畢業(yè)設(shè)計（論文）基于單片機控制的自動調(diào)平工作臺設(shè)計（含圖紙）

1、液壓圖+電路cad圖紙，聯(lián)系 153893706基于單片機控制的自動調(diào)平工作臺設(shè)計 摘 要： 自動調(diào)平平臺是一種廣泛應(yīng)用于軍事、機械、醫(yī)療等領(lǐng)域的支撐系統(tǒng)，目前國內(nèi)外對自動調(diào)平平臺系統(tǒng)方面的研究有限。通過畢業(yè)設(shè)計，設(shè)計一種基于單片機的自動調(diào)平平臺，運用于果園采摘系統(tǒng)。系統(tǒng)采用傳感器感知平臺的狀態(tài)，并將傳感器感知的信號傳輸給單片機，單片機處理信號并控制液壓系統(tǒng)的支腳升降達(dá)到實時調(diào)平的目的，滿足了果園采摘平臺靈活可靠地實時自動調(diào)平需求。關(guān)鍵詞：自動調(diào)平，單片機，液壓，支撐，傳感器design of automatic levelling flatform based on mcuabstract：

2、 automatic leveling platform is a kind of backup system which is widely used in military mechanical and medical field,and there is limited study at home and abroad now.in mygraduationproject,idliketodesignakind ofautomaticlevelingplatformwhichisbasedon single chip computer and use it in garden pick

3、system.this system adopt sensor to sense the state of the platform,and then deliver the message which is felt by the sensor to single chip computer to let it deal with the message and make automatic leveling come true through controlling the foot of hydraulic pressure system ,which makesautomaticlev

4、elingflexibleandreliable.key words: single chip microcomputer; hydraulic; automatic levelling; balance system; sensor 1 前言 1.1 研究意義自動調(diào)平系統(tǒng)廣泛運用于軍事、機械、醫(yī)療等領(lǐng)域，隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展和應(yīng)用范圍的快速滲透，它的應(yīng)用性將得到顯著發(fā)展餓提高。在軍事上隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭中飛機、導(dǎo)彈等空中進(jìn)攻性武器性能的快速發(fā)展，使軍用地面雷達(dá)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，在不斷追求功能完善、性能先進(jìn)、工作可靠的同時，對雷達(dá)的機動性提出了更高的要求。雷達(dá)自動調(diào)平系統(tǒng)是車載雷達(dá)的一個重要的組成部

5、分，對提高雷達(dá)的測量性能，如目標(biāo)角度的測量精度以及整機架設(shè)、撤收的速度等，起著決定性的作用。應(yīng)用交流伺服控制，大大提高了雷達(dá)天線架設(shè)時平臺的水平精度和調(diào)整的時間，而且具有高可靠性和維護性好的特點。近幾年來，為使雷達(dá)做到快速架設(shè)投入戰(zhàn)斗、迅速拆收轉(zhuǎn)移陣地，在設(shè)計時對以前許多由人工完成的動作都采用了自動控制完成，如雷達(dá)的架設(shè)、拆收、方位標(biāo)定、調(diào)平等，雷達(dá)天線車自動調(diào)平系統(tǒng)是機、電設(shè)計緊密結(jié)合的一體化自動控制系統(tǒng)，一般包括執(zhí)行、控制、傳感等部分。由于執(zhí)行機構(gòu)采用的驅(qū)動方式不同又可分成兩大類，一種采用液壓作為驅(qū)動源，稱為機電液一體化系統(tǒng)，另一種采用電機產(chǎn)生原動力，通過減速器驅(qū)動絲桿動作，稱為機電一體化

6、系統(tǒng)1。在其他領(lǐng)域很顯然也有非常廣泛的應(yīng)用，設(shè)計一個實用的自動調(diào)平平臺十分必要。 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及存在的問題自動調(diào)平技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用又在道路施工的瀝青混凝土攤鋪機、大型工程運梁車、靜力壓樁機、導(dǎo)彈激動發(fā)射架等設(shè)備上，是提高車載雷達(dá)機動性的關(guān)鍵。目前的調(diào)平系統(tǒng)主要有三支撐、四支撐、六支撐等方案。三支撐調(diào)平容易實現(xiàn)，結(jié)構(gòu)簡單成本低，易維護但抗傾覆能力差；四支撐、六支撐抗傾覆能力強，但存在靜不定問題，容易產(chǎn)生虛腿，靜不定次數(shù)越高，系統(tǒng)越復(fù)雜?，F(xiàn)今的自動調(diào)平平臺采用液壓支撐，液壓支撐結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，但是液壓系統(tǒng)存在價格搞，能量損失大，對溫度變化較為敏感，故障難排除，存在泄露和維護問題等缺點。目

7、前4點及多點調(diào)平設(shè)計面臨的一個主要問題是虛腿現(xiàn)象，即有一個腿受力很小或者懸空，這在調(diào)平過程中是不能允許的。當(dāng)平臺的負(fù)載均勻時，4個支撐點的受力應(yīng)該均勻。本系統(tǒng)設(shè)計的處理辦法是把平臺支撐起來后，先進(jìn)行一次粗調(diào)平(設(shè)定一個粗精度)，目的是使4個支撐點的受力比較接近。然后，再按照系統(tǒng)設(shè)定的調(diào)平精度進(jìn)行調(diào)平。這樣，調(diào)節(jié)的過程就中不會出現(xiàn)一腿受力過小(虛腿)，從而有效的預(yù)防虛腿現(xiàn)象的出現(xiàn)2。 為了克服這些缺點所帶來的經(jīng)濟和技術(shù)上大弊端，各國科學(xué)家正在積極探索，尋求更好的解決方案。1.2.1 手動調(diào)平系統(tǒng) 20世紀(jì)50年代末期，美國aknsas州高速公路委員會的一名工程師發(fā)明了第一套自動調(diào)平裝置。它結(jié)構(gòu)簡

8、單，靠手動操作完成縱坡和橫坡的調(diào)節(jié)?？v坡是靠基準(zhǔn)線和一個指示器來標(biāo)志；橫坡是靠安裝在橫梁上的角度傳感器和一個指示器來指明?？v坡調(diào)節(jié)工作原理：基準(zhǔn)線掛在車載-n，指示器裝在牽引梁樞鉸點附近并作為參考點搭在基準(zhǔn)線上。當(dāng)車載行走在高低不平的基層上時，指示器隨著上下移動，此時，操作人員通過旋轉(zhuǎn)手動厚度調(diào)節(jié)螺釘即可保證較平整的面層。橫坡調(diào)節(jié)工作原理與縱坡調(diào)節(jié)原理類似。1.2.2 自動調(diào)平系統(tǒng)20世紀(jì)70年代初期，研究人員在手動調(diào)平系統(tǒng)的基礎(chǔ)上研發(fā)出早期的自動調(diào)平系統(tǒng)。它是靠移動牽引架來改變平地鏟刀的升降。由于這段時期工作寬度較小，所以都采用縱坡和橫坡控制器來進(jìn)行調(diào)平作業(yè)。早期是半自調(diào)平系統(tǒng)，該系統(tǒng)橫坡采

