大型平台自动调平研究 电气传动 ２００５年 第３５卷 第ｌ２期 大型平台自动调平研究 姜文刚 尚婕 １．江苏科技大学 邓志良 李建华
２．南京理工大学
摘要：对大型平台支撑运动建立了数学模型，提出了一种解耦控制方法，实现了平台自动调平，成功解决了 调平过程中虚腿与实腿的区分难以界定，造成腿力的不确定性和多解性的难题。采用智能ＰＩＤ实现反馈控制算 法，在缩短调平时间的同时提高了调平精度。 关键词：自动调平ＰＬＣ智能ＰＩＤ
Ｓｔｕｄｙ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｌｅｖｅｌｌｉｎｇ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｇｒｅａｔ Ｐｌａｔｆｏｒｍ Ｊｉａｎｇ Ｗｅｎｇａｎｇ Ｓｈａｎｇ Ｊｉｅ Ｄｅｎｇ Ｚｈｉｌｉａｎｇ Ｌｉ Ｊｉａｎｈｕａ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｓｕｐｐｏｒｔ ｄｙｎａｍｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｇｒｅａｔ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ，ａｎｄ ａ ｄｅｃｏｕｐｌｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｐｌａｔｆｏｒｍ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｌｅｖｅｌｉｎｇ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔ．Ｔｈｅｎ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ ｓｏｌｖｅｓ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｔｏ ｄｉｓｔｉｎｇｕｉｓｈ ｖｉｒｔｕａｌ ｌａｎｄｉｎｇ ｌｅｇｓ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｃａｕｓｅ ｕｎｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ｌｅｇ ｓｕｐｐｏｒｔ ｆｏｒｃｅ ａｎｄ ｍｕｌｔｉ ｓｏｌｕｔｉｏｎ．Ｉｎｔｅｌｌｉ— ｇｅｎｔ ＰＩＤ ｉｓ ａｄｏｐｔｅｄ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ｆｅｅｄｂａｃｋ ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ，ｓｈｏｒｔｅｎｉｎｇ ｔｈｅ ｌｅｖｅｌｉｎｇ ｔｉｍｅ ａｎｄ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｔｈｅ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｌｅｖｅｌｌｉｎｇ ＰＬＣ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ＰＩＤ
１ 引言 调平技术已经应用在道路施工的沥青混凝土 摊铺机 、大型工程运梁车 、静力压桩机 Ⅲ］、导 弹机动发射架等设备上［５］，是提高车载雷达机动 性的关键 。目前的调平系统主要有３支撑、４支 撑、６支撑等方案。３支撑调平容易实现，但抗倾覆 能力差。４支撑、６支撑抗倾覆能力强，但存在静不 定问题，容易产生“虚腿”，静不定次数越高，系统 越复杂 。本文所讨论的大型平台，重１１ ｔ，长６ ＩＴＩ，采用４支撑。该平台用车载实现机动，在地面 上实现调平，要求能在不坚实的地面实现调平并 解决“虚腿”问题。 ２ 总体设计 大型平台往往采用液压支撑，液压系统具有 功率大，结构简单，控制方便等优点。但是液压系 统存在价格高、能量损失大、对温度变化较为敏 感、故障难排除、存在泄漏和维护问题等缺点。为 镇江市产学研项目资助（２００４３０７） 了提高平台的控制性能，克服液压系统的不足，降 低成本，本文采用电动方式取代液压传动实现调 平。交流伺服电机和交流伺服驱动器价格较高，本 项目采用交流变频器和普通鼠笼式交流电机构成 伺服系统，大幅度降低成本。 该平台的控制系统主要由ＰＬＣ、变频驱动 器、交流电机、双轴水平传感器、线性位移传感器、 Ａ／Ｄ和Ｄ／Ａ转换模块、用于限位的霍尔传感器、 操作面板等组成，见图１所示。ＰＬＣ有很高的可 靠性，能在恶劣环境下工作，是其它控制系统不能 取代的，因此采用ＰＬＣ作为控制核心。
