据总线复用,在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash 编程时,P0口接收指令字节,而在程序校验时,输出指令字节,校验时,要求外接上拉电阻。
    P1口:P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口,P1的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口。作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。与AT89C51不同之处是,P1.0和P1.1还可分别作为定时/计数器2 的外部计数输入(P1.0/T2)和输入(P1.1/T2EX)。Flash编程和程序校验期间,P1接收低8位地址。
    P2口:P2是一个带有内部上拉电阻的8 位双向I/O口,P2的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。对端口P2写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口,作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器(例如执行MOVX @DPTR指令)时,P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器(如执行MOVX @RI指令)时,P2口输出P2锁存器的内容。Flash编程或校验时,P2亦接收高位地址和一些控制信号。
    P3口:P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“1”时,它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。此时,被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流(IIL)。P3口除了作为一般的I/O口线外,更重要的用途是它的第二功能P3口还接收一些用于Flash 闪速存储器编程和程序校验的控制信号。
    RST:复位输入。当振荡器工作时,RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。
    ALE/PROG:当访问外部程序存储器或数据存储器时,ALE(地址锁存允许)输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。一般情况下,ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号,因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是:每当访问外部数据存储器时将跳过一个AL脉冲。对Flash存储器编程期间,该引脚还用于输入编程脉冲(PROG)。如有必要,可通过对特殊功能寄存器(SFR)区中的8EH单元的D0位置位,可禁止ALE操作。该位置位后,只有一条 MOVX 和MOVC指令才能将ALE激活。此外,该引脚会被微弱拉高,单片机执行外部程序时,应设置ALE禁止位无效。
    PSEN:程序储存允许(PSEN)输出是外部程序存储器的读选通信号,当AT89C51由外部程序存储器取指令(或数据)时,每个机器周期两次PSEN有效,即输出两个脉冲。在此期间,当访问外部数据存储器,将跳过两次PSEN信号。
    EA/VPP:外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器(地址为0000H—FFFFH),EA端必须保持低电平(接地)。需注意的是:如果加密位LB1被编程,复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平(接Vcc端),CPU则执行内部程序存储器中的指令。Flash存储器编程时,该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp,当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。
    XTAL1:振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。
    XTAL2:振荡器反相放大器的输出端。
    单片机最小原理图如图1-2-2所示。
    图1-2-2 单片机最小系统

    单片机最小系统说明:
    时钟信号的产生:在MCS-51芯片内部有一个高增益反相放大器,其输入端为芯片引脚XTAL1,其输出端为引脚XTAL2。而在芯片的外部,XTAL1和XTAL2之间跨接晶体振荡器和微调电容,从而构成一个稳定的自激振荡器,这就是单片机的时钟振荡电路。
    时钟电路产生的振荡脉冲经过触发器进行二分频之后,才成为单片机的时钟脉冲信号。
    一般地,电容C2和C3取30pF左右,晶体的振荡频率范围是1.2-12MHz。如果晶体振荡频率高,则系统的时钟频率也高,单片机的运行速度也就快。
    单片机复位使CPU和系统中的其他功能部件都处在一个确定的初始状态下,并从这个状态开始工作。单片机复位条件:必须使9脚加上持续两个机器周期(即24个振荡周期)的高电平。
    1.2.3 显示系统
    数码管是一种半导体发光器件,其基本单元是发光二极管。
    数码管按段数分为七段数码管和八段数码管,八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元(多一个小数点显示);按能显示多少个“8”可分为1位、2位、4位等等数码管;按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管。共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V,当某一字段发光二极管的阴极为低电平时,相应字段就点亮。当某一字段的阴极为高电平时,相应字段就不亮。。共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(COM)的数码管。共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上,当某一字段发光二极管的阳极为高电平时,相应字段就点亮。当某一字段的阳极为低电平时,相应字段就不亮。
    数码管要正常显示,就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码,从而显示出我们要的数字,因此根据数码管的驱动方式的不同,可以分为静态式和动态式两类。
    1) 静态显示驱动:静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动,或者使用如BCD码二-十进制译码器译码进行驱动。静态驱动的优点是编程简单,显示亮度高,缺点是占用I/O端口多,如驱动5个数码管静态显示则需要5×8=40根I/O端口来驱动(要知道一个89C51单片机可用的I/O端口才32个呢),实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动,增加了硬件电路的复杂性。
    2) 动态显示驱动:数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一,动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端连在一起,另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路,位选通由各自独立的I/O线控制,当单片机输出字形码时,所有数码管都接收到相同的字形码,但究竟是那个数码管会显示出字形,取决于单片机对位选通COM端电路的控制,所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开,该位就显示出字形,没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的的COM端,就使各个数码管轮流受控显示,这就是动态驱动。
    本设计中数码管采用的是动态驱动方式。
    数码管外形如图1-2-3,数码管电路结构如图1-2-4。

    图1-2-3 数码管外形图
    图1-2-4 数码管电路结构示意图

    在这里插入图片描述
    图1-2-5 数码管显示电路
    1.2.4 发光二级管电路

    图1-2-6 发光二级管电路
    1.2.5 按键电路
    图1-2-7 按键电路

    第二章 软件设计与分析
    2.1 软件设计的组成
    该系统由延时子函数、数码管显示子函数、定时器0中断子函数、主函数和数据定义这几部分组成。
    在这里插入图片描述

    在这里插入图片描述

    //----------------------------------------------------------------------//
    上传过程感觉繁琐,里面可能有不全面的地方,请见谅。下面的是实现的目的。以及电路原理图

    **本次设计的主要目的是设计一个城市十字路口的交通灯控制系统,设计中将交通灯控制系统分为东西方向(主干道)和南北方向(次干道)两个方向,且在东西南北四个路口的每个路口设置红、绿、黄三个交通信号灯(用发光二极管模拟)和一个二位的LED数码显示管。设计的要求是规定在每一段时间内东西和南北两个方向中只有一个方向能够通行,另一个方向处于禁行状态,然后在经过一段时间后,禁行的方向和通行的方向互相转换状态,原来通行的状态变禁行状态,原来禁行的状态变为通行状态,如此循环下去。详细过程如下图2-1:
    状态① 状态②
    图 1图2-1 交通灯状态图
    状态①:东西方向的交通灯黄灯闪烁3秒后,红灯熄灭,绿灯点亮(东西方向允许车辆和行人通行),同时南北方向绿灯熄灭,红灯点亮(南北方向禁止车辆和行人通行),LED数码管倒计时显示40秒,在倒计时3秒时进入状态②。
    状态②:南北方向黄灯闪烁3秒后,红灯熄灭绿灯点亮(南北允许车辆和行人通行);同时东西方向绿灯熄灭,红灯点亮
    (东西方向禁止车辆和行人通行),LED数码管倒计时显示40秒,在倒计时3秒时进入状态①。
    接下来在没有人为干涉下将会一直按照上述进行循环。设计中还外设6个按键实现对交通灯控制系统的调控作用。

    电路原理图

    在这里插入图片描述

    在这里插入图片描述

    //——————————————————————————-——————————//
    相应的代码已经上传

    下载地址
    https://download.csdn.net/download/weixin_43442020/12231456

    下载链接里可以下载,解压后里面有压缩文件,压缩文件里面的资料更详细

    展开全文
  • 注: 1:此为永磁同步控制系列文章之一,应大家的要求,关于...1 什么是三闭环控制系统? 在双闭环(速度环和电流环)控制的基础上,在转速外环外再加一个位置外环,这个位置外环的主要作用是使得电机准确的跟随位...