9、用自動調(diào)節(jié)，縱坡采用原來的手調(diào)裝置來控制；后期手動橫坡調(diào)節(jié)機構(gòu)也被自動裝置取代，出現(xiàn)了全自動調(diào)平控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)工作特性相對較完善，且找平效果好。工作原理：該自動調(diào)平控制系統(tǒng)由傳感器、控制箱、操作面板、執(zhí)行機構(gòu)(液壓馬達(dá)或液壓缸)等部件組成。在整平之前，首先設(shè)定所需要的整平高度，工作時，控制面板、縱坡和橫坡傳感器產(chǎn)生電脈沖信號并傳給控制箱，控制箱發(fā)出電信號使油缸做出相應(yīng)的動作來改變鏟刀的位置，這樣即可保證鏟刀始終保持在某一固定高度，達(dá)到整平目的。傳感器：這段時期自動調(diào)平系統(tǒng)所采用的調(diào)節(jié)方式分兩個階段：初期，多數(shù)采用開關(guān)控制方式，其傳感器多為液壓隨動器(即轉(zhuǎn)閥)，以開、關(guān)和死區(qū)三種工作方式響應(yīng)路

10、面的不平整度信號；中后期，隨著電子傳感技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，逐漸出現(xiàn)了電位器式、應(yīng)變片式、霍爾元件等類型的傳感器，同時配合相應(yīng)的脈沖調(diào)節(jié)方式實現(xiàn)了比例脈沖控制方式。如vogeel的脈頻調(diào)制式，agb的脈寬調(diào)制方式，提高了調(diào)平精度?；鶞?zhǔn)線式調(diào)平效果較好，但容易受外界影響(如本身撓度及重力影響等)；當(dāng)基準(zhǔn)路面比較軟時，多采用滑靴式隨動裝置；輪式隨動裝置常用于比較硬的地面為基準(zhǔn)時的作業(yè)，如瀝青路面等3。近年來，隨著電子技術(shù)、計算機控制技術(shù)等的發(fā)展，車載在性能上得到了進(jìn)一步的完善，具體涉及到自動調(diào)平系統(tǒng)、行走驅(qū)動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等方面的改進(jìn)。其中自動調(diào)平系統(tǒng)的改變?nèi)缦拢赫{(diào)平基準(zhǔn)：在原有基準(zhǔn)線、滑靴式和輪

11、式調(diào)平基準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，20世紀(jì)70年代中期出現(xiàn)了調(diào)平效果更好的平均梁調(diào)平基準(zhǔn)，完全可以滿足各種路面情況。調(diào)平傳感器：20世紀(jì)90年代的自動找調(diào)平裝置中，非接觸式超聲波傳感器得到了應(yīng)用，增加了抗干擾能力，調(diào)平效果更趨于良好，如ecadarpids公司較早地采用了超聲波傳感器。激光傳感器出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代，由于其本身的復(fù)雜性以及受外界影響較大，沒有得到發(fā)展。20世紀(jì)90年代，美國一些公司正致力于激光傳感器的研究，有望成為將來使用的重點?？刂破鳎?0世紀(jì)70年代，脈沖調(diào)制式的比例脈沖控制方式取代了前期的開關(guān)控制方式，在控制精度上得到很大的改善，但與機液、電液伺服控制方式相比，仍存在不足。20世紀(jì)9

12、0年代，隨著計算機控制技術(shù)和液壓技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了數(shù)字控制器自動調(diào)平裝置，它是微處理器與高速開關(guān)閥相結(jié)合的產(chǎn)物，如以bmwknox公司最近生產(chǎn)的“l(fā)ba平nkox自動調(diào)平系統(tǒng)。此系統(tǒng)采用微處理器來自動控制縱坡和橫坡。與此同時，還提供一個自身故障診斷系統(tǒng)。目前，國外的自動調(diào)平控制系統(tǒng)生產(chǎn)廠商主要有德國的moba、美國的agi公司、丹麥的腫trdaing公司咀及日本的tocpno公司等，這些公司的產(chǎn)品代表著國際上自動調(diào)平控制器的先進(jìn)產(chǎn)品；國內(nèi)自動調(diào)平控制系統(tǒng)的研發(fā)和生產(chǎn)廠家有江蘇寶應(yīng)縣創(chuàng)新工程電器廠、常州樹華電子有限公司以及孫祖望路橋技術(shù)研究有限公司研制的多點超聲波自動調(diào)平控制器等為數(shù)不多的幾個廠

13、商。德國的moba公司生產(chǎn)的一系列自動調(diào)平控制器在國內(nèi)的自動調(diào)平控制器市場占有相當(dāng)?shù)姆蓊~，其主要的產(chǎn)品為mobalatic數(shù)字控制系統(tǒng)。mobamatic數(shù)字控制器采用數(shù)字化控制技術(shù)，控制精度高，安裝方便，操作簡單方便。它具有通用性強的特點，可以和多種傳感器配合使用；sonic-ski超聲波傳感器是世界上第一部并聯(lián)式多超聲波束裝置，共有6個超聲波傳感器，其中5個超聲波傳感器組成一個滑動靴，以確保較大范圍地測量寬度和工作精度，第6只傳感器則起著溫度和其他因素補償?shù)淖饔?，它能不斷的補償和消除由于溫度變化對超聲波傳感器的影響，從而提高控制精度；數(shù)字式旋轉(zhuǎn)傳感器是利用鋼絲、路肩等基準(zhǔn)，通過檢測旋轉(zhuǎn)角度

14、變化的數(shù)據(jù)，與moba-matic數(shù)字控制器一起使用起到控制自動調(diào)平的作用，配套設(shè)備包括傳感器臂、傳感器桿、傳感器靴。為了提高系統(tǒng)的控制精度，丹麥的tfnadjg公司推出了高性能、高精度自動調(diào)平系統(tǒng)mini-line非接觸找平控制器，該系統(tǒng)町以大幅度提高路面平整度指標(biāo)。2 自動調(diào)平系統(tǒng)分析平整路面的平整度主要取決于安裝在機械上的自動調(diào)平控制系統(tǒng)，自動調(diào)平控制系統(tǒng)通過控制油缸來調(diào)節(jié)工作裝置，從而有效提高路面的整平質(zhì)量。因此，分析研究自動調(diào)平系統(tǒng)的工作原理，將有助于我們對自動調(diào)平控制系統(tǒng)有更深刻的理解。2.1 自動調(diào)平系統(tǒng)的分類 國內(nèi)外從20世紀(jì)70年代開始，先后研制出了多種找平系統(tǒng)，根據(jù)檢測裝置

15、可分為： （1）“機一電”式以機械杠桿和電子元件作為檢測裝置；（2）“機一液”式以機械電子和液壓元件作為檢測和執(zhí)行機構(gòu)；（3）“激光”式以激光束參照平面作為參考基準(zhǔn)，控制液壓系統(tǒng)鏟刀的升降高度，達(dá)到精確整平的效果；（4）“超聲波”式以超聲波及其感應(yīng)元件作為檢測裝置，后2種屬于非接觸式的自動調(diào)平系統(tǒng)。按照控制方式的不同，自動調(diào)平系統(tǒng)又可分為以下三種類型： （1）開關(guān)式開關(guān)式控制形式是以“開關(guān)”的方式進(jìn)行調(diào)節(jié)，不管檢測到的偏差大小，均以恒速進(jìn)行斷續(xù)控制。這種系統(tǒng)存在反應(yīng)誤差，因此必須設(shè)置一個調(diào)節(jié)“死區(qū)”(或稱為起阻尼作用的“零區(qū)”)，傳感器越過死區(qū)后才有信號輸出。為了提高系統(tǒng)的反應(yīng)精確性，“死區(qū)應(yīng)

