智能化三點支撐液壓調(diào)平控制系統(tǒng)設計

謝敬心，徐世許，肖 克

（青島大學 自動化學院，青島 266071）

車載蜂箱搬運裝置使用一般的卡車底盤，搬運蜂箱的吊臂固定在油缸支撐的車載平臺上。在使用時輪胎著地，由于使用場地不能保證車體處于水平狀態(tài)，同時輪胎的彈性作用也會影響車體水平精度，從而平臺不能處于水平狀態(tài)，水平誤差會使2 m長的吊臂產(chǎn)生較大幅度的傾斜，不能保證抓取的蜂箱能夠平穩(wěn)的移動，所以，要設計車載平臺的調(diào)平系統(tǒng)來使平臺能夠保持水平狀態(tài)。調(diào)平系統(tǒng)的形式是多樣的：按支撐結(jié)構(gòu)方式分為三點支撐調(diào)平、四點支撐調(diào)平和六點支撐調(diào)平[1]。該系統(tǒng)是三點支撐調(diào)平系統(tǒng)，使用OMRON CP2E PLC 控制器接收雙軸水平傳感器的角度信息，通過控制比例換向閥的開度，來調(diào)節(jié)流入調(diào)平支撐腿上的油量及方向，從而調(diào)節(jié)支撐腿的伸縮，實現(xiàn)快速調(diào)平[2]；控制系統(tǒng)保持最高點靜止，調(diào)整其余支撐腿位置，用壓力變送器檢驗支撐腿著地狀態(tài)，可以迅速準確完成調(diào)平并有效地消除“虛腿”。

1 調(diào)平系統(tǒng)總體設計

調(diào)平平臺使用三點支撐方法，由3 個支撐腿提供支撐，支撐腿接比例換向閥，圖1為實物圖。由于調(diào)平系統(tǒng)需要實時檢測角度并且保持高度可靠性，因此采用PLC 作為控制器，既可以保證系統(tǒng)的可靠性、實時性、經(jīng)濟性也可以進行靈活配置。調(diào)平系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1所示。

圖1 車載液壓調(diào)平裝置實物圖Fig.1 Physical drawing of on-board hydraulic leveling device

調(diào)平系統(tǒng)由支撐腿、傾角傳感器、CP2E PLC 控制器、比例換向閥、液壓油缸、電位器、操縱桿和數(shù)碼管等組成。各部分作用如下：

（1）支撐腿：調(diào)平系統(tǒng)的運行單元。

（2）CP2E PLC 控制器：決策調(diào)平系統(tǒng)的動作。

（3）傾角傳感器：用于測量傾角。

（4）數(shù)碼管：顯示平臺的傾角。

（5）操縱桿：用于手動調(diào)平時控制支撐腿的位置。

（6）比例換向閥：接收PLC 電壓信號，控制油缸給油量。

2 調(diào)平系統(tǒng)控制策略

2.1 調(diào)平系統(tǒng)的建模與分析

調(diào)平系統(tǒng)以平臺傾角為判定依據(jù)，進行平臺調(diào)平[3]。確定平臺最高點后，令其余支撐點移動到和最高點水平的位置完成調(diào)平。平臺經(jīng)過預支撐后坐標關(guān)系如圖2所示。

圖2 平臺坐標關(guān)系圖Fig.2 Platform coordinate diagram

設OX′Y′Z′為水平面坐標系，OXYZ 為傾斜平臺坐標系，（α，β） 分別為水平面與平臺在X 軸和Y軸方向上的夾角，設支撐點在水平面坐標系中的坐標為Pn′=（Xn′，Yn′，Zn′），在傾斜平臺坐標系中坐標為Pn=（Xn，Yn，Zn），其中n=（1～3），根據(jù)圖2可得Pn與Pn′的關(guān)系為

設平臺的初始傾角為α0和β0，則由式（1）可得：

當傾角很小時，可以將式（2）化簡為

車載平臺為等邊三角形，其底邊P2P3長a=365 mm，高為b=316 mm。以P2支撐點為最高點為例，其余支撐點與最高點的距離差為

從而得出其余支撐點所需調(diào)節(jié)距離為

由此可得出支撐點調(diào)節(jié)距離與傾角之間的關(guān)系。

2.2 PID 控制系統(tǒng)設計

為保證調(diào)平系統(tǒng)的實用性與廣泛性，采用經(jīng)典PID 控制算法進行控制系統(tǒng)設計[4]，其控制規(guī)律為

式中：u（t）為支撐腿的位移量；e（t）為支撐點與最高點的位移差。其控制原理如圖3所示。

圖3 調(diào)平系統(tǒng)PID 控制原理圖Fig.3 PID control schematic diagram of leveling system

