ck系列冲孔桩基自动控制系统的软件设计毕业设计论文(编辑修改稿)

ck系列冲孔桩基自动控制系统的软件设计毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

20%（同样的提升高度，人工操作是每分钟 8次，而自动操作是 10次）再加上它永远不休息，实际上提高效率在 30%以上。 当出现吸锥（夹锥）、离合刹车突然不灵、停电时等故障时，它能处理紧急情况，避免事故的发生，减少不必要的损失。 打桩施工是一个长期的工程，如果通过人为来控制，施工方需要长期支付工人工资以及各种人为消耗，对于自动打桩机控制系统来说，只需要一次性资金投入，长远来看，在提高工作效率和减少安全生产事故的同时，节约了生产成本。 在冲孔打桩工作过程中，单纯依靠人的操作经验来控制施工的质量显然无法满足当今社会对建 筑工程质量越来越高的要求，而冲孔桩机自动控制系统的控制由各种程序和算法完成，控制精确、稳定，保证了建筑施工的质量。 由于当今各种打桩机的气动控制系统及电气控制系统方面已经比较成熟，国内外各种桩机的发展主要体现在控制系统方面，微电子技术的飞速发展，为改进各种打桩机的性能、提高稳定性、加工效率方面提供了可能。 从我国打桩机行业来看，国内机型虽种类齐全，但技术含量相对较低，缺乏高技术含量的机型。 而目前的国内外各种打桩机的控制向着高速化、智能化、自动化发展，如果将自动控制技术应用于冲孔打桩机 ，使其实现冲孔打桩的全自动化或半自动化，将操作人员从繁琐重复的体力劳动中解放出来，无疑会使冲孔打桩机焕发出新的生机。 当前市场中有上万台甚至数十万台冲孔机在各种施工现场作业，造成大量人力、物力资源的浪费，使工程效益明显降低。 在现有冲孔桩机的基础上对其进行自动化改造，使其具备自动冲孔打桩的能力，可以大大提高工程进度，并可节约大量能源，降低工程造价，创造良好的经济效益。 控制 系统的现状与优缺点，主要了解 CK 系列打桩机的控制流程，为打桩机 自动控制 系统的设计提供 依据。 自动控制 系统的整体方案，确定该系统应该完成的任务。 机械设计：包括离合控制机械系统和离合位移传感器安装；刹车系统机械设计和刹车位移传感器安装；高度传感器的安装。 算法研究：包括离合系统的建模；刹车系统的建模；高度检测西安工业大学北方信息工程学院毕业设计 (论文 ) 1 系统建模；余绳算法的研究；本系统为时延系统，时延控制 算 法仿真与实现。 ，使控制软件具有良好的框架，便于软件修改、删除、添加和升级。 软件功能中增加故障自诊断和看门狗等功能保证系统可 靠性运行。 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计 (论文 ) 1 2 CK 系列冲孔桩机系统结构分析 1 2 CK 系列冲孔桩机系统 结构分析 硬件核心模块主要由四大部分组成，分别是最小系统、数据采集模块、刹车和离合的控制模块和人机交互模块。 设计方案的研究 CK 系列冲孔 桩机是利用桩锤自身重量将桩贯入地层的 桩工机械。 由桩锤、桩架、卷扬机及附属设备等组成。 本设计在此基础上加上 自动 控制系统，将原来的纯手动 作业 改为 了 手自动一体化系统，如图 所示。 图 打桩机 系统结构示意图 本课题所研究设计的 CK 系列冲孔桩机自动控制系统属于小型打桩机控制系统，但小型打桩机控制系统的实验设备也并不好搭建，因此本课题拟利用实验室现有的小型电动机、自行车车架、车轮以及小型钢架和自制桩锤搭建的模拟平台进行实验及软硬件调试。 自制桩锤的重量比实际打桩机的桩锤轻得多，虽然桩锤的质量会影响控制参数的设定，但并不影响本课题开展的各项研究。 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计 (论文 ) 1 图 CK 系列冲孔桩机自动控制系统原理框图如图 所示。 操作人员通过触摸屏对打桩机进行参数设 定，如刹车时间、离合时间、提升高度、刹车高度等。 控制器根据所设定的参数驱动电机转动，同时发出指令松开刹车控制杆，拉紧离合控制杆，绕线器借助齿轮的传动作用开始绕线，桩锤被提升。 桩锤到达提升高度时控制器发出指令松开离合控制杆，拉紧刹车控制杆，经过预设的刹车时间后，控制器发出指令松开刹车控制杆，桩锤开始自由落体，以其自身重力撞向桩基。 当桩锤到达刹车高度时，控制器发出指令拉紧刹车杆，但瞬间又松开，经过离合时间之后，控制器发出指令拉紧离合控制杆，桩锤再次被提升。 如此往复进行打桩自动作业。 由于下一次的打桩作业比这一次 的作业需要的挂绳长度长，所以控制器在离合时间之内要完成放余绳的工作，为下一次作业做准备。 控制余绳加放多少很关键。 