16、盡量減小但是系統(tǒng)是恒速調(diào)節(jié)的，如果“死區(qū)范圍過窄，調(diào)節(jié)容易沖出“死區(qū)而出現(xiàn)誤差，即產(chǎn)生所謂的超調(diào)。超調(diào)需要反方向的修正，這樣在不斷的超調(diào)和修正之間，系統(tǒng)就在“死區(qū)”附近來回的搜索零點，使系統(tǒng)發(fā)生振蕩，由此而影響到路面的平整度。為了消除振蕩所引起的系統(tǒng)不穩(wěn)定的缺陷，“死區(qū)”要足夠?qū)?，讓系統(tǒng)在反向修正時可由最高值趨向于零速，不會再沖向一邊，但是“死區(qū)”過寬又降低了系統(tǒng)的精確度。所以要想在這種系統(tǒng)上獲得理想的找平效果，必須合理的確定“死區(qū)”的大小，正確解決“死區(qū)”大小和控制精度之間的矛盾，才能保證精確的找平特性。此調(diào)平方式不理想，但其結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、使用方便。 （2）比例式 這種系統(tǒng)是以液壓比例

17、控制閥取代電磁換向閥演化而來的，他根據(jù)偏差信號的大小以相應(yīng)的快慢速度進(jìn)行連續(xù)的調(diào)節(jié)。當(dāng)系統(tǒng)偏差為零時，相應(yīng)的調(diào)節(jié)速度也趨于零，因此在這種調(diào)節(jié)方式下，基本上消除了系統(tǒng)因為超調(diào)而引起的振蕩現(xiàn)象。該系統(tǒng)可使得平整出來的路面十分平整，但是它對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)精度的要求高、造價也相對較高。（3）比例脈沖式比例脈沖式自動控制系統(tǒng)是在開關(guān)式自控系統(tǒng)的“恒速調(diào)節(jié)區(qū)和“死區(qū)之間設(shè)置一個“脈沖區(qū)”。脈沖信號根據(jù)偏差的大小成正比例變化，其變化方式主要有改變脈沖寬度(pwm)和脈沖頻率(pfw)。傳感器檢測出偏差信號進(jìn)入脈沖區(qū)后，調(diào)節(jié)器根據(jù)信號的大小，以不同寬度或頻率的脈沖信號推動電磁閥動作，使得油缸工作。這種系統(tǒng)兼?zhèn)淞饲皟?/p>

18、種系統(tǒng)的優(yōu)點，大大縮小了“死區(qū)”的范圍，可以使系統(tǒng)的精度達(dá)到很高的標(biāo)準(zhǔn)，而且價格低廉、經(jīng)久耐用，是目前主要使用的自動調(diào)平控制方式。2.2 自動調(diào)平系統(tǒng)的基本構(gòu)造自動調(diào)平系統(tǒng)一般由檢測裝置、執(zhí)行裝置和工作裝置等幾部分組成。圖1為美國sundstrandsauer公司生產(chǎn)的absl000自動調(diào)平系統(tǒng)4。圖1 abs1000自動調(diào)平系統(tǒng)fig.1 abs1000 automatic leveling system1檢測裝置：檢測裝置主要有以下幾個部件構(gòu)成。 （1）縱向傳感器安裝在牽引臂上，當(dāng)路面不平引起牽引點上下移動從而使刮刀位置發(fā)生變化時，與基準(zhǔn)線接觸的縱向傳感器就會感知這一變化，并將這一變化量經(jīng)

19、過處理變成變幅寬的脈沖電信號進(jìn)入電磁閥，控制其開關(guān)時間的長短，在液壓系統(tǒng)的作用下變成牽引臂的機械動作，從而消除這種偏差，使刮刀始終處于預(yù)先設(shè)定的位置。 （2）橫向傳感器安裝在刮土鏟刀前端的橫梁上，用來檢測路面橫向坡度的變化，工作原理同縱向傳感器。 （3）調(diào)節(jié)器將傳感器檢測到的偏差信號與給定信號進(jìn)行差動放大后，輸出一個根據(jù)偏差信號變化的直流控制信號，將該信號與鋸齒波脈沖信號送入比較器比較輸出寬度不同的調(diào)節(jié)脈沖信號。執(zhí)行裝置：執(zhí)行裝置主要包括電磁換向閥、調(diào)平液壓缸和調(diào)平大臂。工作時油泵輸出壓力經(jīng)過2個流量閥排出定量的油液，在電磁閥的控制下經(jīng)液控單向閥進(jìn)入油缸，油缸活塞桿的伸縮控制牽引架的降低與抬高

20、，保持刮刀的位置不變，達(dá)到路面的平整度標(biāo)準(zhǔn)。 工作裝置：工作裝置即鏟刀。它位于機器的前后橋之間，用來完成剝離、轉(zhuǎn)移土壤和平整等工作。自動調(diào)平裝置是高性能車載的關(guān)鍵部件，安裝自動調(diào)平裝置的車載能明顯提高作業(yè)效率和平整精度。2.3 自動調(diào)平系統(tǒng)的控制原理分析自動調(diào)平控制系統(tǒng)就是以補償路面系統(tǒng)誤差為目的的控制系統(tǒng)。工業(yè)上用的控制系統(tǒng)，根據(jù)有無反饋作用可分為兩類：開環(huán)控制和閉環(huán)控制5。（1）開環(huán)控制系統(tǒng)。如果系統(tǒng)的輸出端和輸入端之間不存在反饋回路，輸出量對系統(tǒng)的控制作用沒有影響，這樣的系統(tǒng)稱為開環(huán)控制系統(tǒng)。在開環(huán)系統(tǒng)中，動作信號是預(yù)先確定、不變化的。開環(huán)控制系統(tǒng)比較容易構(gòu)造，結(jié)構(gòu)也比較簡單。（2）閉環(huán)

21、控制系統(tǒng)?？刂蒲b置的輸入受到輸出的反饋作用時，該系統(tǒng)就稱為閉環(huán)系統(tǒng)。為了提高控制質(zhì)量，系統(tǒng)常采用閉環(huán)負(fù)反饋結(jié)構(gòu)，這種反饋控制系統(tǒng)的組成框圖如圖2所示圖2 典型閉環(huán)控制系統(tǒng)fig.2 typical closed loop control system自動調(diào)平控制系統(tǒng)本身就是一個典型的閉環(huán)系統(tǒng)。自動調(diào)平控制系統(tǒng)見圖3所示。圖3 自動調(diào)平控制系統(tǒng)fig.3 automatic leveling control system其中：w一設(shè)定的基準(zhǔn)高度；e一偏差信號；h一檢測的實際高度。車載在進(jìn)行平整工作時，由于路面的不平，引起鏟刀上下移動，傳感器檢測到路面的高度h，與設(shè)定的基準(zhǔn)高度w就有偏差，產(chǎn)生偏差

