自動調(diào)平平臺結構及控制系統(tǒng)設計研究

吳小芳　劉小明

摘 要：為了改善自動調(diào)平技術性能，以平臺結構作為改進突破口，提出新的平臺結構設計方案。以強化支撐為目的，結合平臺調(diào)平控制需求，設計控制系統(tǒng)總體架構。通過單獨計算各個電桿的控制角度，下達控制作業(yè)命令。測試結果表明，設計的控制系統(tǒng)能夠較為準確地調(diào)平平臺，可以作為平臺自動調(diào)平控制設計的參考依據(jù)。

關鍵詞：控制系統(tǒng);自動調(diào)平平臺;單片機

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）31-0015-03

Research on Structure and Control System Design of Automatic

Leveling Platform

WU Xiaofang LIU Xiaoming

（Jiangsu Danyang Secondary Vocational School， Zhenjiang Jiangsu 212300）

Abstract： In order to improve the performance of automatic leveling technology， this paper takes the platform structure as the improvement breakthrough， and puts forward a new platform structure design scheme. In order to strengthen the support， combined with the platform leveling control requirements， the overall architecture of the control system is designed. The control angle of each electric pole is calculated separately to issue the control operation command. The test results show that the control system can level the platform accurately and can be used as a reference for the design of automatic leveling control of the platform.

Keywords： control system;automatic leveling platform;singlechip

近年來，自動化調(diào)平技術的應用領域逐漸擴大，成為各類設備穩(wěn)定運行的重要控制技術[1]。開發(fā)自動調(diào)平控制系統(tǒng)，有助于降低設備控制程序的復雜程度，并且可以在一定程度上降低設備的操作技術水平，對崗位技術人員的操作能力要求有所降低[2]。本研究嘗試開發(fā)一種自動調(diào)平系統(tǒng)，利用調(diào)平平臺對設備作業(yè)狀態(tài)加以調(diào)平控制。目前，該項目仍然停留在研究階段，尚未形成完整的系統(tǒng)設計方案。本文嘗試從自動調(diào)平平臺的機械結構和作業(yè)原理出發(fā)，提出新的調(diào)平控制系統(tǒng)設計方案。

1 自動調(diào)平平臺機械結構和作業(yè)原理

自動調(diào)平平臺含有3種支撐模式，每種支撐模式的支撐點數(shù)量不同[3]。目前，已經(jīng)開發(fā)的3種支撐模式都存在缺點，主要體現(xiàn)在抗傾覆能力弱、平臺側翻可能性較大、幾何問題較大以及結構設計計算量較大4個方面。為了彌補這些設計方案的不足，本文提出一種新的自動調(diào)平平臺機械結構設計方案，如圖1所示。

該平臺通過打造上平面，達到提高結構穩(wěn)定性的目的。利用4個球鉸作為支撐點，在不同位置布設，將架構支撐起來。采用移動副方式將下平臺與虛固定桿連接到一起，同時借助鉸鏈將下平臺、虛固定桿、電桿Ⅲ、電桿Ⅱ（電動推桿）連接到一起，定義為[X]軸;虛固定桿與電桿I的連接中線，定義為[Y]軸。該連接線路與下平臺的連接借助鉸鏈完成。本結構中的原點[O]定義為[X]軸與[Y]軸的交點，自動調(diào)平平臺的自由度設置為3。

2 自動調(diào)平平臺作業(yè)控制系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)總體設計

本系統(tǒng)借助傳感器采集平臺傾斜角度信息，將其作為調(diào)平命令下達依據(jù)。對采集到的信息進行A/D轉化處理，而后發(fā)送至現(xiàn)場控制核心模塊，即單片機。單片機接收到信息后，按照設定的幾種情景判斷當前平臺傾角情況，并給出相應的控制決策。此部分決策信號將通過通信端口傳輸至電機驅動裝置，根據(jù)決策命令驅動電機，此時電動推桿開始發(fā)生伸縮運動，當其達到指定位置時，電動推桿停止運動。系統(tǒng)總體框架結構如圖2所示。

該系統(tǒng)采用閉環(huán)控制模式，以傳感器采集的平臺角度變化數(shù)據(jù)作為依據(jù)，根據(jù)調(diào)平需求計算當前平臺需要調(diào)平的角度，并將此部分信息反饋至單片機。運用該控制器對電機的正反運動進行實時控制，通過電桿的收縮運動或者伸縮運動完成平臺調(diào)平。為了滿足不同調(diào)平需求，本系統(tǒng)同時對3個電動推桿的伸縮采取電機驅動控制。從現(xiàn)場PC機數(shù)據(jù)顯示結果可以看到，當前平臺調(diào)平處理效果較好。

