吳小芳　劉小明

摘 要：為了改善自動(dòng)調(diào)平技術(shù)性能，以平臺(tái)結(jié)構(gòu)作為改進(jìn)突破口，提出新的平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。以強(qiáng)化支撐為目的，結(jié)合平臺(tái)調(diào)平控制需求，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)總體架構(gòu)。通過(guò)單獨(dú)計(jì)算各個(gè)電桿的控制角度，下達(dá)控制作業(yè)命令。測(cè)試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)能夠較為準(zhǔn)確地調(diào)平平臺(tái)，可以作為平臺(tái)自動(dòng)調(diào)平控制設(shè)計(jì)的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：控制系統(tǒng);自動(dòng)調(diào)平平臺(tái);單片機(jī)

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(lái)，自動(dòng)化調(diào)平技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域逐漸擴(kuò)大，成為各類設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行的重要控制技術(shù)[1]。開(kāi)發(fā)自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)，有助于降低設(shè)備控制程序的復(fù)雜程度，并且可以在一定程度上降低設(shè)備的操作技術(shù)水平，對(duì)崗位技術(shù)人員的操作能力要求有所降低[2]。本研究嘗試開(kāi)發(fā)一種自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)，利用調(diào)平平臺(tái)對(duì)設(shè)備作業(yè)狀態(tài)加以調(diào)平控制。目前，該項(xiàng)目仍然停留在研究階段，尚未形成完整的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。本文嘗試從自動(dòng)調(diào)平平臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和作業(yè)原理出發(fā)，提出新的調(diào)平控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

1 自動(dòng)調(diào)平平臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)和作業(yè)原理

自動(dòng)調(diào)平平臺(tái)含有3種支撐模式，每種支撐模式的支撐點(diǎn)數(shù)量不同[3]。目前，已經(jīng)開(kāi)發(fā)的3種支撐模式都存在缺點(diǎn)，主要體現(xiàn)在抗傾覆能力弱、平臺(tái)側(cè)翻可能性較大、幾何問(wèn)題較大以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算量較大4個(gè)方面。為了彌補(bǔ)這些設(shè)計(jì)方案的不足，本文提出一種新的自動(dòng)調(diào)平平臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，如圖1所示。

該平臺(tái)通過(guò)打造上平面，達(dá)到提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的目的。利用4個(gè)球鉸作為支撐點(diǎn)，在不同位置布設(shè)，將架構(gòu)支撐起來(lái)。采用移動(dòng)副方式將下平臺(tái)與虛固定桿連接到一起，同時(shí)借助鉸鏈將下平臺(tái)、虛固定桿、電桿Ⅲ、電桿Ⅱ（電動(dòng)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(tái)的連接借助鉸鏈完成。本結(jié)構(gòu)中的原點(diǎn)[O]定義為[X]軸與[Y]軸的交點(diǎn)，自動(dòng)調(diào)平平臺(tái)的自由度設(shè)置為3。

2 自動(dòng)調(diào)平平臺(tái)作業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)借助傳感器采集平臺(tái)傾斜角度信息，將其作為調(diào)平命令下達(dá)依據(jù)。對(duì)采集到的信息進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)化處理，而后發(fā)送至現(xiàn)場(chǎng)控制核心模塊，即單片機(jī)。單片機(jī)接收到信息后，按照設(shè)定的幾種情景判斷當(dāng)前平臺(tái)傾角情況，并給出相應(yīng)的控制決策。此部分決策信號(hào)將通過(guò)通信端口傳輸至電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置，根據(jù)決策命令驅(qū)動(dòng)電機(jī)，此時(shí)電動(dòng)推桿開(kāi)始發(fā)生伸縮運(yùn)動(dòng)，當(dāng)其達(dá)到指定位置時(shí)，電動(dòng)推桿停止運(yùn)動(dòng)。系統(tǒng)總體框架結(jié)構(gòu)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(tái)角度變化數(shù)據(jù)作為依據(jù)，根據(jù)調(diào)平需求計(jì)算當(dāng)前平臺(tái)需要調(diào)平的角度，并將此部分信息反饋至單片機(jī)。運(yùn)用該控制器對(duì)電機(jī)的正反運(yùn)動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，通過(guò)電桿的收縮運(yùn)動(dòng)或者伸縮運(yùn)動(dòng)完成平臺(tái)調(diào)平。為了滿足不同調(diào)平需求，本系統(tǒng)同時(shí)對(duì)3個(gè)電動(dòng)推桿的伸縮采取電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制。從現(xiàn)場(chǎng)PC機(jī)數(shù)據(jù)顯示結(jié)果可以看到，當(dāng)前平臺(tái)調(diào)平處理效果較好。