22、信號e，然后通過調(diào)節(jié)器對誤差信號做出相應(yīng)的處理再給執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出控制信號，控制油缸升降，從而達(dá)到施工高程和設(shè)計高程的一致，保證路面的平整度?，F(xiàn)在一般已經(jīng)使用的比較成熟的控制系統(tǒng)都是基于這個思想而設(shè)計的。2.4 非接觸式自動調(diào)平控制系統(tǒng)的分析與比較近年來隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展，交通基礎(chǔ)設(shè)施投入增大，對高等級公路建設(shè)的質(zhì)量要求也越來越高，自動調(diào)平系統(tǒng)是現(xiàn)代車載的重要標(biāo)志之一，對車載的性能及路面的平整質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。非接觸式自動調(diào)平系統(tǒng)在20世紀(jì)90年代就被用于工程機械的找平控制中，它的許多優(yōu)點使車載的質(zhì)量和效益得到了極大的提高，為施工企業(yè)帶來了顯著的經(jīng)濟效益，因此從推廣以來已逐步地在世界各地

23、得到了廣泛使用。目前非接觸式自動調(diào)平技術(shù)主要有超聲波自動調(diào)平技術(shù)和激光自動調(diào)平技術(shù)6。2.4.1超聲波自動調(diào)平控制系統(tǒng)分析系統(tǒng)組成：2001年我國開始引進(jìn)非接觸式超聲波調(diào)平裝置，又稱超聲波平均梁，它由聲納傳感器、控制盒和平衡桿組成。采用的是超聲波測距原理，每側(cè)牽引大臂上固定一條鋁合金梁(平均梁)，朝下布置多個聲納傳感器(一般為四個)。整平作業(yè)時，聲納傳感器向作為參考基準(zhǔn)的地面發(fā)出聲納信號并接收返回信號，計算出距離地面的高度均值， 以此來控制油缸的升降，進(jìn)而控制鏟刀的升降，從而達(dá)到平整土地的目的。工作原理：非接觸平衡梁通過安裝座與牽引臂相連，超聲波探頭通過差動串行總線與控制盒構(gòu)成主從式多級通訊系

24、統(tǒng)。每個超聲波探頭分別測試探頭到路面之間的距離，并上傳至控制盒，控制盒按照預(yù)定的算法處理這些數(shù)據(jù)，得到各個超聲波探頭到路面之間的平均距離。通過比較實時平均距離與設(shè)定基準(zhǔn)距離之間的偏差，產(chǎn)生校正信號控制調(diào)平油缸的升降，使實時平均距離與設(shè)定基準(zhǔn)距離之間的偏差處于設(shè)定的范圍內(nèi)。由于傳感器安裝于車載的大臂上，鏟刀將隨大臂按基準(zhǔn)線的高程作相應(yīng)的調(diào)整，進(jìn)而實現(xiàn)對作業(yè)路面高程的控制。2.4.2激光自動調(diào)平控制系統(tǒng)分析系統(tǒng)組成：20世紀(jì)70年代，美國首先將激光技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)用車載械，并取得了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。在國內(nèi)自20世紀(jì)80年代開始，一些部門就已引進(jìn)國外機型進(jìn)行試驗，但由于價格問題一直未能推廣。激光

25、自動調(diào)平控制系統(tǒng)由激光發(fā)射器、激光接收器、自動控制器組成。 工作原理：激光控制自動調(diào)平技術(shù)是利用激光束參照平面作為非視覺控制手段，代替常規(guī)機械設(shè)備中操作人員的目測判斷方法，自動控制鏟刀的升降高度，以便達(dá)到精確整平的效果。激光發(fā)射器是由有源電池驅(qū)動的一種激光發(fā)生裝置，它被安置在作業(yè)面適當(dāng)位置的三腳架上。激光發(fā)射頭在工作時是高速旋轉(zhuǎn)的，并可根據(jù)設(shè)定要求自動達(dá)到水平面或斜坡面狀態(tài)，它發(fā)射的激光束可在作業(yè)面上形成一個激光光學(xué)平面，該平面即作為整平作業(yè)的基準(zhǔn)參照面。由于該參照面是處于一定空間高度的穩(wěn)定平面，因而不受機群作業(yè)和其它因素的干擾。激光接收器的功用是接收激光發(fā)射器發(fā)來的高程光信號，并根據(jù)相對基準(zhǔn)

26、參照面的高度變化將光信號轉(zhuǎn)換成變化的電信號，并傳輸?shù)娇刂破??？刂破鲗⒓す饨邮掌鱾鬟f來的電位信號，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析處理后轉(zhuǎn)換成控制信號，控制電磁換向閥通向鏟刀提升液壓缸的油量和方向，實現(xiàn)鏟刀的自動升降。2.4.3 比較結(jié)論超聲波自動調(diào)平控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點：（1）設(shè)備體積小、重量輕，安裝簡單方便結(jié)構(gòu)緊湊，貯存運輸業(yè)很方便，使用時隨機性強，比較靈巧。（2）該系統(tǒng)選在路面上方，與路面非接觸，消除了壓痕及沾輪現(xiàn)象，而且可以回避各種溝蓋、接縫等的影響，平地效果好。（3）非接觸平衡梁工作時長度短，控制電路采用先進(jìn)的數(shù)字電路，反饋信息快，能夠及時地控制鏟刀位置調(diào)整，保證有較好的平整度效果。（4）但超聲波在空氣中的傳

27、播速度會受環(huán)境溫度、濕度等參數(shù)影響，為了提高測量精度，一般都要設(shè)置補償和校正裝置，用來補償環(huán)境因素的影響。激光自動調(diào)平控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，拆裝方便，有很強的靈活性，相比于超聲波自動調(diào)平控制系統(tǒng)平整精度高，作業(yè)效率高，但成本也較高。激光式找平系統(tǒng)也會受到環(huán)境因素的影響，在能見度很低的情況下，會嚴(yán)重影響激光的傳輸，使系統(tǒng)工作不穩(wěn)定。更重要的是，此種找平系統(tǒng)對現(xiàn)場的管理要求較高。雖然系統(tǒng)本身可以區(qū)分現(xiàn)場人員流動和雜物等引起的干擾，但如果工作人員過于繁雜，流動人員過多時，會使系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，影響系統(tǒng)的控制精度。根據(jù)以上的分析比較，考慮到成本，以及施工精度的要求，技術(shù)的成熟性等諸方面，本課題主要研究非接觸