2.2 平臺調(diào)平控制與驅動

關于平臺調(diào)平控制設計，采用單獨調(diào)平方法，分別對電桿I、電桿Ⅱ、電桿Ⅲ下達驅動命令，實現(xiàn)平臺自動調(diào)平控制目標。為了提高系統(tǒng)調(diào)平作業(yè)效率，本控制方案采用前后兩組同時作業(yè)的控制方式，沿著前后相反的方向開啟伸縮控制模式，實現(xiàn)平臺角度調(diào)平，同時要沿著左右相反方向伸縮。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，下達相應的控制命令。這些控制命令均采用了單獨調(diào)平控制模式，以傳感器采集到的角度信號作為數(shù)據(jù)支撐，單獨計算各個角度調(diào)平數(shù)值，并將此數(shù)值轉化為4個方向上的調(diào)節(jié)角度，根據(jù)該角度數(shù)值開始前后、左右伸縮控制[4]?？紤]到系統(tǒng)作業(yè)可能存在一定的角度誤差，調(diào)平作業(yè)期間需要盡可能將誤差降到允許范圍之內(nèi)。完成一次調(diào)平處理后，傳感器再次檢測當前平臺調(diào)平狀況，如果未能達到角度控制標準，則開啟二次調(diào)平處理，直至將誤差控制在允許范圍之內(nèi)[5]。綜合分析后，本平臺控制系統(tǒng)的驅動方式設置為機電驅動。

2.3 電桿運動速度控制設計

按照電桿運行階段不同，將其作業(yè)速度劃分為3個階段：①加速階段;②均速階段;③減速階段。電桿進入加速作業(yè)階段時，作業(yè)速度逐漸增加，從v提升至最大速度v，而后電桿進入勻速作業(yè)階段。持續(xù)一段時間后，電桿開始做減速運動，速度從v減小至v。當速度達到v時，檢測到電桿達到規(guī)定位置后，電桿停止運動。

2.3.1 加速段電桿運動模型。電桿處于加速作業(yè)狀態(tài)時，根據(jù)加速度作業(yè)原理，構建如下運動模型。

運動速度變化值為：

式中：v（t）代表運動速度變化值;v代表運動速度最大值;v代表電桿進入加速作業(yè)階段時的作業(yè)速度;cost代表作業(yè)時間余弦值。

加速度的計算公式為：

式中：a（t）代表加速度數(shù)值;sint代表作業(yè)時間正弦值;tma減速作業(yè)時間。

產(chǎn)生的位移為：

式中：s（t）代表減速作業(yè)產(chǎn)生的位移。

綜上可知，電桿處于加速區(qū)產(chǎn)生的作業(yè)長度為：

2.3.2 減速段電桿運動模型。運動速度變化值為：

式中：v表示電桿進入減速作業(yè)階段的作業(yè)速度。

加速度的計算公式為：

產(chǎn)生的位移為：

綜上可知，電桿處于加速區(qū)產(chǎn)生的作業(yè)長度s為：

2.3.3 均速段電桿運動模型。對于本系統(tǒng)來說，電桿伸縮作業(yè)期間產(chǎn)生的距離不等于減速與加速兩個階段電桿運動長度之和，而是超過了這個長度數(shù)值[6]。根據(jù)此結論，可以得到關系L≥s+s。按照此結論推理均速作業(yè)階段耗費時間，得到計算公式（9）：

式中：L代表電桿伸縮作業(yè)期間產(chǎn)生的距離;t代表均速作業(yè)階段耗費時間。

假如電桿實際運動狀況與以上描述不符，存在關系L<s+s，則認為電桿在加速過程中未達到最大值，部分均速段消失，即t=0時均速作業(yè)階段未發(fā)生。為了避免電桿作業(yè)期間速度突變對平臺造成沖擊，加速度和作業(yè)速度的控制至關重要。通過模擬加速度曲線和速度曲線分析確定該方案是否可行，如果不滿足控制條件，則調(diào)整速度與加速度作業(yè)命令。此部分工作需要單片機和PC機共同模擬完成。

