CN112249627A - 一种气浮系统及其实时姿态调平方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种气浮系统及其实时姿态调平方法，包括载物板，所述载物板下端均固定安装有气垫模块，所述气垫模块外表面分别固定安装有比例阀和减压阀，且气垫模块数量大于三个，所述载物板上端放置有重载物体。本发明所述的一种气浮系统及其实时姿态调平方法，通过将气浮进行了抵消重力阶段，气浮初始阶段，中期快速阶段以及气浮最终阶段的分段，并研究了各阶段的气浮特性，利用局部微调PD控制保证了实时的姿态和精度控制；由于调整各阶段的气浮速度，使得气浮系统在整个气浮过程中无明显升降速度的变化，气浮过程平稳且调节速度提高，使得气浮过程时间缩短，最终提高运输效率。
Description
技术领域
本发明涉及自动控制技术领域，特别涉及一种气浮系统及其实时姿态调平方法。
背景技术
气浮系统为了保证气浮过程中姿态的稳定性和精度，常常使用PID等控制算法对气浮系统进行控制，而现有PID等控制算法在控制过程中往往存在以下问题：1.由于自身系统的特点(非线性，大滞后性，高耦合性以及单向控制)，传统PID等控制算法无法保证气浮过程中每个时刻姿态的稳定性和精度。2.现有PID等控制算法不能保证快速气浮操作，极易造成调节速度下降，气浮过程拉长，导致运输效率的降低。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种气浮系统及其实时姿态调平方法，可以有效解决背景技术中的问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种气浮系统，包括载物板，所述载物板下端均固定安装有气垫模块，所述气垫模块外表面分别固定安装有比例阀和减压阀，且气垫模块数量大于三个，所述载物板上端放置有重载物体，所述载物板侧壁均固定安装有若干麦克纳轮组。
优选的，所述气垫模块为局部微调PD控制，且局部微调PD控制为对气浮过程中的不同步和存在扰动情况下的控制。
优选的，所述气垫模块的气浮过程包括抵消重力阶段，气浮初始阶段，中期快速阶段以及气浮最终阶段。
一种气浮系统的实时姿态调平方法，包括以下步骤：
a：首先调节出每个气浮模块对应的a0，根据重载物体的载荷分布和安装位置来得到物体与地面接触力为0时的减压阀的值a0，最终实现每个气浮模块对应a0的调节；
b：然后将每个气浮模块增加相同的出口气压，直至气浮模块的高度不再增加，此时停止向气浮模块增加出口气压；
c：实现气浮模块快速浮起，首先快速对比例阀进行调节，此时气浮模块高度不断升高，当气浮模块达到预定高度范围时，不再对比例阀进行调节；
d：观察升起高度，减压阀与地面间的高度差大于阈值，不改变调节趋势，采用局部微调对调节值进行控制；
e：对整个气垫装置进行多方向的控制，利用气垫模块进行单向控制，利用重载物体调节另一方向的控制；
f：实现高度控制，当高度变化剧烈时，通过一个瞬时很大的调节力来减小高度变化速度，从而实现高度变化控制。
优选的，对于以上步骤a中，压力值a0＝k0G，a0与重力有关系且重物没有浮起。
优选的，对于以上步骤b中，比例值a1＝∝k1h，a1与重力无关但其与气浮高度h有关，对于不同的气浮系统，其k1值不同，且气浮高度与a1呈现非线性关系。
优选的，对于以上步骤c中，比例阀整体调节值a＝a0+a1(t)。
优选的，对于以上步骤d中，气浮系统的主调节由a1(t)决定。
优选的，对于以上步骤f中，调节力为一个控制周期，且最终比例阀值：
a(0)＝a0+a1(0)
a(ti)＝a(ti-1)+p·a1(ti)+d·(u(ti)-u(ti+1))Δh
其中-1≤p≤1d＞104或d＜-104。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、通过将气浮进行了抵消重力阶段，气浮初始阶段，中期快速阶段以及气浮最终阶段的分段，并研究了各阶段的气浮特性，在整体趋势下，气浮姿态不会发生明显变化，利用局部微调PD控制保证了实时的姿态和精度控制。