通讯 模块 ＰＬＣ
圜囡囡圜 一 型 堕 机 机
图１系统结构图 为了节约成本，系统只装一个位移传感器用
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维普资讯 http://www.cqvip.com 电气传动 ２００５年 第３５卷 第１２期 大型平台自动调平研究 于检测平台左后支撑（作为基准支撑）的伸展长 度，该传感器输出为４～２Ｏ ｍＡ电流信号，经Ａ／Ｄ 模块转换送给ＰＬＣ主模块。水平传感器将 轴、Ｙ 轴倾角信号通过底层为ＲＳ一４８５的现场总线发送 给ＰＬＣ。各支撑的上、下极限位置采用霍尔传感 器检测。霍尔传感器有寿命长、可靠性高可在恶劣 环境下使用等优点。 ＰＬＣ用Ｄ／Ａ模块输出电流信号控制变频器 的输出频率，实现调速。电机电流由变频器检测， 输出Ｏ～１０ Ｖ的电压信号经Ａ／Ｄ模块转换反馈 给ＰＬＣ。在开始伸展支撑时，４个支撑同步伸出， 通过检测电流间接检测支撑受力，当电流有较大 变化时，表明该支撑已经着实地，暂停伸展，确定 ４条支撑都着实地，然后４条支撑同步举升，基准 支撑伸出大于２００ ｍｍ则停止动作，开始调平。
３ 平台调平方案 ３．１一般平台调平模型 平台倾斜面如图２所示，ｏａｂｃ为水平状态时 平台平面，Ｏａ…ｂ ｃ 为倾斜时平面，文献Ｅｓ］认为ｎｎ ＿上Ｉｏａ ，ｆｆ ＿上１０ｆ ，则 ｎｎ ｏａ×ｓｉｎ ａｏａ （１） ｆｆ 一０ｆ×ｓｉｎ ｆ０ｆ （２） ｂｂ 一ｎｎ ＋ｆｆ （３） 文献［８］认为ｎｎ ＿１．ｏａ，ｃｃ’＿ｌＩｏｃ。由此文献［３］和文 献Ｅ８］分别得出了自己的控制算法。
图２倾斜面不意图 实际情况并非如此。我们分两种情况来讨论。 ３．１．１假设Ｏ点不动 Ｏａ为平台水平时 方向长度，Ｏａ 为平台倾斜 时 方向长度，一般平台支架有较强的刚性，所 以有 Ｏａ—Ｏａ （４） 故ｏａａ 为等腰三角形。所以ｎ口 的值为 ｎｎ，：２ｏａ×ｓｉｎ—￣ ａ ｏａｔ （５）
用式（１）～式（３）进行计算只能是一种近似， 如果倾斜角度大时会有较大误差。同理ｃｃ 计算也 是如此。有 ３Ｏ
ＯＣ一０ｆ （６） ｆｆ，：：２０ｆ×ｓｉｎ—Ｌｃ ｏｃ＇
（７）
如果Ｏａ 不在ＺＯＸ平面，则水平传感器得到的 水平 轴偏差角，不是 ａｏａ ，因此ｎｎ 不能直接 用式（５）得到，见图３。 ｎ Ｏａ”是水平传感器测得 ｚ方向偏差 ａ ｎ一 （ａ ａⅣ） ＋（ａ ａ）。 （８） ｎ ｎ 一Ｏａ ×ｓｉｎ Ｌａ Ｏａ” （９） ｎｎ”一ｏａ×ｓｉｎ／ａｏａ （１０） ａｏａ”是水平传感器不能测量的，精确计算ｎｎ 不 现实。 另外，在水平时ｎｎ ＪＩｏａ ，如果口ｎ 与ｏａ 是刚 性连接，倾斜时会存在两种可能。 １）ａ点不动。则ｎｎ 与ｏａ 连接必然发生形变， 使得 Ｏａ ｎ小于９Ｏ。，或者支撑ｎｎ 的内外套筒不 再是一条线，也就是ｎｎ 发生弯曲，造成很大的摩 擦力，不利于调平。文献Ｅ７］采用球铰连接支腿与 平台，使问题更加复杂，给出的方程组也过于复 杂，现场控制的计算机很难实时处理。而用球铰连 接支腿与平台会使平台的稳固性下降。 ２）ａ点移动。则要保持ｎｎ ＿ｌＩｏａ ，ｎ点必然要 向外移动，除非支撑下面安装滚轮，否则也会造成 很大的摩擦力，使得调平计算更加复杂。 图２还是一种理想的情况，如果Ｏａ 不在ｚｏ 平面，则水平传感器得到的水平 轴偏差角，不 是 ａｏａ ， 和Ｙ方向的调节存在强烈耦合，不利 于调平计算。
