结构拓扑优化与客车车身优化设计

设计应用《.简易旋转倒立摆控制系统设计西华师范大学物理与电子信息学院曾敬滕军陆晓燕[摘要]本设计以STC89S52单片机为控制核心，通过角度传感器得到系统变量，利用PWM分别对电机转动角度与速度进行控制，进而实现倒立摆在一定的角度范围内的旋转控制。[关键词]倒立摆;角度传感器; STC89S52倒立摆系统是一-个典型的单输入多输出、感器检测到的摆杆位置，做出相应的电机转速复杂的、非线性的不稳定系统。它在军事、航的调节，从而使摆杆达到预定的状态。系统的、机器人和各类工业领域都有着广泛的用srce9s52。电机驱动主程序流程如图3所示。四、测试结果的工程意义。本设计是基于AT89S52的单片机本系统从以下三个方面对倒立摆进行了测简易旋转倒立摆控制系统。其主要构造包括旋编码培测角度+臂、摆杆、直流电机等装置。其中直流电机为图2电路设计总体框图1.摆杆从处于自然下垂状态(摆角0°)开执行机构，可由专门的电机驱动芯片如L298N始，驱动电机带动旋转臂作往复旋转使摆杆摆L 开始驱动。根据-定的算法计算将信号提供给驱动动，并尽快使摆角达到或超过60°~ +60*;芯片，以驱动直流电机转动，从而带动旋臂旋系院物始化2. 从摆杆处于自然下垂状态开始，尽快增转，最终实现控制倒立摆运动的效果。被晶显示大摆杆的摆动幅度，真至完成圆周运动: 8。I、倒立接算法分析摆杆至接近165"位置，外力撤除同时，启动控.键盘输入模糊控制。所谓模糊控制。就是在控制方法上制施车壁体理杆保持倒状太时间不小平5S.应用模糊集理论、模糊语言变量及模糊逻辑「 喷式选择推理的知识来模拟人的模糊思维方法,用计算EYs测试结果如表1所示机实现与操作者相同的控制。该理论以模糊电机减速撑臂>80度1「團周运动1测试结果如表1倒立摆测试表集合、模糊语言变量和模糊逻辑为基础,用比测试项且测试要求测试结果口较简单的数学形式直接将人的判断、思维过摆杆摆动角度在-60°~+60完成，可摆动程表达出来。本设计中涉及的状态变量共有图3主程序流程图摆杆旋转角度圆周运动两个圆周运动4个，每个变量的论域作7个模糊集的模糊划三、系统软件流程分，这样，完备的推理规则库会包含7=2401由于系统使用的是直流减速电机，所以「 保持倒立时间不少于个推理规则，但如此多的规则是很难实现控制方法相对较为简单，只需给电机的控制摆杆接近165°5s， 旋转臂角度不大10次测试，完时保持倒立时间成了7次。的，而二维模糊控制器的控制性能较好，所线加上适当的电压即可使电机转动起来，电压于90° .以一般选择增量算法作为模糊控制器的输出越高则电机转速越快。对于直流电机的速度五、结论变量，模糊控制基本结构如图1所示。调节，可以采用PWM调速方法。控制电机的时倒立摆是一个很好的控制实验装置，由候，电源并非连续的向电源供电，而是在一于其结构简单、成本较低、对于控制效果检验特定的频率下以方波脉冲的形式提供电能。能力强等特点，在控制方法的实验和研究上有同占空比的方波能对电机起到调速作用。这是很 重要的地位。设计者可以利用所学的控制理因为电机实际上是一个大电感，它有阻碍输入论，自行设计多种控制算法，并在本该系统.上电流和电压突变的能力。因此，脉冲输入信号进行验证。 本系统具有制作方法简单，系统操图1模糊控制的基本结构被平均分配到作用时间上，这样，改变在始能作控制方 便，摆杆倒立持续时间长等特点，基二、系统总体设计框图端输入方波的占空比就能改变加在电机两端本达到了设计要求。本系统主要由主控模块、角度传感器模的电压大小， 从而改变了转速。用软件方式块、机械结构模块、电源模块、电机驱动模块实现时，可以通过执行软件延时循环程序交替参考文献等几部分组成。为了让摆杆有更大的惯性，带改变端 口某个二进制位输出逻辑状态以产生脉(川何为民 低功耗单片微机系统设计M.北京:北京航空动摆杆旋转更大的角度，在设计中，我们设定宽调制信号。