CN107524660B - 一种大型结构件起竖调直的控制方法及控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大型结构件起竖调直的控制方法及控制系统，该方法包括：步骤1，结构件起竖；步骤2，获取起竖角度；步骤3，判断起竖角度是否大于或等于第一阈值：如果是，则执行步骤6；如果否，则执行步骤4；步骤4，计算起竖角速度；步骤5，基于该起竖角速度控制液压油缸动作，返回步骤2；步骤6，获取垂直度；步骤7，判断垂直度是否大于或等于第二阈值：如果是，基于垂直度控制液压油缸动作，然后返回步骤6；如果否，则结束；该系统包括主控制器、阀件控制器、光电编码器、水平仪等。本发明可实现大型结构件的准确定位、快速且平稳起竖，极大地减少起竖调直时间，有效降低了大型结构件起竖调直过程对高精度硬件产品的依赖。

Description

一种大型结构件起竖调直的控制方法及控制系统

技术领域

本发明涉及液压电控系统技术领域，更为具体来说，本发明为一种大型结构件起竖调直的控制方法及控制系统。

背景技术

大型结构件的起竖调直功能是航天型号产品应用的关键性能，最终需实现起竖调直至90°±10′的范围内。但是，在控制过程中，由于结构件重量较大，在快速动作过程中容易产生振动，振动严重时容易导致结构的损坏等问题。

为避免大型结构件在起竖过程中因振动导致结构损坏的问题，常规的方法往往是采用高精度的硬件产品和减小起竖速度，比如，采用精度非常高、可靠性非常强的阀门，延长大型结构件起竖调直过程的时间等。但是，在很多工况下，对起竖调直的时间要求较为严格，常规方法无法满足大型结构件的起竖调直需求，即使采用了精度很高的硬件产品，也无法从根本上解决问题，而且极大地增加了成本。

因此，如何有效地减少大型结构件起竖调直时间、降低对硬件产品的要求、降低成本，成为了本领域技术人员亟待解决的技术问题和始终研究的重点。

发明内容

为解决常规的大型结构件起竖调直方法存在的起竖时间长、对硬件要求高、成本高等问题，本发明提供了一种大型结构件起竖调直的控制方法及控制系统，创新地通过开关控制与闭环控制结合的方式完成对大型结构件的快速定位控制，实现大型结构件的快速、平稳起竖以及准确定位，本发明有效降低了对高精度硬件产品的依赖，具有较强的环境适应性。

为实现上述技术目的，本发明公开了一种大型结构件起竖调直的控制方法，该控制方法包括如下步骤，

步骤1，采用开环控制的方式，并根据预设的目标曲线控制液压油缸动作，通过所述液压油缸驱动结构件起竖；

步骤2，通过光电编码器实时获取结构件的起竖角度；

步骤3，判断结构件的起竖角度是否大于或等于第一阈值：如果是，则执行步骤6；如果否，则执行步骤4；

步骤4，通过对结构件的起竖角度进行差分计算的方式得到结构件的起竖角速度；

步骤5，采用闭环控制的方式，根据所述起竖角速度计算液压油缸的伸出速度，利用液压油缸的伸出速度调整目标曲线，并根据调整后的目标曲线控制液压油缸动作，然后返回步骤2；

步骤6，通过水平仪实时获取结构件的垂直度；

步骤7，判断结构件的垂直度是否大于或等于第二阈值：如果是，则执行步骤8，如果否，则执行步骤9；

步骤8，采用闭环控制的方式，根据结构件的垂直度计算液压油缸的伸出速度，利用液压油缸的伸出速度调整目标曲线，并根据调整后的目标曲线控制液压油缸动作，然后返回步骤6；

步骤9，关闭液压油缸，结构件起竖调直工作结束。

本发明创新地采用了光电编码器的起竖角度反馈和水平仪的垂直度反馈，将开环控制方法和闭环控制方法相结合，从而解决常规方法存在的起竖时间长、对硬件要求高的问题，本发明实现大型结构件的快速定位，进而极大地减小了起竖调直时间，同时降低了对硬件产品的要求，有效地降低了成本。

进一步地，步骤5中，通过如下方式计算液压油缸的伸出速度：

其中，V_t(t)为液压油缸的伸出速度，ω为结构件的起竖角速度，L₁为一级油缸长度，L₂为二级油缸长度，θ₀为油缸初始位置与结构件水平面的夹角，θ为油缸变化的角度。

进一步地，步骤5中，根据液压油缸的伸出速度计算闭环控制量，并通过所述闭环控制量调整目标曲线。

进一步地，步骤5中，通过如下方式计算闭环控制量：

u_p(t)＝ΔV(t)×k_p

ΔV(t)＝V_m-V_t(t)

离散化后：

u_p(n)＝ΔV(n)×k_p，u_p(0)＝0

u_i(n)＝u_i(n-1)+ΔV(n)×k_i×T，u_i(0)＝0

ΔV(n)＝V_m(n)-V_t(n)，ΔV(0)＝0

其中，u_t(t)为闭环控制量，u₀为初始控制量，u_p(t)为比例项，u_i(t)为积分项，D为惯性系数，ΔV(t)为期望液压油缸的伸出速度与实际液压油缸的伸出速度的差值，V_m为期望液压油缸的伸出速度，V_t(t)为实际液压油缸的伸出速度，T为采样周期，K₀、k_p、k_i均为常数。

基于上述改进的大型结构件的起竖调直的控制方法，本发明不仅有效降低了起竖调直时间，使整个起竖调直时间小于或等于1分钟，还能够将大型结构件的调制精度控制在±10′以内。

进一步地，步骤2中，所述光电编码器周期性地获取结构件的起竖角度，并将所述起竖角度发送至主控制器；步骤6中，所述水平仪周期性地获取结构件的垂直度，并将所述垂直度发送至主控制器。

进一步地，步骤5中，所述主控制器根据调整后的目标曲线生成第一控制指令，并将所述第一控制指令发送至阀件控制器；所述阀件控制器根据所述第一控制指令控制多路阀、溢流阀以及开关阀，通过所述多路阀、溢流阀以及开关阀控制液压油缸动作。

进一步地，步骤8中，所述主控制器根据调整后的目标曲线生成第二控制指令，并将所述第二控制指令发送至阀件控制器；所述阀件控制器根据所述第二控制指令控制多路阀、溢流阀以及开关阀，通过所述多路阀、溢流阀以及开关阀控制液压油缸动作。

本发明的另一个发明目的在于提供一种大型结构件起竖调直的控制系统，该控制系统包括主控制器、阀件控制器、光电编码器、水平仪、多路阀、溢流阀以及开关阀，所述水平仪、光电编码器、阀件控制器均与主控制器连接，所述多路阀、溢流阀、开关阀均与所述阀件控制器连接；所述光电编码器用于实时采集结构件的起竖角度，所述水平仪用于实时采集结构件的垂直度，所述主控制器用于根据结构件的起竖角度和垂直度调整目标曲线及根据目标曲线向所述阀件控制器发送控制指令，所述阀件控制器分别用于控制多路阀、溢流阀、开关阀动作，所述多路阀、溢流阀、开关阀均用于控制液压油缸动作。

进一步地，所述水平仪和所述光电编码器均通过CAN总线与主控制器连接，所述阀件控制器也通过CAN总线与主控制器连接。

进一步地，所述多路阀、溢流阀、开关阀分别通过电缆与所述阀件控制器连接。

本发明的有益效果为：本发明能够实现大型结构件的准确定位、快速且平稳起竖，不仅极大地减少起竖调直时间，而且有效降低了大型结构件起竖调直过程对高精度硬件产品的依赖，节约了成本，另外，本发明具有较强的环境适应性。

附图说明

图1为大型结构件起竖调直的控制方法流程示意图。

图2为大型结构件起竖调直的控制系统结构示意图。

图3为实施本发明时的控制逻辑示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的大型结构件起竖调直的控制方法及控制系统进行详细的解释和说明。

如图1-3所示，本发明公开了一种大型结构件起竖调直的控制方法，通过光电编码器和具有双倾角传感器的水平仪分别通过CAN总线周期地发送结构件角度数据和结构件垂直度数据至主控制器。主控制器根据这些传感器数据，依照程序设定的控制方法向阀件控制器输出控制指令，阀件控制器在接收的控制指令后，首先给主控制器发送控制回令，然后根据控制指令控制相应的阀件开关，达到控制起竖臂快速起竖定位的目的。具体来说，如图1所示，该控制方法包括如下步骤。

步骤1，采用开环控制的方式，并根据预设的目标曲线控制液压油缸动作，通过液压油缸驱动结构件起竖。“预设的目标曲线”可从常规方式中选取，假设不采用本发明，也可通过预设的目标曲线进行起竖调直，但这种常规方案存在起竖过程时间长、调直精度低的问题。

步骤2，通过光电编码器实时获取结构件的起竖角度，本实施例中，光电编码器周期性地实时获取结构件的起竖角度，并将起竖角度实时发送至主控制器。具体来说，通过光电编码器采集大型结构件起竖的角度信号，对角度信号滤波后得到大型结构件的起竖角度。

步骤3，判断结构件的起竖角度是否大于或等于第一阈值：如果是，则执行步骤6；如果否，则执行步骤4。

步骤4，通过对结构件的起竖角度进行差分计算的方式得到结构件的起竖角速度，在本发明的技术启示下，具体的差分计算公式可从现有公式中选取。

步骤5，采用闭环控制的方式，根据起竖角速度计算液压油缸的伸出速度，利用液压油缸的伸出速度调整目标曲线，并根据调整后的目标曲线控制液压油缸动作，具体地，根据液压油缸的伸出速度计算闭环控制量，并通过闭环控制量调整目标曲线，主控制器根据调整后的目标曲线生成第一控制指令，并将第一控制指令发送至阀件控制器；阀件控制器根据第一控制指令控制多路阀、溢流阀以及开关阀，比如，根据大型结构件在不同角度下对应的不同负载，再根据不同的负载设置不同的溢流阀压力控制输出，本实施例中，通过PWM波控制方式控制比例溢流阀输出，通过多路阀、溢流阀以及开关阀控制液压油缸动作。然后返回步骤2。

本实施例中，通过如下方式计算液压油缸的伸出速度：

其中，V_t(t)为液压油缸的伸出速度，ω为结构件的起竖角速度，L₁为一级油缸长度，L₂为二级油缸长度，θ₀为油缸初始位置与结构件水平面的夹角，θ为油缸变化的角度。

本实施例中，通过如下方式计算闭环控制量：

u_p(t)＝ΔV(t)×k_p

ΔV(t)＝V_m-V_t(t)

离散化后：

u_p(n)＝ΔV(n)×k_p，u_p(0)＝0

u_i(n)＝u_i(n-1)+ΔV(n)×k_i×T，u_u(0)＝0

ΔV(n)＝V_m(n)-V_t(n)，ΔV(0)＝0

其中，u_t(t)为闭环控制量，u₀为初始控制量，u_p(t)为比例项，u_i(t)为积分项，D为惯性系数，ΔV(t)为期望液压油缸的伸出速度与实际液压油缸的伸出速度的差值，V_m为期望液压油缸的伸出速度，V_t(t)为实际液压油缸的伸出速度，T为采样周期，K₀、k_p、k_i均为常数。

步骤6，通过水平仪实时获取结构件的垂直度，本实施例中，水平仪周期性地获取结构件的垂直度，并将垂直度发送至主控制器。

步骤7，判断结构件的垂直度是否大于或等于第二阈值：如果是，则执行步骤8，如果否，则执行步骤9。

步骤8，采用闭环控制的方式，根据结构件的垂直度计算液压油缸的伸出速度，具体的计算方法可与步骤4、5中根据起竖角速度计算的方法类似，利用液压油缸的伸出速度调整目标曲线，并根据调整后的目标曲线控制液压油缸动作，本实施例中，主控制器根据调整后的目标曲线生成第二控制指令，并将第二控制指令发送至阀件控制器；阀件控制器根据第二控制指令控制多路阀、溢流阀以及开关阀，通过多路阀、溢流阀以及开关阀控制液压油缸动作，多路阀用于控制起竖时的流量，溢流阀和开关阀用于控制液压系统的压力，然后返回步骤6；

步骤9，关闭液压油缸，结构件起竖调直工作结束。

对应上述的大型结构件起竖调直的控制方法，如图2所示，本发明还公开了一种大型结构件起竖调直的控制系统，该控制系统包括主控制器、阀件控制器、光电编码器、水平仪、多路阀、溢流阀以及开关阀，水平仪、光电编码器、阀件控制器均与主控制器连接，多路阀、溢流阀、开关阀均与阀件控制器连接；光电编码器用于实时采集结构件的起竖角度，水平仪用于实时采集结构件的垂直度，主控制器用于根据结构件的起竖角度和垂直度调整目标曲线及根据目标曲线向阀件控制器发送控制指令，阀件控制器分别用于控制多路阀、溢流阀、开关阀动作，比如，根据大型结构件在不同角度下对应的不同负载，再根据不同的负载设置不同的溢流阀压力控制输出，多路阀、溢流阀、开关阀均用于控制液压油缸动作。更为具体来说，水平仪和光电编码器均通过CAN总线与主控制器连接，阀件控制器也通过CAN总线与主控制器连接，多路阀、溢流阀、开关阀分别通过电缆与阀件控制器连接。本实施例中，大型结构件起竖调直的控制系统包括一台主控制器、一台阀件控制器、一台光电编码器、一台水平仪、三个多路阀、一个比例溢流阀、两个开关阀。

具体工作时，如图2、3所示，采用光电编码器测量大型结构件起竖角度和水平仪测量结构件垂直度，再通过CAN总线发送至主控制器；主控制器对角度信号滤波的方式得到结构件的起竖角度，然后通过差分计算得到结构件的起竖角速度，通过相应的转换公式转为油缸的伸出速度，并依据闭环控制策略计算闭环输出量，通过CAN总线通讯发送至阀件控制器；阀件控制器通过控制相关阀件控制结构件动作；通过结构件垂直度实现闭环控制的方案也类似。

基于上述说明，本发明可按照如下方式实施：

步骤一：第一开关阀、第二开关阀通电，延时500ms后，2s内将溢流阀调节至18MPa，第一多路阀、第二多路阀、第三多路阀同时调节到-10000，本实施例中，-10000为操作时的控制量，其所对应的控制电压约为18V。

步骤二：当起竖角度≥60°时，关闭第一多路阀，将第二多路阀、第三多路阀调节为-6000，Y1调节至7Mpa。

步骤三：当起竖角度≥68°时，将第二多路阀调节为-4000。

步骤四：当起竖角度≥75°时，关闭第二多路阀，开始闭环控制，闭环速度规划为75′/s。

步骤五：当起竖角度≥80°时，闭环速度规划为50′/s，第一开关阀断电。

步骤六：当垂直度≥-4°时，溢流阀调节至4.5MPa，闭环速度规划为20′/s。

步骤七：当垂直度≥-80′时，闭环速度规划为8′/s。

步骤八：当垂直度>-8′时，关闭第三多路阀。

步骤九：延时2s后，读取垂直度的值，若|垂直度|≤8′，则动作结束。否则，若垂直度<-8′(前低)，第二开关阀通电，溢流阀调制5MPa，延时500ms后，第三多路阀调节为-2000，同时检测垂直度的值，满足|垂直度|≤8′，关闭第三多路阀；同理，若垂直度>8′(前高)，溢流阀调至18MPa，第三多路阀调节为2000，同时检测垂直度的值，满足|垂直度|≤8′，关闭第三多路阀。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“本实施例”、“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明实质内容上所作的任何修改、等同替换和简单改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种大型结构件起竖调直的控制方法，其特征在于：该控制方法包括如下步骤，

步骤1，采用开环控制的方式，并根据预设的目标曲线控制液压油缸动作，通过所述液压油缸驱动结构件起竖；

步骤2，通过光电编码器实时获取结构件的起竖角度；

步骤3，判断结构件的起竖角度是否大于或等于第一阈值：如果是，则执行步骤6；如果否，则执行步骤4；

步骤4，通过对结构件的起竖角度进行差分计算的方式得到结构件的起竖角速度；

步骤5，采用闭环控制的方式，根据所述起竖角速度计算液压油缸的伸出速度，利用液压油缸的伸出速度调整目标曲线，并根据调整后的目标曲线控制液压油缸动作，然后返回步骤2；

步骤5中，通过如下方式计算液压油缸的伸出速度：

其中，V_t(t)为液压油缸的伸出速度，ω为结构件的起竖角速度，L₁为一级油缸长度，L₂为二级油缸长度，θ₀为油缸初始位置与结构件水平面的夹角，θ为油缸变化的角度；

步骤6，通过水平仪实时获取结构件的垂直度；

步骤7，判断结构件的垂直度是否大于或等于第二阈值：如果是，则执行步骤8，如果否，则执行步骤9；

步骤8，采用闭环控制的方式，根据结构件的垂直度计算液压油缸的伸出速度，利用液压油缸的伸出速度调整目标曲线，并根据调整后的目标曲线控制液压油缸动作，然后返回步骤6；

步骤9，关闭液压油缸，结构件起竖调直工作结束。

2.根据权利要求1所述的大型结构件起竖调直的控制方法，其特征在于：步骤5中，根据液压油缸的伸出速度计算闭环控制量，并通过所述闭环控制量调整目标曲线。

3.根据权利要求2所述的大型结构件起竖调直的控制方法，其特征在于：步骤5中，通过如下方式计算闭环控制量：

u_p(t)＝ΔV(t)×k_p

ΔV(t)＝V_m-V_t(t)

离散化后：

u_t(0)＝u_max

u_p(n)＝ΔV(n)×k_p，u_p(0)＝0

u_i(n)＝u_i(n-1)+ΔV(n)×k_i×T，u_i(0)＝0

ΔV(n)＝V_m(n)-V_t(n)，ΔV(0)＝0

其中，u_t(t)为闭环控制量，u₀为初始控制量，u_p(t)为比例项，u_i(t)为积分项，D为惯性系数，ΔV(t)为期望液压油缸的伸出速度与实际液压油缸的伸出速度的差值，V_m为期望液压油缸的伸出速度，V_t(t)为实际液压油缸的伸出速度，T为采样周期，K₀、k_p、k_i均为常数。