余绳太长会导致打桩太松，余绳太短会导致打桩太紧。 与此同时，打桩机的各个参数与打桩机周围的土质也有关系。 机械改装设计 本课题通过对传统的 CK 系列冲孔 桩机 的控制机构 进行机械改装，使其具有原有的手动作业方式和自动控制方式。 如果不具有手动作业方式，自动控制是无法完成打桩机调试工作的。 在保留原有作业方式的同时，可对刹车控制系统进行机械改造。 刹车控制机械改装如图 所示。 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计 (论文 ) 1 图 本系统的执行装置可采用气动方式，液压方式和电机控制三种方式，为了方便起见，选择采用电机控制方式。 电机选用 MC33035 直流电机，直流电机响应速度快、力矩大并且体积小。 改装时，将固定块和电机导轨固定在 打桩 机的底座上，电机 旋转带动 丝杠沿导轨运行。 在原有人工作业方式下运行时， 即手动模式下， 控制杆收到远离刹车杆的位置，不影响人员操作。 离合控制系统的机械改装和刹车控制系统相同。 本课题研究的自动打桩机打桩机系统，主要包括控制器系统设计；电源电路的设计；刹 车控制系统、执行装置和位移传感器接口设计；离合控制系统、执行装置设计及位移传感器接口设计；电机控制系统的设计；保护电路的设计；键盘与显示电路等；硬件结构框图如图 所示。 图 ： 电源 电压 分为直流 +， +， +5V，和交流 220V几实时时钟 电源模块 卡锤传感器 开关量信号 I2C 存储 电机保护 继电器 电机过流保护电流互感器 保护 护 离合控制 刹车控制 键盘 JTAG 高度自检 液晶显示 CPU XS128 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计 (论文 ) 1 种。 其中 +， + I/O 口线供电；+5V 为其他大部分芯片供电； +24V 外围接口电路供电；交流 220V 为 AC～ DC（ 220V转 24V）供电。 电源电路主要经过 稳压芯片稳压和电容滤波。 自检 模块：高度 自检 采用永磁铁和现成的霍尔传感器模块。 将数十个永磁铁均匀固定在绕线器的轮子边缘，由固定在不远处的霍尔传感器检测轮子转过的角度。 霍尔传感器的输出是开关量信号，因此经过光电隔离器 6N137 之后直接可以接到微控制芯片进行计数并处理。 ：当打桩机在提锤过程中桩锤卡住时，会引起卷扬机的尾部翘起。 故在卷扬机尾部安装霍尔传感器和永磁铁来检测系统是否卡锤。 、离合控制模块：刹车、离合、电机的控制归根到底都是对电机的控制，由于需要控制电机的通断， 所以控制也只需要简单的继电器控制，故采用普通 I/O 口和功率三极管即可。 ：主要用于将系统重要的数据存储起来， 以及当打桩机系统需要和上位机进行通信时，会把将要发送的数据存储在存储器中。 ：主要用于读取按键信息并且经过处理驱动液晶显示内容。 一个好的硬件平台只有搭配了好的软件才可以发挥出它的功效。 因此，软件的设计方法就显得十分的重要，这在很大程度上取决于系统软件的结构是否合理，方法是否得当。 在软件的编程过程当中，通常用到四种方法 :过程化、模块化 结构化、面向对 象以及面向智能体的编程方法。 对于过程化编程采用自底向上的方法 ,而其他的方法都采用自顶向下的方法。 首先，建立各个模块、对象、或智能体，再将各个模块单元连接起来，最后实现系统的整体功能。 对比这四种方法的优缺点，本设计 设计中采用了新的软件构建方法。 这种方法结合模块化编程方法和面向智能体编程方法的优势，使系统具有更为广泛的实用性，自学习性。 软件模块和硬件模块相对应，结构简明，编写的难度也大大降低了。 3 PID 控制 1 3 PID 控制 CK 系列冲孔桩机自动控制系统属于过程控制，而 PID 控制是过程控制系统应用最广泛的一种 控制规律 ，因此， PID 控制是 CK 系列冲孔桩机自动控制系统中非常重要的环节。 近年来，微机在过程控制领域获得了广泛的应用，用微机取代常规过程控制系统中的模拟调节器，用计算机程序来实现 PID 控制算式便构成了微机控制系统。 由于微机控制系统的计算机程序具有很高的灵活性，因此可以很方便地修改 PID 控制算式，构成性能良好而模拟调节器难以实现的复杂控制系统。 当今的自动控制技术都是基于反馈的概念。 反馈理论的要素包括三个部分：测量、比较和执行。 测量关心的变量，与期望值相比较，用这个误差纠正调节控制系统的响应。 这个理论和应用自动控制的关键是，做出正确的测量和比较后，如何才能更好地纠正系统， PID（比例 积分 微分）控制器作为最早实用化的控制器已有 50 多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。 