28、式超聲波傳感器自動調(diào)平控制系統(tǒng)。2.5 影響自動調(diào)平控制系統(tǒng)精度的幾個因素自動調(diào)平控制系統(tǒng)就是根據(jù)傳感器采集路面的平整度信息來控制鏟刀的升降，從而使平整出來的路面能夠達(dá)到規(guī)定的平整度要求。在車載的工作過程中，惡劣的工作環(huán)境，車載自身狀態(tài)的影響和某些手工操作的誤差(如基準(zhǔn)線的布置)影響車載自動調(diào)平系統(tǒng)精度：（1）在施工中一些操作手對安裝的自動調(diào)平系統(tǒng)未能正確的掌握其性能要求，未能正確使用、校對，造成精度不準(zhǔn)，未能充分發(fā)揮其應(yīng)有的作用，甚至停用。所以，必須對操作手進(jìn)行必要的培訓(xùn)，同時每天工作時要校對自動調(diào)平系統(tǒng)，這樣可以保證整機工作精度，確保每天的正常工作。（2）傳感器也是影響自動調(diào)平系統(tǒng)的一個重

29、要因素。譬如，本系統(tǒng)采用的是超聲波傳感器，利用的是超聲波測距原理：依靠超聲波的傳播速度和聲時來計算探頭到目標(biāo)的距離的。影響超聲波傳播速度的因素很多，在道路施工中，溫度、風(fēng)力、煙氣是重要的影響因素。所以必須采取其他措施來進(jìn)行校正，可以依靠溫度傳感器和參考桿來補償超聲波的傳播速度，保證它的測距精度。（3）通過對自動調(diào)平電液系統(tǒng)分析可知，控制器發(fā)出的信號并不是直接控制鏟刀的上下移動，控制器和牽引架之間通過了一個液壓系統(tǒng)進(jìn)行控制信號的傳遞。就液壓系統(tǒng)來說，控制器控制信號的發(fā)出到電磁換向閥的響應(yīng)再到油缸的運動直至達(dá)到要求的位置需要一個響應(yīng)時間，而這段時間內(nèi)，控制器對鏟刀的位置也同時在不停的檢測，在油缸還

30、沒達(dá)到要求位置時，ad所采集的信號并沒有真實的反映控制信號的控制效果，如果這時候控制器對這段時間內(nèi)采集的信號進(jìn)行處理，結(jié)果將導(dǎo)致鏟刀始終在不停的上下移動，不斷在調(diào)整自身的狀態(tài)。顯而易見，油缸運動位移很難達(dá)到理想的控制效果。所以，液壓系統(tǒng)的滯后時間長短，控制器何時才能對控制信號進(jìn)行響應(yīng)是保證控制精度的主要問題。綜上所述，影響車載自動調(diào)平系統(tǒng)精度的因素是多方面的，有車載自身性質(zhì)和工作環(huán)境等外界因素，也與車載自動調(diào)平系統(tǒng)的類型有關(guān)。這就需要我們不斷的利用新技術(shù)，研究并改進(jìn)自動調(diào)平控制系統(tǒng)，開發(fā)故障診斷等專家系統(tǒng)，不斷提高車載平整精度，減少作業(yè)循環(huán)次數(shù)，提高工效。3 自動調(diào)平控制系統(tǒng)的設(shè)計通過對車載自

31、動調(diào)平裝置的工作原理分析，我們對車載的調(diào)平性能有了理論上的認(rèn)識，但是在車載自動調(diào)平控制系統(tǒng)中，不僅需要分析找平裝置的工作原理，而且對液壓控制系統(tǒng)、超聲波傳感器、以及自動調(diào)平控制方案等都需要有進(jìn)行一定深度的理解和分析7。自動調(diào)平控制系統(tǒng)的研究已經(jīng)歷了半個世紀(jì)的發(fā)展，就控制方式來說，從最初的開關(guān)式控制發(fā)展到比例式控制再到目前常用的比例脈沖式控制；傳感器的發(fā)展也由單一的角度傳感器發(fā)展到目前的超聲波和激光傳感器；同時在目前常用的自動調(diào)平控制系統(tǒng)中，用的較多的控制方式脈寬調(diào)制(pwm)技術(shù)。本章確定了車載自動調(diào)平系統(tǒng)的控制方案。3.1 自動調(diào)平控制方案的確定3.1.1 自動調(diào)平控制系統(tǒng)的要求保證平整出來

32、的路面平整度達(dá)到規(guī)定的要求是車載自動調(diào)平控制系統(tǒng)的一項基本功能。要實現(xiàn)對車載鏟刀升降的精確控制就要求系統(tǒng)必須采用閉環(huán)控制，通過反饋來判斷和調(diào)整控制信號的準(zhǔn)確性。然而，對于自動調(diào)平系統(tǒng)來說，以往的模擬式控制系統(tǒng)已經(jīng)基本上能夠?qū)崿F(xiàn)對鏟刀升降的控制，在數(shù)字式自動調(diào)平控制系統(tǒng)中不僅僅只是要將控制精度提高，還應(yīng)該考慮到讓操作人員能在工作中隨時可以了解到機器的運行狀態(tài)，根據(jù)不同的路況和路面平整度要求對控制系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，使控制器在能夠滿足不同等級路面施工的需求。綜合各方面考慮，車載自動調(diào)平控制系統(tǒng)應(yīng)該要求具備以下功能：（1）具備兩種工作模式：手動模式和自動模式，在車載工作時應(yīng)能在這兩種工作模式之間相互切

33、換。（2）具有靈敏度設(shè)置功能，使車載在不同的施工環(huán)境和平整不同等級的路面時能對靈敏度進(jìn)行調(diào)整，通過合理設(shè)置很好的協(xié)調(diào)好保證路面平整度要求和減小自動調(diào)平系統(tǒng)振蕩兩者之間的矛盾。 （3）系統(tǒng)也應(yīng)該具有控制窗口設(shè)計功能，車載自動調(diào)平系統(tǒng)的基準(zhǔn)是通過超聲波傳感器設(shè)定，在整平的過程中，由于路基高度的突變，超出了正常的工作范圍，超聲波傳感器會檢測到這種變化，輸出的高度信號也會突變，于是引起了控制器的強烈反應(yīng)，控制器輸出信號控制液壓油缸，導(dǎo)致路面出現(xiàn)一個明顯的凹凸。為了防止這種情況的發(fā)生，系統(tǒng)應(yīng)該設(shè)有一個窗口值，當(dāng)超聲波傳感器檢測值與基準(zhǔn)的差值超過窗口值，那么便認(rèn)為情況不正常，這時系統(tǒng)應(yīng)立即停止輸出控制信號

34、，同時以一定的方式通知操作人員，讓他知道系統(tǒng)發(fā)生了故障，從而保證系統(tǒng)的正常運行。（4）在手動模式下，應(yīng)屏蔽靈敏度和窗口設(shè)置功能。這時系統(tǒng)保持高度誤差顯示，同時通過“增和“減”兩個按鍵來控制鏟刀的升降。（5）在自動模式下，應(yīng)能隨時對靈敏度和窗口值進(jìn)行設(shè)置，通過系統(tǒng)各項參數(shù)的設(shè)置，根據(jù)不同的高度誤差對鏟刀采用不同的調(diào)整方式，實現(xiàn)對鏟刀的精確控制。在控制系統(tǒng)設(shè)計中，應(yīng)該力求在實現(xiàn)所有功能的前提下，盡量使操作變得簡便(即必須把控制面板設(shè)計得簡單明了)，通過硬件和軟件的結(jié)合，不僅能實現(xiàn)對鏟刀的精確控制，還要使的控制界面更人性化，操作更簡便8。3.1.2 自動調(diào)平控制系統(tǒng)的方案根據(jù)車載自動調(diào)平控制系統(tǒng)的特