2、由于调整各阶段的气浮速度，使得气浮系统在整个气浮过程中无明显升降速度变化，气浮过程平稳且调节速度提高，实现气浮过程时间的缩短，最终提高运输效率。
附图说明
图1为本发明一种气浮系统及其实时姿态调平方法的气浮系统各模块的分布图；
图2为本发明一种气浮系统及其实时姿态调平方法的气浮各阶段特性研究图。
图中：1、载物板；2、麦克纳轮组；3、重载物体；4、气垫模块；5、比例阀；6、减压阀。
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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。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。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1-2所示，一种气浮系统，包括载物板1，载物板1下端均固定安装有气垫模块4，气垫模块4外表面分别固定安装有比例阀5和减压阀6，，且气垫模块4数量大于三个，载物板1上端放置有重载物体3，载物板1侧壁均固定安装有若干麦克纳轮组2。
气垫模块4为局部微调PD控制，且局部微调PD控制为对气浮过程中的不同步和存在扰动情况下的控制，由于气浮系统存在大的滞后性，切主调节由a1(t)决定；气垫模块4的气浮过程包括抵消重力阶段，气浮初始阶段，中期快速阶段以及气浮最终阶段，分别控制各个阶段的气浮速度，并结合气浮系统本身的特点，从而进行整体趋势不变局部调整的控制策略；为了保证姿态的平稳和对姿态精度进行控制，实现实时的姿态调平。
一种气浮系统的实时姿态调平方法，包括以下步骤：
a：首先调节出每个气浮模块对应的a0，根据重载物体的载荷分布和安装位置来得到物体与地面接触力为0时的减压阀的值a0，最终实现每个气浮模块对应a0的调节；
b：然后将每个气浮模块增加相同的出口气压，直至气浮模块的高度不再增加，此时停止向气浮模块增加出口气压；
c：实现气浮模块快速浮起，首先快速对比例阀5进行调节，此时气浮模块高度不断升高，当气浮模块达到预定高度范围时，不再对比例阀5进行调节；
d：观察升起高度，减压阀6与地面间的高度差大于阈值，不改变调节趋势，采用局部微调对调节值进行控制；
e：对整个气垫装置进行多方向的控制，利用气垫模块4进行单向控制，利用重载物体3调节另一方向的控制；
f：实现高度控制，当高度变化剧烈时，通过一个瞬时很大的调节力来减小高度变化速度，从而实现高度变化控制。
对于以上步骤a中，压力值a0＝k0G，a0与重力有关系且重物没有浮起；对于以上步骤b中，比例值a1＝∝k1h，a1与重力无关但其与气浮高度h有关，对于不同的气浮系统，其k1值不同，且气浮高度与a1呈现非线性关系；对于以上步骤c中，比例阀5整体调节值a＝a0+a1(t)；对于以上步骤d中，气浮系统的主调节由a1(t)决定；对于以上步骤f中，调节力为一个控制周期，且最终比例阀5值：
a(0)＝a0+a1(0)
a(ti)＝a(ti-1)+p·a1(ti)+d·(u(ti)-u(ti+1))Δh
其中-1≤p≤1d＞104或d＜-104。
