液壓絞車改善被吊物體動態(tài)狀態(tài)的控制方法*

王 成，傅 安

（西北工業(yè)大學，西安 710072）

液壓絞車改善被吊物體動態(tài)狀態(tài)的控制方法*

王 成，傅 安

（西北工業(yè)大學，西安 710072）

由于受飛機機身擺動和空中風速影響，航空吊放液壓絞車在近機狀態(tài)下（吊放物距離絞車5 m～10 m）經(jīng)常發(fā)生由于吊放的物體擺動幅度過大，導致?lián)p傷吊放的物體和絞車本身。該控制方法針對某一型號液壓絞車，提出一種利用角度傳感器檢測到的電纜纜位角的信息作參考值，根據(jù)鐘擺原理，通過控制吊放電纜提升的時機、調(diào)整吊放電纜提升速度，在近機狀態(tài)下絞車收放由程序自動控制的方法，從而解決被吊放物體擺動幅度過大的問題。采用該方法可以保護電纜和絞車的安全，便于聲吶員操作，給出硬件設計和軟件設計的思想和方法。

液壓絞車，吊纜，纜位角，角度傳感器，消擺

0 引言

液壓絞車一般用于升降或平拖重物。由于其體積較小,可以實現(xiàn)無極調(diào)速,換向比較容易,操縱控制簡便,自動化程度高，在越來越多的領域里發(fā)揮著不可替代的作用。目前廣泛用于軍隊、海洋、民用等領域［1］。但在額定載荷較大的工況下,由于受車身移動和風速的影響，經(jīng)常發(fā)生被吊放起的物體擺動幅度過大，導致?lián)p傷被吊放的物體和絞車本身。

國內(nèi)同類型航空聲納吊放絞車并沒有引入消除擺動控制器，吊放類的消擺裝置主要應用在一些起重船的起重機上?，F(xiàn)在國外的消擺策略主要有以下3種：①動力學模型的建立；②擺角等相關信息的檢測與處理；③消擺控制算法的研究。而國內(nèi)相關產(chǎn)品由于開發(fā)難度大所以產(chǎn)品相對滯后。國內(nèi)相關研究的困難主要有以下三點：①相關研究多注重難以實現(xiàn)的理論和仿真，而理論研究多注重現(xiàn)代控制方法，如模糊控制、自適應控制等控制方法；②擺角，擺角角速度的測量是重要的難點；③國內(nèi)相關的研究罕有合理、便于實現(xiàn)的消擺控制系統(tǒng)的電子電路的解決方案。

本型號的液壓絞車與起重機有兩點不同：①提升速度達到5 m/s,比起重機的1.5 m/s有了較大的提升；②纜繩具有傳遞信號的作用，所能承受的拉力有限，并且動力學模型已經(jīng)固定。根據(jù)以上幾點本文提出一種利用角度傳感器檢測到的吊纜纜位角度的信息作參考值，通過閉環(huán)控制吊繩上升速度的方法，從而減少被吊放的物體擺動幅度過大問題，并給出閉環(huán)控制的硬件設計和軟件設計的思想和方法。

本設計的控制方法是應用在直升飛機上吊放航空聲納系統(tǒng)時用的液壓絞車上。本型號的液壓絞車系統(tǒng)主要是由絞車和控制盒組成。而控制盒是最關鍵的部分，它主要完成絞車的運行控制［2］。本文從硬件設計和軟件設計兩個方面優(yōu)化控制盒，從而實現(xiàn)消擺控制。

1 纜繩擺動的模型與消擺方案

1.1 消擺方案

纜繩的擺動與物理鐘擺模型和運動特性一致。因此控制懸點纜繩的收放，成為了減少擺動幅度的有效方法。本文通過擺體擺動的不同階段，控制絞車收纜繩速度的方法來消擺。

圖1 是鐘擺運動過程示意圖。其中φ為纜位角，ωz為電纜角速度，mg為重力［3］。

①當擺體從A向B運動時或從C向B運動時（即向內(nèi)擺動時），纜位角減小，絞車停止收纜。

②當擺體從B向C運動時或從B向C運動時（即向外擺動時），纜位角增大，絞車開始收攬。

1.2 具體控制方案

當擺體上升并且纜長小于等于10 m時，手柄控制的提升控制轉(zhuǎn)換為自動控制，提升條件由三方面進行限制，分別是：纜長、纜位角、電纜的擺動方向。當電纜由中心往外擺時提升，隨著電纜長度的減小，允許提升的角度逐漸減小。電纜長度10 m時，只允許纜位角在±10°范圍內(nèi)提升，提升速度不超過1 m/s，超過±10°不提升；電纜長度5 m時，只允許纜位角在±5°范圍內(nèi)提升，提升速度不超過0.8 m/s，超過±5°不提升；電纜長度1 m時，只允許纜位角在± 1°范圍內(nèi)提升，提升速度不超過0.4 m/s，超過±1°不提升［4］。

