結構拓撲優(yōu)化與客車(chē)車(chē)身優(yōu)化設計

設計應用《.簡(jiǎn)易旋轉倒立擺控制系統設計西華師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院曾敬滕軍陸曉燕[摘要]本設計以STC89S52單片機為控制核心，通過(guò)角度傳感器得到系統變量，利用PWM分別對電機轉動(dòng)角度與速度進(jìn)行控制，進(jìn)而實(shí)現倒立擺在一定的角度范圍內的旋轉控制。[關(guān)鍵詞]倒立擺;角度傳感器; STC89S52倒立擺系統是一-個(gè)典型的單輸入多輸出、感器檢測到的擺桿位置，做出相應的電機轉速復雜的、非線(xiàn)性的不穩定系統。它在軍事、航的調節，從而使擺桿達到預定的狀態(tài)。系統的、機器人和各類(lèi)工業(yè)領(lǐng)域都有著(zhù)廣泛的用srce9s52。電機驅動(dòng)主程序流程如圖3所示。四、測試結果的工程意義。本設計是基于A(yíng)T89S52的單片機本系統從以下三個(gè)方面對倒立擺進(jìn)行了測簡(jiǎn)易旋轉倒立擺控制系統。其主要構造包括旋編碼培測角度+臂、擺桿、直流電機等裝置。其中直流電機為圖2電路設計總體框圖1.擺桿從處于自然下垂狀態(tài)(擺角0°)開(kāi)執行機構，可由專(zhuān)門(mén)的電機驅動(dòng)芯片如L298N始，驅動(dòng)電機帶動(dòng)旋轉臂作往復旋轉使擺桿擺L 開(kāi)始驅動(dòng)。根據-定的算法計算將信號提供給驅動(dòng)動(dòng)，并盡快使擺角達到或超過(guò)60°~ +60*;芯片，以驅動(dòng)直流電機轉動(dòng)，從而帶動(dòng)旋臂旋系院物始化2. 從擺桿處于自然下垂狀態(tài)開(kāi)始，盡快增轉，最終實(shí)現控制倒立擺運動(dòng)的效果。被晶顯示大擺桿的擺動(dòng)幅度，真至完成圓周運動(dòng): 8。I、倒立接算法分析擺桿至接近165"位置，外力撤除同時(shí)，啟動(dòng)控.鍵盤(pán)輸入模糊控制。所謂模糊控制。就是在控制方法上制施車(chē)壁體理桿保持倒狀太時(shí)間不小平5S.應用模糊集理論、模糊語(yǔ)言變量及模糊邏輯「 噴式選擇推理的知識來(lái)模擬人的模糊思維方法,用計算EYs測試結果如表1所示機實(shí)現與操作者相同的控制。該理論以模糊電機減速撐臂>80度1「團周運動(dòng)1測試結果如表1倒立擺測試表集合、模糊語(yǔ)言變量和模糊邏輯為基礎,用比測試項且測試要求測試結果口較簡(jiǎn)單的數學(xué)形式直接將人的判斷、思維過(guò)擺桿擺動(dòng)角度在-60°~+60完成，可擺動(dòng)程表達出來(lái)。本設計中涉及的狀態(tài)變量共有圖3主程序流程圖擺桿旋轉角度圓周運動(dòng)兩個(gè)圓周運動(dòng)4個(gè)，每個(gè)變量的論域作7個(gè)模糊集的模糊劃三、系統軟件流程分，這樣，完備的推理規則庫會(huì )包含7=2401由于系統使用的是直流減速電機，所以「 保持倒立時(shí)間不少于個(gè)推理規則，但如此多的規則是很難實(shí)現控制方法相對較為簡(jiǎn)單，只需給電機的控制擺桿接近165°5s， 旋轉臂角度不大10次測試，完時(shí)保持倒立時(shí)間成了7次。的，而二維模糊控制器的控制性能較好，所線(xiàn)加上適當的電壓即可使電機轉動(dòng)起來(lái)，電壓于90° .以一般選擇增量算法作為模糊控制器的輸出越高則電機轉速越快。對于直流電機的速度五、結論變量，模糊控制基本結構如圖1所示。調節，可以采用PWM調速方法?？刂齐姍C的時(shí)倒立擺是一個(gè)很好的控制實(shí)驗裝置，由候，電源并非連續的向電源供電，而是在一于其結構簡(jiǎn)單、成本較低、對于控制效果檢驗特定的頻率下以方波脈沖的形式提供電能。能力強等特點(diǎn)，在控制方法的實(shí)驗和研究上有同占空比的方波能對電機起到調速作用。這是很 重要的地位。設計者可以利用所學(xué)的控制理因為電機實(shí)際上是一個(gè)大電感，它有阻礙輸入論，自行設計多種控制算法，并在本該系統.上電流和電壓突變的能力。因此，脈沖輸入信號進(jìn)行驗證。 本系統具有制作方法簡(jiǎn)單，系統操圖1模糊控制的基本結構被平均分配到作用時(shí)間上，這樣，改變在始能作控制方 便，擺桿倒立持續時(shí)間長(cháng)等特點(diǎn)，基二、系統總體設計框圖端輸入方波的占空比就能改變加在電機兩端本達到了設計要求。本系統主要由主控模塊、角度傳感器模的電壓大小， 從而改變了轉速。用軟件方式塊、機械結構模塊、電源模塊、電機驅動(dòng)模塊實(shí)現時(shí)，可以通過(guò)執行軟件延時(shí)循環(huán)程序交替參考文獻等幾部分組成。為了讓擺桿有更大的慣性，帶改變端 口某個(gè)二進(jìn)制位輸出邏輯狀態(tài)以產(chǎn)生脈(川何為民 低功耗單片微機系統設計M.