CN105438138A - 长跨距双平台自动调平控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种长跨距双平台自动调平控制系统，包括：在同一车体上的两个平台、监控调平油缸压力状态的压力传感器、分别检测两个平台倾角的双轴传感器、通过RS232总线电连接显示单元的主控单元、串联主控单元的多路阀控制板和电连接多路阀控制板的比例多路换向阀组，并组成分散控制系统，主控单元通过显示器RS232总线通讯发出控制命令，主控单元以主控板为控制枢纽，将该命令解析并发出控制命令，并以分布串联的多路阀控制板为输出放大级，再发送到比例多路换向阀组，经调平油缸完成最终动作，动作过程中双轴倾角传感器实时监测两个平台的角度，并通过CAN总线与多路阀控制板、主控单元通信。本发明解决了两个平台难以同时兼顾的问题。

Description

长跨距双平台自动调平控制系统

技术领域

本发明涉及一种≥3800mm长跨距、双平台的自动调平控制系统,尤其是对调平有精度要求的特种车辆的调平控制系统。

背景技术

自动调平系统主要用于特种车辆的自动调平，也可应用于其它地面设备的自动调平。通常工作极限情况下，座车平台要能承受风阻引起的倾覆力矩，同时，要求调平时间尽量短，在执行任务时，一定时间内还必须保持水平精度。座车平台调平后，不能存在软腿问题。调平系统的支撑有三点支撑、四点支撑、六点支撑等几种方案。三点支撑调平相对容易，缺点是抗倾覆能力差，必须增大支撑跨距以提高抗倾覆能力；四点、六点调平支撑可靠，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。目前的调平方式有手动和自动两种。手动调平主要采用人工调节方式，调节时需要多人配合反复操作各支撑腿，并同时观察水准仪刻度变化使其达到水平。调平过程中可能出现一种工作状态：一腿高，其余三腿低；相邻两腿高，其余两腿低。传统方法是借助于水平仪和经验反复调平,调整周期长，精度难以提高。这种方法调节时间长，操作难度大。自动调平采取自动支撑、调平、撤收方式，可有效减少操作人员的数量，降低工作强度，缩短作业时间。调平有液压驱动和电机驱动两种驱动方式，电机驱动承载的负载有限，且对供电功率要求较高。现有技术采用的大跨距四点支撑液压自动调平系统，液压系统具有驱动力大、工作平稳、反应快、体积小、结构紧凑、控制方便等优点。液压驱动可承载较大的负载，可以方便的实现“以小制大”。液压驱动一般采用控制器件发出控制信号，进而控制液压系统的电磁阀，从而实现驱动调平油缸动作的目的。但也存在系统结构复杂、造价高等缺点。操作时，在水平缸两腔形成回路，液压源的原动力由座车平台取力器提供。如果四腿负载均衡，一般不会发生虚腿现象。如果座车平台中心偏移较大，四腿负载不均衡，靠单向背压阀/平衡负载。支撑跨距越大，平台系统刚性越差，调平系统越容易产生振荡，稳定性越差。传统的液压自动调平系统一般是单平台的四点调平系统，基本上都是采用一个倾角传感器进行一组平台的调平角度检测，对调平过程中调平油缸的压力动态不作检测，算法采用逐高法，即先选定最高支腿不动的方法，其余3个支腿向上运动方法，采用角度误差控制，通过支撑点运动来控制倾角。这种控制系统存在如下难点：

a)对于调平过程中的油缸压力未作检测，导致在某些大坡度下油缸超压受力，有可能产生卡滞，从而损坏油缸；

b)控制策略无探虚腿环节，容易造成调平支腿油缸虚腿现象；

c)由于座车平台跨距较大，在不同的坡度情况下，左右大梁受力不一致，后平台存在一定程度的相对扭转，一个双轴倾角传感器无法真实反映整个平台(前、后两个平台)的倾角值。