3 調(diào)平系統(tǒng)硬件設計

由于調(diào)平系統(tǒng)完成調(diào)平所需要的時間和調(diào)平精度與傾角傳感器的布置方式密切相關(guān)，因此需要將傾角傳感器安裝在平臺的中間，從而方便傾角傳感器測量平臺X、Y 軸與水平面的夾角并將夾角傳輸?shù)娇刂破?，然后完成對平臺狀態(tài)的閉環(huán)控制。操作面板上的各模式開關(guān)分別接在PLC 不同的數(shù)字量輸入，可根據(jù)實際情況來選擇不同的模式。為了操作人員實時觀察X、Y 軸與水平面的傾角，因此將數(shù)碼管接入PLC 的485 接口用來顯示傾角。自動模式下，控制器采用PID 控制方法，依據(jù)平臺的水平狀態(tài)以及支撐腿的行動狀態(tài)信息決定下一步的動作和開度，并讓比例換向閥操縱支撐腿伸縮，最終完成平臺調(diào)平。硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Hardware structure of control system

在調(diào)平系統(tǒng)中采用OMRON 的CP2E PLC 為控制器，OMRON 的CP2E 系列PLC 具有處理速度高、能接收脈沖、原點搜索、模擬量輸入輸出等功能。該型號PLC 主要包含一個中央處理器單元、數(shù)字量輸入輸出模塊、模擬量輸入模塊，滿足本系統(tǒng)的應用需要。本設計采用LVT426T 型號的傾角傳感器，可以實時地輸出X 軸和Y 軸的傾角。其實物圖如圖5所示。

圖5 傾角傳感器實物圖Fig.5 Physical drawing of inclination sensor

為更好地減小圓盤的水平誤差，必須精確地控制支撐腿上下移動的位移量，因此在設計中選用4WREE6E08-20B/G24K31/A1 比例換向閥來控制油缸的流量從而控制支撐腿的位移量。

在調(diào)平系統(tǒng)中用控制器的模擬量輸出模塊來控制比例換向閥，用控制器的D/A 模塊連接比例換向閥的放大板，把數(shù)字量轉(zhuǎn)成模擬量進行控制，輸入電壓為-10～10 V，反饋信號輸入到控制器，經(jīng)過和輸入值的比較，再輸出到放大器上。

4 調(diào)平系統(tǒng)的通信設計

為保證調(diào)平系統(tǒng)的抗干擾性和穩(wěn)定性，調(diào)平系統(tǒng)通過CP2E 的Modbus-RTU 簡易主站功能發(fā)送Modbus-RTU 命令控制支持Modbus-RTU 協(xié)議的傾角傳感器和數(shù)碼管實現(xiàn)串行通信。Modbus-RTU 協(xié)議為主從站通信協(xié)議，采用請求-應答的通信方式，主站發(fā)送帶有從站地址和功能碼的請求幀，該地址的從站接收后發(fā)送響應幀進行應答，且兩條數(shù)據(jù)幀的時間間隔應不小于3.5 個字符[5]。為了保證留有足夠多的時間余量，本系統(tǒng)將該時間間隔定為10 ms。

4.1 數(shù)據(jù)幀通信格式

Modbus-RTU 簡易主站的數(shù)據(jù)幀格式與標準Modbus 協(xié)議數(shù)據(jù)幀格式有所不同，Modbus-RTU 簡易主站數(shù)據(jù)幀格式如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)幀格式Tab.1 Data frame format

在通信傳輸中，地址碼作用為識別擁有該地址碼的從站，取值范圍為01H～F7H。功能碼為主站向從站下達的指令，根據(jù)實際情況，調(diào)平系統(tǒng)進行Modbus-RTU 通信主要使用到的Modbus 功能碼為03H（讀取X 軸與Y 軸角度）和06H（數(shù)碼管顯示十進制讀數(shù)）。標準Modbus 數(shù)據(jù)幀應包含CRC 校驗碼，用于檢驗請求幀與應答幀是否出錯，但在Modbus-RTU 簡易主站功能中可自動進行CRC 校驗，無需人工設置校驗碼。

