單軸定位儀控制系統(tǒng)開發(fā)

1、單軸定位儀控制系統(tǒng)開發(fā)摘 要木材加工時(shí)手動(dòng)定位誤差較大，本文設(shè)計(jì)開發(fā)一種新型的簡(jiǎn)易式手持單軸定位儀，采用STC 89c51單片機(jī)，便捷的設(shè)置搜尋目的，通過光電傳感器反響實(shí)時(shí)位置，使用迭代控制算法自動(dòng)補(bǔ)償誤差，同時(shí)具有參數(shù)調(diào)整，斷電記憶，實(shí)時(shí)數(shù)顯等多種功能。經(jīng)理論驗(yàn)證，可快捷高效的實(shí)現(xiàn)精度較高的定位?！娟P(guān)鍵詞】定位 單片機(jī) 迭代控制 自動(dòng)補(bǔ)償1 引言木材加工鋸切過程中需要大量的定位工作，傳統(tǒng)的人工測(cè)量方法效率低下，而且精度較低。市面上目前存在的自動(dòng)測(cè)距儀器較多，定位儀器偏少，且功能較單一，難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定位，使用之前需要手動(dòng)校準(zhǔn)，難以滿足消費(fèi)要求。木材加工由于場(chǎng)地限制，工藝條件往往較差，難以采用精

2、細(xì)的測(cè)量裝置實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位。由于周邊環(huán)境狀況較為負(fù)載，采用傳統(tǒng)的PID誤差補(bǔ)償算法，PID參數(shù)需要經(jīng)常調(diào)整，難以快捷的加工定位過程中針對(duì)木材加工的工藝要求，本文設(shè)計(jì)開發(fā)一種新型的單軸自動(dòng)定位儀，具有參數(shù)設(shè)置、位置實(shí)時(shí)顯示、斷電記憶、誤差自動(dòng)補(bǔ)償、步進(jìn)等功能，其中誤差補(bǔ)償采用迭代控制算法，經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證，精度可以到達(dá)0.1mm。2 硬件設(shè)計(jì)2.1 硬件原理框圖采用STC89c51單片機(jī)，根據(jù)產(chǎn)品所需實(shí)現(xiàn)的功能，硬件原理框圖如圖1所示。輸入主要有光電信號(hào)A/B相反響、4*4矩陣按鍵，輸出主要有6位共陰極LED數(shù)碼管、正轉(zhuǎn)繼電器驅(qū)動(dòng)、反轉(zhuǎn)繼電器驅(qū)動(dòng)等組成。I2C芯片用于斷電記憶保存當(dāng)前設(shè)置的參數(shù)。其中光電

3、信號(hào)反響采用差分計(jì)數(shù)，進(jìn)一步進(jìn)步定位時(shí)的分辨率。正轉(zhuǎn)繼電器和反轉(zhuǎn)繼電器采用24V驅(qū)動(dòng)，需要使用光耦芯片隔離。2.2 I2C芯片I2C芯片采用24C02。24系列EEPROM可重復(fù)擦寫100萬次，遵循雙向二線制總線協(xié)議，數(shù)據(jù)可以掉電不喪失，有1K位、2K位、4K位、8K位等存儲(chǔ)容量的系列產(chǎn)品，24C02就是其中的2K位容量的產(chǎn)品。2.3 4*4矩陣按鍵輸入為了減少I/O口的占用，將按鍵排列成4*4矩陣。每條程度線和垂直線在穿插處不直接連通，而是通過一個(gè)按鍵。通過這種方式，只采用一個(gè)8位端口即可以構(gòu)成4*4=16個(gè)按鍵，高效的利用了硬件資源。2.4 6位LED數(shù)碼管顯示由于顯示精度要求，需要6位L

4、ED數(shù)碼管顯示，為了節(jié)約硬件端口資源，采用循環(huán)刷新的方式，循環(huán)點(diǎn)亮6位LED數(shù)碼管，由于人眼的視覺停留效果，6位數(shù)碼管可同時(shí)顯示。軟件中程序的循環(huán)周期必須盡量短，否那么數(shù)碼管顯示會(huì)偏暗，甚至無法識(shí)別。3 迭代補(bǔ)償算法設(shè)計(jì)單軸定位儀軟件的核心在于誤差補(bǔ)償算法的實(shí)現(xiàn)，產(chǎn)品采用的迭代控制補(bǔ)償算法原理圖如圖2所示。設(shè)第一次輸入的定位值為ykt，由于執(zhí)行量正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)繼電器的通電時(shí)間Ukt無法直接計(jì)算，此時(shí)為預(yù)估初始值U+/U-。由于繼電器吸合/釋放的過程本身就需要時(shí)間，隨著時(shí)間的老化，吸合/釋放的時(shí)間也將產(chǎn)生變化。同時(shí)外界環(huán)境等各種原因也會(huì)造成干擾。本次實(shí)際定位值Skt與輸入值ykt之間的差值為誤差ek

5、，通常迭代系數(shù)q取0.5。誤差ek有正誤差及負(fù)誤差兩種情況，如為正誤差，說明搜尋目的未到達(dá)，反之負(fù)誤差那么說明搜尋目的超過。在下一次執(zhí)行目的值yk+1t時(shí)，相應(yīng)的繼電器通電時(shí)間Uk+1t應(yīng)進(jìn)展迭代補(bǔ)償，當(dāng)為正誤差時(shí)，執(zhí)行量為單方向，執(zhí)行量Uk+1t=U+q*U+ek；當(dāng)為負(fù)誤差，此時(shí)搜尋目的超過，執(zhí)行量為雙向，Uk+1t= U+ q*U-ek。將本次的實(shí)際值Sk+1t與yk+1t比較，差值為誤差ek+1，本次的誤差用來進(jìn)展下一次迭代運(yùn)算。依次類推，目的值與實(shí)際值將逐步接近，經(jīng)過數(shù)次迭代后，精度將滿足要求。初始位置位0，連續(xù)進(jìn)展5次搜尋測(cè)試，參加迭代補(bǔ)償及不加迭代補(bǔ)償算法的測(cè)試結(jié)果如表1所示。4 結(jié)論1合理的設(shè)計(jì)最大化的利用了硬件資源，降低了產(chǎn)品本錢。2采用迭代控制算法，單軸定位儀可以快速準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)定位功能，即使由于環(huán)境因素等發(fā)生改變，誤差也能快速得到自動(dòng)補(bǔ)償。參考文獻(xiàn)1劉一江，周惠蒙，彭楚武，李軼.基于迭代控制的電液振動(dòng)臺(tái)控制系統(tǒng)J.控制工程，2021， 165：543-546.2 石成英，林輝.迭代學(xué)習(xí)控制的研究與應(yīng)用進(jìn)展J.測(cè)控技術(shù)，2004，232：1-3.3張波，王朋亮.基