PID 控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。 PID 控制原理 目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。 同时，控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。 智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等。 自动控制系统可分为开环 控制系统和闭环控制系统。 一个控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口。 控制器的输出经过输出接口、执行机构，加到被控系统上；被控量，经过传感器，变送器，通过输入接口送到控制器。 不同的控制系统，其传感器、变送器、执行机构是不一样的。 比如压力控制系统要采用压力传感器。 电加热控制系统的传感器是温度传感器。 PID 调节器是一种线性调节器，这种调节器是将设定值 r（ t）与输出值 c（ t）进行比较构成控制偏差 e（ t）＝ r（ t）－ c（ t） ,将其按比例、积分、微分运算后，并通过线性组合构成控制量，如图 ，所以简称为 P（比例）、 I（积分）、 D（微分）调节器。 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计 (论文 ) 1 PID 控制的原理及特点 PID 控制是比例积分微分控制的简称，它实际上是比例调节 (P 调节 )、积分调节 (I 节 )和微分调节 (D 调节 )三种调节的组合。 在控制器最常用的控制规律是PID 控制， PID 控制系统的控制原理结构框图如图 所示。 系统由模拟 PID 控制器和被控象组成 . R(S) + E(s) + M(s) C(s) + + + 图 PID 控制系统的控制结构框图 在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称 PID 控制，又称 PID 调节。 PID 控制器问世至今已有近 70 年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。 当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用 PID 控制技术最为方便。 即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用 PID 控制技术。 PID 控制的优点主要表现在以下几个方面 : ，使用方便； ，可以广泛应用于化工、热工、冶金、炼油、以及造纸、建材等各种生产部门。 按 PID 控制进行工作的自动控制器早已商品化。 在具体实现上它们经历了机械式、液动式、气动式、电子式等发展阶段，但始终没有脱离 PID 控制的范畴。 虽然很多工业过 程是非线性或时变的，但通过对其简化可以变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统，这样 PID 就可控制了。 PID 控制器的参数整定 PID 控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。 它是根据被控过程的特性确定 PID 控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。 PID 控制器参数整比例环节 积分环节 微分环节 被控系统 测量装置 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计 (论文 ) 1 定的方法很多，概括起来有两大类： 一是理论计算整定法。 它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。 这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。 二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在 控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。 PID 控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。