35、性，以及車載的結(jié)構(gòu)特征等，確定車載自動調(diào)平控制系統(tǒng)的方案，如圖所示。由車載自帶的蓄電池向自動調(diào)平控制器和電磁換向閥提供+24v電源，首先通過人機界面設(shè)定車載的工作基準(zhǔn)，進(jìn)入工作狀態(tài)后，車載開始勻速行使，超聲波傳感器開始檢測路面的變化，控制器通過不斷對超聲波傳感器的采樣獲取路面的高度，并將其與設(shè)定的基準(zhǔn)值進(jìn)行比較取偏差，通過控制算法后得出控制輸出信號，控制信號對電磁換向閥進(jìn)行控制進(jìn)而調(diào)整液壓油缸的升降，實現(xiàn)消除誤差的目的，達(dá)到土地的平整。圖4 自動調(diào)平控制系統(tǒng)的方案fig.4 automatic leveling control system圖4這個控制系統(tǒng)的框圖基本上反應(yīng)了車載非接觸式自動調(diào)平

36、控制系統(tǒng)的設(shè)計思想，并且符合當(dāng)前控制系統(tǒng)的大體設(shè)計趨勢，同時能夠基本滿足施工現(xiàn)場的要求。3.1.3 自動調(diào)平系統(tǒng)工作流程 自動調(diào)平平臺基于單片的機控制，完成自動調(diào)平。如圖5，啟動系統(tǒng)后，傳感器將感知的平臺狀態(tài)，并將信號進(jìn)行放大處理，傳遞給調(diào)平控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)控制液壓系統(tǒng)做出相應(yīng)的反應(yīng)，調(diào)平平臺。傳感器實時感知平臺狀態(tài)，循環(huán)此過程，直到平臺處于水平狀態(tài)。圖5 自動調(diào)平控制系統(tǒng)工作流程fig.5 automatic leveling system working3.1.4 自動調(diào)平系統(tǒng)主控制器的選擇主控制器的選擇是控制方案的一個重要環(huán)節(jié)，它直接影響到自動調(diào)平控制系統(tǒng)的性能、價格以及控制功能等。滿

37、足車載使用功能要求的主控制器的選擇范圍有高性能單片機、可編程控制器(plc)、工業(yè)控制機、以及數(shù)字信號處理(dsp)等，這四種形式各有優(yōu)缺點。（1）單片機：在目前的應(yīng)用研究中，較易于實現(xiàn)數(shù)字控制的方案是使用單片機來實現(xiàn)其功能，尤其是新型的8位，16位單片機具有ad、pwm、eeprom、比較輸出、捕捉輸入、spi接口、異步串行通訊接口、flash程序存儲器等功能。單片機成本低，易開發(fā)，因為單片機價格不斷下降，而其技術(shù)含量卻不斷提高。另外，單片機的應(yīng)用已相當(dāng)廣泛，有許多可以借鑒的成功應(yīng)用范例與大量的公用程序。尺寸小，結(jié)構(gòu)易布置，由于單片機及其外圍接口電路可以緊湊地放在一塊印刷電路板上，這就為控制

38、器的面板設(shè)計帶來方便，面板形狀與大小都可以在一定程度上隨意設(shè)計。對于一些比較復(fù)雜的控制，其計算量往往很大，這樣，計算速度將直接影響控制精度。（2）可編程控制器(plc)：順序控制、運動控制、過程控制等。plc是專門為順序生產(chǎn)過程而設(shè)計的控制器，它替代傳統(tǒng)的繼電器，具有很強的時序性?？垢蓴_能力強，因為plc是專門用于工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境，在抗干擾能力方面優(yōu)越于單片機系統(tǒng)。與電磁閥連接容易，因為plc的輸出形式為數(shù)字脈沖形式，可以通過開關(guān)量輸出組件輸出電平信號省去了oa轉(zhuǎn)換，直接驅(qū)動電磁閥、電磁繼電器和電磁開關(guān)等：同時可以大量節(jié)省外圍驅(qū)動電路。與此同時，因為plc是一種時序性很強的順序式控制器，其計算能力

39、不是很強，這就限制了一些控制方案的實現(xiàn)。雖然也出現(xiàn)了一些具有較強計算能力的plc，但其本質(zhì)并沒有脫離原來的特點，仍基于循環(huán)掃描和程序執(zhí)行方式，往往影響計算速度。（3）工控機：相對于單片機和plc來說功能靈活，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，它集單片機與plc優(yōu)點于一體，具有很強的控制功能。工控機成本高，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，若和其它控制系統(tǒng)聯(lián)合使用，不僅會降低成本，而且會協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的工作，采用先進(jìn)的控制模式，實現(xiàn)控制的智能化。編程容易，接口簡單，可以采用高級語言編程，設(shè)計友好的工作界面，利用計算機強大的計算功能，編制復(fù)雜的軟件：另外，其接口都是標(biāo)準(zhǔn)接口，易于與各系統(tǒng)之間進(jìn)行通訊與連接。工業(yè)控制有強大的計算、管理及通訊功能

40、，適宜于高性能進(jìn)行機群調(diào)度和管理適合形成網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的上位機。（4）數(shù)字信號處理器(dsp)：具有典型的數(shù)字信號處理的能力dsp芯片普遍采用了數(shù)據(jù)總線和程序總線分離的哈佛結(jié)構(gòu)及改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，采用流水技術(shù)，即每條指令都由片內(nèi)多個功能單元分別完成取指、譯碼、取數(shù)和執(zhí)行等多個步驟，從而在不提高時鐘頻率的條件下減少了每條指令的執(zhí)行時間；dsp芯片內(nèi)有多條總線可以同時進(jìn)行取指令和多個數(shù)據(jù)存取操作，并且有輔助寄存器用于尋址，它們可以在尋址訪問前或訪問后自動修改內(nèi)容，以指向下一個要訪問的地址：dsp芯片大多帶有dma通道控制器和串行通信口等，配合片內(nèi)總線結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)塊傳送速度大大提高；dsp芯片配有中斷處理

41、器和定時控制器，可以方便地構(gòu)成一個小規(guī)模系統(tǒng)：具有軟、硬件等待功能，能與各種存取器接口；針對濾波、相關(guān)和矩陣運算等需要大量乘法累加運算的特點，dsp芯片大多配有獨立的乘法器和加法器，使得在同一時鐘周期內(nèi)可以完成乘、累加兩個運算：低功耗，一般為0.5-4w，而采用低功耗技術(shù)的dsp芯片只有0.1 w，可用電池供電，節(jié)能；驅(qū)動電流小，驅(qū)動電磁閥需要外加外圍電路。工控機具有超過1000mhz的工作頻率，非常完善的開發(fā)手段，非常豐富的軟件支持，在這些方面，dps是無法與之相比的。但是，工控機并非針對實時信號處理而設(shè)計，其數(shù)據(jù)輸入輸出能力相對于其處理能力要低得多，其響應(yīng)速度或者響應(yīng)延遲不能滿足實時處理要

