CN101859121B - 一种拖缆机液压马达遥控控制系统及其信号处理方法 - Google Patents
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Abstract
一种拖缆机液压马达遥控控制系统，包括依次连接的遥控手柄、PLC信号处理单元、比例阀控制器、电磁压力比例阀与液压马达，电磁压力比例阀包括互相并联的收缆电磁压力比例阀与放缆电磁压力比例阀，所述PLC处理器采取的信号线性化处理方法为分段线性化处理方法，比例阀控制器的输出信号为PWM信号，电磁压力比例阀的控制电流的为140-400mA。本发明不仅遥控信号不失真、液压马达输出压力较稳定，而且控制方法简单、成本较低、调试方便。
Description
技术领域
本发明涉及一种拖缆机的液压马达控制系统，尤其涉及一种拖缆机液压马达遥控控制系统及其信号处理方法。
背景技术
液压马达作为一种可靠的传动装置在工业领域中得到了广泛的应用。液压马达的控制方法有两种，即本地控制与遥控控制。
本地控制：通过安装于马达上的操纵杆来控制，该操纵杆可分别进行顺时针及逆时针操作使得马达进行正反转，同时改变马达流量，且马达流量与该操纵杆偏离中心角度有关。
遥控控制：由遥控单元和电磁压力比例阀组成，遥控系统发出控制指令给电磁压力比例阀，使得电磁压力比例阀输出油压控制信号给液压马达，从而改变液压马达流量。
在一般场合下，往往只需要在本地操作液压马达便可使得马达具有不同的输出特性。但是，随着设备自动化程度越来越高以及在一些不易本地控制的场合出现，遥控控制被越来越广泛的应用到工业控制领域中。
对液压马达进行遥控控制往往需要一套遥控单元和一套电磁压力比例阀。但在实际应用中，电磁压力比例阀往往会出现死区、滞环以及非线性等情况，如果遥控信号不经过任何处理直接发送给电磁压力比例阀，就会出现遥控信号严重失真、液压马达输出压力不稳定等现象。因此，需要一种合适的遥控方法，以避免由于电磁压力比例阀的固有缺陷所带来的影响，从而保证马达在遥控操作时能够获得与本地控制相同的操作特性。目前，常用的方法是PID控制，该控制方法通过在马达操纵杆处安装位置传感器，并将其位置信号反馈给遥控单元，然后运用PID算法，使得在遥控时能够获得与使用马达操纵相同的操作特性。
中国专利授权公告号为CN2447816Y，授权公告日为2001年9月12日的实用新型专利公开了一种控制手柄，该控制手柄由机械部件与信号处理电路两部分组成，机械部件包括操作杆、球轴承、转轴、角位移传感器，信号处理电路包括信号缓冲及放大电路、定值比较及方向判定电路、电平转换电路、选择放大电路。虽然该种控制手柄能够获得很好的控制性能，控制精确，但其控制方法过于复杂、成本高、调试繁琐。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的遥控信号严重失真、液压马达输出压力不稳定、控制方法复杂、成本高以及调试繁琐的缺陷与问题，提供一种遥控信号不失真、液压马达输出压力较稳定、控制方法简单、成本低以及调试方便的拖缆机液压马达遥控控制系统及其信号处理方法。
为实现以上目的，本发明的技术解决方案是：一种拖缆机液压马达遥控控制系统，包括依次连接的遥控手柄、电磁压力比例阀与液压马达，所述遥控手柄与电磁压力比例阀之间依次连接有PLC信号处理单元、比例阀控制器；所述电磁压力比例阀包括互相并联的收缆电磁压力比例阀、放缆电磁压力比例阀。
所述遥控手柄的输出信号为0-5V的电压信号，该电压信号包括0-2.5V的拖缆机收缆电压控制信号、2.5V的拖缆机中位电压控制信号、2.5-5V的拖缆机放缆电压控制信号。
