自动调平控制系统（精选7篇）
自动调平控制系统 篇1
0引言
近年来, 随着我国农业机械化水平的提高, 应用于丘陵山区的山地拖拉机也得到了发展, 其不仅可以优化农业机械化发展结构布局, 也可以改善丘陵山区农民的生产条件。西北农林科技大学研制的山地拖拉机主要应用于丘陵山区, 并且可以远程遥控车身进行调平; 但手动遥控操作使车身进行调平的工作量大, 不能满足丘陵山区的工作条件的要求。因此, 山地拖拉机自动进行车身调平不仅是实际情况的需求, 更成为了其进一步发展的必然要求。
山地拖拉机在工作过程中能进行车身自动调平, 不仅克服了因地块形状不规则、山地坡度大等因素对山地拖拉机应用的制约[1], 更提高了山地拖拉机的智能化程度, 可以大幅减轻农民的工作强度。因此, 笔者完成了对山地农业拖拉机车身自动调平控制系统的设计。
1工作原理
1. 1车身调平工作原理
履带式山地拖拉机的结构简图如图1所示[2]。 其主要由履带、支撑轮、滑动杆、滑套、支重轮、车架、 支撑架和液压缸组成。支撑架的两端与穿过滑套的滑动杆的下端连接, 滑动杆的上端与支撑轮连接, 支重轮安装在滑动杆上, 滑套与车架连接, 液压缸的缸体与车架连接, 液压缸活塞杆的末端通过球铰连接在支撑架上。当液压缸的无杆腔进油, 有杆腔出油时, 液压缸的缸体上升; 缸体的移动带动车架的移动, 滑套同时沿着滑动杆上升, 从而该侧车身上升; 反之, 车身下降。
1. 2车身自动调平控制系统
车身自动调平控制系统主要由单片机STC89C52、单轴倾角传感器和限位开关组成, 倾角传感器放置于车架的正中央下方位置, 限位开关包括上限位开关和下限位开关, 分别对称地分布于支撑架的两侧。车身调平系统的工作示意图如图2所示。
图2 ( a) 为车身处于初始状态时的结构示意图。8为横杆式上限位开关, 当缸体上端到达极限位置时触发横杆使该限位开关动作, 输出相应信号; 6为按钮式下限位开关, 当液压缸下端到达极限位置时触发该按钮使该限位开关动作, 输出相应信号。在车身的两侧分别布置两组限位开关, 每一组包括8和6两种限位开关, 分别对应两侧的液压缸; 当液压缸运动到相应位置时输出信号。上限位开关8固定在固定杆的上端, 固定杆的下端固定在支撑架上; 下限位开关6固定在液压缸的缸体上, 倾角传感器固定在车架的正中央下方位置, 液压缸的活塞杆固定在支撑架上, 缸体与车架固定。倾角传感器用来获取车身在山地上的倾斜信息, 上下限位开关用来限定液压缸缸体的上下行程终点位置, 固定杆使上限位开关与支撑架相连, 液压缸的活塞杆固定在支撑架上保持不动, 液压缸的缸体与车架相固定, 车架随着液压缸缸体的上下运动而运动, 车身则随着活动车架的运动而运动, 从而使车身完成调平。
图2 ( b) 为车身最大可调角度示意图。山地农业机器人工作于倾斜角度为 α 的斜坡上并且车身处于水平状态。此时, 右侧液压缸缸体没有移动, 而左侧液压缸缸体在最大行程终点位置, 该斜坡的倾斜角度 α 即是车身的最大可调平角度。当山地农业机器人的倾斜角度大于最大可调平角度 α 时, 车身将不再能调平, 所以山地农业机器人在工作过程中要尽量避免此种情况的发生。
2硬件设计
2. 1限位开关部分电路设计
限位开关部分包括检测液压缸是否到达上端行程终点位置的上限位开关、检测液压缸是否到达下端行程终点位置的下限位开关和信号处理电路。上限位开关和下限位开关处于常开状态, 当触动开关时, 开关闭合, 信号处理电路将限位开关的状态信息以数字信号的方式传输给单片机STC89C52进行处理。该状态信号可以判断液压缸是否处于行程终点位置, 从而判断车身是否可以继续调平。限位开关的接口电路如图3所示。
2. 2倾角传感器部分电路设计
倾角传感器部分包括放置在山地农业机器人车身正中央下方的倾角传感器和A /D转换电路。倾角传感器检测车身的倾斜角度并输出对应的模拟电压信号, 模拟电压信号经过A /D转换之后得到对应的数字信号, 并传输给STC89C52单片机进行处理。倾角传感器的采集及显示电路如图4所示。
2. 3中心处理器部分电路设计
中心处理器STC89C52单片机接收倾角传感器模块的A /D转换电路传输来的车身倾斜角度的数字信号和限位开关的信号处理电路传输来的限位开关状态的数字信号, 并且经过处理之后在LCD上显示倾斜角度信息和限位开关的状态信息; 然后运行自动调平算法, 做出调平决策, 并通过继电器控制电磁阀的通断时间来调节液压缸的动作时间[3]; 车身两侧液压缸的上下运动带动车身两侧进行上下调整, 从而使山地农业机器人实现车身自动调平。中心处理器电路如图5所示。
3软件设计
3. 1车身调平控制算法
车身调平控制算法采用PID算法, 控制过程如图6所示。控制算法的本质是确定继电器的通断时间, 从而确定电磁阀的开启时间, 最终控制液压缸缸体的运动时间, 使车身完成调平。倾斜角度 α 作为被控量, PID控制器的输入量为误差量e ( t) , 输出量为液压缸的运动时间t。设定- 2° < α < 2°为车身倾角的精度范围, 调平时, 以T = 2s为采样周期, 当t≥T时, 取液压缸的运动时间t = T; 当t≤T时, 液压缸的运动时间t取PID算法的计算值[4]。采样周期T = 2s, 定时器0工作于模式1, 以10ms为一个循环, 定时初值为TH0 = D8H, TL0 = F0H。
3. 2车身自动调平流程
1) 系统上电启动, 对系统进行初始化, 设定倾斜角度 α 的精度要求为- 2° < α < 2°, 且当 α > 0°时, 车身向左侧倾斜; 当 α < 0°时, 车身向右侧倾斜。
2) 在LCD上显示倾斜角度 α。
3) 判断倾斜角度 α 是否满足精度要求, 如果满足要求, 则不进行调平; 如果不满足要求, 则选择进行自动调平。
4) 判断倾斜角度是否满足精度要求, 如果满足要求, 则调平结束。如果倾斜角度 α > 2°, 此时车身向左侧倾斜: 首先判断右侧液压缸是否能下降; 如果可以, 右侧液压缸下降从而使车身右侧下降, 如果不可以, 则左侧液压缸上升从而使车身左侧上升。如果倾斜角度 α < - 2°, 此时车身向右侧倾斜: 首先判断左侧液压缸是否能下降, 如果可以, 左侧液压缸下降从而使车身左侧下降; 如果不可以, 则右侧液压缸上升从而使车身右侧上升。
5) 判断倾斜角度 α 是否满足设定的精度要求, 满足则调平结束, 不满足则重复步骤4) 。自动调平过程流程图, 如图7所示。
4结论
该车身自动调平控制系统应用于履带式山地拖拉机上, 主要由单片机STC89C52、单轴倾角传感器和限位开关组成。通过单片机处理倾角传感器和限位开关的信号, 做出调平决策, 然后通过控制液压缸缸体的运动使山地拖拉机在工作过程中实现车身自动调平。该车身自动调平控制系统可以使山地拖拉机满足丘陵山区的工作要求。
参考文献
[1]姜福东, 陈德鑫.我国丘陵烟区烟草农业机械化发展现状及对策[J].畜牧与饲料科学, 2009, 30 (2) :97-99.