设置不同的延时时间会得到不同航天 大学出版社194.电机正反转存在一定的角度差。电机转动角度的 占空比。角度传感器在系统中的主要作用是[21胡大可,李培泓,张路平, 基于单片机8051的嵌入式开差一般设定在30°以内，如果角度差太大，会迫用来 检测角度的。轴每转过1/16圈， 角度传感发 指南M.北京:电子工业出版社.2003使还处于上一个惯性状态的摆杆改变状态，这器就会计数一-次。 往一个方向转动时，计数增[31张振荣,晋明武,王毅 平.MCS-51单片机原理及实用技样将不能实现增大惯性作用，反而使摆杆摆动加， 转动方向改变时，计数减少。计数与角度[用黄智伟,全国大学生电子设计竟赛电路设计[M).北京:角度变小。当电动机驱动摆杆转到360°， 且传感 器的初始位置有关。当初始化角度传感器[4黄智 伟,全国大学生电子设计:倒立时，采用角度传感器检测摆杆摆动万位，[5]刘宝延步进电机及其驱动控制系统[M]哈尔滨:哈尔操杆倒立。在整个该过程中，为了确保由动机流程包括对AT89S52的初始化设置、角度传成滨工业大学出版社,1972.在调整速度的同时维持系统稳定，主控芯片会器TCL2543的初始化设置、液晶显示初始化设[6周航慈 单片机应用程序设计技术[M].北京:北京航空通过驱动电路发出脉冲指令，控制电动机作相置，按键设置，定时器初始化设置，占空比调航天大学出版社,1991.应的微调，从而完成动作。本系统主要通过节等。程序的核心算法是基于PID的闭环控制，[7]郁有 文.传感器原理及工程应用[M.西安:西安电子科AT89S52单片机来控制电路的输出，使用模糊PID控制器参数的整定步骤如下: (1)首 先预选技大学出版2008.控制算法，实现按键控制、电机转动、倒立摆一个足够短的采样周期让系统工作: (2)仅加[8宋戈.51单片机应用开发范例大全[M.北京人民邮电旋转、液晶显示等功能。角度传感器模块在系入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出出版社2010.统中的作用是检测摆杆与水平面的夹角，进而现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界将数据反馈给主控芯片，主控芯片以此来发出.振荡周期; (3) 在一定的控制度下通过公式计作者简介:曾敬(1982-) ，四川遂宁人，研究方控制指令。电路设计总体框图如图2所示。算得到PID控制器的参数。系统再根据角度传向:通讯与信息技术。广泛的应用前景。本文以某大客车车身的初步设计提供了一种可行的分析方法，不失为一-种(3)周伟,宋 学伟.客车车身结构拓扑优化设计].客车技设计和总布置为依据，以CAD等软件为平台，有效的方法。术与研究,2012()9-10.建立了客车车身拓扑优化模型。根据汽车车身[4]ROSSOW M P,TALORJ E. A finite element method结构的特点，参照拓扑优化准则法，提出客车参考文献for the optimal design of variable thickness sheetsU].AIAA车身的优化流程，包括拓扑优化及尺寸、形状[1]李学修,黄虎,刘长虹.拓扑优化方法在轻卡车 身结方法。经有限元分析，优化的结果均满足实际改进中的应用小.上海工程技术大学学207270);11中国煤化工需要。利用优化算法缩短了客车车身开发的时TYHCNMHG四川绵阳人，大学本间，节省了经费，并设计出了较为合理的车身(21张荭蔚,顾 力强.基于有限元分析技术的大客车车开究方向: CAD结构设结构，为工程师的进--步设计提供了新的思路门结构拓扑优化设计研究D.机械设计与研究,2002,18计与优化。和可靠的依据。拓扑优化分析方法为车身结构():46-47.电子世界-159-