d)特种车若采用空气悬架结构，通过气囊的充气、放气来实现大梁高度的上升与下降。空气悬架的气囊参与，会干扰调平过程。

现有技术4点支撑式车体快速自动调平系统，用一双轴液体摆作为水平度敏感元件,以4组单杆活塞液压缸和电液比例流量阀为核心的液压系统作为调平执行机构,用计算机对调平过程进行控制。采用基于4点支撑的位置误差控制调平方法,多点同时调节,调平过程完全依赖于水平传感器与单片机的实时通信,系统中刚度的提高是以增加静不定次数为代价，使用压力传感器降低静不定次数,这大大增加了平台的复杂性。依靠增加支撑方式使其尽可能的接近理论意义上的刚性平台会增加平台的静不定次数,就会给调平系统带来新的虚腿问题。在高次静不定系统的调平过程中,虚腿问题成了一个突出问题。为了解决系统由于高次超静定产生的虚腿问题,传统的解决方法是控制策略借助于力传感器测量来实现。但由于支腿常年工作在恶劣的环境下,如果采用力传感器测量的方式,传感器的灵敏度和精度容易有所下降甚至失效、如果不使用力传感器,在平台实际应用中,虚腿与实腿的区分难以界定,将会造成腿力的不确定性和多解性。在调平系统中,要将等效负载限制在某一个区域之内也比较困难。目前的发展趋势为尽可能的不使用力传感器,而是通过控制策略来保证系统在高次静不定情况下不产生虚腿问题。

在调平系统的控制方面,大都采用传统的PID控制方法。在这些调平方式中,前提是建立精确地数学模型,这势必对模型要求非常高，而在考虑实际情况的前提下,一些非线性,时变性因素将会对建立模型在实际应用中带来严峻的考验。传统的PID控制难以协调快速性和稳定性之间的矛盾,在参数变化和外界干扰的情况下其鲁棒性也不好。在大跨距下，传感器探测“盲区”、前后平台难以兼顾、调平支腿压力超压、系统产生虚腿等不稳定的问题。调平控制方法不能简单的推广到双平台系统，算法上也未考虑各种坡度工况，调平场地适应性差。在目前,要满足工业要求的高精度方面,解决平台的非刚性问题是最主要的难题，系统稳定与精度同样重要,如何解决平台的可靠性问题,也是现在控制领域研究的一个重要问题。平台可靠性，精度成为现代精密仪器使用中急需解决的问题,国内技术研究相对比较薄弱,而国外如美国powegear公司引进的140-1229调平系统和美国HWH公司引进的625系列调平系统的调平精度也不高。

工作平台一般分为两大类:动基座平台和静基座平台。动基座平台用于移动载体上某装置的调平要求快速实时的调平控制系统,其载荷一般不大，这种平台的控制方法和实际应用已经比较成熟。静基座平台用于固定基座上某装置的调平,或运动载体在停止以后的快速自动调平。这种平台的特点是工作平台与载体一起调平,因而在结构上多采用多点支承结构来加强平台的刚度来减少变形。平台调平完成后还需对平台进行位置锁定,防止在重载情况下失平。目前在对静基座平台调平方面的研究还不是很多,在这方面投入的科研力量也不充足。国内目前有很大一部分的科研力量集中在工程应用的研究上,在对这类问题建立数学模型方面还没有形成一个可行的理论体系和较好的解决方案,特别是在虚腿的解决方案上还没有一个行之有效的解决方案。国内目前有很多的工程应用都采用了机械液压式调平方法。这种方法具有代表性的工作原理是:PLC输出脉宽调制(PWM)信号,以PWM工作方式作为高速开关阀的先导控制级,普通液控换向阀作为高速开关阀功率放大级。通过倾角传感器反馈的信号,不断调整控制高速开关阀的PWM信号的占空比，即可控制液控换向阀阀心的位移实现对油缸位移的控制最终完成机器平台的自动调平。这种调平方式虽然在一定程度上可以实现调平的自动化,但也只适用于那些调平精度要求不高的场合。

发明内容

为实现长跨距、双平台自动调平系统的可靠使用，以保证达到武器系统规定的调平精度要求，本发明的任务是提供一种调平时间短,调平精度高，可靠性高，控制实时性强，坡度适应性好，工作安全可靠的自动调平系统。以解决在大跨距下，传感器探测“盲区”、前后平台难以兼顾、调平支腿压力超压、系统产生虚腿等不稳定的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种长跨距双平台自动调平控制系统，包括：在同一车体上的两个平台、监控调平支腿油缸压力状态的压力传感器、分别检测两个平台倾角的双轴传感器、通过电连接显示单元的主控单元、串联主控单元的多路阀控制板和电连接多路阀控制板的多路电液比例换向阀组，并组成分散控制系统，其特征在于：显示器发出控制命令给主控单元，主控单元以主控板为控制枢纽，通过调平软件产生的控制命令，解析并发出控制命令，以分布串联的多路阀控制板为输出放大级，发送到多路电液比例换向阀组，控制各支腿调平油缸完成调平动作，支腿调平油缸动作过程，利用两个电连接主控板的双轴倾角传感器分别实时检监测两个平台的角度，用电连接主控板的压力传感器检测调平支腿油缸的动态压力，双轴倾角传感器并通过CAN总线与多路阀控制板、主控单元通讯，主控单元通过相应的大坡度和小坡度软件算法策略，区分为车头朝上、车头朝下两种工况，最终实现两个平台均达到不同坡度下的调平精度要求。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