北京:北京航空動(dòng)擺桿旋轉更大的角度，在設計中，我們設定寬調制信號。設置不同的延時(shí)時(shí)間會(huì )得到不同航天 大學(xué)出版社194.電機正反轉存在一定的角度差。電機轉動(dòng)角度的 占空比。角度傳感器在系統中的主要作用是[21胡大可,李培泓,張路平, 基于單片機8051的嵌入式開(kāi)差一般設定在30°以?xún)?，如果角度差太大，?huì )迫用來(lái) 檢測角度的。軸每轉過(guò)1/16圈， 角度傳感發(fā) 指南M.北京:電子工業(yè)出版社.2003使還處于上一個(gè)慣性狀態(tài)的擺桿改變狀態(tài)，這器就會(huì )計數一-次。 往一個(gè)方向轉動(dòng)時(shí)，計數增[31張振榮,晉明武,王毅 平.MCS-51單片機原理及實(shí)用技樣將不能實(shí)現增大慣性作用，反而使擺桿擺動(dòng)加， 轉動(dòng)方向改變時(shí)，計數減少。計數與角度[用黃智偉,全國大學(xué)生電子設計竟賽電路設計[M).北京:角度變小。當電動(dòng)機驅動(dòng)擺桿轉到360°， 且傳感 器的初始位置有關(guān)。當初始化角度傳感器[4黃智 偉,全國大學(xué)生電子設計:倒立時(shí)，采用角度傳感器檢測擺桿擺動(dòng)萬(wàn)位，[5]劉寶延步進(jìn)電機及其驅動(dòng)控制系統[M]哈爾濱:哈爾操桿倒立。在整個(gè)該過(guò)程中，為了確保由動(dòng)機流程包括對AT89S52的初始化設置、角度傳成濱工業(yè)大學(xué)出版社,1972.在調整速度的同時(shí)維持系統穩定，主控芯片會(huì )器TCL2543的初始化設置、液晶顯示初始化設[6周航慈 單片機應用程序設計技術(shù)[M].北京:北京航空通過(guò)驅動(dòng)電路發(fā)出脈沖指令，控制電動(dòng)機作相置，按鍵設置，定時(shí)器初始化設置，占空比調航天大學(xué)出版社,1991.應的微調，從而完成動(dòng)作。本系統主要通過(guò)節等。程序的核心算法是基于PID的閉環(huán)控制，[7]郁有 文.傳感器原理及工程應用[M.西安:西安電子科AT89S52單片機來(lái)控制電路的輸出，使用模糊PID控制器參數的整定步驟如下: (1)首 先預選技大學(xué)出版2008.控制算法，實(shí)現按鍵控制、電機轉動(dòng)、倒立擺一個(gè)足夠短的采樣周期讓系統工作: (2)僅加[8宋戈.51單片機應用開(kāi)發(fā)范例大全[M.北京人民郵電旋轉、液晶顯示等功能。角度傳感器模塊在系入比例控制環(huán)節，直到系統對輸入的階躍響應出出版社2010.統中的作用是檢測擺桿與水平面的夾角，進(jìn)而現臨界振蕩，記下這時(shí)的比例放大系數和臨界將數據反饋給主控芯片，主控芯片以此來(lái)發(fā)出.振蕩周期; (3) 在一定的控制度下通過(guò)公式計作者簡(jiǎn)介:曾敬(1982-) ，四川遂寧人，研究方控制指令。電路設計總體框圖如圖2所示。算得到PID控制器的參數。系統再根據角度傳向:通訊與信息技術(shù)。廣泛的應用前景。本文以某大客車(chē)車(chē)身的初步設計提供了一種可行的分析方法，不失為一-種(3)周偉,宋 學(xué)偉.客車(chē)車(chē)身結構拓撲優(yōu)化設計].客車(chē)技設計和總布置為依據，以CAD等軟件為平臺，有效的方法。術(shù)與研究,2012()9-10.建立了客車(chē)車(chē)身拓撲優(yōu)化模型。根據汽車(chē)車(chē)身[4]ROSSOW M P,TALORJ E. A finite element method結構的特點(diǎn)，參照拓撲優(yōu)化準則法，提出客車(chē)參考文獻for the optimal design of variable thickness sheetsU].AIAA車(chē)身的優(yōu)化流程，包括拓撲優(yōu)化及尺寸、形狀[1]李學(xué)修,黃虎,劉長(cháng)虹.拓撲優(yōu)化方法在輕卡車(chē) 身結方法。經(jīng)有限元分析，優(yōu)化的結果均滿(mǎn)足實(shí)際改進(jìn)中的應用小.上海工程技術(shù)大學(xué)學(xué)207270);11中國煤化工需要。利用優(yōu)化算法縮短了客車(chē)車(chē)身開(kāi)發(fā)的時(shí)TYHCNMHG四川綿陽(yáng)人，大學(xué)本間，節省了經(jīng)費，并設計出了較為合理的車(chē)身(21張葒蔚,顧 力強.基于有限元分析技術(shù)的大客車(chē)車(chē)開(kāi)究方向: CAD結構設結構，為工程師的進(jìn)--步設計提供了新的思路門(mén)結構拓撲優(yōu)化設計研究D.機械設計與研究,2002,18計與優(yōu)化。和可靠的依據。拓撲優(yōu)化分析方法為車(chē)身結構():46-47.電子世界-159-