    注:
    1:此为永磁同步控制系列文章之一,应大家的要求,关于永磁同步矢量控制的系列文章已经在主页置顶,大家可以直接去主页里面查阅,希望能给大家带来帮助,谢谢。
    2:矢量控制的六篇文章后。弱磁、MTPA、位置控制系列讲解已经补充,也放在主页了,请大家查阅。

    3: 掐饭一下,也做了一套较为详细教程放在置顶了,内含基本双闭环、MTPA、弱磁、三闭环、模糊PI等基本控制优化策略,也将滑模,MRAS等无速度控制课题整理完成,请大家查看^_^

     

    1 什么是三闭环控制系统?

    在双闭环(速度环和电流环)控制的基础上,在转速外环外再加一个位置外环,这个位置外环的主要作用是使得电机准确的跟随位置给定,所以又称为位置闭环系统。他的原理和双闭环系统相似,通过电机的目标位置和实际位置做差,得到的偏差量作为转速调节器的速度给定。位置偏差越大,相应的转速给定也越大。

    跟双闭环控制系统最大的区别就是,三闭环主要解决的是使得电机转到哪的问题,而双闭环主要解决的是转多快的问题。

    2 三闭环系统的控制原理和搭建

     

    具体的结合原理框图进行介绍,如上图所示。在基础的双闭环控制的基础上,增加一个位置环,我们可以将双闭环看成一个速度控制模块,而位置调节器将给定位置信号和实际位置检测信号的差值整定为这个控制模块的速度给定,从而控制电机按照想要的速度和方向旋转,从而控制电机的位置。

    举个例子会比较好理解:给定位置在350°,而实际位置在50°,想要电机旋转到目标位置角,就需要电机顺时针旋转300°。那么此时位置调节器就会输出控制电机正转的指令,速度环接受指令,进行顺时针旋转,到达目标位置后停止旋转。

    3 位置环参数设计思路

    第一步:双闭环参数设计。使得电机转速跟随性能优越,阶跃响应效果较好,且系统的快速性较好。如前文所述,三闭环的基础即为双环控制,一个好的位置控制系统,其双环控制的效果一定需要调节到最优值。

    第二步:位置环参数设计。引入位置反馈量和位置调节器,使得仿真系统框图如第二节中框图原理一致,给定输入信号,并调节位置环参数。

    1、信号给定:建议初始给定输入信号为斜坡信号,且斜率较小;

    2、调节器设置:建议调节器设为纯P调节器,因为大部分位置控制是不允许超调存在的,且位置P调节器的初始参数可以设置稍微大一点,可以从500开始试验。

    3、限幅值设置:建议将位置调节器的输出限幅值设为电机的额定转速(双闭环PI参数满足电机额定转速快速稳定跟随)。

     

    4 实验结果

    其实本质上就是在双闭环的基础上加了一个位置环,其实难度和结构都比较简单,但是要实现高的精度,还有很快的相应速度,如果纯PI需要特别理想的参数,或者就是增加前馈补偿,本次我只是尝试了调PI的方法。

           下图是转子位置给定和实际位置图(此时我的给定是一个凹形曲线),红色的是实际位置,蓝色的是给定。

                                                   

          再看带载运行的情况,有小范围的波动,以上四次波动分别为  2N 4N 10N 15N,可以看出都能够快速回到给定位置。

                                                    

     

    小结:

    1、三环位置控制的目标是电机转到哪里,而双环控制的目标是转多快,两者存在较大差异。

    2、位置调节器将给定位置信号和实际位置检测信号的差值整定为这个控制模块的速度给定,从而控制电机按照想要的速度和方向旋转,从而控制电机的位置。

    3、双环是位置控制重要的基础,进行位置控制之前,首要条件就是将双环系统性能调至最佳。

    4、设计思路要明确

    整理不易,希望大家帮忙点个赞呀,谢谢啦~^_^

    系列文章链接:

    永磁同步电机矢量控制到无速度传感器控制学习教程(PMSM)

    永磁同步电机矢量控制(一)——数学模型
    永磁同步电机矢量控制(二)——控制原理与坐标变换推导 

    永磁同步电机矢量控制(三)——电流环转速环 PI 参数整定
    永磁同步电机矢量控制(四)——simulink仿真搭建
    永磁同步电机矢量控制(五)——波形记录及其分析
    永磁同步电机矢量控制(六)——MTPA最大转矩电流比控制
    永磁同步电机矢量控制(八)——弱磁控制(超前角弱磁)
    永磁同步电机矢量控制(九)——三闭环位置控制系统
    永磁同步电机矢量控制(十)——PMSM最优效率(最小损耗)控制策略

     

     

     

    展开全文
  • 模糊PID——基于MATLAB的直流电机控制系统

    千次阅读 热门讨论 2019-03-26 21:11:29
    通过MATLAB/Simulink仿真软件建立控制系统的数学模型,重点说明了模糊控制器的制作过程。并通过仿真的结果,证明了模糊PID控制的优良之处。 模糊PID是很多年以来,无论企业,工厂,做的很多的一个方向。 本带马工会...

    另外一个课题

    根据传统PID控制中系数对控制特性的影响,采用模糊PID控制方式代替双闭环传统PID的转速控制。通过MATLAB/Simulink仿真软件建立控制系统的数学模型,重点说明了模糊控制器的制作过程。并通过仿真的结果,证明了模糊PID控制的优良之处。

    在这里插入图片描述
    模糊PID是很多年以来,无论企业,工厂,做的很多的一个方向。

    本带马工会竭尽所能解决小白入坑的问题(手动笑哭)。评论会推送至邮箱,我看见了就会回复。可接私活。
    也欢迎各位大佬详细交流。

    展开全文
  • AGV控制系统搭建

    万次阅读 多人点赞 2019-06-25 15:32:33
     本文介绍自动导引车(AGV)车载控制系统的实现过程,分为硬件搭建和软件设计两部分,并在其中穿插 AGV 控制的基础知识讲解。 1. 车载控制器 1.1 控制器的类型  车载控制器是控制系统乃至整个 AGV 的...

    目的
      本文介绍自动导引车(AGV)控制系统的实现过程,分为硬件搭建和软件设计两部分。

    20190223060542297.jpg

    1. 车载控制器

    1.1 车载控制器的类型

      车载控制器是电气控制系统乃至整个 AGV 的核心,那么车载控制器是什么呢?国家标准GBT 30030-2013《 自动导引车(AGV)术语》中定义AGV为“由计算机控制的运输工具”,所以车载控制器本质上就是一个计算机。然而计算机也可细分为好多种。根据笔者的经验,从硬件角度划分,AGV目前采用的车载控制器基本分为以下三种:

    20171107193821875
      1. PLC:代表产品如西门子公司的 S7-1200和1500系列,使用的 AGV 厂家有佳顺、嘉腾。PLC 以稳定性好、可靠性高著称,但是它的强项是逻辑控制,一般只能做简单的运动控制和数值计算,开发难度不大,但是PLC开放性差(不容易扩展自己的软件功能和硬件模块)。西门子 PLC 的价格大概在2000~14000元左右。

      2. 工控机:代表产品如倍福公司的 CX5130、CX5020,使用的厂家有昆船、新松、艾吉威、罗伯特木牛流马、成都航发。工控机本质上就是一台个人电脑,只不过经过特殊的设计使其具有很强的抗干扰能力,可以用于振动、电磁辐射等恶劣的工业环境。工控机结构紧凑、体积小巧,其可以运行通用的操作系统,比如 Windows、Linux。以倍福为例,安装它的 TwinCAT 控制软件后,会在 Windows 操作系统中插入实时内核,将电脑变成适合工业控制的实时控制系统。由于采用了通用的硬件和操作系统,工控机的灵活性好(例如新松就购买了倍福的软PLC核,硬件则使用了研华的工控机),开发难度较小。倍福工控机的价格昂贵,一般在5000~30000元左右,而且收费项目繁多,例如你用一个小的软件功能(例如TCP/IP通信)都要额外付费。
      3. 单片机:一般是基于ARM、X86等芯片或者核心板自己开发外围电路而成,这样做的厂家有海通、艾吉威、机科。PLC和工控机的价格昂贵,仅仅一个CAN总线通讯模块可能就要数千元。相比而言,单片机就低廉得多,采用最好的芯片,加上外围器件硬件成本最多也不过数百元左右。但是单片机嵌入式开发对人员的要求较高,需要一定的时间资金投入。PLC编程一般采用梯形图,而工控机可以安装软PLC采用梯形图开发也可以采用C++等高级语言开发,单片机当然也可以安装软PLC系统或者直接用C语言开发。而且你还要花费很多精力设计调试各种底层通讯程序,开发难度最大。
      上面的分类并不意味着三者是泾渭分明的,例如 PLC 的内部电路就是一个单片机;而工控机的编程语言很可能就采用了 PLC 常用的梯形图、ST等语言;单片机上面也可以装载嵌入式实时操作系统,从而形成一个强大的多任务计算机。所以,虽然它们各有自己适用的领域,但是相互之间也会取长补短,演变成你中有我我中有你的局面。
      当然,现在市场上有专门的AGV控制器,例如瑞典NDC的CVC600,瑞士BlueBotics的ANT、浙江科聪智能的 MRC5000,上海仙知机器人的SRC。与通用的工业运动控制器或PLC相比,这类控制器集成了成熟的导航和运动控制算法(例如激光定位算法、麦克纳姆轮控制算法),为用户省去很多工作,而且它们的稳定性和防护等级更高,但其价格也较高(1万~6万元)。
      有实力的AGV厂家可以自己从头研发AGV控制器,根据笔者的经验,目前AGV厂家对于简单应用会选择自己开发低端控制器,这只需要在嵌入式开发板上编编程即可。但是这样的控制器只能用于简单项目,如果用于功能多的复杂项目开发成本会很高,因为有经验的嵌入式软件和硬件工程师的工资可不低,而且AGV是个定制性比较强的行业,如果针对不同的项目每次都修改C语言代码,改造维护的成本非常高。反观PLC编程则形象易懂,PLC厂家已经完成了大部分底层程序的开发,用户只需要调用即可、不需要记忆大量的指令,熟能生巧,聪明点的高中生大专生即可掌握,养活他们的成本相对较低,因此很多厂家会选择成熟的PLC作为控制器。如果仅具备这样的开发能力,仍然满足不了高端客户的需求。因为对于复杂的项目,可能会涉及一些算法,例如激光定位、运动学、路径规划等机器人算法,这对于编程人员的要求非常高,硕士生想完全掌握都比较吃力。这些复杂的算法依靠简单拖拽梯形图是难以实现的,必须熟悉算法的每个细节才可以,对控制器的算力和灵活性自然也有较高的要求,普通的PLC(不管欧美系还是日系)开放性非常差很难实现,厂家是不可能把底层开放给你的。假设你要研发一款先进的机器人控制器,首先面对的难点是核心算法的设计,移动机器人的理论已经比较成熟,但是工程实现仍然面临不少问题。由于没有成熟方案借鉴,这需要长时间的试错;其次要实现上层软PLC的功能,因为你不能指望现场工程师都有C语言编程能力,也不能让研发人员每次陪客户修改程序,要完成PLC语言解释器设计、编程GUI的开发、处理多进程调度等更底层的技术问题,还要自己编写底层的总线通讯库函数,设计驱动程序。国产AGV厂家的研发实力较弱,很难自己独立研发这样的高端控制器,因此会选择购买国外的产品,即便是新松昆船这样有实力的厂家也是如此。在这样的背景下,国内有一些创业公司开始涉足该领域,他们一般选择在ROS这样的开源平台上搭建控制系统,为了节省成本尽量选择开源的库。也有一些厂家另辟蹊径,既然开发软件的难度很大,他们直接选择成熟的开放式软PLC,然后在它的基础上二次开发形成集成自己独有算法的“控制器”产品。

    2018091521034735 2018091521175380520181227190634235.jpg20190211174316657.jpg

    1.2 西门子 S7-1200 PLC

      笔者选择西门子的 S7-1215C 型 PLC 作为 AGV 的车载控制器(以后简称为S1200),如下图所示。由于西门子的产品型号非常丰富,各个型号在接口种类、性能等方面有细微的差别,在购买时为了准确描述具体是哪个型号,最好使用订货号。西门子每种产品都有一个唯一的订货号,在采购时只需要提供这个编号即可。在西门子的编程软件中也可根据订货号查找对应的型号。当然,使用西门子的产品也有一些缺点,比如它的PLC是通用产品,并不是针对车辆控制而专门设计的。低端开发板都具有的RS485、CAN、以太网等通讯接口,西门子PLC却要付出昂贵的代价。而且西门子的产品开放性非常差,想实现函数复用和调用第三方库、可视界面定制设计基本没门。所以,西门子PLC并不适合作为车载控制器,也可以说西门子PLC并不是为机器人控制而生的,以后的AGV也会逐步淘汰西门子PLC,本文仅利用其稳定可靠的性能的较低的价格作为功能验证。在实际的工程项目中,笔者会选择Codesys的PLC或者自己从底层开发,这样可以实现自己想要的诸多功能。Codesys的缺点是学习资料和例子程序很少,入门可能比较难。

    名称 订货号 价格
    西门子1200 CPU 6ES7215-1AG40-0XB0 3400元
    20171108204925349   20180331092656155

      想了解 S1200 的功能特性和参数设置可以阅读书籍《S7-1200 PLC 编程及应用》或者官方文档《S7-1200可编程控制器系统手册》。让笔者感到奇怪的是,网上竟然找不到这个手册的完整版本(全长1862页),所以我把它上传了供大家免费下载,点击这里下载。
      想对PLC进行设置或编程,需要使用网线将 S1200 与上位机连接,只需要将上位机的 IP 地址设置为与 PLC 同一网段即可。S1200 一般出厂默认的 IP 地址是 192.168.0.1,所以可以将你的电脑的 IP 设置为 192.168.0.2。