[2]张季琴, 杨福增, 刘美丽, 等.山地微耕机液压差高装置的设计[J].拖拉机与农用运输车, 2011, 38 (3) :92-93, 96.
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[4]陈铁强, 李克天, 刘吉安, 等.基于AT89S52单片机的PID恒温控制系统的开发和实验研究[J].机电工程技术, 2009, 38 (9) :52-55.
一种全自动转台调平系统设计 篇2
调平装置是系统稳定工作的前提, 许多车载设备在到达指定工作地点后, 都需要一个高精准的水平转台, 因此具有重要作用。过去往往采用人工手动调节方式, 依靠人眼观察基准水泡, 经过反复调整才能达到要求, 调节时间长, 容易受人为因素影响。自动调平可有效的减少操作人员的数量, 降低工作强度, 提高工作效率, 缩短工作时间, 因此自动调平技术的应用越来越广泛。
自动调平方法主要有三点调平原理、四点调平原理和六点调平原理。四点和六点调平原理支撑可靠, 抗倾覆能力强, 但是容易产生“虚腿”, 每个支腿受力不均, 导致平台水平度降低。三点支撑调平相对容易, 支腿受力均匀, 调平过程简单, 可以保证平台稳定的工作, 因此本系统采用三点支撑调平方法。
2 系统组成
系统由高精度倾角仪、调平控制单元、支架、力矩电机、转台、调平支腿、支腿限位开关和直线电机组成。每个支腿上安装一个直线电机, 同时在支腿对应位置安装支腿限位块, 支腿限位开关固定安装在支架上;高精度倾角仪同心安装在转台上, 测量轴平行于台面。 (图1)
3 系统工作原理
系统利用差分原理, 以调平控制单元为中心, 由调平控制单元控制轴系带动转台转动180°, 高精度倾角仪测量转动前后转台倾斜角度数据, 调平控制单元解算出转台的倾斜误差, 根据倾斜误差, 计算三个调平支腿的高度, 确定其中两个较低支腿;控制单元控制较低两个调平支腿的直线电机向上转动, 实时采集高精度倾角仪数据, 并计算当前倾斜误差, 当倾斜误差小于6”时, 调平结束。 (图2)
4 系统设计与实现
调平控制单元是本系统的核心, 主要由单片C8051F020、RS232串口收发器MAX3232等芯片组成, 如图3所示。调平控制单元通过串口接收倾角仪的角度数据;计算转台的倾斜误差, 输出脉冲信号控制电机驱动器, 驱动电机转动实现设备自动调平;通过I/O口接收限位开关的电平信号, 当到达限位位置时, 控制电机停止转动, 起到保护作用。
C8051F020是完全集成的混合信号系统级MCU, 主要模块包括模拟外设、片内JTAG调试和边界扫描、高速控制器内核和数字外设等几部分, 所有的模拟和数字外设都可全功能运行, 其主要特性如下:32位数字I/O端口 (引脚) ;25MIPS高速流水线式8051微控制器内核 (兼容CIP-51) ;全速非侵入式的在系统调试接口;真正12位、100ksps的8通道ADC, 带PGA和模拟多路开关;2个12位DAC, 可编程更新时序, 内部电压基准, 同步输出, 用于产生无抖动波形;片内真正12位100kbps的8通道ADC (带模拟多路开关) ;64K字节可在系统编程的FLASH存储器;4352字节的片内RAM;可寻址64K字节地址空间的外部数据存储器接口;硬件实现的SPI/SMBus/I2C和2个UART串行接口;5个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列。
其最突出的优点就是, 通过设置交叉开关寄存器控制片内数字资源映射到外部I/O引脚, 这就可以允许用户根据自己的特定应用背景, 选择通用I/O端口和所需要数字资源。
串口收发器MAX3232是TI公司推出的一款兼容RS232标准的芯片。该器件包含2个驱动器、2个接收器和一个电压发生器电路提供TIA/EIA-232-F电平, 该器件符合TIA/EIA-232-F标准, 每一个接收器将TIA/EIA-232-F电平转换成5-V TTL/CMOS电平, 每一个发送器将TTL/CMOS电平转换成TIA/EIA-232-F电平, 可实现调平控制板与倾角仪之间的通讯。
5 结语
本文结合三点支撑原理和差分测量方法, 设计了以控制单元为核心的全自动转台调平系统, 该系统调平时间短, 调平精度高, 并且无需人工干预, 为车载设备的稳定工作提供了保障, 可广泛应用。
摘要：为了实现准确、快速的转台调平, 本文设计了一个全自动转台调平系统。文中介绍了该系统的组成、工作原理以及详细设计。系统采用三点支撑原理和差分测量方法, 以控制单元为核心, 控制转台转动180°, 高精度倾角仪采集转台转动前后的倾斜数据, 由控制单元解算倾斜误差, 根据该误差, 计算调平支腿直线电机的移动量, 同时驱动直线电机移动, 控制单元实时采集倾角仪数据, 当倾斜误差小于6″时, 调平结束。
关键词：全自动,调平,转台
参考文献
[1]罗君, 王志乾.捷联寻北系统自动调平方法研究[J].电子测量与仪器学报, 2014 (10) :1117-1122.
自动调平控制系统 篇3
1 系统硬件选型与设计
高空救援消防车作业平台集灭火与救援等功能于一体,是一个功能要求复杂处理信号繁多的救援平台, , 可可靠靠稳定的硬件系统是其安全性和稳定性的重要保证。本控制系统采用西门子S7-300可编程控 制器作为 主控制器,利用I/O模块以及A/D转换模块实现数据的采集。 由于该控制系统所采集的控制信号数量较多,传感器以及调平电机、声光报警设备等一系列信号采集与执行元件安置于作业平台附近,而数据处理与运算的控制器安置于高空救援消防车车架附近,两者相距较远,且该距离在臂架变幅过程中不断变化,若直接将所有输入、输出信号引入控制器必将采用大量的电缆线束,使得控制电路的设计与实际布线变得非常困难,并且不利于系统的检修与维护。因此,笔者设法将PROFIBUS总线技术引入到作业平台自动调平的控制系统中,基于PROFIBUS总线协议建立分布式控制系统,上车部分的I/O和A/D模块就近置于高空救援消防车作业平台处,作业平台上的执行元件直接接入到分布式I/O中,各传感器与A/D模块直接相连,由远程从站统一管理;远程从站与主站PLC通过PROFIBUS总线互联,仅需一根通信电缆即可完成所有传感器信号和控制信号的传输,大幅减少电缆的使用,降低设备布线的难度,提高控制系统的稳定性。本控制系统的硬件选型,如表1所示。
PROFIBUS是目前国 际上通用 的现场总 线标准之 一,是我国工业现场控制事实上的标准。PROFIBUS协议簇中的DP协议特别适合于PLC与现场分布式I/O以及A/D设备之间的通信。笔者基于PROFIBUS-DP协议,构建了总线式控制系统,其结构如图1所示。
在该控制方案中,远程A/D模块采集倾角传感器和重力传感器的 数据,通过PROFIBUS总线传输 到主站PLC中。主站PLC对倾角传感器的数据进行PID运算, 发出不同的PWM信号,该信号通过PROFIBUS总线将执行命令传输到远程I/O,驱动调平电机实现作业 平台调平。该控制系统可在以下两种情况下进行声光报警提示:平台倾角超过了设定的极限值;重力传感器的数值超过了设定的极限值。
2 软件系统的设计
作业平台 的快速自 动调平控 制由系统 控制软件 实现,设计软件工作流程图,如图2所示。
为提高自动调平控制的稳定性,采用PID控制算法, 根据平台倾角的实际值与设定值的偏差,依据PID算法计算控制器的输出量,控制调平电机的工作。该控制算法的基本原理如式(1)所示。
式中:M(t)为时间函数的回路输出量;KC为回路增益;e为回路误差;Minitial为回路输出的初始值。为了便于计算机处理,需要将该公式离散化,如式(2)所示。
式中:Mn为在采样时刻tnPID回路输出的计算值;KC为回路增益;ex为采样时刻tx的回路误差值;K1为积分项的比例常数;Minitial为回路输出的初始值;KD为微分项的比例常数。
在西门子S7-300系列PLC中,有专门用于PID控制的程序功能块SFB41,该功能模块可以实现PID控制, 在程序中设定PID控制的各项控制参数,使用非常简便。 程序编写时,在OB35组织块中调用SFB41程序功能块, 使PLC每隔50ms做一次PID运算。作业平台PID控制原理,如图3所示。
笔者采用-15°~+15°对应输出0~5V的倾角传感器,当倾角为0°时作业平台处于水平位置,对应的输出电压为2.5V。A/D转换模块EM235将传感器输出的0~ 10V模拟电压值转换为对应的0~32 000数字量。当作业平台水平时,经换算得到的EM235模块输出数字量应为8 000。将该值作为作业平台调平的目标值,当采集到的数据超过设定阈值时,控制程序经运算、通过控制器和DP总线输出相应的PWM信号,驱动调平电机动作。
笔者设定作业平台倾角安全范围为 ±3°之间,若超过安全范围,则自动进行PID调平控制;设定平台倾角极限值为±7°,若超过该极限值则进行声光报警。
3 实验模型搭建与功能验证
此调平控制算法采用慧鱼模型进行功能验证,慧鱼模型是一种技术含量较高的工程技术类拼装模型,其主要部件采用优质尼龙塑胶制造,尺寸精确,不易磨损,可以保证反复拆装的同时不影响模型结合的精确度。
为了验证笔者设计开发的高空救援消防车作业平台自动调平系统的功能,在实验室条件下,利用慧鱼模型搭建了高空救援消防车作业平台模型,如图4所示。
将角度传感器以及重力传感器分别安装在作业平台模型上,并将硬件模块进行连接与通信,硬件安装好后在软件中对硬件进行组态,将主站PLC地址设为2,PROFIBUS-DP远程站地址设为3,两者通过PROFIBUSDP总线互联,传输率设为1.5 Mbps,硬件组态完成后连同控制程序一起下载到转战PLC中。按下启动 按钮后启动指示灯点亮亮,系统进入工作状态,臂架进行上升与下降的变幅动作,作业平台自动调平,并保持水平,测试结果如图5所示。在平台上施加负载,当重力超过了所设定的极限值时,报警指示灯不断闪烁进行超重报警。
自动调平控制系统 篇4
1 调平液压系统原理
调平液压系统一般只在动臂提升过程中具有调平功能,其调平功能主要通过一个流量分配阀来实现,同时铲斗提升调平过程也是铲斗和动臂复合动作过程。提升调平液压系统的原理如图1所示。
动臂提升—铲斗端平:向后操作先导手柄,先导控制液压油进入动臂换向阀的a2口,推动阀芯向上移动,压力油经工作油口B1进入动臂油缸的无杆腔,动臂举升,从动臂液压缸有杆腔流出的液压油经调平阀的B口进入到流量分配阀(流量按一定的比例分配)后分为两路,一路经右可调节流阀、单向阀从C出来,进入铲斗油缸的无杆腔,出来后经调平阀的D回油;多余的一部分液压油经调平阀中的左可调节流阀从A口出来直接进入动臂换向阀工作油口A1回油。通过对调平阀中的两个节流阀的调节,可以控制进入斗杆液压缸的流量,使动臂在提升过程中,动臂的转角和铲斗的转角的变化量保持一致,从而达到调平铲斗的目的。
1-动臂换向阀;2-安全阀;3-主泵;4-油箱;5-铲斗油缸;6-动臂油缸;7-单向阀;8-右节流阀;9-旁通阀;10-左节流阀;11-调平阀
反之,动臂下降时,压力油经工作油口A1从调平阀的A口进入,再经旁通阀(或左可调节流阀)从调平阀的B口进入到动臂液压缸的有杆腔,从动臂液压缸无杆腔流出的液压油经动臂换向阀工作油口B1回油。此时铲斗缸油与动臂油缸无关联动作,铲斗不能够保持调平状态。
2 调平系统
2.1 工作装置提升调平运动分析
如图2所示,当动臂油缸的无杆腔得油,其缸杆伸出,推动动臂向上动作,摇臂向后转动;当动臂提升到一定高度时,在连杆的作用下,动臂做向前和向上运动,摇臂向前转动;从动臂油缸1有杆腔的油经过流量分配阀后,有一部分油进入到铲斗油缸的无杆腔,使得铲斗油缸在整个动臂提升过程中能始终保持同步伸出,铲斗始终保持动臂提升前的状态,即动臂的转角和铲斗的转角的变化量保持一致,从而实现铲斗提升调平。
1-摇臂;2-动臂油缸;3-连杆;4-动臂;5-铲斗油缸;6-铲斗
2.2 调平液压系统的计算及分析
动臂油缸参数:缸径D1,杆径d1,行程S1;
铲斗油缸参数:缸径D2,杆径d2,行程S2。
如图2中位置Ⅰ,当动臂油缸未伸出,铲斗完全放平在地面时,则
对于动臂油缸:X1—杆安装孔与缸筒前端面的距离;
对于铲斗油缸:Y1—杆安装孔与缸筒前端面的距离。
如图2中位置Ⅱ,当动臂油缸全伸出,铲斗调平终了(假设完全水平状态)时,则对于动臂油缸:X2—杆安装孔与缸筒前端面的距离;
对于铲斗油缸:Y2—杆安装孔与缸筒前端面的距离。
这时,动臂油缸行程变化量△X=X2-X1=S1
铲斗油缸行程变化量△Y=Y2-Y1≠S2
则,动臂油缸与铲斗油缸流量比i=△X/△Y
上升调平流量的计算:
对于动臂油缸Q1=pD12/4△X
对于铲斗油缸Q2=Q1/i
则,上升调平流量Q上=Q1+Q2=Q1·(1+1/i)
动臂油缸流量Q1经过流量分配阀时,通过右可调节流阀的流量为Q2,通过左可调节流阀的流量为△Q。
由此可见,△Q>Q2,回油的流量大于到铲斗上升调平所需的流量,由于通过左、右可调节流阀的流量之比等于其通孔直径之比,且左可调节流阀的节流孔大于右可调节流阀的节流孔。这个理论为节流孔的设计提供一个依据,即计算出一个节流孔大小即可得出另一个节流孔大小。在我司某型号产品上设置的左、右节流孔直径大小分别为2mm、0.8mm,即左、右可调节流阀通孔直径之比为5∶2,经样机调试验证,效果十分理想。
另外,当主泵全流量供应提升调平时,由于铲斗从位置Ⅰ到位置Ⅱ有△X=S1,则提升所需时间t上=Q上/S1=Q1(1+1/i)/S1
提升所需时间是衡量系统选型的一个重要性能指标。当动臂油缸、铲斗油缸的掘起力的计算满足时,需要验证或修正主泵的流量(即主泵的排量与发动机转速之间的关系),如果主泵排量已定则发动机的额定转速需重新选,反之需重新定主泵排量。特别与同类机型比较时,如果提升所需时间短或接近则比较理想,如果偏长则需考虑重新核算。
3 结束语
流量比i对于设置左节流阀与右节流阀的通孔直径的大小有着重要意义,如果设置不合理,在调试过程中需更换若干次阀芯,才能保证铲斗调平精度在一个合理的误差范围内,同时操作性能也会大受影响,因此需要进行严格的计算。目前该铲斗自动调平液压系统已经安装在某型号滑移装载机上,性能优良、质量可靠,用户使用情况良好。此项技术可推广应用到系列化产品上,并将产生良好的社会效益和经济利益。
参考文献
[1]张海涛,施圣贤,何清华,等.滑移转向装载机铲斗自动调平控制系统[J].工程机械,2005,(8),17-19.
[2]刘 乐,孙蓓蓓,王业刚.滑移装载机工作装置液压系统仿真研究[J].机械制造与自动化,2010,(1):110-113.
自动调平控制系统 篇5
带电清扫机器人[1]是一种用于清扫变电站绝缘支柱的机器人。机器人手臂安装在叉架顶部,叉架安装在支撑平台上。工作时叉架升起,高度约为8m。如果支撑平台出现倾斜,将引起顶端手臂出现较大的偏移量,直接影响手臂的工作姿态和位置。而且手臂和叉架质量较大,如果支撑平台倾斜过大,叉架左右两侧受力不均,会产生较大形变,容易引起铰接处失效产生危险。因此清扫机器人作业前必须对支撑平台进行调平。
带电清扫机器人的支撑平台是一个液压四点支撑平台。传统的平台调平[2]多采用人工调平,即采用目测和手动方式进行大致调平,或采取其他辅助手段进行二次调整,其调平时间长、精度低、变形大、重复性大、稳定性差。现今的自动调平系统多采用滚珠丝杆[3]为执行元件,其承载能力小,不适合重型设备的支撑平台;而采用液压缸为执行元件的自动调平系统,由于以下三方面因素的影响使得调平系统的收敛性难以保证,即无法保证在支腿行程范围内使平台达到预定精度:一方面,由于工作平台的模型建立存在一些不确定因素(如平台变形,系统存在振动等),因此支腿间的高度差难于计算;另一方面,支撑平台本身是个冗余静不定支承系统,支腿运动相互耦合[4];再则,由于平台负载不均以及液压元件参数不完全一致等原因,导致支腿下降速度难控制。本文针对以上三个方面进行研究,并提出一种满足带电清扫机器人调平收敛性要求的液压调平控制方法。
1 平台模型建立及修正分析
首先假设液压自动调平系统平台为纯刚性模型[5],系统的初始状态和终了状态均为可测,故系统模型可简化为一个关于初始状态和终了状态的纯几何关系模型。
如图1所示,A、B、C、D为平台的四个支腿的支撑点;α为平台与水平面在x0方向的夹角;β为平台与水平面在y0方向的夹角;L1为移动载体
平台的宽;L2为移动载体平台的长;h为最高腿与最低腿的高度差,x0y0是水平面。由于坐标系x1y1z1是由坐标系x0y0z0经过绕x轴旋转β角度,绕y轴旋转α角度得到的,因此旋转变换矩阵10R如下:
D点在坐标系x1y1z1中的坐标1 D=(L2,L1,0)T,D点在坐标系x0y0z0中的坐标0 D=(x,y,z)T,则由坐标变换关系可得
可知平台高度差模型为
由于平台不可能是纯刚性的,必然存在弯曲变形。现将平台简化成截面为矩形的梁。水平时平台变形简图如图2所示。
其中机器人本体重量G=20kN,平台线形重力q=592N/m,前后桥重力G′=G″=3kN,平台长AB=L2=3220mm,L3=610mm,L4=L2/2=1610mm,L5=2610mm。则由挠曲轴近似微分方程和叠加原理,可得平台的弯曲角γA、γB和弯曲挠度δ分别为
平台x方向的倾斜角为α时,平台变形简图如图3所示。
此时,梁存在拉压和弯曲变形,由于角度α较小,且梁的拉压刚度较大,故不考虑拉压变形。对G、G′、G″和q进行正交分解,径向的分量为Gcosα、G′cosα、G″cosα和qcosα。同理可得平台的弯曲角度γ′A、γ′B和弯曲挠度δ′分别为
由式(2)~式(5)可得,平台x方向倾斜α角时与平台水平时的变形差如下:
将弹性模量E=210GPa,惯性矩I=4.42×10-5m4,以及平台倾斜角α<5°代入式(6)、式(7)可得
y方向存在倾斜角度的情况和x方向同理,由上述计算可知,平台变形给模型造成的误差较小,因此在高度差模型上不添加变形修正参数,而在控制中加以修正。
2 运动耦合的处理
调平目标是使平台的角度参数α和β的绝对值小于一个预置精度S′,即要求|α|<S′、|β|<S′。但是调平过程中,调节任何一个支腿的高度都会造成角度参数α和β的同时改变。因此系统存在运动的耦合。
处理运动耦合的方法有很多,以往的调平系统常采用同时调节两个支腿的方法[6],即同时控制两个支腿同步升高,先调节x方向达到调平要求|α|<S′,然后再调节y方向达到调平要求|β|<S′。这种运动解耦的难点在于控制两个支腿同步下降。一旦两个支腿不同步(即升高的速度不一样)则发生运动耦合。而实际中,由于平台负载不均以及液压元件参数不完全一致等原因,液压支腿间的升高无法保证精确同步,因此运动耦合无法彻底消除。
我们提出一种处理此运动耦合的方法——改变调平目标参数法。构造一个调平效果参数,调平目标为S<S′。因为
所以调平目标S<S′比调平目标|α|<S′、|β|<S′更加严格,可以满足调平要求。与此同时,采用单腿升高调平策略,这样便可以解决运动耦合所引起的调平收敛性问题。单腿升高调平策略如图4所示。图4中,t为最低腿应该升高的时间;h′为最低腿实际升高的高度;转换Ⅰ根据反馈回来的调平信息以及平台高度差模型计算出最低腿和最高腿之间的高度差h;转换Ⅱ根据高度差h计算出最低腿达到最高腿的高度所需要的升高时间t;转换Ⅲ根据t控制最低腿动作,从而得出最低腿实际升高高度h′;转换Ⅳ由倾斜仪测出调整后的α、β;转换Ⅴ将角度α、β转换为调平参数S。
可见引进调平效果参数S和单腿升高调平策略以后,调平系统由多输出系统简化为单输入单输出系统,从而解决了运动耦合所引起的调平收敛性问题。
3 支腿速度特性分析
平台调平是通过支腿的升高来实现的,因此支腿升高的速度特性分析对调平的实现具有重要意义。
支腿升高的速度即油缸的输出速度,由于系统采用的是单活塞缸,所以
式中,v为支腿升高速度;q1为输入流量;Ae为活塞的有效工作面积;ηV为液压缸的容积效率。
油缸的输入是由液压泵提供的,所以
式中,q′为液压泵的平均流量;η′V为油路的容积效率。
由于本系统选用的是齿轮泵,所以
式中,z为齿轮的齿数;m为齿轮模数;b为齿轮齿宽;n为齿轮泵的转速;η″V为齿轮泵的容积效率。
由式(9)~式(11)可得
由于齿轮泵由电机驱动,本系统的驱动电机转速是固定的,因此n为固定值。
理论上,由于决定支腿速度的参数均为常数,所以由式(12)可知支腿升高的速度不变。实际上,参数η″V、η′V、ηV在调平过程中会发生细微变化,而且电磁阀的打开以及程序的执行等都会耗费时间,因此支腿升高的速度并不是固定值,而是动态值。
通过实验,测得系统给定支腿动作时间与支腿实际升高高度的关系曲线,简称位移-时间曲线,如图5所示。
可见当给定的支腿升高动作时间较长(大于100ms)时,参数的细微变化以及电磁阀打开和程序的执行等耗费的时间对支腿速度的影响不大。位移和时间可以近似为线性关系,即认为支腿速度是恒定的。当给定支腿升高动作时间较短(小于100ms)时,位移和时间为非线性关系,即认为支腿速度不是恒定的。
4 系统收敛性分析和设计
4.1 影响收敛性的因素
要保证系统的收敛性,即要保证在支腿行程范围内S<S′。由图4可知,系统的收敛性主要是由转换Ⅰ-Ⅴ的准确性决定,而且关键在于转换Ⅰ-Ⅲ,即如何根据倾斜仪测得的角度精确地推导出最低腿和最高腿的高度差;以及如何根据高度差推导出最低腿升高时间,使得最低腿实际升高高度h′趋近于h。
4.2 解决收敛性问题的方案
针对影响收敛性的因素,现提出两点解决收敛性问题的方案。即准确计算支腿间的高度差、准确控制支腿升高指定高度。
4.2.1 准确计算支腿间的高度差
要准确地计算支腿间的高度差,关键在于:一方面,要准确且实时地将角度信息反馈给平台模型;另一方面,平台模型的误差小。
支腿升高过程中,由于平台惯性较大以及电机等部件的运转,使得平台会出现小幅振动。而振动会导致角度传感器反馈信号失真[7]。为了保证角度信号准确且实时地反馈给平台模型,系统设置了缓冲时间调整,即每次支腿调整后系统停止若干秒,以缓冲平台振动,排除角度传感器的失真信号,从而保证角度反馈的准确性和实时性。如表1所示,当调整缓冲时间t=0时,系统无法在支腿行程范围内结束调平。当0<t<4s时,系统虽然能够在支腿行程范围内结束调平,但由于失真信号的存在,系统无法收敛于S′。当t≥4s时,系统收敛于S′。可见采取调整缓冲时间能够提高系统的收敛性和稳定性。
综上所述,通过采取调整缓冲时间和建立的高度差模型式(1),系统便可以将反馈的角度信息准确地转换成平台高度差,即实现了图4中转换Ⅰ的功能。
4.2.2 准确控制支腿升高指定高度
准确控制支腿升高指定的高度,即必须保证支腿实际升高高度h′≤h,且h′要尽量趋近于h。
由于调平平台存在着变形,为了防止变形使得实际升高高度h′超过h,可以引入一个安全系数ηh,即每次调整的下降高度设置为hηh。由式(8)可知平台变形所带来的误差比实际数据小一个数量级,因此可以取ηh=0.9,以确保h′不超过h。
由于支腿升高速度并非恒定的,所以为了使h′尽量趋近于h,需要对支腿升高速度进行优化,即优化系统给定的支腿动作时间t和高度h之间的关系。如图5所示,当t≥100ms,h≥3.962mm时,支腿速率基本不变,约为0.0345 m/s。当t<100ms,h<3.962mm时,支腿速度不恒定,考虑到此时支腿升高高度较小,调平容易出现反复,故将t设定为能达到调平目标的一个固定值。
本系统的调平目标为S≤0.05°,由于L1=2300mm,由式(1)可知达到调平目标所需最小调整高度为
如图5可知,要求h<3.394mm,必须t<90ms。考虑到此时调平受平台变形、液压流量容积损失、电磁阀打开和程序的执行耗费时间的不确定性等因素影响较大,为了保证调平的收敛性,t必须为一个较小固定值,故t设定为使支腿动作所要给定的最小动作时间tmin=40ms。
因此t和h的关系式优化如下:
根据式(13)便可以实现h和t的转换,即实现了图4中转换Ⅱ的功能,而且还保证了转换Ⅲ的准确性。
5 实验结果与分析
本系统采用Simens S7-200 PLC为控制器,灵敏度为100mV/(°)的双轴倾角传感器,12位的A/D模块等组件。
采用本文所述控制方法进行自动调平实验,实验结果如图6所示。由图6可知,平台的调平效果参数S从大于1°调整到S≤0.05°,仅耗时24s,期间系统共计5次升高最低腿。可见,该控制方法已经实现了调平的快速高精度收敛。
6 结论
本文首先对液压自动调平系统在收敛性方面的技术难点进行分析和研究,在此基础上,提出了一种确保系统收敛性的控制方法。实验结果表明该方法能够保证系统的收敛性,而且调平精度高、速度快。另外,该控制方法具有较强的通用性,可以为一般移动载体的液压调平系统提供技术参考。
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一种高精度自动调平工作台设计 篇6
关键词：调平,电机,电子水准器,ARM
0 引 言
在现代国防与民用技术中,常常需要把某些设备精确地调整到水平位置,以提高系统的工作性能,达到某一指标要求。如利用测绘仪器进行工程测量时,常常需要对测绘仪器进行调平对中。测绘仪器调平时,通过水准器检测仪器的水平状态,采用“三点法”,依靠人工作业完成,这种方法耗时长,调平精度差。本文设计了一种高精度、低成本的自动调平工作台。该工作台的控制系统采用精密电子水准器作为水平传感器检测工作台面的水平状态,采用PWM输出信号控制调平电机,对工作台面进行调平,并利用ARM微处理器进行闭环控制,实现工作台面的自动调平。
1 系统的工作原理
自动调平工作台具有A,B,C三个调整脚,平台台面可在三个调整脚上平动,如图1所示。将平台投影在水平面上,A,B,C点构成等边三角形。如将A调整脚的高低位置固定,调整B调整脚,使AB边处于水平状态;调整C调整脚,使AC边处于水平状态;当AB,BC,CA为刚性连接,AB,AC为两条直线水平时,则平台处于水平状态。
1.1 水平检测
本系统采用高灵敏度电子水准器作为水平检测传感器。该电子水准器基于差动电容原理,依据其输出电容值的大小测量平台倾斜度。当电子水准器处于水平位置时,其输出差动电容值为零,检测的水平精度可达2″。将电子水准器作为水平传感器按图1所示的方向安装于平台上,即可对平台进行实时检测。
水平传感器的输出含有A-C和A-B两个方向的信号。Ⅰ号水平传感器输出值为正时,表明A位置高于C位置;Ⅰ号水平传感器输出值为负时,表明A位置低于C位置。同理,Ⅱ号水平传感器为正时,表明A位置高于B位置;为负时,表明A位置低于B位置。若Ⅰ,Ⅱ号水平传感器的输出都为0,则可认为平台已处于水平状态。
1.2 控制数学模型
数学模型主要是得到水平倾角θ1,θ2与各调整脚位移ΔZ之间的函数关系,如图2所示。当某一瞬时平台位置为AB′C′,平台调平时台面位置为ABC时,Ⅰ号水平传感器输出倾角值为θ1,Ⅱ号水平传感器输出倾角值为θ2。为了简化工程运算,在θ1,θ2较小时,根据几何关系可知,B,C调整脚的位移为:
在水平传感器精度、平台加工精度一定的情况下,平台水平误差的大小与水平传感器的位置有一定关系,“三点法”调平的水平误差可根据水平传感器检测的倾角θ1,θ2合成为:
式中:α为两个水平传感器之间的夹角。
如果θ1,θ2的检测精度为±δ,则“三点法”调平的水平误差为:
1.3 水平调节
调整脚的执行机构采用PWM模式驱动的直流伺服电机[1,2]。直流电机选择用Maxon的产品,并配合减速箱,以满足调平驱动力和精度的要求。电机控制采用PID控制[3,4,5]。
模拟PID控制系统原理如图3所示。图3中,r(t)是给定值;y(t)是系统的实际输出值;p(t)为反馈值;u(t)是PID控制器的输出量,也是被控对象的输入量;e(t)=r(t)-u(t)为给定值与反馈值构成的控制偏差。模拟PID控制器的控制规律为:
式中:KP为比例系数;TI为积分常数;TD为微分常数;u0为控制常量的初始值。
由于计算机控制是一种采样控制,必须对模拟控制模型进行离散化处理。以T作为采样周期,k作为采样序号,则离散采样时间KT对应着连续时间t,用求和的形式代替积分,用增量的形式代替微分,即可得到离散的PID控制模型为:
式中:k为采样序号,k=0,1,2,…;uk为第k次采样时刻计算机的输出值;ek为第k次采样时刻输入的偏差值;ek-1为第k-1次采样时刻输入的偏差值。
2 硬件设计
本系统由两个电子水准器、电容数字转换器AD7745[6]、基于ARM7内核的LPC2131微控制器[7]、功率放大器、直流电机组成,如图4所示。两个电子水准器检测工作平台的水平状态,以电容输出值的不同表示台面的水平程度。电容数字转换器AD7745将电子水准器的量测电容以差分形式作为输入,转换成数字信号。LPC2131微控制器采集AD7745输出的数字信号,通过特定的算法处理,利用自带的PWM信号输出控制L298N的输出电压,从而驱动电机运转,达到自动调平的设计目的。
3 软件设计
如图5所示,系统软件包括LPC2131和AD7745初始化[8,9,10]、电子水准器的数据采集、控制模型的数据处理和电机控制信号的输出四个部分。根据离散化思想,把调平过程分解为若干个追踪周期。每一个追踪周期包括数据采集、数据处理和输出控制。每经过一个追踪周期,平台向水平平面靠近一些,逐渐逼近水平,即每经过一个追踪周期,平台平面与水平面的夹角逐渐变小,直至趋近于零。
数据采集:以I2C标准接口采集经电容数字转换器AD7745转换后的电子水准器输出电容值。
数据处理:对采集的数据进行转换和处理,判断应调整直流电机Ⅰ还是直流电机Ⅱ;是向上调整还是向下调整,并对调整范围给出量化数据。
输出控制:根据数据处理结果,编程控制LPC2131的PWM相关寄存器,控制电机运转。
4 结 语
(1) 由于采用电容数字转换器AD7745的分辨率可达4 aF,并内置有温度传感器,使得电子水准器的检测精度可达2″。
(2) 由于构建的控制模型合理,在选用带减速机构的Maxon高精度伺服电机配合下,保证了自动调平工作的安平精度在5″以内。
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自动调平控制系统 篇7
多缸调平系统广泛应用于军事、水利、海洋工程以及实验设施中的重物提升和调平工作中。在某些应用场合,对于调平系统运动的稳定性和精度都有着严格的要求,因此就要对多液压缸进行有效的同步控制[1,2]。
文献[3,4,5]使用主从同步控制方法实现多缸同步控制,主从同步控制方法是将上一个液压缸的输出作为下一个液压缸的输入,在系统稳态时,能够保证多个液压缸的同步性,但是当负载发生突变或加减速时,多个液压缸的同步性较差。
文献[6,7,8]使用等状态交叉耦合控制实现多缸同步控制,等状态交叉耦合控制是将各个液压缸的跟踪误差的均值作为每个液压缸的输入,以此克服主从同步控制方法产生的滞后问题。
笔者针对调平系统的多液压缸同步控制研究,提出一种基于模糊相邻耦合的控制方法。
1 多缸调平系统数学模型
多缸调平系统基本组成如图1所示,由四个单作用液压缸、电液伺服阀、泵站以及平台组成。
1.液压泵2.电液伺服阀3.液压缸4.平台
设平台中心即为系统相对坐标系Ocxcyczc,四个升降液压缸的运动误差将导致平台绕着坐标系的x轴或y轴旋转θx或θy角度,根据受力分析可知:
式中,m为平台总体质量,kg;Fi为四个液压缸输出力,N;i表示第i个液压缸,i=1,2,3,4;zc为平台升降位移,m;Pix为四个液压缸铰接点x轴上位移,m;Piy为四个液压缸铰接点y轴上位移,m;Jx为平台绕x轴转动惯量,kg·m2;Jy为平台绕y轴转动惯量,kg·m2;θx为平台绕x轴转角,rad;θy为平台绕y轴转角,rad[9]。
对液压缸受力进行分析,可知:
式中,zi表示第i个液压缸的位移;Ai1为第i个液压缸无杆腔的面积,m2;piL为第i个液压缸的负载压力,Pa;mi为第i个液压缸的活塞杆质量,kg;Bip为第i个液压缸的黏性阻尼系数,N·s/m;Fi为第i个液压缸受到的外界载荷,N。
同步控制液压缸的数学模型为[10]
式中,Lf为液压缸输出力的力臂矩阵;ML=diag(M,Jx,Jy);Lq-1为负载的惯量矩阵;Bp=diag(B1p,B2p,B3p,B4p)为液压缸黏性阻尼系数矩阵;m=diag(m1,m2,m3,m4)为液压缸活塞杆质量矩阵;Lf+为Lf的广义逆矩阵;Mg=[mg 0 0]T为调平平台重力矩阵;R为液压缸负载合外力矩阵;qViL为第i个伺服阀负载流量,m3/s;Cid为第i个液压缸流量系数;ωi1为第i个液压缸阀口面积梯度,m2/m;xiv为第i个液压缸伺服阀阀芯位移输入信号,m;Vie为第i个液压缸等效容积,m3;Cit为第i个液压缸泄漏系数,m5/(N·s);K为液压油弹性模量,Pa[11]。
2 模糊相邻耦合同步控制
2.1 相邻耦合控制器设计
模糊相邻耦合控制仅考虑相邻两根液压缸的位移,即第i个液压缸位移控制器的输入包含了第i个液压缸位移实际跟随误差和第i-1个、第i+1个液压缸位移与第i个液压缸位移的相对误差。因此对四缸同步控制,或者更复杂的六缸、八缸同步控制,其控制器结构复杂程度不会增加。相邻耦合控制结构如图2所示[11]。
补偿器原理如图3所示。补偿控制器的输入为第i个液压缸与其相邻两个液压缸位置的同步误差,将这两个同步误差分别与对应的补偿系数相乘后相加即得到补偿器的输出。对于多液压缸同步控制这样的复杂非线性系统,补偿系数难以通过常规方法精确获得,因此使用模糊PI控制算法获取补偿系数[12]。
综上,第i个液压缸的耦合误差,即第i个液压缸运动控制器的输入表示为
式中,r*为设定信号;ei为第i个液压缸位移实际跟随误差;ei,i-1为第i个液压缸与第i-1个液压缸的同步误差;ei,i+1为第i个液压缸与第i+1个液压缸的同步误差;Ki,i-1为第i个液压缸与第i-1个液压缸的同步误差补偿系数;Ki,i+1为第i个液压缸与第i+1个液压缸的同步误差补偿系数。
对多缸调平系统进行同步控制的目的在于通过控制器控制液压缸使得ei、ei,i-1和ei,i+1尽量趋于零[13,14]。
2.2 同步误差补偿系数模糊控制器设计
同步误差补偿系数模糊控制器的输入为液压缸之间的同步误差及误差变化率,模糊推理规则推理出PID控制器的输入量。
设计PID控制器时,暂不考虑微分环节。将模糊PID控制器输出的比例和积分增量进行归一化处理:
式中,KP为PID控制器比例项系数;KI为PID控制器积分项系数。
根据多缸调平系统实际工况,将液压缸同步误差和同步误差变化率范围确定为-20~20mm和-200~200mm/s。分别通过0.25和0.025的量化因子将其量化到-5~5的论域范围内。使用NB、NS、ZO、PS、PB、S、M、B分别表示模糊语言负大、负小、零、正小、正大、小、中、大。将同步误差和误差变化率的模糊子集设定为{NB,NS,ZO,PS,PB},将ΔKP和ΔKI的模糊子集设定为{S,M,B}。制定的模糊推理规则如表1和表2所示。
3 同步控制方法仿真研究
使用MATLAB/Simulink工具箱建立多缸调平系统同步控制的仿真模型,如图4所示,并设置参数如表3所示。
使用主从同步控制方法与相邻耦合同步控制进行对比研究。设定仿真时间为30s,仿真步长为100ms。系统仿真时的输入信号曲线如图5所示。仿真得到两种同步控制方法的仿真曲线如图6所示。
通过对比主从同步控制方法和模糊相邻耦合同步控制方法的仿真曲线可以看出,使用模糊相邻耦合同步控制时,四个液压缸误差波动较小,并且在液压缸加减速阶段能快速将误差降低,而主从同步控制方法作用下,在液压缸加减速阶段误差波动较大,并且后一个液压缸的响应速度和稳定性要比前一个液压缸差。
4 多缸调平实验研究
针对多缸调平系统模糊相邻耦合同步控制原理进行实验研究。实验装置简图见图7。
使用MTC液压缸内置磁致伸缩位移传感器测量液压缸的伸缩位移,该种传感器精度可达到0.01%,迟滞仅为0.5ms,适用于速度达到10m/s的高速液压缸运动测量。使用数据采集卡将传感器数据传送至工控机,工控机内设定的控制程序控制电液伺服放大器,使液压泵站驱动液压缸动作。实验装置的基本参数和仿真模型中一致。
同样使用主从同步控制方法进行对比分析,实验结果如图8和图9所示。
通过对比主从同步控制方法和模糊相邻耦合同步控制方法的实测曲线可以看出,其基本趋势与仿真结果相似,采用主从同步控制方法时,液压缸的最大跟踪误差达到14.8mm,采用模糊相邻耦合同步控制时,液压缸的最大跟踪误差为7.8mm。液压缸匀速运动时,两种控制方法作用下液压缸跟踪误差相差不大。
5 结论
(1)针对调平系统的多液压缸同步控制进行研究,对调平系统受力及多缸控制系统进行分析,建立了控制对象的非线性数学模型。
(2)研究了一种基于模糊相邻耦合的控制方法,采用补偿器将相邻两个液压缸位置同步误差融合到液压缸控制器中,对于难以通过常规方法精确获得的补偿系数,采用模糊PI控制算法获取。
(3)通过MATLAB仿真和实验对模糊相邻耦合的同步控制方法进行测试,并采用主从同步控制方法进行对比分析。结果表明,采用模糊相邻耦合同步控制时,四个液压缸误差波动较小,并且在液压缸加减速阶段能快速将误差降低,具有较好的同步控制性能。液压缸匀速运动时,两种控制方法作用下液压缸跟踪误差相差不大。
摘要：针对调平系统的多液压缸同步控制研究,提出了一种基于模糊相邻耦合的控制方法。首先对调平系统受力及多缸控制系统进行分析,建立控制对象的非线性数学模型。对相邻耦合控制器进行设计,使用补偿器将相邻两根液压缸位置同步误差融合到液压缸控制器中,对于难以通过常规方法精确获得的补偿系数,使用模糊PID控制算法获取。通过MATLAB仿真和实验对模糊相邻耦合的同步控制方法进行测试,并使用主从同步控制方法进行对比分析。结果表明,使用模糊相邻耦合同步控制时,四根液压缸误差波动较小,并且在液压缸加减速阶段能快速将误差降低,具有较好的同步控制性能。