4.2 通信程序設計

在PLC 中編寫Modbus-RTU 主站程序，設置串行通信模式為Modbus-RTU 簡易主站模式，控制通信參數(shù)設置為波特率：9600；數(shù)據(jù)位：8 位；停止位：1 位；無奇偶校驗，與傾角傳感器和數(shù)碼管建立連接。由于存在多個從站，所以需要進行從站地址分配，設定傾角傳感器地址為03H、X 軸數(shù)碼管地址為01H、Y 軸數(shù)碼管地址為02H。將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)按規(guī)定的數(shù)據(jù)幀格式寫入指令DM 數(shù)據(jù)區(qū)中，并將Modbus-RTU 主站執(zhí)行位（A640.00）置ON，即可發(fā)送請求幀，從站接收到Modbus-RTU 主站發(fā)送的請求后發(fā)送響應數(shù)據(jù)幀，傳遞的響應數(shù)據(jù)幀儲存到響應DM 數(shù)據(jù)區(qū)中。CP2E 指令與相應DM 數(shù)據(jù)區(qū)如表2所示，部分通信程序的梯形圖如圖6所示。

表2 DM 數(shù)據(jù)區(qū)分配字Tab.2 DM data area allocation word

圖6 傾角傳感器通信程序Fig.6 Inclination sensor communication procedure

構(gòu)建輪詢程序，調(diào)用TIM（定時器）與CNT（計數(shù)器）指令，令指令的輸出T000、W0.02、W0.03 作為啟動Modbus-RTU 通信的觸發(fā)條件。使兩條數(shù)據(jù)幀的時間間隔達到10 ms，并保證先完成與傾角傳感器通信后再進行與數(shù)碼管通信。部分通信程序如圖7所示。

圖7 輪詢程序Fig.7 Polling procedure

5 調(diào)平系統(tǒng)的控制程序設計

根據(jù)控制流程設計調(diào)平控制程序，控制流程如圖8所示，設計的程序分為原點支撐、手動、自動和結(jié)束四部分。原點支撐程序負責平臺的預支撐與收起。手動程序負責根據(jù)操作人員操作操縱桿的方式來控制PLC 輸出的電壓信號，從而達到控制油缸流量的目的。

圖8 自動調(diào)平流程Fig.8 Flow chart of automatic leveling

自動程序采用自整定PID 控制進行調(diào)平，在CX-P 中編寫自整定PID 控制程序，調(diào)用PIDAT 指令塊作為控制程序的主要部分，該指令可以從輸入字中得到輸入PV，根據(jù)控制字中設置的參數(shù)進行自整定PID 計算，得到的結(jié)果以變量的形式存入輸出字中。傾角角度模擬量輸入先進行10 倍的擴大再經(jīng)FLX 指令轉(zhuǎn)為十六進制數(shù)據(jù)，根據(jù)α 與β 的正負確定出最高點，并計算出各支撐點與最高點的位移差，將該數(shù)據(jù)作為PIDAT 的輸入PV?？刂谱止灿?0 個字節(jié)需用戶自行設置，包括設定值SV、PID 參數(shù)、SV、PV 的上下限等。得到模擬量輸出轉(zhuǎn)化為電壓信號來控制比例換向閥的開度。部分PID 控制程序如圖9所示。

圖9 PID 自整定控制程序Fig.9 PID self-tuning control program

6 結(jié)語

針對車載蜂箱搬運裝置平臺不能保持水平的問題，設計了基于PLC 的三點支撐調(diào)平系統(tǒng)，采用了液壓油缸與比例換向閥組合方式調(diào)節(jié)平臺位置，精確度高，調(diào)平速度快。采用Modbus-RTU 通信協(xié)議，實現(xiàn)了PLC 與傾角傳感器和數(shù)碼管的實時通信，避免了因延時而帶來的誤差。并采用PID 控制方法，減少了設備的晃動對傾角傳感器測量的影響，提高了調(diào)平精度，使調(diào)平誤差趨于0.5°以內(nèi)；同時為了設備使用的便捷性設置了原點支撐模式，貼合實際，方便設備運輸使用。調(diào)平系統(tǒng)具有較高的自動化水平，調(diào)平方式精準有效，針對性強，具有良好的市場前景。