调平时间短,调平精度高，可靠性高，本发明使用压力传感器进行动态压力检测，检测四个支腿伸出触地时的压力值，针对大坡度流量不足的问题，确定在不同坡度下调平支腿油缸需要的流量和确定多路电液比例换向阀组的驱动电压，通过动态检测四支腿触地压力可以保证四个支腿油缸受力相对均匀，确保支腿在调平过程中不会超过其额定工作压力、利用两个双轴倾角传感器分别检测两个平台，用压力传感器检测油缸的动态压力，采用独特的调平软件策略，解决了两个平台难以同时兼顾、同时达到调平精度要求的问题。避免了调平过程中出现流量不足，产生卡滞的现象。将四支腿流量由固定值优化为比例控制，在控制策略上加入探虚腿环节，解决调平过程中出现的精度超差和虚腿问题。

结构简单。本发明在同一车体上的两个平台、监控调平油缸压力状态的压力传感器、分别检测两个平台倾角的双轴传感器、通过RS232总线电连接显示单元的主控单元、串联主控单元的多路阀控制板和电连接多路阀控制板的比例多路换向阀组，并组成分散控制系统。由于本系统中，各部分器件皆为成熟货架产品，故只需将各产品组合在一起即可实现。

控制实时性强，坡度适应性好，工作安全可靠。本发明主控单元通过显示器发出控制命令，主控单元以主控板为控制枢纽，将该命令解析并下发命令，并以分布串联的多路阀控制板为输出放大级，再发送到比例多路换向阀组，经调平油缸完成最终动作，动作过程中双轴倾角传感器实时监测两个平台的角度，并通过CAN总线与多路阀控制板、主控单元通讯。考虑了车头朝上和车头朝下两种工况，不同工况下，采用的调平策略不同，调平结束的判据也不同，从而兼顾了前后两个平台的调平精度要求，调平场地适应性更强。

解决在大跨距下，传感器探测“盲区”、前后平台难以兼顾、调平支腿压力超压、系统产生虚腿等不稳定的问题。本发明采用了压力传感器来动态检测调平油缸的触地压力，确保在大坡度时，油缸不会超压工作；油缸工作过程中，其流量由比例多路换向阀阀芯开口量决定，阀芯开口量比例可调。经工程样机试用证明，其工作安全可靠、性能稳定、场地适应性增强，未出现器件损坏和调不平的问题。在后平台增加一个双轴倾角传感器，使两组平台的角度检测更加“真实化”，抵消了平台扭转和空气悬架造成的角度探测盲区问题。

具有良好的水平稳定性。支腿油缸装有自锁紧功能，在负载范围内不出现“软腿”现象。支腿油缸在支撑着地和收回时快速运动，当液压缸进入调平状态后慢速运动，以保证调平精度。每个支腿油缸的运动由比例换向阀控制，寿命长，可靠性高。同时采用了平衡阀，用于平衡前后支腿负载。本系统采用逐高式四点调平法，即由双轴倾角传感器测出座车纵向和横向的倾斜角度信号，控制系统判断四腿高低，采用高腿不动低腿向高腿过渡形式完成调平。本发明用电连接主控板的四个压力传感器检测调平支腿油缸的动态压力，油缸不会超压工作。

附图说明

图1是本发明长跨距双平台自动调平控制系统的结构示意图。

图2是两个长跨距平台与双轴倾角传感器安装示意图。

图3是本发明长跨距双平台自动调平控制系统调平软件算法流程图。

具体实施方式

参阅图1。在以下描述的实施例中，长跨距双平台自动调平控制系统，包括：在同一车体上的两个平台、监控调平支腿油缸压力状态的压力传感器、分别检测两个平台倾角的双轴传感器、通过RS232总线电连接显示单元的主控单元、串联主控单元的多路阀控制板和电连接多路阀控制板的多路电液比例换向阀组，并组成分散控制系统，其中显示器为人机接口，多路阀控制板为产生例阀组阀芯开口控制模拟量，比例阀组和调平油缸完成最终动作，动作过程中主控板采集压力传感器和双轴倾角传感器信号，形成了一个闭环控制系统。主控单元通过显示器发出控制命令，主控单元以主控板为控制枢纽，将该控制命令解析并下发，以分布串联的多路阀控制板为输出放大级，发送到多路电液比例换向阀组，控制各支腿调平油缸完成调平动作，支腿调平油缸动作过程，利用两个电连接主控板和两个平台的双轴倾角传感器分别实时检监测两个平台的角度，用电连接主控板的压力传感器检测支腿油缸的动态压力，双轴倾角传感器并通过CAN总线与多路阀控制板、主控单元通讯，主控单元通过相应的大坡度和小坡度软件算法策略，区分为车头朝上、车头朝下两种工况，最终实现两个平台均达到不同坡度下的调平精度要求。

