高精度车载平台自动调平控制系统的研究Hongjun Yang and Gangyan Li摘要--在讨论了各种调平方法后，提出了一种高精度车载平台自动调平系统，我们对该系统做了硬件和软件的设计，它被认作是包括控制器、驱动装置、位置传感器和锁装置的机电系统，这个系统可以控制平台高精度、高可靠、短时间地升降。

Ⅰ.介绍一些大型车辆设备如车载雷达，当他们到达目标地点时必须尽快构建一个水平平台。

平台的水平精度将直接影响检测的正确性，所以为平台的调平提出一个适当的方法是很重要的。

最近，一些调平方法和控制系统已经开发，主要是人工调平和自动调平[1]-[3]。

人工调平的方法在过去被普遍采用，是操作人员通过观察水平仪气泡反复地调整螺钉来实现的。

这种方法不但费时,而且水平精度不高。

近年来，自动调平方法发展得很快，包括液压调平和机电调平系统。

液压调平相对于人工调平有很多优点，包括重载、更高精度和更短时间。

但是液压系统也有不少缺点，如灵敏度低，响应时间长，难以维持， 高成本和油液泄漏等。

另一个自动调平方法是机电调平，与其他调平方法相比有更多的优点。

比如，它所需的时间非常短，动作更为灵敏，精度和可靠性更高，保养也更容易。

机电调平系统非常适合有中等负荷的车载平台。

本文将以车载平台为对象,提出一种机电调平控制系统，在开发适当的控制系统之前，应该首先分析各种调平方法和控制策略。

最后进行该系统的硬件和软件设计。

Ⅱ.自动调平方案的研究A ．支腿布局方案支撑平台的支腿数可以是三个，四个或者六个[4]。

图（1）给出了三腿支撑图（1）三脚平台图（2）展示了一个四支腿平台。

两个传感器分别放在两个交叉的方向上， 平台的方案。

因为一个平台可以由三点或两条相交线确定，当两条相交线在平台上水平时我们可以得出平台水平的结论。

两个传感器分别放在两个相交的方向上，用来检测A ，B ，C 三点的相对高度。

当三点处于同一高度，平台即完全水平。

平台不能承受大的负荷，而且抵抗翻倒的能力非常有限。

遇到风大的时候，平台不能保持水平而且很难调节水平，所以带有三个支腿的平台只用于一些简单的不重要的平台。

可以检测A，B，C，D四点的相对高度。

这个四支腿平台能够承受很大负载，而且能抵抗很大的翻转力量，所以其应用非常广。

但是，由于四条支腿支撑一个平台是一个静不定结构，也许一只脚没有到达地面而悬在空中。

所以，事实上平台只有三条支腿支撑。

在设计四脚平台时必须解决这个问题。

图（2）四脚平台图（3）X方向调平图（4）Y方向调平B．调平方法与过程：1）一个方向调整。

先调整X方向，然后调Y方向，或者反过来。

对于这种方法，支腿的行动是协调的，但是需要太多时间。

2）多个方向调整。

所有支腿同时开始动作并达到同一给定高度。

用这种方法调整的速度高，但由于每条支腿的速度和位移不相等且动作相互限制，造成控制算法非常复杂。

此外，每条支腿承受不同的压力会发生超载。

所以在这篇文章中四脚平台是用一个方向调整的方法。

调整平台水平度的过程是调整四个点的相对高度，所以有如下三种调平方法。

1）最高点固定调平方法。

最高点不动，其他点上升到与最高点同一高度。

2）最低点固定调平方法。

让最低点固定不动，把其他点下降到与最低点同一高度。

3）中间点固定调平方法。

让平台中间点保持固定，把较高点降低较低点升高，直到所有点处于同一高度。

至于考虑到效率，第三种方法最好，但会产生一个虚腿，也就是一条支腿没有负重或悬在空中，第二种方法同样存在类似的问题。

在用第一种方法时，每条支腿的移动方向是相同的，动力装置消除造成的影响可以避免，所以调平精度要高一些。

当四条支腿都到达地面承受负载时，调平过程开始。

首先，最高点由传感器的值确定。

依照图（3）和图（4），传感器放置在X和Y方向。

根据X和Y的值，最高点可以确定[5]如下：1) X >0, Y <0. A点最高2) X <0, Y <0. B点最高3) X <0, Y >0. C点最高4) X >0, Y >0. D点最高例如，A点是最高点，根据水平传感器的信号，X方向和Y方向可以依次调整。