所述PLC信号处理单元的输出信号为0-5V的电压信号。
所述比例阀控制器的输出信号为一路有效电压为0-5V的PWM信号。
所选电磁压力比例阀的控制电流为140-400mA。
一种上述拖缆机液压马达遥控控制系统的信号处理方法，该信号处理方法依次包括以下步骤：
第一步：先建立信号处理方法的基本模型，即建立X-Y轴坐标系，其中X为手柄输出电压控制信号，Y为PLC输出电压控制信号，X的范围为0-5V，Y的范围为0-5V；
第二步：进行现场试验和检测，记录试验数据，并在上述X-Y轴坐标系上绘制X-Y曲线，然后对X-Y曲线进行分段，分段的段数为n，n≥0；
第三步：对分段后的每段曲线进行线性化处理，即先建立X与Y之间的基本数学关系，即Y＝kX+b，其中k＝(Yn-Yn-1)/(Xn-Xn-1)，其中b为修正值，k为斜率，然后根据上述记录的试验数据计算出每个分段上的k值与b值，从而确定Y＝kX+b在每个分段上所对应的具体数学式；
第四步：后续使用时，先通过X值选定具体分段，再根据该分段所对应的具体数学式计算出Y值，然后通过PLC信息处理单元发出该Y值所对应的输出电压控制信号。
所述X的范围为2.5-5V，Y的范围为0-5V，n＝5。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1.由于本发明一种拖缆机液压马达遥控控制系统及其信号处理方法中的PLC信号处理单元与比例阀控制器可对遥控信号进行处理，即PLC信号处理单元负责将遥控手柄的信号处理后传给比例阀控制器，然后由比例阀控制器将接收到的信号转化为PWM信号以利于电磁压力比例阀接收并转为相应的控制电流。PLC信号处理单元对遥控手柄的信号采取的处理方法为分段线性化处理方法，该种方法不仅能够保证电磁压力比例阀上控制电流的范围为140-400mA，从而避免0-140mA及400mA以上这两段电磁压力比例阀的近似控制死区，而且可以确保遥控手柄的输出信号与马达输出压力之间的近似线形关系，使得在均匀操作遥控手柄时，马达的压力输出也均匀、稳定，能够获得与使用操纵杆操作相似的操控性能，而比例阀控制器输出的PWM信号具有抗干扰能力强的特点，可以保证分段线性化处理后的控制信号在传送过程中不被干扰、不失真，因此本发明遥控信号不失真、液压马达输出压力稳定。
2.由于本发明一种拖缆机液压马达遥控控制系统及其信号处理方法中的遥控手柄的输出信号为0-5V的电压信号，该电压信号包括0-2.5V的拖缆机收缆电压控制信号、2.5V的拖缆机中位电压控制信号、2.5-5V的拖缆机放缆电压控制信号，在使用时只需直接手动操作遥控手柄即可实现对液压马达的精确控制，并不需要反馈调试，因此本发明调试、使用方便。
3.由于本发明一种拖缆机液压马达遥控控制系统及其信号处理方法只包括遥控手柄、PLC信号处理单元、比例阀控制器与电磁压力比例阀，使用时，仅通过PLC信号处理单元与比例阀控制器对遥控信号进行处理即可保证遥控信号不失真、液压马达输出压力稳定，因此本发明结构简单、成本较低。
附图说明
图1是本发明的结构原理图。
图2是电磁压力比例阀的控制电流与马达操纵杆偏离中心角度的曲线图。
图3是手柄电压控制信号X与PLC电压控制信号Y之间的曲线图。
具体实施方式
以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明
参见图1-图3，一种拖缆机液压马达遥控控制系统，包括依次连接的遥控手柄、电磁压力比例阀与液压马达，所述遥控手柄与电磁压力比例阀之间依次连接有PLC信号处理单元、比例阀控制器；所述电磁压力比例阀包括互相并联的收缆电磁压力比例阀、放缆电磁压力比例阀。