    什么是上位机和下位机?
      有些设备能够访问其它的设备,比如读取内存中的数据、向内存写数据,这样的设备具有较高的权限和地位,因此被称为上位机。有些设备只能被其它设备访问,而没有访问其它设备的权力,这样的设备就称为下位机。在本文中,PLC就是下位机,而编程计算机(例如你的笔记本电脑)就是它的上位机。

      对于 AGV 这种移动设备,通常会采用无线通讯接收调度系统等控制中心的指令。常用的无线通信方式有 WIFI、ZigBee等等。由于 WIFI 在实际中使用较多,我介绍一下它的配置方法。使用 WIFI 连接西门子 PLC 非常方便,只需要用网线将 PLC 的以太网口连接到无线路由器的 LAN 口,然后用笔记本搜索到对应的 WIFI 后连接即可访问 PLC。所用的无线路由器可以是任意品牌,甚至家用路由器都可以。笔者在淘宝买过一款国产以太网转 WIFI 转换器,但奇怪的是不支持博途软件(博途的IDE无法访问到PLC设备),所以你购买前最好跟商家确认是否能用于博途。如果你想追求更稳定可靠的通信,可以选择工业级通讯模块,例如摩莎(MOXA),它的供电电压兼容12V~48V。摩莎是高端品牌,其价格比PLC本身还要高。但是注意,目前的无线技术仅能实现非实时通信,不可作为实时通信手段(例如后面提到的与驱动器的通信)。使用无线通信要注意距离,AGV大范围运动时需要考虑在多个WIFI模块之间漫游切换,在这方面菲尼克斯的WiFi比MOXA要好,延迟更低。

    名称 型号 价格
    MOXA 无线通讯模块 AWK-3131A-US 5200元
    20181215152648509.jpg
    20190223041820181.jpg  20190223042015803.jpg

    2. 驱动器

      如果说车载控制器是 AGV 的大脑,那么 AGV 还要有心脏和肌肉才能运动起来,驱动器给车轮的电机提供电流,相当于心脏。

    2.1 低压驱动器品牌

      由于 AGV 普遍采用蓄电池供电,其电压一般在 12V~72V 左右。因此 AGV 使用的驱动器属于低压直流型伺服驱动器。国外的低压驱动器品牌有:AMCRoboteQ、ZAPI(萨牌)、Curtis(柯蒂斯)、Elmo(埃莫)等,中国国内的低压驱动器品牌有:步科、森创、英博尔、凯利。

    2.2 PLC与驱动器通信

      PLC 要想控制驱动器就要向它发送指令数据。低端驱动器可以用模拟量或者脉冲信号传递数据,高端驱动器则采用规范的通信协议传递数据,这样的通信可以借助 RS232、RS485、CAN、以太网等现场总线或者工业网络实现。因为 S1200 的 CPU 模块没有这些通讯接口,所以要想连接驱动器,需要购买额外的通信模块(CM:Communication Module)。上面提到的几种协议西门子都有对应的通信模块支持,比如西门子的 232 、485 和 CANopen 通信模块如下图所示(这三种模块外形完全一样),注意 232 和 CANopen 模块的插头是公头,而485的则是母头。

    201711171042475132017111709563811020171222184206483
    232通信模块          485通信模块         CANopen通信模块
      对于移动设备来说,CAN总线是最常用的通讯方式,像汽车、挖掘机、AGV一般都采用CAN总线通讯。CAN 总线的速度快(最高可达1Mb/s)、稳定性高(采用差分信号,抗干扰),更“智能”(有优先级和仲裁机制),因此应该优先选择 CAN 总线。但是考虑到西门子本身没有 CAN通信模块(如果想使用CAN,要购买第三方公司HMS提供的CANopen模块),本文使用的驱动器采用 485 协议,所以我们选择485模块。随之而来的一个问题是:S1200能外扩几个通信模块?答案是:3个。不管是哪种通信模块,数量最多只能是3个,种类不限可以混用。如果你的驱动器是总线型(485和CAN都属于总线型)的,那么只要一个485模块或者 CANopen 模块就行了。注意232不是总线型的,所以用两个驱动器就要添加两个通信模块。如果你的 AGV 还有其它走通信协议的传感器(例如磁导航传感器、RFID传感器),那么3个通信模块很有可能就显得捉襟见肘。
    名称 订货号 价格
    西门子485通信模块 6ES7 241-1CH30-0XB0 500元
    西门子232通信模块 6ES7 241-1AH32-0XB0 500元
    CANOpen通信模块 021620-B 3100元

      西门子485模块的接头采用了标准9 针D型插孔式连接器。为了将驱动器和PLC连接起来,我们要购买DB9接头,并用信号线将两个头连接起来。这里我们只利用两个信号线即可。值得注意的是,西门子的485接口定义和常规的485不一样,常规485的信号收发是1、2头,而西门子的485则是3、8头(参考手册的第1769页)。所以在连线时,要按照 3-2、8-1的对应顺序焊接,如下图所示。

    2017111917434559920171119180944578

    3. 移动机构

      AGV要想实现搬运、移载就要有移动机构,通常采用的移动机构有舵轮、差速轮和麦克纳姆轮。它们各自有什么特点呢?什么场合又该使用哪种轮子呢?
      麦克纳姆轮的优点是运动精度高,但是结构复杂,磨损严重,对地面挑剔,虽然麦克纳姆轮问世超过30年了,但是实际应用并不多,这也说明它不是一个实用的产品。下面我们主要讲解舵轮。
      舵轮是个高度集成的移动机构,由车轮、回转支撑、齿轮箱、驱动电机、转向电机、编码器、限位开关、制动器等部件组成,它既能提供牵引力,也可以主动转向,因此一个舵轮有两个自由度。AGV 使用一个或以上的舵轮就可以实现全向移动:原地旋转、斜行、横移等等。舵轮一般用于室内环境,所以轮面的材料多为聚氨酯。根据电机的安装位置可以将舵轮分为两种:卧式和立式,分别如下两图所示。卧式舵轮的驱动电机横向安装,因此整体高度很低,有些AGV对高度有要求(例如潜入式的AGV要很矮才能钻到货物底下),这时就适合使用卧式舵轮;立式舵轮的驱动电机竖着安装,其整体高度偏高,它的优点是方便将电机隔离起来,在有些场合(例如危险品工厂),要求舵轮电机与外部环境隔离,这时就适合使用立式舵轮。国外主要的舵轮生产厂家有:意大利的 CFR 和德国的 schabmuller(夏伯穆勒),后来从CFR中又独立出来了一个厂家——马路达。这些舵轮生产厂家一般只卖舵轮,不提供驱动器,驱动器则由代理商提供。一台AGV上最贵的部件就是舵轮,以一台成本10万元左右的AGV为例,如果配备两个舵轮,就需要4~5万元,占整车成本将近一半。不过好消息是,国内的舵轮厂家开始参与竞争,这将降低AGV的成本。

    2017111918543246320171119185339317

    4. 磁导航

    4.1 磁条

      AGV被称为自动导引车,因此自动沿导引路径运动是其最基本的功能。目前,磁条导航是 AGV 使用最多的导引方式之一,其采用磁条作为导引路径。只需要预先在地面铺设好磁条,AGV 就会沿着磁条形成的路径运动。磁条一般宽3~5cm,它像胶带一样,一面光滑、一面带有粘性,将粘性的一面粘贴在地面即可完成铺设。磁条具有极性,在购买时注意是N极还是S极,磁条的极性对应磁导航传感器的极性,但有些传感器两种都兼容。磁条质地较软、不抗压,所以如果被轮子反复碾压可能会压扁或挤脱落。多数 AGV 为了避免压坏磁条会将驱动轮布置在车体的两侧(差速形式)或者斜对称的位置上。

    名称 型号 价格
    磁条 任意 3~5元/米
    20180915205019912

    4.2 磁导航传感器

      磁导航传感器也叫磁循迹传感器,它用来帮助AGV巡线行走。磁导航传感器一般安装在AGV车体或者驱动轮组上,在AGV运动时始终保持在磁条上方一定高度内。磁导航传感器相对于车体的安装位置一般在对称中轴线上,通常对称安装,例如前后各一个或者左右各一个。磁导航传感器的原理很简单,传感器上有若干个探头,每个探头都能检测磁场,位于磁条上方(一定高度内)的探头有信号输出,超出磁条的探头则没有信号。探头通常俗称为“点”,点越多表示传感器的分辨率越高,当然价格也越贵。传感器通常的点数有:6点、8点、16点几种。磁导航传感器并不是什么神秘的东西,笔者曾经拆解过一款磁导航传感器,这里所说的探头无非有两种,一种是霍尔元件、还有一种是地磁传感器。霍尔元件的特点大家大学的时候应该都学过,它能感应磁场,价格低但是精度通常不高;地磁传感器基本都采用美国 PNI 公司的产品,例如 SEN-XY[1]^{[1]}[1],它要搭配专用的驱动芯片 PNI-12927,这个芯片是3.3V供电,所以传感器内部要设计3.3V稳压电路,而且这个驱动芯片采用 SPI 总线,要对其信号进行处理和电压变换,这通常由单片机来完成。磁导航传感器的输出方式有DI纯数字量输出的,也有总线型数据帧输出的。对于点数多的传感器来说一般用总线型,因为如果使用数字量需要很多根信号线。假设一个 AGV 使用4个传感器,每个传感器的分辨率是16点,那就要有4×16=644\times16=644×16=64个输出,相应的 PLC 应该有 64 个数字量输入口,其接线将非常繁琐,也容易出故障(例如某根线连接不牢固)。
      磁导航方式实现简单,价格便宜,但是缺点也不少,其中一个严重的问题是干扰。笔者在调试 AGV时发现,即使传感器并不在磁条上方(有时甚至周围根本没有磁条),传感器依然有输出。经过一番思考,笔者发现了问题所在。AGV 前方有一条铁轨,而铁是容易被磁化的。不仅是铁制品,通电的导线也可能会使传感器误报。所以,使用磁条导航要排除这些干扰。
      磁导航传感器的输出可以是IO,也可以是数值(代表传感器偏离磁条中心的距离值)。
      磁导航传感器如何与 PLC 连接?如上所述,如果传感器采用总线(例如485)传递数据,直接将总线连接到相应的(485)通信模块即可。如果传感器采用数字量接口,那么就要连接到 PLC 的数字量输入口。这里有个很重要的问题:你要清楚传感器输出的信号是 PNP 型还是 NPN 型,它对应了三极管的类型,它们的区别在于有信号时 PNP 输出高电平(例如24V),而 NPN 输出低电平(例如0V)。在 S1200 上每组输入输出口旁边都有一个 COM 口,它的作用就是选择输入是 PNP 型还是 NPN 型。如果是 PNP 型,COM 口就要接 24V ,如果是 NPN 型就要接 0V。你可以找个磁条用万用表测试一下,如果放到磁条上输出显示是24V那说明是 PNP 型。以后你会知道,很多传感器都分 PNP 型和 NPN 型,它们的接法是一样的。

    2018030803091440320180308184958832
    名称 型号 价格
    曼普拉斯磁导航传感器 MPMGS200-F01 2000元
    沈阳军航磁导航传感器 JH-16 2000元

    5. 供电系统

    5.1 电池

      AGV启动时需要的电流大,因此需要使用动力电池,使用最多的动力电池有铅酸电池和锂电池。铅酸电池寿命短、能量密度低,而锂电池密度高、但是成本也高。还有一种电池叫做超级电容,它的寿命很长,但是能量密度非常低,所以用的不多。
      知名的电池厂家有霍克(HAWKER)荷贝克(HOPPECKE)等。下图是霍克 AGV 专用电池标签。铅酸电池的额定放电电流一般是0.5C,例如80Ah的电池,额定放电电流是0.5×80=40A0.5\times80=40A0.5×80=40A。铅酸电池的最大放电电流一般是3C,即3×80=240A3\times80=240A3×80=240A。电池的电压会随着电量消耗逐渐降低,开始降低得很慢,当电量很少时会急剧下降。根据这个关系,通过检测电压就能知道电池还剩余多少电,是否应该充电。

    名称 型号 价格
    霍克电池 EV24-100 12800元
    20180106113354059

      我们如何估计一个 AGV 该选用多大容量的电池呢?
      AGV 上最耗电的器件就是电机了。一般来说,电机的额定功率 PPP会写在电机铭牌上。根据初中物理知识,功率等于电压和电流的乘积,即
    P=UI P=UI P=UI  驱动电机的额定电压一般容易得到,所以通过上式可以计算出电流。当然,实际工作的功率一般会比额定功率小,所以这里要乘以一个系数,具体要看 AGV 的负重、工作路面等。求出电流乘以工作时间就是电池的容量了。注意,电池的容量和能量是两个不同的概念,前者是电流乘以时间(单位是“安时”(Ah))、而后者是电流乘以电压乘以时间(单位是“千瓦时”(KWh))。

    5.2 电压变换

      如果传感器、控制器等器件和电池的输出电压不同,就需要使用电压变换模块,它还可以起到稳压的作用。一般传感器常用的电压是12V、控制器常用的电压是24V,因此需要有相应的模块。可以选择广州金升阳的电压变换模块,可选配散热片和导轨,便于散热和固定,如下图所示的48V转24V的模块。选择模块时主要关心的是功率,即它能提供的最大电流。

    201810132346071282018101323470332720181013234743610

    6. 开关

    6.1 电源开关

      选择电源总开关时要注意它是“自锁的”还是“自动复位的”。自锁的意思就是按下后即使手指松开,开关依然保持闭合使供电畅通;而自动复位的开关按下按钮后如果松开手指,电路就会被切断,如下图所示。一般机箱上的电源总开关应该选择自锁型的,否则你要一直按着按钮才能使电路畅通,因此不要购买下图右所示的自复位型开关(代号:XB2-BA31C,价格在22元左右)。假如你买错了也不要紧,你可以再买一个自锁模块ZB2-BZ21 C,将这个模块添加到XB2-BA31C开关上就能将它变成一个自锁开关。

    20171114192129107 20171114192849213

    6.2 急停开关

      在所有AGV 车体上都能找到的一个东西就是急停开关。根据国家标准GBT 20721-2006 《自动导引车 通用技术条件》中第4.2.6项的规定:“AGV 应配备紧急停车按钮,该按钮的安装位置在紧急情况下应便于操作。应采用红色按钮,急停按钮按下应关闭 AGV 驱动电源”。在AGV失去控制的情况下,按下急停开关能让它立即停止运动,从而防止伤害到人。因此急停开关构成了最后的安全屏障。为了保证使用可靠,可以购买施耐德的XB2-BS542C。急停开关的按钮一般设计得很大,方便按下,因此又被俗称为蘑菇头,它一般都是自锁的,按下后需要旋转才能松开。购买时唯一要注意的是它的安装直径,一般选择 22mm 即可。

    20171120214622238

    7. 电气元件

      AGV上既有强电也有弱电,例如舵轮的驱动器需要的电流通常很大,而控制器和一些传感器只需要很小的电流。我们要合理设计电路,防止它们相互干扰,更主要的是包含弱电器件。根据国家标准GBT 30029-2013 《自动导引车(AGV)设计通则》中第6.7.7.4项的规定,控制器应该具有过压保护、欠压保护、过流保护功能。
      我们要在电路中加入以下器件:
      ■\blacksquare 接触器:用小电流控制大电流。上面的电源开关只允许通过较小的电流,但有时设备里有些组件需要大电流才能启动,例如舵轮驱动器。我们不能用一个开关既控制小电流也控制大电流,这时就需要借助接触器。接触器内部有个电磁铁,我们用小电流控制电磁铁的吸合,电磁铁带动另一组开关闭合使大电流通过。在AGV上使用的是直流接触器,注意接触器的线圈会发出一定热量,安装应当注意散热和对附近器件的影响。

    20180916144122580 20180916144155596
    名称 型号 价格
    Albright直流接触器 SW180B-108 200元

      ■\blacksquare 断路器:起到过流、欠压保护的作用。断路器也相当于一个开关,在短路等电流过大时断开,保护设备;
      ■\blacksquare 继电器:也相当于一个开关,它是用小电压控制触点开闭的,但是注意触点不能流过太大电流。
      AGV 采用电池作为能源,而电池的电压通常不是很稳定,在使用时电压会波动。虽然西门子的 PLC 对输入电压具有一定的适应能力,但是我们最好用一个24V到 24V 的稳压模块将电池的电压稳定后再供给 PLC。对于使用24V供电的其它器件,例如磁导航传感器,也是这样。

    8. 激光避障传感器

      AGV的安全防护方式有接触式和非接触式之分。触边属于接触式的,而激光传感器和超声波传感器属于非接触式。当然非接触式的传感器更加安全,因为不需要直接接触即可监测障碍物。
      常用的国外激光传感器品牌有SICK和HOKUYO。以SICK的Tim310为例,它的监测距离可达3米,可以设置不同的监测区域形状。Tim310的输出是I/O信号,用以判断是不是监测到了障碍物。

    名称 型号 订货号 价格
    SICK激光传感器 Tim310-0130000S02 1069932 6800元
    20181118230850270.jpg  20190223045105119.jpg

    9. 触摸屏

      现在的 AGV 越来越多地开始配备触摸屏了。使用触摸屏可以方便地设置AGV的参数,例如运动速度、充电电压等等,而不需要每次都将程序下载到 PLC。既然我们选择了西门子的PLC,当然触摸屏选择西门子是最配对的,但是考虑到西门子的触摸屏有点贵,我们选择国产的品牌。国产触摸屏的质量也很可靠,而且价格合理,代表厂家有:威纶通、昆仑通态。由于西门子的知名度,大多数触摸屏都会支持。但是如果你用其它品牌的PLC,那最好向触摸屏厂家询问是否支持你的PLC,否则是无法通讯的。

    名称 型号 价格
    昆仑通态 触摸屏 TPC1561Hi 3500元

      我选择昆仑通态的触摸屏,它采用24V直流供电,并配有网口,用普通网线将触摸屏和 S1200 连接,并将触摸屏的 IP 地址设置为与 PLC 所在同一网段(例如192.168.0.3)即可实现和 PLC 的互联。设置 IP 的方法是上电后在进入正式界面之前,在屏幕的任意位置点击一下即可进入设置界面。
      我们如何使用触摸屏呢?我们需要对触摸屏进行编程,或者说“组态”。编程需要使用昆仑通态自己的组态软件:MCGS,可以在它的官方网站免费下载。

    20171126041049160
      在你的电脑上安装该软件,注意在软件中需要输入 PLC 的地址才能读写数据。触摸屏上只有一个网口,所以你可以用网线将触摸屏连接到你的电脑。我们注意到 S1200 有两个网口,所以一种更方便的连接方式是,将触摸屏连接到 S1200 上,然后将 S1200 连接到你的电脑,这样同样能对触摸屏进行编程。   触摸屏最基本的功能就是读写 PLC 的内存(因此它也是PLC的上位机)。要实现这个功能非常简单,只需要在 MCGS 中对 PLC 的变量进行关联即可。
    20171126040420303

    10. 程序设计

    10.1 编程工具

      购买了S1200 并不意味着你能免费使用它的开发软件。但是没关系,网上有很多破解软件。有意思的是,其中有些资源就是西门子公司的人故意释放出来的,他们可能想占有更多的市场。要对西门子的 PLC 编程必须使用专用的软件:STEP 7 ,下图是 STEP 7 的安装过程。

    20180312190727601
      实际上,STEP 7 是过时的名称,现在西门子想将它和另外几个自动化软件都统一成一个平台,适用于西门子旗下所有的设备,这个平台被称为:TIA Portal(博途),本文使用的就是 TIA V13。西门子公司为了保持延续性,软件的名称有时是 STEP 7,有时又用 TIA,本文我为了与历史统一还叫 STEP 7 好了。西门子的软件跟硬件一样种类繁多,光 STEP 7 就有几个版本,例如专业版(professional SP1,如下图左所示),而每个版本又有不同的更新包。注意 SP1 可能缺少某些功能(下面我会提到),因此我使用了更新包。具体来说,我使用的是 STEP 7 V13.0 SP1 Upd8,如下图右所示。
    2018031219204050720180312192115195
      在软件安装时我们注意到有这样的说明:STEP 7是用于编程的工程组态工具。要使用 PLC,编程只是一方面,还有一个重要的工作就是“组态”。“组态”说白了就是“配置”,配置 PLC 的输入输出接口、参数、功能等等。首先,在“设备组态”页面选择我们的 PLC 型号就可以了。

    10.2 PLC的硬件资源

      要想用好PLC,就要熟悉它的一些特点,下面我们就了解一下 S1215C 的特点。
      1215C的内存有多大呢?
      我们用电脑连接上PLC,然后在STEP 7软件左侧栏双击“在线和诊断”,然后在打开窗口中点击“存储器”,如下图所示。

    20180124180836407
      可以看到这里有三个存储器,分别是:装载存储器、工作存储器和保持存储器。并且可以看到三个存储器的大小,分别是:

      1. 装载存储器: 419430441943044194304 Byte ÷1024÷1024=4\div 1024 \div 1024= 4÷1024÷1024=4MB
      2. 工作存储器: 128000128000128000 Byte ÷1024=125\div 1024= 125÷1024=125KB 
      3. 保持存储器: 102401024010240 Byte ÷1024=10\div 1024= 10÷1024=10KB
      这和系统手册中给出的数值是一样的,如下:

    20180124191209640

      你看完是不是都哭了,10年前的手机存储器都比这要大。这三个存储器各有什么作用呢?
      1. 装载存储器:用于存储用户项目文件(例如:用户程序、组态信息),相当于硬盘;
      2. 工作存储器:CPU在执行用户程序时会将一些项目内容从装载存储区复制到工作存储区,相当于电脑的内存;
      3. 保持存储器:掉电后数据仍然保持。如果你希望一些数据能在断电后一直保持就要使用这个存储器。但遗憾的是,小气的西门子公司只给了我们10KB。
      PLC 扫描一次程序需要多长时间呢?
      PLC会自动记录时间,在同一页面,打开“循环时间”,就能看到PLC完整执行一遍程序需要的时间,如下图所示。这个时间不是固定的,取决于你的程序长短,一般的执行时间在3毫秒以内。

    20180124185825187
     

    10.3 PLC的软件资源

      西门子提供哪些函数功能呢?工业控制编程语言唯一的国际标准——IEC61131-3 规定了46个基本函数,西门子都支持。除此以外,我们常用的还有定时器计数器等功能。AGV 属于移动机器人,而机器人的控制本质是数学计算,所以我重点说说其中的数学函数,共有18个:
      数字运算: ABS、SQRT、LOG、LN、EXP、SIN、COS、TAN、ASIN、ACOS、ATAN;
      算术运算:ADD、SUB、MUL、DIV、MOD、EXPT、MOVE;
      当然还有:>、< 比较运算符。
      翻开另一款控制器品牌——倍福的手册,你会发现它同样支持这几个初级函数。
      在组态界面,双击 CPU 模块能看到这款 PLC 的其它功能介绍,例如周期定时器,如下图所示。

    20180312195031803
      如果你使用了触摸屏,有一点值得注意:在“保护”页面中有一个选项需要勾选:“允许从远程伙伴使用PUT/GET通信访问”,如下图所示。如果不勾选这个选项,你看你无法用触摸屏读写 PLC 内存中的数据。让笔者奇怪的是,像这样的细节几乎在所有的手册、教程中都找不到,但却又很重要。
    20180312195348695

    10.4 西门子PLC的编程方式

      西门子PLC 的编程符合国际工业编程语言标准 IEC-611313,因此跟倍福等厂家的差不多。
      
    10.4.1 定义常量

      有些量我们要经常使用(例如圆周率 π\piπ),如果每次都用数值来做运算一方面输入很容易出错,另一方面如果想对其进行更改那要改很多处,非常繁琐。一个方便的做法是将其定义为一个全局的“常数”。使用 PLC 和 C 语言等高级语言相同的一点是,你需要为变量分配内存地址。分配好地址后如何对其赋值呢?因为常量只需要赋一次值即可,所以我们选择在 Startup 块中对其赋值。Startup 块在每次 PLC 上电后只执行一次。西门子中有些块的序号是系统预留的,比如 Startup 就是 OB100。我们注意到,在博图软件中,全局变量用双引号表示(例如"PI"),而局部变量前面带个井号(下面会碰到)。

    20180312195645430
    20180312195619094

    10.4.2 定义函数

      西门子自带的函数只能完成简单的功能,为了实现更高级的控制我们还要自己写一些函数。笔者在开发机器人控制器的过程中发现,网上公开的PLC函数库很少,目前笔者只知道OSCAT库。大家都在讨论基本的逻辑控制,却鲜有人讨论更高级的数学计算,可能 PLC 并不适合高级运动控制算法的实现。
      下面我用一个很简单的进行角度弧度转换的函数为例来说明如何在 STEP 7 中自定义函数。
      (1) 首先,我们新建一个函数FC(这个函数比较简单,不需要背景数据,所以不用 FB),实现的语言选择 SCL 语言。函数名为“DegreeToRad”。
      (2) 然后,我们要明确这个函数的输入,在上面的变量定义栏中的 Input 项目中输入 angleInDegree,类型选择为 Real,如下图所示。在Return 项目中将 DegreeToRad 变量的类型改为 Real,这里注意不要修改 DegreeToRad 变量的名字。

    20180312195732109

      (3) 在下面的输入框输入变换公式。

      这里要用 := 对变量进行赋值。你会注意到,变量 PI 是用双引号括起来的,而其它的变量(例如 angleInDegree)前面则带一个井号。这是用来区分局部变量和全局变量的,局部变量用#开头表示,而全局变量用引号表示。

    10.4.3 定时器

      定时器是我们会经常使用的一个功能,想输出随时间变化的量、想延时触发、想输出周期信号都要借助定时器。西门子的每个定时器都对应一个背景数据块。笔者早期经常犯的一个错误是,为了节省时间直接复制粘贴定时器块。其错误是不管你复制多少次,其实最终还是同一个定时器,而且后面的会覆盖前面的值。这个错误导致很多匪夷所思的错误,让笔者头疼了相当长的时间。各位一定要注意,每使用一个定时器都要重新拖进来新建。

    10.4.4 循迹算法

      为了让 AGV 始终沿着磁条行走,我们需要编程实现循迹功能(也可以叫路径跟踪或者巡线纠偏)。通过专利检索可以发现,AGV循迹算法也是各大企业的核心技术。

    20200915195728303.jpg

      循迹程序的逻辑可以非常简单,我们的输入是磁导航传感器的读数,输出则是舵轮转向的速度(或差速轮的转速差)。采用简单的PI(比例-积分)控制策略,磁条如果在传感器零位的左侧,我们就往左偏转,反之在右侧就往右偏转,偏离距离越大那么舵轮转的角度越大。当AGV从直线进入圆弧曲线时,由于积分项的存在,即使传感器读数为零,舵轮也不会回到零位。下面的仿真动画展示了这种控制策略的效果,每个舵轮上都固定了一个传感器跟随舵轮一起偏转,该方法也在实际运行中得到了验证。差速轮的控制则略微复杂,需要根据旋转中心(红色点)计算每个轮子的速度。

    20200915185754564.gif20200915185754231.gif

    引用文献

    [1] 一种AGV用磁导航传感器,专利号:CN201710010589.

    展开全文
  • 写在前面 1)现实意义 早期使用的交通信号灯是固定配时的调控方式,无法随着车流量的变动而调整绿灯时间...智能交通系统的核心是交通信号灯的智能控制算法,根据实时交通流的大小,配置信号周期及各种色灯的闪亮时间...
  • 使用matlab/simulink实现直接转矩控制三相异步电动机,并且在不同的给定,负载下进行仿真设计。
  • 本科项目——基于STM32的室内温度控制系统

    万次阅读 多人点赞 2014-11-25 18:42:43
    设计基于DS18B20的数字式室内变电站温度控制系统,控制程序主要包括主程序、读出温度子程序、按键子程序、控制风机子程序等。要求能检测、显示及通过控制排气风机来降低室内温度。 采用的温度传感器是DS18B20数字...
  • 基于PLC的自动配料控制系统设计,PLC自动控制专业论文 原文地址:/www.deogoo.com/n127.html 购买原文联系vfbvfb#163.com [#=@] The Design of Automatic Batching Control System Based on PLC 系(院)...
  • 单神经元PID控制+Simulink控制系统仿真

    千次阅读 多人点赞 2019-05-24 21:29:09
    最近在学习基于神经网络的电机智能控制,神经网络与PID有两种结合方式:采用单神经元结构,神经元输入权值一一对应PID的三个参数,神经元的输入值为经过比例、积分和微分处理后的偏差值;另一种是在常规PID控制器的...
  • MATLAB离散控制系统

    万次阅读 2017-12-08 14:11:42
    MATLAB离散控制系统仿真常用操作 1.离散传递函数构建 通过离散化连续时间传递函数得到 连续时间传递函数s函数用tf构建: Gc=tf([1],[1 1 0]);%参数为分子分母降幂排列S的系数 对其离散化:通常在对象前面...
  • 什么是集中式版本控制系统与分布式版本控制系统? 集中式版本控制系统:版本库是集中放在中央服务器的,当我们实际工作的时候,用的都是自己的电脑,所以首先要连接中央服务器,从那里得到最新的版本,然后编写或者...
  • 开环控制系统与闭环控制系统

    千次阅读 2018-12-21 14:44:14
    开环控制系统是指无被控量反馈的控制系统,即需要控制的是被控对象的某一量(被控量),而测量的只是给定信号,被控量对于控制作用没有任何影响的系统。结构如图所示。 闭环控制的定义是有被控制量反馈的控制,其原理框如...
  • 基于ZigBee和STM32的智能家居控制系统的设计与实现(五)–终结篇说明首先祝贺自己顺利的完成了毕业答辩工作,想起整个过程还是挺让自己感动的。最后还被评为优秀毕业设计,虽然并没有什么luan用,但是,马上毕业了,...
  • 基于PID算法的水箱温度控制系统

    万次阅读 多人点赞 2019-05-07 23:16:34
    本设计为基于STC89C52单片机的智能水温控制系统,控制对象以500mL陶瓷水箱为容器,并使用PID控制算法来调整水箱中500ml纯净水的温度。水温可以在一定范围内人为设定,并能实现在下限温度到上限温度之间对每个点温度...
  • 自动售货机控制系统

    千次阅读 热门讨论 2016-11-11 20:25:25
    这周完成一个课程任务,用VHDL语言写一个自动售货机的控制系统。使用的仿真器是MAX+plus。 设计说明   根据要求可自动出售两种货物,这里的自动售货机可销售cola和pepsi两种饮料:售货机可识别1元和0.5元两...
  • 第二讲 控制系统的阶跃响应特性仿真1、简单例子回顾基本操作方法2、控制系统模型2.1、对例2-1所示的控制系统建模仿真2.2、模块参数设置3、仿真结果 1、简单例子回顾基本操作方法 创建模型放置模块设置参数模型仿真...
  • PID调节是连续控制系统中技术最成熟、应用最广泛的调节方式。PID调节实质是根据输入的偏差值,按照比例、积分、微分的函数关系进行运算,运算结果用以控制输出。 之前在项目中也用到过不少PID的算法,但大多属于...
  • PLC温室大棚自动控制系统

    千次阅读 2019-05-08 16:52:01
    基于PLC的温室大棚自动控制系统 姓 名 马锡鹏 班 级 1203班 学 号 030523120323 专 业 机电一体化技术 指导教师 高健 电 气 工 程 系 二○一五年六月 基于PLC的温室大棚自动控制系统 摘 要 植物生长讲究适时、适地,...
  • 步进电机控制系统的Simulink仿真模型

    千次阅读 热门讨论 2019-01-17 18:20:29
    电机模型如下: 双击示波器:
  • 伺服控制系统

    千次阅读 2018-05-23 13:55:35
    1.定义 伺服来自英文单词... 伺服系统是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标值(或给定值)的任意变化而变化的自动控制系统。伺服的主要任务是按控制命令的要求,对功率进行放大、变换与调...
  • 滚球控制系统

    千次阅读 2019-06-07 18:21:41
    滚球控制系统一、选材主控部分摄像头电机球平板机械结构算法部分 一、选材 主控部分 我们组选用的是xx做主控,战舰板做比较吃力,mini板做图像处理就更难受了。 摄像头 我们在尝试的过程中,使用了三款摄像头,ov...
  • 树莓派打造智能语音控制系统

    万次阅读 多人点赞 2019-08-17 21:36:58
    树莓派的智能语音控制系统,该系统使用麦克风对语音进行采集,通过调用语音识别云服务对语音进行识别以及合成,再将识别的语音转化为机器识别的指令,从而实现机器人对话和控制机器人执行相应操作的效果。...
  • 汽车主要电子控制系统模块

    千次阅读 2019-08-13 10:01:01
    1、车身控制单元(BCM): 车身控制单元(BCM)适合应用于12V和24V两种电压工作环境,可用于轿车、大客车和商用车的车身控制。输入模块通过采集电路采集各路开关量和模拟量信息输入,LIN接收模块接收控制手柄单元...
  • 自动控制系统的基本性能指标

    万次阅读 2016-08-15 23:46:10
    本文简要小结了一下分析设计自动控制系统时,需要了解的自动控制系统性能指标的基本概念。包括系统数学模型、动态过程及动态性能指标、稳态过程及稳态性能指标。
  • 软件工程课程设计-电梯控制系统

    千次阅读 2018-06-29 23:21:31
    软件工程课程设计-电梯控制系统
  • QT编写的嵌入式工业控制系统

    千次阅读 2015-06-06 16:11:03
    硬件平台:335X软件:QT+嵌入式linux实现功能:1:QSS界面换肤2:更换主界面背景3:中文双拼输入法4:数据图形曲线显示5:数据统计柱状图显示。   6:串口网络通信   可执行文件百度云下载地址...
  • 智能农业控制系统

    千次阅读 2016-08-20 15:18:51
    智能农业控制系统能根据实时的农田环境数据、农作物生长情况,借助于数据挖掘技术、图像处理技术,结合专家决策库给出决策规则,自动控制农田设备,调节农田环境参数,控制农作物生长情况。智能农业控制系统如图所示...
  • 系统安全的基本概念和权限控制系统的类型
  • 基于单片机的智能窗帘控制系统的设计与实现

    千次阅读 热门讨论 2019-06-04 22:44:45
    百度网盘下载地址: 链接:https://pan.baidu.com/s/1gTtLBO9JjP1-T46JH8GVBA 提取码:zzb2
  • 使用MATLAB程序、Simulink对控制系统进行仿真

    万次阅读 多人点赞 2018-04-10 16:46:49
    一、 采用Simulink建立系统仿真 如图所示建立一阶、二阶系统控制模型,其参数双击Zero-Pole可以设置,分子分母采用零点、极点的方式改变,在没有任何零极点时为[],即里面不写。s前的系数也可以自己设计。 图1,...

空空如也

1 2 3 4 5 ... 20
收藏数 262,201
精华内容 104,880
关键字:

控制系统