42、求。在相同的工作頻率下，工控機進(jìn)行乘積fif編解碼等常用數(shù)字信號處理的速度要比dps低得多。工控機本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功耗多，價格較高。單片機有較高的運算速度，開發(fā)成本低，結(jié)構(gòu)簡單，易于開發(fā)；另外，單片機的應(yīng)用已經(jīng)非常的廣泛，具有許多可以借鑒的經(jīng)驗，為控制器的設(shè)計帶來方便。通過以上比較和分析，選擇價格較低，信號處理能滿足要求的單片機作為主控制器9。3.2 自動調(diào)平控制系統(tǒng)的液壓系統(tǒng)圖6 自動調(diào)平液壓系統(tǒng)的原理圖fig.6 automatic levelling hydraulic system schematic diagram目前國內(nèi)外生產(chǎn)的車載均采用機電液一體化的自動調(diào)平控制系統(tǒng)，其中液壓系統(tǒng)是

43、多種多樣的，但其共同點都是向油缸供定量油液，以保證油缸調(diào)節(jié)的及時性及穩(wěn)定性。通常，典型的電液控制系統(tǒng)由油泵、安全閥、流量閥、電磁換向閥、液控單向閥、油缸及油管、接頭等組成(參見圖6)。系統(tǒng)采用定量泵供油，油泵輸出的壓力油經(jīng)過兩個流量閥排出定量的油液，在電磁換向閥的控制下經(jīng)液控單向閥進(jìn)入左右兩個油缸。再經(jīng)油缸活塞桿的伸縮來控制牽引架繞前鉸點上下擺動，從而達(dá)到對平地鏟刀高度的精確把握。在工作過程中，首先通過控制器設(shè)定整平基準(zhǔn)，當(dāng)平整路面發(fā)生上下起伏的變化時，牽引架會發(fā)生上下移動，所以它也會帶著鏟刀一起升降，同時安裝在牽引架上的超聲波傳感器也共同升降。這樣，超聲波傳感器就能檢測到當(dāng)前的與路基的實際距

44、離，通過與基準(zhǔn)值進(jìn)行比較，可以得出偏差信號。這個偏差信號被控制器采樣后，通過一定的分析和處理，發(fā)出控制信號，通過功率驅(qū)動電路給電磁閥供電。電磁閥接到信號后，根據(jù)信號的不同做出不同的響應(yīng)，使得牽引點的工作油缸上腔或下腔進(jìn)油，讓牽引點回到原來的高度(即剛開始設(shè)定的基準(zhǔn)值)，于是，鏟刀也就相應(yīng)的回到的原來的設(shè)定的位置。至此，偏差信號消失，控制器切斷電磁閥的控制信號，油缸停止運動。這樣就保證了鏟刀始終維持在初始設(shè)定的位置，達(dá)到了自動調(diào)平的目的12。3.3 控制系統(tǒng)的總體原理3.3.1 控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型（1）工作裝置的數(shù)學(xué)模型設(shè)定車載鏟刀所受的阻力保持不變，則鏟刀的運動將沿著牽引點的作用點連線方向，可

45、建立如圖7所示的運動關(guān)系?，F(xiàn)在分析鏟刀的運動規(guī)律。圖7 車載鏟刀的運動關(guān)系fig. 7 car blade movement relationship設(shè)圖中t是牽引點，p為鏟刀與路面的接觸點，t、p分別是鏟刀經(jīng)時間dt后的相應(yīng)位置。其中坐標(biāo)值分別表示為t(x1，y1。)， p(x1，y1)及t(x2+dx2，y2+dy2)，p(x2+dx2，y2+dy2，)，由此可得到線性方程為：（dy2/dx2）=（y2-y1）/（x2-x1） （1）設(shè)l=x1-x2，其為調(diào)平大臂有效長度的水平投影，dx2/dt=v為整平速度，式又可寫成（dy2/dx2）=（y1-y2）/l或（dy2/dt）=（dx2/d

46、t）（y1-y2）/l）（7)若設(shè)v恒定，對式(7)進(jìn)行拉氏變換可得y2（s）/y1（s）=1/（1+ts） （2）式(8)為鏟刀的傳遞函數(shù)，其為一階慣性環(huán)節(jié)，式中z=為鏟刀的時間常數(shù)。（2）執(zhí)行機構(gòu)環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型執(zhí)行環(huán)節(jié)主要由開關(guān)型電磁換向閥和雙作用液壓油缸組成，下面分別以二者的其中之一為對象展開討論，建立它們的數(shù)學(xué)模型14。開關(guān)型電磁換向閥可簡化為一階慣性環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)可表示為： （3）式中：一開關(guān)電磁換向閥的流量增益， 一開關(guān)間常數(shù)，s。根據(jù)液壓伺服系統(tǒng)的理論，可得到流量增益的計算公式： （4）式中：cd銳邊節(jié)流閥，cd在0.60.65之間；w閥的面積梯度，p油的密度，kg/m3p系統(tǒng)

47、中油缸通過開關(guān)電磁換向閥時的壓降，mpa。雙作用液壓油缸的傳遞函數(shù)可表示為： （5）式中：a雙作用液壓油缸的有效面積即油缸大腔活塞面積與油缸小腔活塞面積差， w一閥控液壓油缸的液壓固有頻率，一閥控液壓油缸的液壓阻尼比， 在010020之間；d1一液壓油缸直徑，m；d2一活塞桿直徑，m；m一單個油缸所承載的油缸運動部件質(zhì)量和平地鏟刀折算質(zhì)量之和，kg；一等效容積的彈性模數(shù)，mpa；v括管路在內(nèi)的等效液壓油缸容積，v=l*a，m3；l_一活塞桿有效行程，m。由g(s)和gy(s)可求得執(zhí)行機構(gòu)環(huán)節(jié)的總傳遞函數(shù)g(s)為： （6） （3）反饋環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型單反饋環(huán)節(jié)可表示為：k=c/l （7）式中：

48、c為傳感器位置到牽引點之間的距離；取c=23l，則k=23。（4）控制器的數(shù)學(xué)模型控制器由信號調(diào)理電路、單片機、光電隔離電路及功率放大器等組成，用以檢測高度偏差，并據(jù)此以脈沖或連續(xù)調(diào)節(jié)信號的形式驅(qū)動電磁換向閥，使油缸動作。整個環(huán)節(jié)為非線性環(huán)節(jié)。當(dāng)高度偏差在死區(qū)范圍內(nèi)，控制器不做任何調(diào)節(jié)，液壓油缸不運動；當(dāng)系統(tǒng)工作在脈沖調(diào)節(jié)區(qū)時，輸出脈沖的脈寬占空比與偏差信號成正比，屬于脈寬調(diào)制(pwm)；當(dāng)系統(tǒng)工作在恒速區(qū)時，找平油缸進(jìn)行恒速調(diào)節(jié)。因此本環(huán)節(jié)可簡化為一具有死區(qū)的飽和非線性環(huán)節(jié)，其數(shù)學(xué)模型可表示為： （8）式中 u一控制器的輸出，a；d一死區(qū)范圍，m；s一脈沖區(qū)高度偏差上限，m；e一高度偏差，m

49、；k-放大系數(shù)，am；sign(e)一取e的符號。3.3.2 控制算法的設(shè)計pid控制是指通過對被控參數(shù)的偏差施加比例作用、積分作用和微分作用(proportional+integral+deviative，縮寫為pid)給出控制器的輸出。在控制器中，比例作用可以加快系統(tǒng)對偏差的響應(yīng)速度，積分作用可以消除靜態(tài)偏差，微分作用可以改善系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)。調(diào)整三者的作用強度，就可以改變整個生產(chǎn)過程的運行特性。pid控制具有設(shè)計簡，參數(shù)調(diào)整直觀、方便、適應(yīng)強等優(yōu)點，是工業(yè)過程控制領(lǐng)域中最為常用的控制方法15。數(shù)字試pid控制器是將模擬式pid調(diào)節(jié)器的微分方程用差分方程代替，在時域中，用計算機程序來實現(xiàn)與模

50、擬式pid等效的控制規(guī)律。模擬式pid控制的微分方程為： （9）式中: u()一控制器的輸出；kp一比例系數(shù)；ti一積分時間常數(shù)；td一微分時間常數(shù)；e(t)一偏差，e(t)=sp-pv，sp和pv分別為被控參數(shù)的設(shè)定值和實際值。如果選采樣周期為t，將上述微分方程離散化處理成差分方程如下： （10）式中 u（n)一本次pid算法的控制輸出；e (n)一本次采樣所得的偏差信號；e (n一1)一上次采樣所得的偏差信號；ki一積分常數(shù)，ki=kpt/ti；kd一微分常數(shù)，kd=kptd/t。如果控制器的執(zhí)行器件是個調(diào)節(jié)閥，則上述算式的輸出u(n)與閥位是一一對應(yīng)的，因此該算式通常稱為位置式pid算式

51、。從式(16)中可以看到，每次的控制輸出都與系統(tǒng)過去的所有狀態(tài)有關(guān)。它不僅需要對偏差e進(jìn)行不斷的累加，從而增大計算機的計算量和存儲量，而且當(dāng)給定值變更時，容易產(chǎn)生積分失控，發(fā)生閥門沖擊和超調(diào)。為彌補這一缺陷，目前計算機控制系統(tǒng)中的pid控制常用增量式算法。由式(16)得u(n)與u(n-1)，相減得：u(n)=u(n)-u(n一1)=kpe(n)-e（n一1)+ kie(n)+ kde(n)-2e(n-1)+e(n-2)=(kp+ki+ kd)e(n)+(- kp-2 kd)e(n-1)+ kd e(n-2) （11）在計算機控制系統(tǒng)中，采樣周期t一般是恒定的，所以在確定了kp，ki和kd之后

52、，僅需在內(nèi)存中依次存放3個采樣周期的偏差值，即可求出控制增量。采用增量式算法不僅簡化了運算過程，而且還具有以下優(yōu)點：(1)算式中沒有累加項，不會發(fā)生積分失控，也不易產(chǎn)生超調(diào)；(2)由于控制輸出是控制值的增量，所以當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時影響范圍小，也容易實現(xiàn)自動手動的切換；(3)可以在程序中設(shè)置條件判斷，當(dāng)pid算式輸出的控制增量超過允許范圍時，限制輸出的變化幅度，從而減小對被控系統(tǒng)的沖擊。3.4 系統(tǒng)的抗干擾措施及控制參數(shù)的確定3.4.1 系統(tǒng)的抗干擾措施車載自動調(diào)平控制系統(tǒng)的控制精度在很大程度上取決于控制系統(tǒng)的抗干擾措施設(shè)計的好壞。在車載工作時，來自工作現(xiàn)場的電磁干擾是干擾信號傳輸?shù)囊粋€主要干擾源

53、之一，此外車載自身的振動和外界的一些不可測因素，這幾個方面對傳感器擾動的疊加導(dǎo)致傳感器檢測出來的信號必然產(chǎn)生一定的誤差。在自動調(diào)平控制系統(tǒng)設(shè)計時，必須采用一個有效的方法來消除這些干擾源對系統(tǒng)控制精度的影響。在本系統(tǒng)中，為保證系統(tǒng)能夠在惡劣的環(huán)境下正常工作，保證一個穩(wěn)定的控制精度，采用軟硬件相結(jié)合的方法，對干擾信號進(jìn)行多重處理。實驗表明這種方法幾乎完全消除了各種干擾信號對傳感器的影響，使得控制器在不同的工況下保證相當(dāng)?shù)目刂凭?，達(dá)到理想的控制要求。這在第四五章將作介紹。3.4.2 關(guān)鍵控制參數(shù)的確定在車載自動調(diào)平控制系統(tǒng)設(shè)計中，一些控制參數(shù)的選取直接決定了控制器的控制性能。目前，在自動調(diào)平控制系

54、統(tǒng)中主要的控制參數(shù)有：靈敏度、死區(qū)比例脈沖區(qū)、恒速調(diào)節(jié)區(qū)。在自動調(diào)平控制系統(tǒng)中，我們將控制路面高度的誤差分成3個區(qū)域(如圖所示)：死區(qū)、比例脈沖區(qū)、恒速調(diào)節(jié)區(qū)。這3個區(qū)域的設(shè)置決定了路面平整度的好壞。當(dāng)車載自動調(diào)平系統(tǒng)處于自動狀態(tài)下時，操作人員可根據(jù)路面施工的要求對以上3個區(qū)域的值通過按鍵來設(shè)置相應(yīng)的值，使得車載自動調(diào)平系統(tǒng)在確保路面平整度要求的前提下以最穩(wěn)定的狀態(tài)運行。圖8 系統(tǒng)調(diào)節(jié)區(qū)域圖fig.8 the system regulation of regional map圖8中的三個區(qū)域的大小是由控制器中設(shè)置的靈敏度值和窗口值決定的。下面簡要介紹一下各個區(qū)域大小的確定和調(diào)節(jié)方式：（1）死區(qū)：死區(qū)是指在理想的高度附近，與理想的平整度值相差很小的一段區(qū)域。當(dāng)誤差高度處在這塊區(qū)域內(nèi)時，系統(tǒng)不對鏟刀進(jìn)行任何調(diào)節(jié)。死區(qū)的大小決定了車載在運行過程中鏟刀振蕩的劇烈程度，死區(qū)不能過大，其大小必須小于路面要求的平整精度，否則平整出來的路面必然達(dá)不到路面的平整度要求，但是在滿足上述條件的前提下，死區(qū)也不能無限制的調(diào)小，死區(qū)太小則會引起系統(tǒng)的超調(diào)，使得鏟刀發(fā)生振蕩。所以，死區(qū)的調(diào)節(jié)必須在保證路面平整精度的前提下盡可能的減少系統(tǒng)超調(diào)的發(fā)生。本系統(tǒng)死區(qū)的大小和靈敏度的對應(yīng)關(guān)系如表1所示。表1 靈敏度與死區(qū)參數(shù)值table 1 sensitivity and the de