所述遥控手柄的输出信号为0-5V的电压信号，该电压信号包括0-2.5V的拖缆机收缆电压控制信号、2.5V的拖缆机中位电压控制信号、2.5-5V的拖缆机放缆电压控制信号。
所述PLC信号处理单元的输出信号为0-5V的电压信号。
所述比例阀控制器的输出信号为一路有效电压为0-5V的PWM信号。
所选电磁压力比例阀的控制电流为140-400mA。
参见图1，本发明各组成部分作用如下：
遥控手柄：设置于驾控室的控制面板上，可发出0-5V的电压控制信号，其中0-2.5V为拖缆机收缆命令，2.5V为遥控手柄中位指令，不执行任何动作，2.5-5V为拖缆机放缆命令。
PLC信号处理单元：对来自遥控手柄的电压控制信号进行线性化处理以得到与电磁压力比例阀输出压力相适应的特性曲线信号，其输出信号为0-5V的电压信号。
比例阀控制器：一个功能是为电磁压力比例阀提供所需的功率，另一个功能是将来自PLC信号处理单元的0-5V的电压信号转化为0-5V的PWM信号，PWM信号具有抗干扰能力强的特点，适用于输出距离远和有电磁干扰的场合，而一般的电压信号在长距离输出时，会有电压降现象出现，不适用于长距离输出，借助于PWM信号可使控制信号在传送的过程中不失真，优选SPN的比例阀控制器。
收缆电磁压力比例阀、放缆电磁压力比例阀：比例阀控制器输出的PWM控制信号加到电磁压力比例阀后即转化为一路0-400mA之间的控制电流，然后电磁比例阀根据此控制电流输出压力控制信号。
液压马达：来自电磁压力比例阀的压力控制信号可控制液压马达内部开口滑块的位置，从而控制液压马达流量的大小，同时，液压马达上的操纵杆也转过相应的角度。
一种上述拖缆机液压马达遥控控制系统的信号处理方法，该信号处理方法依次包括以下步骤：
第一步：先建立信号处理方法的基本模型，即建立X-Y轴坐标系，其中X为手柄输出电压控制信号，Y为PLC输出电压控制信号，X的范围为0-5V，Y的范围为0-5V；
第二步：进行现场试验和检测，记录试验数据，并在上述X-Y轴坐标系上绘制X-Y曲线，然后对X-Y曲线进行分段，分段的段数为n，n≥0；
第三步：对分段后的每段曲线进行线性化处理，即先建立X与Y之间的基本数学关系，即Y＝kX+b，其中k＝(Yn-Yn-1)/(Xn-Xn-1)，其中b为修正值，k为斜率，然后根据上述记录的试验数据计算出每个分段上的k值与b值，从而确定Y＝kX+b在每个分段上所对应的具体数学式；
第四步：后续使用时，先通过X值选定具体分段，再根据该分段所对应的具体数学式计算出Y值，然后通过PLC信息处理单元发出该Y值所对应的输出电压控制信号。
所述X的范围为2.5-5V，Y的范围为0-5V，n＝5。
参见图2，本发明所采取的信号处理方法说明如下：
图2为电磁压力比例阀的控制电流与马达操纵杆偏离中心角度的曲线图，由图可知，当控制电流在0-150mA范围内变化时，马达操纵杆仅转过了3°，在控制电流为380mA以上时，马达操纵杆维持在偏离中位65°不变，因此，本发明从中截取140-400mA之间的这段电流区问来做为电磁压力比例阀的控制电流，从而避免0-140mA与400mA以上这两段近似控制死区，同时，将140-400mA之间的这段控制电流对应到遥控手柄所输出的0-5V电压控制信号的范围内。
