悬挂运动控制实验仿真系统的设计与实现

悬挂运动控制实验仿真系统的设计与实现
潘景昌,伯彩霞
(1.山东大学威海分校信息工程学院,山东威海　264209;2.山东威海市信息中心,山东威海　264200)
摘　要:针对一个涉及多门知识的综合性实验设计并实现了软件仿真系统,详细介绍了该仿真系统的设计思想和实现方法,分析了此类实验的特点以及如何通过软件仿真快速高效地得到直观的感觉、并通过仿真获得必要的数据,从而在节省时间、实验材料、快速确定实验参数的前提下,完成好整个实验。

最后指出通过软件仿真来完成较为复杂的综合性实验是一种重要的辅助手段。

关键词:步进电机;仿真;控制系统
中图分类号:G434 文献标识码:B 文章编号:100224956(2006)1020077203
The design and i m ple mentati on of e mulati on syste m
f or sus pensi on contr ol syste m
P AN J ing 2chang 1
,BO Cai 2xia
2
(1.School of I nf or mati on Engineering,Shandong University,W eihai 264209;2.W eihai I nf or mati on Center ,
W eihai 264200,China )
Abstract:This paper discusses the design and i m p le mentati on of an e mulati on syste m for a comp licated experi m ent involving in more than one related subjects .It intr oduces the design methods and i m p le mentati ons in detail,and ana 2lyses the benefit fr om this e mulati on syste m by getting intuiti onistic effects and necessary data,in which way the whole experi m ent can be comp leted,saving a l ot of ti m e,experi m ent materials and quickly attaining the para meters needed in the experi m ent .Finally,it points out that e mulati on syste m is a very i m portant assistant measure f or com 2p rehensive experi m ents .
Key words:stepp ing 2mot or;e mulati on;contr ol syste m
收稿日期:2005212212　修改日期:2006203220
作者简介:潘景昌(1963—),男,黑龙江省双城市人,副教授,
硕士生导师,山东大学威海分校科技创新实验室主任,山东省科技竞赛优秀教师,研究方向:智能计算与协同技术.
1　实验内容及要求
设计一个电机控制系统,控制物体在倾斜(仰角≤100°)的板上运动。

在一块白色底板上固定两个滑轮,两只电机(固定在板上)通过穿过滑轮的吊绳控制一物体在板上运动,运动范围为80c m ×100c m 。

物体的形状不限,质量大于100g 。

物体上固定有浅色画笔,以便运动时能在板上画出运动轨迹。

板上标有间距为1c m 的浅色坐标线(不同于画笔颜色),左下角为直角坐标原点,如图1所示。

实验要求:
(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80c m ×100c m 的范围内作自行设定的运动,运动轨迹长度不小于100c m ,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50c m 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300秒内
到达设定的一个坐标点(两点间直线距离不小于
40c m )。

2　实验分析
本实验取自全国大学生电子设计竞赛的一个题目,对于电气信息类本科生是一个综合性很强的实验。

它涉及到单片机系统、控制系统、机械系统和电机系统,此外,还要通过编程形成一个统一的控制执行系统。

面对这样一个复杂的实验,学生普遍
I SS N 1002-4956CN11-2034/T 实　验　技　术　与　管　理Experi m ental Technol ogy and Management
第23卷　第10期　2006年10月
Vol .23　No .10　Oct .2006
图1　实验配置图感到无从下手,主要的问题在于:
(1)左右步进电机的配合问题。

每个电机都有正转、反转和停止三个动作,而且互相牵制。

如果配合不好,不但达不到实验要求,还可能损坏电机;
(2)左右电机转动与画笔坐标的定量关系。

这需要确定电机转动次数、方向、牵引绳长度与画笔坐标值的精确关系;
(3)每当画笔移动,都要求左右电机同时起停。

因此,左右电机应以不同的频率驱动,同时还要确定转动的方向。

此外,还要判别牵引线绳的长度限制,等。

要解决以上问题,如果直接在实物上盲目地试验,势必浪费大量的时间,还有可能损坏实验材料和器件,造成浪费;因此,理想的办法是建立软件仿真系统,通过模拟,来确定各种模型和关系。

3　仿真系统的设计
本仿真系统用VB6.0开发,系统操作界面如图2所示。

系统界面分如下3部分。

图2　仿真系统操作界面
(1)手动　按左右电机动作组合,单步执行动
作,以观察直观的移动效果。

(2)自动　输入终点地坐标,点击Go,即可
自动地从当前坐标向终点坐标画线;同时,仿真系
统还会给出左右电机的转动方向、转动次数及转动
频率。

(3)参数　随时修改或设定参数,执行后,相
应的参数会自动改变。

4　仿真过程及模型
为了描述各个参量之间的关系,特引入如表1
所示参量。

表1　参量
符号 参量符号 参量
Mot or L左电机存绳长度Mot or R右电机存绳长度
SP电机每步过绳长度LL左吊绳长度
RL右吊绳长度cur X当前横坐标
curY当前纵坐标des X目标横坐标
desY目标纵坐标L新的左吊绳长度
R新的右吊绳长度ML左电机旋转方向
MR右电机旋转方向Z正转标志
F反转标志Lb左电机应转步数
Rb右电机应转步数
87实　验　技　术　与　管　理
(1)点击转动与线绳的关系　由于左右电机都有正转、反转和停止3种状态(分别对应于线绳的收、放和停);因此,合理的组合为8种,如图2中手动部分。

以放2收(即左电机反转,右电机正转)为例,各参量的关系式为。

I f Mot or L-SP>=0Then
　LL=LL+SP
　RL=RL-SP
　Mot or L=Mot or L-SP
　Mot or R=Mot or R+SP
Else
　M sg Box“绳已放到头了”
End I f
(2)每次转动与画笔坐标的关系
oldx=cur X3坐标系宽度/110
oldy=坐标系高度-curY3Picture1.ScaleHeight
/115
cur X=(LL3LL-RL3RL+1103110)/220
curY=115-Sqr(LL3LL-cur X3cur X)
xx=cur X3Picture1.Scale W idth/110′—xx为最新
的横坐标
yy=Picture1.ScaleHeight-curY3Picture1.Scale2
Height/115′—yy为最新的纵坐标
(3)自动状态下,从当前点到终点画线是电机转动的方向、转数、及各自的频率
L=Sqr(des X3des X+(115-desY)3(115-desY))
R=Sqr((110-des X)3(110-des X)+(115-
desY)3(115-desY))
I f L-LL>0Then ML=′F′Else ML=′Z′
I f R-RL>0Then MR=′F′Else MR=′Z′
I f ML=′F′Then Lb=(L-LL)/SP:zz=″反转″
Else Lb=(LL-L)/SP:zz=″正转″
I fMR=′F′Then Rb=(R-RL)/SP:yy=″反转″
Else Rb=(RL-R)/SP:yy=″正转″
I f Lb>0Then F1=300/Lb
I f Rb>0Then F2=300/Rb
其中,F1,F2分别为左右电机的驱动频率; zz,yy分别表示左右电机的转动方向;Lb,Rb分别表示左右电机的转动次数。

5　结论
利用本仿真系统,可以自由地设定和修改各种初始参数,直观地观察电机及画笔的动作过程,从中验证所建立的模型,并得到了所需的实验参数,为实际系统的搭建和调试提供了可靠的数据和模型,大大地提高了实验效率。

综上所述,通过软件仿真,大量地节省了调试时间,增加了安全性,减少了对仪器的损伤,降低器件的浪费,可以通过仿真系统得到所需的各项指标和实验参数。

通过“硬件软化”进行模拟,然后再“软件硬化”付诸实施。

这样可以减少实验的开销,提高实验的效率。

因此,软件仿真是实验乃至产品开发的一种重要的辅助手段。

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潘景昌,等:悬挂运动控制实验仿真系统的设计与实现。