当首先调整X方向时，调平过程如下：支腿1和4保持不动，支腿2和3同时上升到给定高度，如图（3）所示。

支腿的位移由X方向传感器的值确定。

在X方向调整水平之后，Y方向应该根据Y方向传感器的值来调整，如图（4）所示。

其过程和方法与X方向相同。

当X和Y方向同时达到水平时，平台即完全水平。

Ⅲ. 控制系统的设计A．控制方式和控制系统图与各种调平方法相比，采用最高点固定的调平方法。

控制算法有两种选择,即开环控制系统和闭环控制系统。

根据开环控制，每个点离最高点的距离由传感器检测，然后每个较低点依次上升到同一高度。

至于闭环控制，当较低点上升时，传感器同时检测水平误差，并不断地将值送入控制器，当水平误差值达到给定精度，调平过程结束。

在使用开环系统时，由于平台和支腿的变形，平台必须完全刚性且每条支腿应该与平台垂直，因此很难保持开环系统的精度。

闭环控制实际上是一种反馈控制。

在调平时，传感器检测平台的水平误差，并将值反馈给控制器，所以当误差达到给定值时，控制器可以结束调平过程。

本文选择了闭环，因为与开环控制相比它能保证水平精度。

图（5）给出了控制系统图。

图（5）控制系统图B．控制系统的硬件设计控制系统的硬件包括控制器、伺服机构、传感器和通信接口。

控制器由一个西门子S7-200的PLC(可编程控制器)和附加电路组成。

PLC是一种智能的可靠的装置，能连接在总线上，因此目前被广泛使用[6]。

控制器接收来自传感器和伺服机构的信号，然后根据给定程序向动力装置发出指令。

同时，控制器可以通过数据电缆向上层控制中心转移信号。

PLC包括CPU226XM，扩展模块EM235，EM232等。

控制系统中的PLC如图（5）所示。

动力系统由伺服驱动器、离合器、减速器及其他部件组成。

如图（6）所示，伺服驱动由模拟信号控制，有高速和高精度的优点。

当切断电源时离合器还能保持自锁，因此该系统能长时间保持稳定。

伺服系统接受来自控制器的指令，将正式信号传给控制器，所以很容易实现闭环控制。

图（6）动力系统的结构选择高精度电子倾角计作为传感器，它可以检测平台两个方向上的水平误差，把误差转换成电信号，传输到控制器。

另一方面，转矩和支腿速度由伺服驱动的光电编码器检测。

当转矩太大时，系统能报警保护装置免于损坏。

此外，当支腿移动到位时，伺服机构的电源将被切断。

CAN是一种域总线，被用作上层控制中心和PLC的通信借口，其物理特性与RS485一致，硬件标准遵从CAN2.0A协议。

PLC能通过CAN向上层控制中心报告控制系统的工作环境，信息包括水平状况和系统警报。

操纵板和PLC之间的通信接口是PLC特殊的集成接口，操作者可以通过接口输入和修改参数。

此外，一些重要的信息如转矩和移动距离可以显示在操纵板上，其接口是PPI 接口，其软件协议遵守由西门子公司为PLC S7制定的特殊协议。

PLC和交流电动机通过LPT相连，其软件遵守交流电动机规则。

C．调平系统的软件设计控制系统的硬件选定以后，应该通过适当的工具设计软件。

工具程序软件STEP 7-Micro/WIN，专门针对西门子PLC S7-200，被用作设计调平控制系统的软件。

该程序由几个部分组成，包括主控部分、系统初始化部分、信息采集和转换部分、位置环反馈和系统保护部分、操纵板和电子通讯部分等等。

图（7）给出了控制系统的结构，每个部分的功能描述如下：图（7）控制系统的软件结构主控部分负责整个程序工作，并能使用每个部分或程序。

初始化部分检查控制系统的状态，决定初始值，特别是PLC和接口。

信息采集和转换部分检查平台的水平值、伺服机构的转矩和支腿的位置，从部分获得的信息将被转移到PLC。

位置闭环反馈控制部分能实现基于信息反馈的闭环控制，保护整个系统免受损坏。

操纵板部分为人和机器提供一个交流平台，操作者可以通过它输入指令和参数，另外信号和系统的工作条件也能显示出来。

远程通信部分让控制系统和上述机器相互交换信息。

控制系统的主程序单向流动如图（8）所示。

图（8）主程序流程图在平台调平过程中，采用粗调和微调两步不同的调节速度，因为支腿的运动对调平对象有很重要的影响，同样的速度会导致系统的不稳定。

刚开始的时候，当传感器检测的水平误差较大时采用粗调，也就是调平速度非常快。

此外，在这一步可以使用模糊控制，不取决于精确的传递函数，但可以获得很快的速度。

当平台的水平误差足够小等于一给定值时，开始使用慢速的微调。

在这一步中，用PID控制以给系统高的控制精度。

两步调平方法不仅考虑了调平速度，还考虑了调平精度，因此提升了整个控制系统的性能。

Ⅳ.调平的精度和时间分析A．调平精度分析硬件和软件都完成后，根据水平误差转换原理可以进行理论校核计算，把所有的水平伺服机构误差转换成平台水平倾斜度值。

图（9）给出了平台的尺寸。

支腿间的距离是a和b，如果丝杆的传输误差在高度上是e1，同样，螺母的误差为e2，减速器的最大传输误差为e3，离合器是e4，电动机是e5，那么支腿一个方向上的总误差就是e。

e=e1+e2+e3+e4+e5 (4 -1)图（9）平台的尺寸所以X和Y方向上的水平误差可以做如下推导：X方向：θx=arctan(e/a) (4 -2)Y方向：θy=arctan(e/b) (4 -3)这个公式可以用来计算和校核车载平台的水平精度。

B．调平时间分析调平时间可以做以下推导：t=t1+t2+t3 (4 -4)其中t1是支腿展开的时间，t2是当误差很大时高速粗调的时间，t3是微调的时间，如下：t1=l1/(v1 x c) (4 -5)t2=l2/(v2 x c) (4 -6)t3=l3/(v3 x c) (4 -7)其中l1,l2,l3是支腿分三步举升的长度，v1,v2,v3是伺服电动机的旋转速度，c是每次旋转支腿的举升长度。

当倾斜度在4′以上时用粗调，如果给出了所有的参数，总时间就可以计算出来。

例如，当：l1=400mm,l2=90mm,l3=4.32mm,v1=2500r/min,v2=1200r/min,v3=200r/min,c=0 .12mm时，各调平时间如下：t1=4000/(2500x0.12)≈1.33mint2=90/(1200x0.12)≈0.625mint1=4.23/(200x0.12)≈0.18min则t=t1+t2+t3=2.135min调平时间小于3分钟，满足系统高速调平的需要。

C．试验系统完成后在车载平台上做试验。

平台的尺寸和负载如下：a=2.7m, b=2.1m;平台负载F=25t;支腿最大位移：500mm；表一给出了试验结果，性能指标能很好的满足需要。