此外，在140-400mA之间的这段电流区间内，马达输出压力和控制电流间并不是一个严格的线性关系，如果直接利用这段曲线来控制电磁压力比例阀的输出压力，势必造成在驾控室操作遥控手柄时，电磁压力比例阀输出压力与遥控手柄发出的控制信号之间不是一个线性关系，从而造成在均匀操作遥控手柄时，马达输出压力不均匀，对此，本发明的解决方法是，对140-400mA之间的这段控制电流进行分段线性化处理，以使得马达输出压力和遥控手柄的控制信号之间呈一个近似的线性关系，由图2可知，在这段曲线中，分段越细，控制曲线越精确，也越接近线性关系。
确定分段处理以后，下文将解释140-400mA之间的这段控制电流与遥控手柄所输出的0-5V电压控制信号之间对应关系的建立。
由于控制电流是由比例阀控制器输出的PWM信号决定，而PWM信号由PLC信号处理单元输出的0-5V的电压控制信号决定，PLC信号处理单元的输出信号又由PLC控制器根据遥控手柄的输出信号得出，因此，只需在遥控手柄发出的手柄电压控制信号X与PLC信号处理单元发出的PLC电压控制信号Y之间建立一种近似线形关系，并最终反应到控制电流上，就能确保获得良好的遥控性能，即在遥控手柄输出信号与控制电流之间建立对应关系，为此，本发明建立的基本模型如下：
先建立X-Y轴坐标系，X轴为手柄电压控制信号，Y轴为PLC线性化处理后的PLC电压控制信号，然后进行现场试验和检测，记录试验数据，并在上述X-Y轴坐标系上绘制X-Y曲线，再对X-Y曲线进行分段，分段的段数为n，n≥0；对分段后的每段曲线进行线性化处理，即先建立X与Y之间的基本数学关系，即Y＝kX+b，其中k＝(Yn-Yn-1)/(Xn-Xn-1)，其中b为修正值，k为斜率，然后根据上述记录的试验数据计算出每个分段上的k值与b值，从而确定Y＝kX+b在每个分段上所对应的具体数学式；后续使用时，先通过X值选定具体分段，再根据该分段所对应的具体数学式计算出Y值，然后通过PLC信息处理单元发出该Y值所对应的输出电压控制信号。
实施例1：
以在驾控室进行拖缆机放缆操作为例来说明：
第一步：先建立信号处理方法的基本模型，即建立X-Y轴坐标系，其中X为手柄输出的拖缆机放缆电压控制信号，Y为PLC输出电压控制信号，X的范围为2.5-5V，Y的范围为0-5V；
第二步：参见图3，进行现场试验和检测，记录试验数据，并在上述X-Y轴坐标系上绘制X-Y曲线，然后对X-Y曲线进行分段，取六个点，分成五段；
第三步：参见表1，对分段后的每段曲线进行线性化处理，即先建立X与Y之间的基本数学关系，即Y＝kX+b，其中k＝(Yn-Yn-1)/(Xn-Xn-1)，其中b为修正值，k为斜率，然后根据上述试验数据中记录的六个点的坐标计算出每个分段上的k值与b值，从而确定Y＝kX+b在每个分段上所对应的具体数学式，每个分段上的k值与b值如下：
当2.5＜X≤3.0时，K＝2.125，b＝-5.525；
当3.0＜X≤3.5时，K＝2.60，b＝-6.95；
当3.5＜X≤4.0时，K＝1.50，b＝-3.10；
当4.0＜X≤4.5时，K＝1.80，b＝-4.30；
当4.5＜X≤5.0时，K＝2.613，b＝-7.95；
第四步：当后续使用时，如X＝4.2，则先通过X＝4.2确定对应的具体数学式为Y＝1.8X-4.30，再计算出Y＝3.26，然后通过PLC信息处理单元发出该Y值所对应的输出电压控制信号。
表1
| N | X | Y | K | b |
| 0 | 2.60 | 0.00 | - | 0 |
| 1 | 3.00 | 0.85 | 2.125 | -5.525 |
| 2 | 3.50 | 2.15 | 2.6 | -6.95 |
| 3 | 4.00 | 2.90 | 1.5 | -3.1 |
| 4 | 4.50 | 3.80 | 1.8 | -4.3 |