参阅图2。为了解决两个平台的角度探测盲区问题和油缸超压损坏的问题。在同一车体上的两个长跨距平台，分别采用两个双轴倾角传感器检测其倾斜角度。在前、后平台各设置一个倾角传感器，同时在四个调平油缸上各设置一个压力传感器。在不同的场地坡度条件下，一个为主传感器，一个为辅传感器，通过相应的大坡度和小坡度软件算法策略，区分为车头朝上、车头朝下两种工况，最终实现两个平台均达到不同坡度下的调平精度要求。

参阅图3。调平软件中设置有一个调平支腿油缸触地的压力阀值模块，在采用“逐高法”进行支腿调整完成后，压力阀值模块检测四个油缸的压力是否达到了触地压力阀值，若未达到，则为虚腿，发出控制指令，让该支腿继续伸出触地，从而避免了虚腿。在调平软件实现策略上，考虑了大坡度下和小坡度下的两种调平模式，大坡度下容易出现个别油缸承力超重，易出现震荡，技术判据适当放宽(但仍在精度要求的范围内)；小坡度下，结束判据加严。车头朝下时，前平台的两个调平支腿油缸承力较重，故先进行后平台的调平，再调节前平台，前平台的调平结束判据较后平台要严；车头朝上时，后平台承力较重，先调前平台，再调后平台，前平台的调平结束判据较后平台要严。压力阀值模块根据车头朝下和朝上这两种工况，确定两个双轴倾角传感器的主辅，以主传感器的数据先做为调平依据，调平精度满足后探虚腿，虚腿消除后再将辅传感器的数据作为第二轮微调的依据，反复迭代，最终实现两个平台的调平。

Claims (7)

1.一种长跨距双平台自动调平控制系统，包括：在同一车体上的两个平台、监控调平支腿油缸压力状态的压力传感器、分别检测两个平台倾角的双轴传感器、通过电连接显示单元的主控单元、串联主控单元的多路阀控制板和电连接多路阀控制板的多路电液比例换向阀组，并组成分散控制系统，其特征在于：主控单元通过显示器发出控制命令，主控单元以主控板为控制枢纽，通过调平软件产生的控制命令，解析并发出控制命令，并以分布串联的多路阀控制板为输出放大级，发送到多路电液比例换向阀组，控制各调平支腿油缸完成调平动作，调平支腿油缸动作过程，利用两个电连接主控板的双轴倾角传感器分别实时检监测两个平台的角度。

2.如权利要求1所述的长跨距双平台自动调平控制系统，其特征在于：用电连接主控板的四个压力传感器检测调平支腿油缸的动态压力。

3.如权利要求1所述的长跨距双平台自动调平控制系统，其特征在于：双轴倾角传感器通过CAN总线连接主控单元通讯，主控单元通过相应的大坡度和小坡度软件算法策略，区分为车头朝上、车头朝下两种工况，最终实现两个平台均达到不同坡度下的调平精度要求。

4.如权利要求1所述的长跨距双平台自动调平控制系统，其特征在于：在同一车体上的两个长跨距平台，分别采用两个双轴倾角传感器检测其倾斜角度。

5.如权利要求1所述的长跨距双平台自动调平控制系统，其特征在于：在前、后平台各设置一个倾角传感器，同时在四个调平油缸上各设置一个压力传感器，在不同的场地坡度条件下，一个为主传感器，一个为辅传感器，通过相应的大坡度和小坡度软件算法策略，区分为车头朝上、车头朝下两种工况，最终实现两个平台均达到不同坡度下的调平精度要求。

6.如权利要求1所述的长跨距双平台自动调平控制系统，其特征在于：调平软件中设置有一个调平支腿油缸触地的压力阀值模块，支腿调整完成后，压力阀值模块检测四个油缸的压力是否达到了触地压力阀值，若未达到，则为虚腿，发出控制指令，让该支腿继续伸出触地。

7.如权利要求6所述的长跨距双平台自动调平控制系统，其特征在于：压力阀值模块根据车头朝下和朝上这两种工况，确定两个双轴倾角传感器的主辅，以主传感器的数据先做为调平依据，调平精度满足后探虚腿，虚腿消除后再将辅传感器的数据作为第二轮微调的依据，反复迭代，最终实现两个平台的调平。