自動調(diào)平平臺結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)設(shè)計研究

自動調(diào)平平臺結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)設(shè)計研究吳小芳?劉小明（江蘇省丹陽中等專業(yè)學校，江蘇?鎮(zhèn)江?212300）摘?要：為了改善自動調(diào)平技術(shù)性能，本文以平臺結(jié)構(gòu)作為改進突破口，提出新的平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。以強化支撐為目的，結(jié)合平臺調(diào)平控制需求，設(shè)計控制系統(tǒng)總體架構(gòu)。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(jié)果表明，本控制系統(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(shè)計參考依據(jù)。關(guān)鍵詞：控制系統(tǒng)；自動調(diào)平平臺；單片機ResearchonstructureandcontrolsystemdesignofautomaticlevelingplatformWuXiaofang?LiuXiaoming(JiangsuDanyangsecondaryvocationalschool,Zhenjiang,Jiangsu,212300)Abstract:inordertoimprovetheperformanceofautomaticlevelingtechnology,thispapertakestheplatformstructureastheimprovementbreakthrough,andputsforwardanewplatformstructuredesignscheme.Inordertostrengthenthesupport,combinedwiththeplatformlevelingcontrolrequirements,theoverallarchitectureofthecontrolsystemisdesigned.Thecontrolangleofeachelectricpoleiscalculatedseparatelytoissuethecontroloperationcommand.Thetestresultsshowthatthecontrolsystemcanleveltheplatformaccuratelyandcanbeusedasareferenceforthedesignofautomaticlevelingcontroloftheplatform.Keywords:controlsystem;Automaticlevelingplatform;singlechip近年來，自動化調(diào)平技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域逐漸擴大，成為了各類設(shè)備穩(wěn)定運行的重要控制技術(shù)[1]。通過開發(fā)自動調(diào)平控制系統(tǒng)，有助于降低設(shè)備控制程序的復雜程度，并且可以在一定程度上降低設(shè)備的操作技術(shù)水平，對崗位技術(shù)人員的操作能力有所降低[2]。為了增加此方面的科研成果，我國嘗試開發(fā)一種自動調(diào)平系統(tǒng)，利用調(diào)平平臺，對設(shè)備作業(yè)狀態(tài)加以調(diào)平控制。目前，該研究項目仍然停留在研究階段，尚未形成完整的系統(tǒng)設(shè)計方案，本文嘗試從自動調(diào)平平臺的機械結(jié)構(gòu)及作業(yè)原理出發(fā)，提出新的調(diào)平控制系統(tǒng)設(shè)計研究。1?自動調(diào)平平臺機械結(jié)構(gòu)及作業(yè)原理自動調(diào)平平臺中含有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)的這3種支撐模式各自存在缺點，主要體現(xiàn)在抗傾覆能力薄弱、平臺側(cè)翻可能性較大、幾何問題較大、結(jié)構(gòu)設(shè)計計算量較大4個方面。為了彌補這些設(shè)計方案的不足，本文提出一種新的自動調(diào)平平臺機械結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，如圖1所示。1-上平臺；2-電桿I；3-下平臺；4-電桿=2\*ROMANII；5-虛固定桿；6-電桿=3\*ROMANIII圖1?自動調(diào)平平臺機械結(jié)構(gòu)該平臺通過打造上平面，達到提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的目的。利用4個球鉸作為支撐點，在不同圖中不同位置布設(shè)，將架構(gòu)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=3\*ROMANIII、電桿=2\*ROMANII（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，在本結(jié)構(gòu)中定義為Y軸，該連接線路與下平臺的連接，借助鉸鏈完成連接。本結(jié)構(gòu)中的原點定義為X軸與Y軸的交點，自動調(diào)平平臺的自由度設(shè)置為3。該平臺運用3個電桿實現(xiàn)自動調(diào)平，當其均沿著相同的方向運動時，以上平臺作為調(diào)節(jié)對象，通過增加該平臺的高度，完成自動調(diào)平。