3 系統(tǒng)試驗測試分析

3.1 試驗平臺的搭建

按照系統(tǒng)機械架構設計方案搭建試驗平臺，以虛固定桿為坐標原點，在XOY平面內(nèi)布設電桿I、電桿Ⅱ、電桿Ⅲ的位置。其中：電桿I與原點的距離為950 mm;電桿Ⅱ與原點的距離為450 mm;電桿Ⅲ與原點的距離為450 mm。假設加速階段速度起始數(shù)值v=0 mm/s，勻速階段速度最大值v=30 mm/s，減速階段運動結束速度數(shù)值v=0 mm/s。

將設定的速度函數(shù)錄入電桿控制系統(tǒng)，開啟系統(tǒng)作業(yè)模式，測試不同電桿作業(yè)狀況下的上平臺質心調(diào)速數(shù)據(jù)和上平臺質心速度數(shù)據(jù)。本次試驗建立在PWM原理基礎上，以18°作為角度調(diào)節(jié)上限，設置8種工況。根據(jù)調(diào)平需求，沿前后、左右方向，分別下達電桿I、電桿Ⅱ、電桿Ⅲ伸縮作業(yè)命令，從而實現(xiàn)電桿調(diào)平控制。

單片機處理方案中信號的組成為離散數(shù)字信號，主要由0和1構成，因此本次試驗系統(tǒng)控制采用離散點下達控制命令，測量并記錄試驗結果。其中：占空比為0.0對應的角度為0°;占空比為0.4對應的角度為0°～2°;占空比為0.6對應的角度為2°～4°;占空比為0.8對應的角度為4°～10°;占空比為1.0對應的角度為10°～14°（隨著角度的增加，占空比逐漸增加達到1.0后，開始逐漸減小）;當角度為14°～16°時，占空比為0.8;當角度為16°～18°時，占空比為0.4;角度為18°時，占空比為0.0。

3.2 系統(tǒng)測試結果分析

按照上述方案設置電桿角度控制命令，開啟系統(tǒng)作業(yè)命令后，傳感器開始采集信號，并根據(jù)此信號下達電桿控制命令。測得上平臺質心調(diào)速數(shù)據(jù)，如表1所示。

從表1的統(tǒng)計結果來看，平均線速度和角速度達到最大值耗費的時間為4.97 s，此時占空比達到1.0。當占空比逐漸增加時，平均線速度和及角速度數(shù)值均隨之增加;當占空比達到最大值后下降后，這兩項指標也隨之減小。

以電桿速度為對照組，以上平臺質心速度作為實驗組，分別測試不同時間下的速度數(shù)值，統(tǒng)計結果見表2。

表2的統(tǒng)計結果顯示，上平臺質心速度與電桿速度基本保持一致，誤差控制在允許范圍之內(nèi)?？梢?，該平臺系統(tǒng)設計方案能夠有效調(diào)平。

4 結語

本文以自動調(diào)平技術的應用作為重點研究內(nèi)容，在國內(nèi)外研究基礎上，對平臺結構進行改進，并設計調(diào)平控制系統(tǒng)。新的平臺結構通過打造上平面，達到提高結構穩(wěn)定性的目的。以電桿I、電桿Ⅱ、電桿Ⅲ作為控制對象，通過計算調(diào)平角度下達電機控制命令，采用避免調(diào)節(jié)方式達到最終調(diào)平目標。試驗結果顯示，本系統(tǒng)上平臺質心調(diào)速與電桿速度控制保持一致，符合調(diào)平控制要求。

參考文獻：

[1]羅艷蕾，屠松庭，石立明.基于液壓調(diào)平大阻尼系統(tǒng)的模糊PID控制研究[J].機床與液壓，2020（15）：118-121.

[2]鄧傳濤，胡國友，冷新龍，等.面向復雜環(huán)境的無人機發(fā)射平臺自調(diào)平系統(tǒng)研究[J].機床與液壓，2020（20）：36-40.

[3]張盟，胡煉，可欣榮，等.水田自走式噴霧機噴桿自動調(diào)平系統(tǒng)設計與試驗[J].農(nóng)機化研究，2019（10）：45-51.

[4]郭付.基于液壓支腿的無人機自動調(diào)平液壓系統(tǒng)設計及仿真分析[J].液壓氣動與密封，2020（9）：36-39.

[5]許聯(lián)航.高壓電線桿塔的監(jiān)測和調(diào)平控制系統(tǒng)的設計與應用[J].應用力學學報，2019（1）：203-208.

[6]劉學峰，劉學串，張成保，等.3GP1型果園采摘作業(yè)平臺液壓系統(tǒng)設計研究[J].農(nóng)機化研究，2021（4）：85-89.