| 5 | 4.90 | 4.85 | 2.613 | -7.95 |
需要说明的是，遥控手柄输出信号为模拟量信号，在对遥控手柄信号进行线性化处理之前，PLC信号处理单元还需对其进行信号标定及规范化处理，由于在PLC控制系统中，已有成熟的专用方法对这些模拟量进行信号标定和规范化处理，所以本文并不对其进行特殊说明。
由图3可知，遥控手柄的输出信号经本信号处理方案处理后不仅可以保证在电磁压力比例阀上转化的控制电流分布在140-400mA内，从而避免了0-140mA以及400mA以上这两段近似控制死区，而且还可以保证控制电流与马达输出压力之间的近似线性关系，也就保证了遥控手柄的输出信号与马达输出压力之间的近似线性关系，这意味着在使用遥控手柄均匀操作时，马达压力也输出均匀，即能够获得与使用马达操纵杆操作相似的操控性能，此外，信号传送过程中借助的PWM信号具有抗干扰力强的特点，确保了信号的不失真，因此本发明不仅遥控信号不失真、液压马达输出压力较稳定，而且控制方法简单、成本较低、调试方便。
Claims (7)
1.一种拖缆机液压马达遥控控制系统，包括依次连接的遥控手柄、电磁压力比例阀与液压马达，其特征在于：所述遥控手柄与电磁压力比例阀之间依次连接有PLC信号处理单元、比例阀控制器；所述电磁压力比例阀包括互相并联的收缆电磁压力比例阀、放缆电磁压力比例阀；所述PLC信号处理单元对来自遥控手柄的电压控制信号进行线性化处理以得到与电磁压力比例阀输出压力相适应的特性曲线信号；所述比例阀控制器将来自PLC信号处理单元的电压信号转化为PWM信号，为电磁压力比例阀提供所需的功率。
2.根据权利要求1所述的一种拖缆机液压马达遥控控制系统，其特征在于：所述遥控手柄的输出信号为0-5V的电压信号，该电压信号包括0-2.5V的拖缆机收缆电压控制信号、2.5V的拖缆机中位电压控制信号、2.5-5V的拖缆机放缆电压控制信号。
3.根据权利要求1所述的一种拖缆机液压马达遥控控制系统，其特征在于：所述PLC信号处理单元的输出信号为0-5V的电压信号。
4.根据权利要求1所述的一种拖缆机液压马达遥控控制系统，其特征在于：所述比例阀控制器的输出信号为一路有效电压为0-5V的PWM信号。
5.根据权利要求1所述的一种拖缆机液压马达遥控控制系统，其特征在于：所选电磁压力比例阀的控制电流为140-400mA。
6.一种权利要求1所述的拖缆机液压马达遥控控制系统的信号处理方法，其特征在于该信号处理方法依次包括以下步骤：
第一步：先建立信号处理方法的基本模型，即建立X-Y轴坐标系，其中X为遥控手柄输出电压控制信号，Y为PLC输出电压控制信号，X的范围为0-5V，Y的范围为0-5V；
第二步：进行现场试验和检测，记录试验数据，并在上述X-Y轴坐标系上绘制X-Y曲线，然后对X-Y曲线进行分段，分段的段数为n，n＞0；
第三步：对分段后的每段曲线进行线性化处理，即先建立X与Y之间的基本数学关系，即Y＝kX+b，其中k＝(Yn-Yn-1)/(Xn-Xn-1)，其中b为修正值，k为斜率，然后根据上述记录的试验数据计算出每个分段上的k值与b值，从而确定Y＝kX+b在每个分段上所对应的具体数学式；
第四步：后续使用时，先通过X值选定具体分段，再根据该分段所对应的具体数学式计算出Y值，然后通过PLC信息处理单元发出该Y值所对应的输出电压控制信号。
7.根据权利要求6所述的一种拖缆机液压马达遥控控制系统，其特征在于：所述X的范围为2.5-5V，Y的范围为0-5V，n＝5。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |