CN102561701B

CN102561701B - 一种用于混凝土泵车智能臂架的闭环检测开环控制方法

Info

Publication number: CN102561701B
Application number: CN201210016361.6A
Authority: CN
Inventors: 叶桦; 孙晓洁; 于荣; 孟玉静
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2012-01-19
Filing date: 2012-01-19
Publication date: 2014-01-22
Anticipated expiration: 2032-01-19
Also published as: CN102561701A

Abstract

本发明公开了一种用于混凝土泵车智能臂架的闭环检测开环控制方法，首先将各节臂架角度传感器的测量值经过曲线拟合及滤波，利用处理后的角度值和规划期望值进行闭环检测，实时修正臂架运动轨迹和调整开环控制增益，其次再根据修正臂架运动轨迹进行逆运动求解，得出各节臂架要达到的角度差，最后结合自适应开环控制增益实现开环控制，并将控制量输出给臂架系统的执行机构。本发明解决了混凝土泵车臂架系统在运行过程中产生抖动和传感器采集信号中附加干扰等影响控制效果的问题，闭环检测提高了控制精度，开环控制平滑了控制输出，为泵车臂架系统的自动化运行提供了一种实用有效的控制方法。

Description

一种用于混凝土泵车智能臂架的闭环检测开环控制方法

技术领域

本发明涉及混凝土泵车控制领域，具体涉及的是一种混凝土泵车智能臂架系统的控制方法。

背景技术

混凝土泵车的臂架系统在其施工过程中起到很重要的作用，对臂架系统的要求是能够快速、平稳和准确地伸展到浇注位置。但由于臂架系统是一组复杂的多自由度冗余结构，在臂架运行或混凝土泵送过程中会产生很大的抖动，严重影响了浇注精度；若通过传感器将采集到带有干扰的角度信号反馈给泵车控制器，并进行闭环控制，则会造成控制输出量的振荡，远远不能达到臂架系统的运行要求，甚至会损坏泵车上的相关元器件和威胁操作者的生命安全，在实际系统中是不可用的。

因此，提出一种实用有效的混凝土泵车臂架系统控制方案是一项迫切需要解决的问题。如何减少抖动对系统运行及控制的影响是关键。针对这一问题，一些专门用于抑制混凝土泵车臂架振动的装置被提出，通过增加抑振油缸，产生相位相反幅值小于或等于臂架末端振动幅值的方法来抵消振动的危害。但问题是此抑振油缸必定会增加泵车整机的成本、体积和重量，如果能够将消弱振动和臂架运动控制相结合，会提供一种更优的解决方案，而且对臂架系统的良好控制能够进一步提高施工效率和精细度，加快泵车的自动化改造进程。

发明内容

技术问题：针对现有技术上存在的不足，本发明目的在于提供一种实用有效的混凝土泵车智能臂架系统的控制方法，既能减少干扰、抖动等臂架运行中出现的问题，又能提高系统控制精度，输出平稳的控制量。

技术方案：为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

本发明方法首先将各节臂架角度传感器的测量值经过曲线拟合及滤波，利用处理后的角度值和规划期望值进行闭环检测，实时修正臂架运动轨迹和调整开环控制增益K，其次再根据所述修正臂架运动轨迹进行逆运动求解，得出各节臂架要达到的角度差，最后结合所述自适应开环控制增益K实现开环控制，并将控制量输出给臂架系统的执行机构。

包括以下步骤：

步骤201：开始；

步骤202：设置初始工作参数，用于算法的正常运行；

步骤203：采集各节臂架角度传感器的实时值；

步骤204：将上述角度测量值进行曲线拟合及滤波处理；

步骤205：判断闭环检测周期T是否到，如果到了，进入步骤206；否则转到步骤207；

步骤206：进行闭环检测处理，得到开环控制所需要的各个参数值；

步骤207：完成开环控制算法，给出泵车智能臂架运动的控制量，返回步骤203。

本发明方法所述工作参数包括：

闭环检测周期T，用于判断闭环检测是否进行的条件；

闭环检测角度偏差阈值Δ，用于臂架角度和规划期望值的比较，是修正臂架运动轨迹和开环控制增益K的条件；

曲线拟合所需待拟合角度的点数M，用于曲线拟合算法；

曲线拟合所得预测角度的点数N，是曲线拟合处理的结果，用于后续的滤波算法；

预测修正点数P，用于曲线拟合及滤波中预测值的校正，防止算法发散；

开环控制增益K，可根据闭环检测的结果自适应变化，用于开环控制的重要参数。

所述曲线拟合及滤波处理，用于去除传感器采集角度所带来的干扰和臂架实际运行所产生的抖动，使处理后的角度值更平滑。取滤波后的曲线为L，数组X[]用于存放待拟合角度的点数M，i表示计数值，曲线拟合及滤波包括以下步骤：

步骤301：开始；

步骤302：判断角度传感器采集点数是否已经大于曲线拟合所需待拟合点M，如果大于，进入步骤304；否则，转到步骤303；

步骤303：将角度采集值按顺序存入数组X[]，滤波后的曲线L取规划期望值；

步骤304：判断预测修正点数P是否已经大于曲线拟合所需待拟合点M，如果大于，进入步骤305；否则，转到步骤306；

步骤305：用M个连续的预测修正点曲线拟合，并重新预测N个角度值，计数值i和预测修正点数P都清零；

步骤306：判断计数值i是否大于预测角度的点数N，如果大于，进入步骤307；否则，转到步骤308；

步骤307：计数值i清零，对存放待拟合角度的数组X[]中的M个值进行曲线拟合，预测N个角度值；

步骤308：丢弃数组X[]的第一个值，其他数组中值整体前移一位，X[M]暂不赋值；

步骤309：判断角度传感器的实际测量值是否出现很大毛刺，如果是，进入步骤310；否则，转到步骤311；

步骤310：采用预测值作为滤波后曲线L的值，并将其赋值给X[M];

步骤311：判断角度传感器的实际测量值是否出现斜率突变或与预测值相差过大，如果是，进入步骤312；否则，转到步骤313；

步骤312：采用预测值和实际测量值的加权作为滤波后曲线L的值，并将其赋值给X[M]，同时预测修正点数P加1；

步骤313：保留实际测量值作为滤波后曲线L的值，并将其赋值给X[M]，，同时预测修正点数P清零；

步骤314：计数值加1，用于下一个角度测量点的处理；

步骤315：结束。

所述闭环检测处理，通过周期性地比较当前规划期望值和曲线拟合及滤波后的角度值，修正臂架运动轨迹并调整开环控制增益K，闭环检测包括以下步骤：

步骤401：开始；

步骤402：判断规划期望值和曲线拟合及滤波后的角度值之差是否大于闭环检测角度偏差阈值Δ，如果是，进入步骤403；否则，转到步骤405；

步骤403：修正臂架运动轨迹，以曲线拟合及滤波后的角度值为起点重新规划；

步骤404：调整开环控制增益K，根据规划期望值和曲线拟合及滤波后的角度差值的大小，动态增加或减少K的大小；

步骤405：恢复开环控制增益K到初始值；

步骤406：结束。

所述开环控制，以闭环检测的结果作为参数，利用逆运动求解，得到各节臂架的实际控制量，开环控制包括以下步骤：

步骤501：开始；

步骤502：利用闭环检测中的修正臂架运动轨迹进行逆运动求解；

步骤503：求得各节臂架要达到的角度差；

步骤504：将步骤503得到的角度差乘以开环控制增益K，得到控制输出量；

步骤505：输出控制量给泵车臂架系统的执行机构；

步骤506：结束。

有益效果：

1、本发明将曲线拟合和滤波算法相结合，能够大大减弱干扰、抖动等对臂架运行和控制算法的危害，同时该算法具有较好的实时性，可以在规定的控制周期内完成；

2、周期性的闭环检测能够实时修正臂架的运行轨迹和调整开环控制增益，提高系统控制精度；

3、开环控制能够提高臂架运行的稳定性，提供较平滑的输出量给执行机构；

4、本发明将消除抖动和臂架运动控制相结合，不需要外加任何硬件设备，节约成本。

附图说明

图1为本发明方法的结构框图；

图2为本发明方法的流程图；

图3为本发明方法中曲线拟合及滤波算法的流程图；

图4为本发明方法中闭环检测的流程图；

图5为本发明方法中开环控制的流程图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

参见图1，本发明包括角度传感器101、曲线拟合及滤波102、规划期望值103、闭环检测104、修正臂架运动轨迹105、开环控制增益K 106，开环控制107和执行机构108。首先将各节臂架角度传感器101的测量值经过曲线拟合及滤波102，利用处理后的角度值和规划期望值103进行闭环检测104，实时修正臂架运动轨迹105和调整开环控制增益K 106，其次再根据所述修正臂架运动轨迹105进行逆运动求解，得出各节臂架要达到的角度差，最后结合所述自适应开环控制增益K 106实现开环控制107，并将控制量输出给臂架系统的执行机构108。

在本实施例中，角度传感器101和执行机构108都是安装在混凝土泵车臂架系统上的。角度传感器101一般带有CAN总线通信接口，安装于相邻两节臂架之间；执行机构108一般采用由PWM信号驱动的比例多路阀。曲线拟合及滤波102、闭环检测104和开环控制107是本控制算法的核心组成，都是在工程机械专用的可编程逻辑控制器PLC中实现，选择的PLC应自带CAN接口和PWM输出功能，保证既可以接收角度传感器101采集的信号量，又可以输出控制量驱动执行机构108动作。

参见图2，具体实施例中本发明的计算流程开始于步骤201，结束于步骤207：

步骤201：开始；

步骤202：设置初始工作参数，用于算法的正常运行；

步骤203：采集各节臂架角度传感器101的实时值；

步骤204：将上述角度测量值进行曲线拟合及滤波102处理；

步骤206：进行闭环检测104处理，得到开环控制所需要的各个参数值；

步骤207：完成开环控制107算法，给出泵车智能臂架运动的控制量，返回步骤203。

在本实施例中，保证算法正常运行的关键之一是工作参数的选择，系统上电运行后首先设置初始工作参数值，有些参数在运行的过程中会根据条件的不同而变换。本算法涉及到的工作参数包括：

闭环检测周期T，用于判断闭环检测104是否进行的条件，在具体实施例中，闭环检测104不需要每个控制周期都执行，一般选择控制周期的20-30倍，比如控制周期为20ms，闭环检测周期T选为500ms；

闭环检测角度偏差阈值Δ，用于臂架角度和规划期望值的比较，是修正臂架运动轨迹105和开环控制增益K 106的条件，在具体实施例中，阈值Δ的选择不宜过小，否则会导致闭环检测104过于灵敏，需要不停地调整臂架运动轨迹105和开环控制增益K 106，控制量的变化也会比较频繁，同时又不宜过大，否则会导致实际角度与期望角度相差比较大，准确性不好。经过实际系统调试结果，选取角度偏差阈值Δ为1°；

曲线拟合所需待拟合角度的点数M，用于曲线拟合算法，在具体实施例中，M取值过小，拟合的点数过少，在实际角度抖动较大的地方拟合偏差比较大，而M取值过大，则会大大降低该算法的计算效率，综合考虑，本算法中M值取34；

曲线拟合所得预测角度的点数N，是曲线拟合处理的结果，用于后续的滤波算法，在具体实施例中，N取值过小，则抖动较大的地方去除抖动不够明显，而N取值过大，则最后的预测值误差比较大。经试验，最终N的值取为6；

预测修正点数P，用于曲线拟合及滤波102中预测值的校正，防止算法发散，在具体实施例中，如果不对预测值进行修正，当实际值与预测值相差较大时，总会选择用预测值和实际值的加权作为滤波后的曲线，这样有可能造成预测值的不准确，而多个同样的处理周期后，会造成滤波后的曲线远离真实曲线，甚至发散；加入预测修正点数P的好处是，当此参数达到一定量值，我们认为采集值就是当前的真实值，将预测曲线“拉”回正确的轨迹，这里P可以和曲线拟合所需待拟合角度的点数M取值一致，选择为34；

开环控制增益K，可根据闭环检测104的结果自适应变化，用于开环控制107的重要参数，在具体实施例中，根据规划期望值与曲线拟合及滤波处理过的角度差值相应地增加或减少K值的大小。

在本实施例中，曲线拟合及滤波102包括曲线拟合和滤波两个步骤。曲线拟合采用最小二乘法，具体实施例中，PLC每20ms采集一次泵车各节臂架实际角度，每采集M个值即进行一次曲线拟合，得到曲线方程的形式后，再预测未来N个点的角度值。滤波算法分为几种情况：出现毛刺、斜率突变、或实际值与预测值相差过大，不同情况下采取不同的滤波策略，并加入预测修正，防止算法发散。参见图3，取滤波后的曲线为L，数组X[]用于存放待拟合角度的点数M，i表示计数值，曲线拟合及滤波102的计算流程开始于步骤301，结束于步骤315：

步骤301：开始；

步骤302：判断角度传感器101采集点数是否已经大于曲线拟合所需待拟合点M，如果大于，进入步骤304；否则，转到步骤303；

步骤303：将角度采集值按顺序存入数组X[]，滤波后的曲线L取规划期望值103；

步骤309：判断角度传感器101的实际测量值是否出现很大毛刺，如果是，进入步骤310；否则，转到步骤311；

步骤311：判断角度传感器101的实际测量值是否出现斜率突变或与预测值相差过大，如果是，进入步骤312；否则，转到步骤313；

步骤314：计数值加1，用于下一个角度测量点的处理；

步骤315：结束。

在本实施例中，闭环检测104是关键步骤之一，按照闭环检测周期T来执行相应的处理：将规划期望值103与曲线拟合及滤波102处理过的角度相比较，当偏差小于等于阈值Δ时，则当前期望角度不变，继续进行开环控制；当偏差大于阈值Δ时，臂架系统以当前位置为起点重新进行轨迹规划，并根据相应算法调整开环控制增益K的值。参见图4，闭环检测104的计算流程开始于步骤401，结束于步骤406：

步骤401：开始；

步骤402：判断规划期望值103和曲线拟合及滤波102后的角度值之差是否大于闭环检测角度偏差阈值Δ，如果是，进入步骤403；否则，转到步骤405；

步骤403：修正臂架运动轨迹105，以曲线拟合及滤波102后的角度值为起点重新规划；

步骤404：调整开环控制增益K 106，根据规划期望值103和曲线拟合及滤波102后的角度差值的大小，动态增加或减少K的大小；

步骤405：恢复开环控制增益K 106到初始值；

步骤406：结束。

在本实施例中，开环控制107是最后一个步骤，在充分利用前面几个步骤结果的基础上，根据逆运动求解开环控制量，并以PWM的形式驱动比例多路阀，完成各节臂架的运动任务。参见图5，开环控制107的计算流程开始于步骤501，结束于步骤506：

步骤501：开始；

步骤502：利用闭环检测104中的修正臂架运动轨迹105进行逆运动求解；

步骤503：求得各节臂架要达到的角度差；

步骤504：将步骤503得到的角度差乘以开环控制增益K 106，得到控制输出量；

步骤505：输出控制量给泵车臂架系统的执行机构108；

步骤506：结束。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定

。

Claims

1.一种用于混凝土泵车智能臂架的闭环检测开环控制方法，其特征在于，首先将各节臂架角度传感器（101）的测量值经过曲线拟合及滤波（102），利用处理后的角度值和规划期望值（103）进行闭环检测（104），实时修正臂架运动轨迹（105）和调整开环控制增益K（106），其次再根据所述修正臂架运动轨迹（105）进行逆运动求解，得出各节臂架要达到的角度差，最后结合所述自适应开环控制增益K（106）实现开环控制（107），并将控制量输出给臂架系统的执行机构（108）；具体包括以下步骤：