图３计算支撑长度 ３．１．２假设Ｏ点可以移动到Ｏ 调平的目标是０ｔｎ…ｂ ｃ 平面回到或平行ｏａｂｃ 平面，ｏ点的移动，使得水平传感器得到的偏差角 度与 ａｏａ 和 ｆ０ｆ 的关系更复杂，计算ｎｎ ，ｆｆ 和 ６６ 很困难，现场控制的计算机难以胜任。为了避 开复杂的计算问题，本文提出了一种解耦算法。 ３．２解耦控制方法 平台调平数学模型比较复杂，且具有一定的 非线性和强耦合性，难以满足系统的要求［８］。 本平台调平是以左后主支撑为依据的，也就 是图２所示０点位置的支撑，该支撑固定伸展的 长度为２００ Ｉｎｍ。
维普资讯 http://www.cqvip.com 大型平台自动调平研究 电气传动 ２００５年 第３５卷 第１２期 解耦调平方法如下：首先调节ｚ方向的水 平，如图２所示，根据水平传感器得到的ｚ方向偏 差同时调节支撑ａａ 和６６ ， 的调节量完全和 ａａ 支撑的调节量一致，直到ｚ方向水平；再次调 节Ｙ方向水平，根据水平传感器得到的Ｙ方向偏 差同时调节支撑ｃｃ 和６６ ，６６ 的调节量完全和ｃｃ 支撑的调节量一致，直到Ｙ方向水平。这种方法很 好地绕过复杂的解耦计算，但不可避免地遇到“虚 腿”问题。 ３．３虚腿问题的解决 目前的调平方式为了避免虚腿问题，都是采 用向最高支撑靠拢的方法，这种方法使得调节的 余量越来越小，而且不能彻底解决虚腿问题［７］。 本平台的着地面一般为泥土，由于平台本身 的重力和土质的变化会使原来着地结实的腿变得 不结实，虚腿问题更加严重。借助力传感器也很难 解决虚腿问题，因为平台载荷不是一成不变的。 本文采用逐个伸展支撑的方法成功解决了虚 腿问题，方法如下：在调平完后，逐个测试每个支 撑的虚实，将要测试的支撑往下伸展，直到水平传 感器ｚ轴和Ｙ轴任意一个方向的变化到一定范 围（对６ ｍ长的平台来说一般设为０．１５。，如果平 台小可以减小范围）后，再将该支撑收缩，直到水 平传感器恢复原状。该方法十分有效，能检测出每 个虚腿，检测过程就使其结实着地。为了应对地面 沉降，控制系统，每隔３０ ｍｉｎ检测水平状态和支 撑着地结实状态，在支撑允许的行程范围的沉降 可以通过自动控制解决，如果超过支撑的行程范 围则给出报警。 ４ 控制算法 有了解耦控制方案后，要使ｚ方向和Ｙ方向 分别快速、准确完成调平，还需要有一个好的反馈 控制算法。本文采用分区ＰＩＤ算法。 分区ＰＩＤ算法是智能ＰＩＤ算法与时间最优 算法（即Ｂａｎｇ—Ｂａｎｇ控制算法）结合的产物。该算 法通过检测系统误差所处的区域，采取不同的控 制策略。 系统误差较大时，采用Ｂａｎｇ—Ｂａｎｇ控制方 法，即控制ＰＬＣ输出的控制变量为最大值或最小 值（负的最大值）。这种方法可使系统尽快向消除 误差的方向运动。它既提高了系统的快速性，又避 免了积分饱和现象。 系统误差较小时，采用智能ＰＩＤ的控制算 法。通过它来提高系统在小误差范围内时的稳态 特性，即减少系统的稳态误差，提高系统的精度。 智能ＰＩＤ算法在解决积分饱和、微分突变等问题 方面都有了很大的进展。主要方法是根据误差和 误差变化率，适时地改变ＰＩＤ的增益参数，来处 理系统的动态过程，具体实现如下。 当误差大于０，误差变化率小于０时，系统误 差逐渐减小，为保证系统有较快的响应速度，比例 增益参数在初始时段应较大，但为了减小超调量， 期望当误差逐渐减小时，比例增益也随之减小，这 样就使得系统惯性逐渐减弱，不至于产生大的超 调量；微分增益参数应由小逐渐增大，保证在不影 响响应速度的前提下，抑制超调的产生。 当误差小于０，误差变化率小于０时，即绝对 误差向增大的方向变化，比例增益参数逐渐增大， 目的是增大反向控制作用，减小超调；继续增大微 分增益参数，从而增大反向控制作用，减小超调 量；此时的系统输出正背离希望值，故应始终加强 积分作用。 当误差小于０，误差变化率大于０时，即绝对 误差向减小的方向变化，期望比例增益参数逐渐 减小，作用是使系统尽快回到稳态点，并且不再次 产生大的惯性；此时的系统输出正趋向于希望值， 如果再加强积分作用，势必造成控制作用过强，而 出现系统回调，故应适当引入积分作用和微分 作用。 当误差大于０，误差变化率大于０时，即绝对 误差向增大的方向变化，期望比例增益参数逐渐 增大；此时的系统输出背离希望值，应始终加强积 分作用，而适当引入微分作用。 应用该算法在ｚ方向和Ｙ方向水平偏差分 别不超过３。时，系统在１５ Ｓ内就能完成ｚ方向和 Ｙ方向的调平，没有超调，调平完后ｚ方向和Ｙ方 向静态偏差ｄ０．１５。。大大缩短了调平时间。