2.2 平臺(tái)調(diào)平控制與驅(qū)動(dòng)

關(guān)于平臺(tái)調(diào)平控制設(shè)計(jì)，采用單獨(dú)調(diào)平方法，分別對(duì)電桿I、電桿Ⅱ、電桿Ⅲ下達(dá)驅(qū)動(dòng)命令，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)自動(dòng)調(diào)平控制目標(biāo)。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(shí)作業(yè)的控制方式，沿著前后相反的方向開(kāi)啟伸縮控制模式，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)角度調(diào)平，同時(shí)要沿著左右相反方向伸縮。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，下達(dá)相應(yīng)的控制命令。這些控制命令均采用了單獨(dú)調(diào)平控制模式，以傳感器采集到的角度信號(hào)作為數(shù)據(jù)支撐，單獨(dú)計(jì)算各個(gè)角度調(diào)平數(shù)值，并將此數(shù)值轉(zhuǎn)化為4個(gè)方向上的調(diào)節(jié)角度，根據(jù)該角度數(shù)值開(kāi)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(cè)當(dāng)前平臺(tái)調(diào)平狀況，如果未能達(dá)到角度控制標(biāo)準(zhǔn)，則開(kāi)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(tái)控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方式設(shè)置為機(jī)電驅(qū)動(dòng)。

2.3 電桿運(yùn)動(dòng)速度控制設(shè)計(jì)

按照電桿運(yùn)行階段不同，將其作業(yè)速度劃分為3個(gè)階段：①加速階段;②均速階段;③減速階段。電桿進(jìn)入加速作業(yè)階段時(shí)，作業(yè)速度逐漸增加，從v提升至最大速度v，而后電桿進(jìn)入勻速作業(yè)階段。持續(xù)一段時(shí)間后，電桿開(kāi)始做減速運(yùn)動(dòng)，速度從v減小至v。當(dāng)速度達(dá)到v時(shí)，檢測(cè)到電桿達(dá)到規(guī)定位置后，電桿停止運(yùn)動(dòng)。

2.3.1 加速段電桿運(yùn)動(dòng)模型。電桿處于加速作業(yè)狀態(tài)時(shí)，根據(jù)加速度作業(yè)原理，構(gòu)建如下運(yùn)動(dòng)模型。

運(yùn)動(dòng)速度變化值為：

式中：v（t）代表運(yùn)動(dòng)速度變化值;v代表運(yùn)動(dòng)速度最大值;v代表電桿進(jìn)入加速作業(yè)階段時(shí)的作業(yè)速度;cost代表作業(yè)時(shí)間余弦值。

加速度的計(jì)算公式為：

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

2.3.2 減速段電桿運(yùn)動(dòng)模型。運(yùn)動(dòng)速度變化值為：

式中：v表示電桿進(jìn)入減速作業(yè)階段的作業(yè)速度。

加速度的計(jì)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(zhǎng)度s為：

2.3.3 均速段電桿運(yùn)動(dòng)模型。對(duì)于本系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，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(gè)階段電桿運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)度之和，而是超過(guò)了這個(gè)長(zhǎng)度數(shù)值[6]。根據(jù)此結(jié)論，可以得到關(guān)系L≥s+s。按照此結(jié)論推理均速作業(yè)階段耗費(fèi)時(shí)間，得到計(jì)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(fèi)時(shí)間。

假如電桿實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀況與以上描述不符，存在關(guān)系L<s+s，則認(rèn)為電桿在加速過(guò)程中未達(dá)到最大值，部分均速段消失，即t=0時(shí)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(duì)平臺(tái)造成沖擊，加速度和作業(yè)速度的控制至關(guān)重要。通過(guò)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(jī)和PC機(jī)共同模擬完成。

3 系統(tǒng)試驗(yàn)測(cè)試分析

3.1 試驗(yàn)平臺(tái)的搭建

按照系統(tǒng)機(jī)械架構(gòu)設(shè)計(jì)方案搭建試驗(yàn)平臺(tái)，以虛固定桿為坐標(biāo)原點(diǎn)，在XOY平面內(nèi)布設(shè)電桿I、電桿Ⅱ、電桿Ⅲ的位置。其中：電桿I與原點(diǎn)的距離為950 mm;電桿Ⅱ與原點(diǎn)的距離為450 mm;電桿Ⅲ與原點(diǎn)的距離為450 mm。假設(shè)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(yùn)動(dòng)結(jié)束速度數(shù)值v=0 mm/s。

將設(shè)定的速度函數(shù)錄入電桿控制系統(tǒng)，開(kāi)啟系統(tǒng)作業(yè)模式，測(cè)試不同電桿作業(yè)狀況下的上平臺(tái)質(zhì)心調(diào)速數(shù)據(jù)和上平臺(tái)質(zhì)心速度數(shù)據(jù)。本次試驗(yàn)建立在PWM原理基礎(chǔ)上，以18°作為角度調(diào)節(jié)上限，設(shè)置8種工況。根據(jù)調(diào)平需求，沿前后、左右方向，分別下達(dá)電桿I、電桿Ⅱ、電桿Ⅲ伸縮作業(yè)命令，從而實(shí)現(xiàn)電桿調(diào)平控制。

單片機(jī)處理方案中信號(hào)的組成為離散數(shù)字信號(hào)，主要由0和1構(gòu)成，因此本次試驗(yàn)系統(tǒng)控制采用離散點(diǎn)下達(dá)控制命令，測(cè)量并記錄試驗(yàn)結(jié)果。其中：占空比為0.0對(duì)應(yīng)的角度為0°;占空比為0.4對(duì)應(yīng)的角度為0°～2°;占空比為0.6對(duì)應(yīng)的角度為2°～4°;占空比為0.8對(duì)應(yīng)的角度為4°～10°;占空比為1.0對(duì)應(yīng)的角度為10°～14°（隨著角度的增加，占空比逐漸增加達(dá)到1.0后，開(kāi)始逐漸減?。?當(dāng)角度為14°～16°時(shí)，占空比為0.8;當(dāng)角度為16°～18°時(shí)，占空比為0.4;角度為18°時(shí)，占空比為0.0。

3.2 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果分析

按照上述方案設(shè)置電桿角度控制命令，開(kāi)啟系統(tǒng)作業(yè)命令后，傳感器開(kāi)始采集信號(hào)，并根據(jù)此信號(hào)下達(dá)電桿控制命令。測(cè)得上平臺(tái)質(zhì)心調(diào)速數(shù)據(jù)，如表1所示。

從表1的統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，平均線速度和角速度達(dá)到最大值耗費(fèi)的時(shí)間為4.97 s，此時(shí)占空比達(dá)到1.0。當(dāng)占空比逐漸增加時(shí)，平均線速度和及角速度數(shù)值均隨之增加;當(dāng)占空比達(dá)到最大值后下降后，這兩項(xiàng)指標(biāo)也隨之減小。

以電桿速度為對(duì)照組，以上平臺(tái)質(zhì)心速度作為實(shí)驗(yàn)組，分別測(cè)試不同時(shí)間下的速度數(shù)值，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，上平臺(tái)質(zhì)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?jiàn)，該平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案能夠有效調(diào)平。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以自動(dòng)調(diào)平技術(shù)的應(yīng)用作為重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容，在國(guó)內(nèi)外研究基礎(chǔ)上，對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，并設(shè)計(jì)調(diào)平控制系統(tǒng)。新的平臺(tái)結(jié)構(gòu)通過(guò)打造上平面，達(dá)到提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的目的。以電桿I、電桿Ⅱ、電桿Ⅲ作為控制對(duì)象，通過(guò)計(jì)算調(diào)平角度下達(dá)電機(jī)控制命令，采用避免調(diào)節(jié)方式達(dá)到最終調(diào)平目標(biāo)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，本系統(tǒng)上平臺(tái)質(zhì)心調(diào)速與電桿速度控制保持一致，符合調(diào)平控制要求。

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