其中，上平臺調(diào)節(jié)高度就是Z軸方向?qū)?yīng)的高度。以X軸為中心進行旋轉(zhuǎn)時，通過俯仰調(diào)平作業(yè)，同時調(diào)節(jié)電桿I的長度，對電桿=2\*ROMANII和電桿=3\*ROMANIII做與電桿I反向運動，此時觀察虛固定桿的變化情況，發(fā)現(xiàn)該裝置與電桿=2\*ROMANII和電桿=3\*ROMANIII運動保持一致[4]。按照此操作方法調(diào)節(jié)平臺，直至達到上平臺調(diào)平目的。經(jīng)過調(diào)試發(fā)現(xiàn)，該平臺的穩(wěn)定性較高。2?自動調(diào)平平臺作業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)計2.1?系統(tǒng)總體設(shè)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)。通過對采集到的信息采取A/D轉(zhuǎn)化處理，而后發(fā)送至現(xiàn)場控制核心模塊，即單片機。當其接收到該信息后，按照設(shè)定的幾種情景判斷當前平臺傾角情況，并給出相應(yīng)控制決策。此部分決策信號將通過通信端口傳輸至電機驅(qū)動裝置，根據(jù)決策命令驅(qū)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。如圖2所示為系統(tǒng)總體框架結(jié)構(gòu)。圖2?系統(tǒng)總體框架結(jié)構(gòu)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，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電桿的伸縮運動，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(qū)動控制。從現(xiàn)場PC機數(shù)據(jù)顯示結(jié)果，可以看到當前平臺調(diào)平處理效果。2.2?平臺調(diào)平控制與驅(qū)動關(guān)于平臺調(diào)平控制設(shè)計，采用單獨調(diào)平方法，分別對電桿1（電桿=1\*ROMANI）、電桿2（電桿=2\*ROMANII）、電桿3（電桿=3\*ROMANIII）下達驅(qū)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。與此同時，還需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(yīng)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支撐，單獨計算各個角度調(diào)平數(shù)值，將此數(shù)值轉(zhuǎn)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[5]。考慮到系統(tǒng)作業(yè)期間可能存在一定角度誤差，所以在調(diào)平作業(yè)期間需要盡可能降低誤差，使其在允許范圍之內(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，直至其誤差縮小控制在允許范圍之內(nèi)[6]。關(guān)于系統(tǒng)驅(qū)動的設(shè)置，目前應(yīng)用比較多的驅(qū)動方式有兩種，分別是機電驅(qū)動、液壓驅(qū)動。與液壓驅(qū)動方式相比，機電驅(qū)動的作業(yè)效率更高，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動慣量較小，作業(yè)期間不會對周圍的環(huán)境造成污染，并且具有較好的速度控制性能，速度調(diào)節(jié)靈敏度較高。輕載條件下，運用機電驅(qū)動方式，能夠準確控制平臺，完成自動調(diào)平，并且耗費能量較低[7]。綜合分析下，本平臺控制系統(tǒng)的驅(qū)動方式設(shè)置為機電驅(qū)動。2.3?電桿運動速度控制設(shè)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。其中，第一個階段為加速階段，第二個階段為均速階段，第三個階段為減速階段。電桿進入加速作業(yè)階段時，作業(yè)速度逐漸增加，從提升至最大速度，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，速度從減小至。當速度達到時，檢測到電桿達到規(guī)定位置后，電桿停止運動。（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(gòu)建如下運動模型：運動速度變化值：（1）代表運動速度變化值；代表運動速度最大值；電桿進入加速作業(yè)階段時的作業(yè)速度；代表作業(yè)時間余弦值。加速度數(shù)值：（2）代表加速度數(shù)值；代表作業(yè)時間正弦值；減速作業(yè)時間。產(chǎn)生的位移：（3）代表減速作業(yè)產(chǎn)生位移。綜上計算可知，電桿處于加速區(qū)產(chǎn)生的作業(yè)長度為：（4）（2）減速段電桿運動模型運動速度變化值：（5）電桿進入減速作業(yè)階段時的作業(yè)速度。加速度數(shù)值：（6）產(chǎn)生的位移：（7）綜上計算可知，電桿處于加速區(qū)產(chǎn)生的作業(yè)長度為：（8）（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[8]。根據(jù)此結(jié)論，可以得到關(guān)系：。按照此結(jié)論推理均速作業(yè)階段耗費時間，得到以下計算公式：（9）需依次解釋說明公式1-公式需依次解釋說明公式1-公式9所涉及變量的物理含義，否則當前第2章節(jié)的第3部分沒有清晰的邏輯，可讀性極差，是一堆公式的堆砌L代表電桿伸縮作業(yè)期間產(chǎn)生的距離，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(guān)系，則認為電桿在加速過程中未達到最大值，部分均速段消失，即時均速作業(yè)階段未發(fā)生。所以，本系統(tǒng)電桿的作業(yè)，需要根據(jù)實際作業(yè)情況確定。為了避免電桿作業(yè)期間速度突變，對平臺造成沖擊，因而加速度和作業(yè)速度的控制至關(guān)重要。本系統(tǒng)關(guān)于此方面控制命令的下達，通過模擬加速度曲線和速度曲線，經(jīng)過模擬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。此部分工作的開展，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(gòu)設(shè)計方案搭建試驗平臺，該平臺以虛固定桿為坐標原點，在XOY平面內(nèi)布設(shè)電桿=1\*ROMANI、電桿=2\*ROMANII、電桿=3\*ROMANIII位置。其中，電桿=1\*ROMANI與原點之間距離為950mm；電桿=2\*ROMANII與原點之間距離為450mm；電桿=3\*ROMANIII與原點之間距離為450mm。假設(shè)加速階段速度起始數(shù)值，勻速階段速度最大值，減速階段運動結(jié)束速度數(shù)值。將設(shè)定的速度函數(shù)錄入到電桿控制系統(tǒng)當中，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(zhì)心調(diào)速數(shù)據(jù)、上平臺質(zhì)心速度數(shù)據(jù)。本次試驗建立在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，沿著前后、左右方向，分別下達電桿=1\*ROMANI、電桿=2\*ROMANII、電桿=3\*ROMANIII伸縮作業(yè)命令，從而實現(xiàn)電桿調(diào)平控制。考慮到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(gòu)成，因而本次試驗系統(tǒng)控制采用離散點下達控制命令。與此同時，測量試驗結(jié)果并記錄。其中，占空比為0對應(yīng)的角度區(qū)為（0～0）°；占空比為0.4對應(yīng)的角度區(qū)為（0～2）°；占空比為0.6對應(yīng)的角度區(qū)為（2～4）°；占空比為0.8對應(yīng)的角度區(qū)為（4～10）°；占空比為1.0對應(yīng)的角度區(qū)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。當角度區(qū)為（14～16）°時，占空比為0.8；當角度區(qū)為（16～18）°時，占空比為0.4；角度區(qū)為（18～18）°時，占空比為0.0。3.2?系統(tǒng)測試結(jié)果分析按照上述方案設(shè)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，根據(jù)此信號下達電桿控制命令。測得上平臺質(zhì)心調(diào)速數(shù)據(jù)如表1所示。表1?上平臺質(zhì)心調(diào)速測試數(shù)據(jù)角度區(qū)間/°平均時間/s占空比平均線速度/(mm/s)平均角速度°/s0-00.000.00.000.000-22.420.46.790.792-41.430.611.381.404-104.820.814.171.8710-144.971.016.552.0114-161.220.813.401.5916-183.190.45.200.6518-180.00.000.000.00從表1中統(tǒng)計結(jié)果來看，平均線速度和及角速度達到最大值耗費的時間為4.97s，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，這兩項指標也隨之減小。以電桿速度為對照組，以上平臺質(zhì)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(jié)果見表2。表2?上平臺質(zhì)心速度測試數(shù)據(jù)測試指標電桿運動時間/s0s2s4s6s8s10s12s14s電桿速度/(mm/s)0.08.316.216.316.310.72.20.0上平臺質(zhì)心速度/(mm/s)0.08.416.316.316.310.82.20.0表2中統(tǒng)計結(jié)果顯示，上平臺質(zhì)心速度與電桿速度基本保持一致，在控制誤差允許范圍之內(nèi)。因此，該平臺系統(tǒng)設(shè)計方案能夠有效調(diào)平。4?總結(jié)本文以自動調(diào)平技術(shù)的應(yīng)用作為重點研究內(nèi)容，在國內(nèi)外研究基礎(chǔ)上，對平臺結(jié)構(gòu)進行改進，并設(shè)計調(diào)平控制系統(tǒng)。其中，新的平臺結(jié)構(gòu)通過打造上平面，達到提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的目的。以電桿=1\*ROMANI、電桿=2\*ROMANII、電桿=3\*ROMANIII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。試驗測試結(jié)果