2 硬件設計方案

本控制系統(tǒng)的硬件主要設計一個絞車控制電路板。首先通過角度傳感器傳給單片機纜位角信息；單片機再將數(shù)字手柄產(chǎn)生的位移信號進行采集解算，得到絞車的運行速度值；然后對應纜位角和纜長信息所要求的速度值產(chǎn)生相應的PWM控制信號，并對此信號進行調(diào)理；最后以直流電壓信號的形式傳到絞車本體上的電液伺服閥，進而控制絞車運行［5］。本系統(tǒng)的絞車控制板框圖如圖2所示。

由圖2所示，該系統(tǒng)的硬件控制模塊可以分為角度傳感器角度檢測、旋轉(zhuǎn)編碼器速度檢測、PWM輸出伺服閥驅(qū)動、數(shù)字手柄，C8051F020單片機和這6個部分。

①纜位角檢測模塊：該模塊由安裝在絞車上的角度傳感器反饋信號實現(xiàn)，并將此信號發(fā)給單片機進行運算處理。

②速度檢測模塊：該模塊由安裝在絞車導向輪上的旋轉(zhuǎn)編碼器反饋信號來實現(xiàn)，并由測得的實際速度進行速度閉環(huán)控制。

③PWM輸出伺服閥驅(qū)動模塊：伺服閥的控制信號由C8051F020微控制器的可編程計數(shù)陣列（PCA0）的8位PWM的工作方式給出，采用固定頻率方式，調(diào)節(jié)占空比的方式完成PWM脈寬調(diào)制功能，然后，PWM信號經(jīng)過濾波放大調(diào)理后輸出加到電液伺服閥上［6］。

④數(shù)字手柄輸入：由控制桿和16位絕對值編碼器組成的數(shù)字手柄，精度能做到0.3°/檔，相當于將單邊（上升或下降）分成70檔，每檔對應的速度0.07 m/s。絕對值編碼器輸出的是一個串行數(shù)字信號［7］。

⑤C8051F020微控制器：a.該控制器接收旋轉(zhuǎn)編碼器信號計算得到纜繩長度和纜繩上升速度，b.接收角度傳感器的電壓信號，進行A/D轉(zhuǎn)換計算得出纜位角，并判斷擺體的是否向外擺動。c.根據(jù)纜長、纜位角、電纜的擺動方向的信息，輸出不同占空比的PWM信號［8］。

⑥EPM7128S-100CPLD模塊：將16位絕對值編碼器輸出的串行信號轉(zhuǎn)換成并行信號輸入到單片機中進行速度設定。

3 軟件設計方案

在硬件平臺的基礎上，軟件設計的優(yōu)劣對功能的實現(xiàn)起到至關重要的作用。程序的整合優(yōu)化在整體資源分配上，對程序整體架構設計的優(yōu)化是最關鍵的。要盡量采用結構化的程序設計方法，使得整個程序結構清晰、明了，便于調(diào)試和維護。

3.1 開發(fā)環(huán)境

根據(jù)系統(tǒng)的設計方案，系統(tǒng)軟件設計的內(nèi)容包含較多，大體上分為單片機絞車運行控制程序，可編程邏輯器件的軟件設計。本文主要介紹單片機絞車運行控制程序。

單片機控制程序是核心，由單片機C語言開發(fā)，采用Keil C軟件設計［9］,結合高性能SoC級芯片C8051F020，處理速度達到要求，可以滿足絞車控制實時性要求；對于可編程邏輯器件CPLD的軟件設計主要采用Verilog HDL語言來編寫，采用Quartus II軟件設計。

3.2 消擺程序流程圖

消擺程序流程圖如圖3所示

圖3流程圖主要由以下3個模塊組成：纜長纜速檢測模塊、纜位角檢測和擺動方向檢測模塊和運行模塊。以下簡單介紹各模塊程序的原理。

3.2.1 基于旋轉(zhuǎn)編碼器的絞車實時速度和纜長測定原理

由旋轉(zhuǎn)編碼器分辨率的定義，每轉(zhuǎn)一圈，編碼器輸出固定個脈沖個數(shù)，記為Np，單位為脈沖個數(shù)/轉(zhuǎn)；旋轉(zhuǎn)編碼器安裝輪的直徑為d,半徑為r=d／2，單位為：米（m）。

由以上條件可得：

旋轉(zhuǎn)編碼器位移分辨率：

單位是m/每個脈沖，表示每個脈沖代表的位移量。

單片機對旋轉(zhuǎn)編碼器采樣時間Ts，采樣時間內(nèi)計數(shù)脈沖個數(shù)為N（注意：每次讀取計數(shù)值后要清零計數(shù)器）

通過采樣時間Ts內(nèi)，計數(shù)脈沖個數(shù)N即可以得到在采樣時間內(nèi)的位移量

其中：N為采樣時間Ts內(nèi)的脈沖計數(shù)個數(shù)。

線纜實時速度為：

其中：Ts為采樣時間

所以只要在每個采樣間隔Ts內(nèi)，計數(shù)旋轉(zhuǎn)編碼器輸出脈沖數(shù)，即可根據(jù)式（2）和式（3）測得絞車的實時纜長和速度。

3.2.2 基于角度傳感器的纜位角檢測和纜繩擺動方向檢測的原理

①纜位角檢測：角度傳感器輸出的是電壓值V，電壓值經(jīng)過單片機的A/D模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號D，再將數(shù)字信號對應其角度值P。