步骤201：开始；

步骤202：设置初始工作参数，用于算法的正常运行；

步骤203：采集各节臂架角度传感器（101）的实时值；

步骤204：将上述角度测量值进行曲线拟合及滤波（102）处理；

步骤206：进行闭环检测（104）处理，得到开环控制所需要的各个参数值；

步骤207：完成开环控制（107）算法，给出泵车智能臂架运动的控制量，返回步骤203；

所述初始工作参数包括：

闭环检测周期T，用于判断闭环检测（104）是否进行的条件；

闭环检测角度偏差阈值Δ，用于臂架角度和规划期望值的比较，是修正臂架运动轨迹（105）和开环控制增益K（106）的条件；

曲线拟合所需待拟合角度的点数M，用于曲线拟合算法；

预测修正点数P，用于曲线拟合及滤波（102）中预测值的校正，防止算法发散；

开环控制增益K，可根据闭环检测（104）的结果自适应变化，用于开环控制（107）的重要参数。

2.根据权利要求1所述的混凝土泵车智能臂架的闭环检测开环控制方法，其特征在于，所述曲线拟合及滤波（102）处理，用于去除传感器采集角度所带来的干扰和臂架实际运行所产生的抖动，使处理后的角度值更平滑，取滤波后的曲线为L，数组X[]用于存放待拟合角度的点数M，i表示计数值，曲线拟合及滤波（102）包括以下步骤：

步骤301：开始；

步骤302：判断角度传感器（101）采集点数是否已经大于曲线拟合所需待拟合点M，如果大于，进入步骤304；否则，转到步骤303；

步骤303：将角度采集值按顺序存入数组X[]，滤波后的曲线L取规划期望值（103）；

步骤309：判断角度传感器（101）的实际测量值是否出现很大毛刺，如果是，进入步骤310；否则，转到步骤311；

步骤311：判断角度传感器（101）的实际测量值是否出现斜率突变或与预测值相差过大，如果是，进入步骤312；否则，转到步骤313；

步骤314：计数值加1，用于下一个角度测量点的处理；

步骤315：结束。

3.根据权利要求1所述的混凝土泵车智能臂架的闭环检测开环控制方法，其特征在于，所述闭环检测（104）处理，通过周期性地比较当前规划期望值（103）和曲线拟合及滤波（102）后的角度值，修正臂架运动轨迹（105）并调整开环控制增益K（106），闭环检测（104）包括以下步骤：

步骤401：开始；

步骤402：判断规划期望值（103）和曲线拟合及滤波（102）后的角度值之差是否大于闭环检测角度偏差阈值Δ，如果是，进入步骤403；否则，转到步骤405；

步骤403：修正臂架运动轨迹（105），以曲线拟合及滤波（102）后的角度值为起点重新规划；

步骤404：调整开环控制增益K（106），根据规划期望值（103）和曲线拟合及滤波（102）后的角度差值的大小，动态增加或减少K的大小；

步骤405：恢复开环控制增益K（106）到初始值；

步骤406：结束。

4.根据权利要求1所述的混凝土泵车智能臂架的闭环检测开环控制方法，其特征在于，所述开环控制（107），以闭环检测（104）的结果作为参数，利用逆运动求解，得到各节臂架的实际控制量，开环控制（107）包括以下步骤：

步骤501：开始；

步骤502：利用闭环检测（104）中的修正臂架运动轨迹（105）进行逆运动求解；

步骤503：求得各节臂架要达到的角度差；

步骤504：将步骤503得到的角度差乘以开环控制增益K（106），得到控制输出量；

步骤505：输出控制量给泵车臂架系统的执行机构（108）；

步骤506：结束。