K為一設定的比例值，將A/D轉(zhuǎn)換輸出的數(shù)字對應為角度值，這樣就測出了角度值。

②纜繩擺動方向檢測：使用單片機C8051F020的定時器設定一采樣周期，一周期采樣一次角度值，當前角度值大于上一次采樣的角度值時纜繩向外擺動，反之向內(nèi)擺動。

4 測試結果

將設計好的控制盒和絞車組合起來，將纜繩放至10 m，手動抱起吊物，使纜位角角度為10°。松開吊物并且推動手柄，使絞車上升。在絞車上做實驗進行對比，比較使用本文控制方法和沒有使用本文方法的區(qū)別。

圖4 是沒有使用本文方法的提升控制，吊物以1 m/s的速度上升。圖5采用了本文方法。結果顯示，沒有使用本方法的控制盒時，吊放物體擺動幅度衰減很慢。在10 s左右與絞車撞上，使纜位角瞬間降為零；使用消擺控制的控制盒時，吊放物體擺動幅度衰減較快，并在13 s時達到一個纜位角為1°的擺動幅度，有效防止了被吊放的物體損傷和絞車本身損傷的問題。

5 結束語

本方法是針對某型號航空聲納吊放絞車而設計的。該方法即保證了絞車吊放物體速度的流暢性，又能有效減小纜繩的擺動幅度。本方法基于高集成度的 C8051F020 單 片 機 控 制 采 集 系 統(tǒng)+EPM7128S-100CPLD的硬件電路，加上必要的外部設備設計出的液壓絞車消擺控制方法。該方法具有簡單有效，穩(wěn)定可靠的特點。在工程上已經(jīng)取得了良好的效果。如果其他系統(tǒng)里需要消除吊物的鐘擺現(xiàn)象，只需對文中方法略作調(diào)整即可。

［1］唐金元，王翠珍，于潞.基于數(shù)字PID控制的吊放聲納液壓絞車控制系統(tǒng)［J］.青島大學學報,2008，23（1）：40-45.

［2］姚遠，王英民，王成.輕型液壓絞車速度閉環(huán)控制系統(tǒng)的設計［J］.微型機與應用，2011，30（1）：90-92.

［3］蔣金哲.單旋翼涵道風扇式無人直升機的鐘擺現(xiàn)象與控制［J］.兵工自動化，2007，27（5）：62-72.

［4］Yu G，Martynenko A M.Formal’skii.Controlledpendulum on a Movable Base［J］.Mechanics of Solids，2013，48（1）：6-18.

［5］姚遠.航空液壓絞車的智能數(shù)字控制系統(tǒng)研究［D］.西安：西北工業(yè)大學，2009.

［6］王嵐，吳海強，孫卓君.基于PWM濾波數(shù)模轉(zhuǎn)換電路設計［J］.應用科技，2007，34（10）：50-53.

［7］許寧.絕對值編碼器通過PLC實現(xiàn)港口機械的角度測量［J］.港口裝卸，2007（5）：27-28.

［8］袁梅，田宏達，董韶鵬，等.基于PWM的電流輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換電路［J］.儀表技術與傳感器，2011，21（7）：91-93.

［9］童長飛.C8051F系列單片機開發(fā)與C語言編程［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2005.

Control Methods of Improve Dynamic State of Bjects Hanged on Hydraulic Winch

WANG Cheng，F(xiàn)U An
（Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710012，China）

Because of the influence of the mobile and wind speed,hydraulic winch hoist goods often encounter the problem that the amplitude of swing is too big.When hydraulic winch of Airborne dipping in the near machine state(the distance is 5 m～10 m)，it is easy to damage the hanging objects and winch.Therefore.For one type of hydraulic winch，a method is proposed to achieve this goal，that angular transducer detected the angle sensor of the hoist cable’s angle information as reference value of the controller.According to the principle of pendulum，by controlling the lifting cable promotion opportunities，adjust the lifting cable hoisting speed is adjusted.When the hoisting at the state of near machine，it will be controlled by the program.Thereby the problem which the suspended object swings are too much can be solved.This method can be used to protect the cable and winch's safety，and is easy to operation via the sonar officer.And the paper gives the hardware design and software design ideas and methods.

hydraulic winch，cable，the cable angle，angle sensor，anti swing

TJ630

A

1002-0640（2015）09-0163-04

2014-08-17

2014-09-09

西北工業(yè)大學基礎研究基金資助項目（GDKY1001）

王 成（1978- ），男，云南人，博士，副教授。研究方向：水聲信號處理。