需要说明的是，本发明为一种气浮系统及其实时姿态调平方法，在该控制策略中，气浮力的控制采用比例阀5与减压阀6联合控制出气口的压力，其所能提供的升力与出气口离地面的高度有关，其呈现出负反馈的特性。根据对气浮各阶段特性研究可知，重物浮起的前提是提供的升力能够抵消重力，该升力在重物没有浮起的前提下，可以测定得到当前的压力值a0＝k0G，该值与重力有关系。针对其负反馈特性，在重载物体3不变的情况下，出气口的压力值与物体气浮高度呈固定关系，对应比例阀5的比例值也是固定的。而对于不同的重物，可测量出其比例值a1＝∝k1h，该值与物体重力无关，但是对于不用的出气口装置，其k1值是不同的，且其呈现非线性特点。而气浮模块的数量设置为三个以上可保证气浮的稳定性，在该控制策略中需同时考虑几个气浮模块的负载关系。首先根据重物载荷分布和气浮模块的安装位置调节出每个气浮装置对应的a0；而每个气浮模块的a1基本不受载荷分布的影响，但其与气浮高度h有关，且呈现非线性关系，具体表现形式为：在增加相同的出口气压下，气浮初始阶段上升慢，中间一定高度范围快，超过某个高度时，上升速率下降，直至高度不再增加；为了达到快速浮起的目的，首先在气浮初始阶段，快速调节比例阀5，使得气浮模块高度达到一定值时，比例阀5调节速率降低，且随高度增加继续降低，当达到预定高度范围内，则比例阀5不再调节，比例阀5整体调节值此时为a＝a0+a1(t)，在调节过程中，对于高度差大于阈值时，由于气浮系统存在大的滞后性，切主调节由a1(t)决定，因此对于微调值，不应改变a1(t)的趋势，在调节策略中气浮系统只能单向控制，另一方向的控制只能靠物体重力调节，因此气浮过程中，高度变化剧烈时，则需要一个瞬时很大的调节力来减小高度变化速度，该力只存在一个控制周期，因此可以得到最终的比例阀5的值：a(0)＝a0+a1(0)，a(ti)＝a(ti-1)+p·a1(ti)+d·(u(ti)-u(ti+1))Δh，其中-1≤p≤1d＞104或d＜-104，从而根据气浮特性对气浮姿态进行控制，在整体趋势下气浮姿态不会发生明显变化，局部调整也就保证了实时的姿态和精度控制。
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 (9)
1.一种气浮系统，包括载物板(1)，其特征在于：所述载物板(1)下端均固定安装有气垫模块(4)，所述气垫模块(4)外表面分别固定安装有比例阀(5)和减压阀(6)，且气垫模块(4)数量大于三个，所述载物板(1)上端放置有重载物体(3)，所述载物板(1)侧壁均固定安装有若干麦克纳轮组(2)。
2.根据权利要求1所述的一种气浮系统，其特征在于：所述气垫模块(4)为局部微调PD控制，且局部微调PD控制为对气浮过程中的不同步和存在扰动情况下的控制。
3.根据权利要求1所述的一种气浮系统，其特征在于：所述气垫模块(4)的气浮过程包括抵消重力阶段，气浮初始阶段，中期快速阶段以及气浮最终阶段。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的一种气浮系统的实时姿态调平方法，其特征在于：
包括以下步骤：
a：首先调节出每个气浮模块对应的a0，根据重载物体的载荷分布和安装位置来得到物体与地面接触力为0时的减压阀的值a0，最终实现每个气浮模块对应a0的调节；
b：然后将每个气浮模块增加相同的出口气压，直至气浮模块的高度不再增加，此时停止向气浮模块增加出口气压；
c：实现气浮模块快速浮起，首先快速对比例阀(5)进行调节，此时气浮模块高度不断升高，当气浮模块达到预定高度范围时，不再对比例阀(5)进行调节；
d：观察升起高度，减压阀(6)与地面间的高度差大于阈值，不改变调节趋势，采用局部微调对调节值进行控制；
e：对整个气垫装置进行多方向的控制，利用气垫模块(4)进行单向控制，利用重载物体(3)调节另一方向的控制；
f：实现高度控制，当高度变化剧烈时，通过一个瞬时很大的调节力来减小高度变化速度，从而实现高度变化控制。
5.根据权利要求4所述的一种气浮系统的实时姿态调平方法，其特征在于：对于以上步骤a中，压力值a0＝k0G，a0与重力有关系且重物没有浮起。
6.根据权利要求4所述的一种气浮系统的实时姿态调平方法，其特征在于：对于以上步骤b中，比例值a1＝∝k1h，a1与重力无关但其与气浮高度h有关，对于不同的气浮系统，其k1值不同，且气浮高度与a1呈现非线性关系。
7.根据权利要求4所述的一种气浮系统的实时姿态调平方法，其特征在于：对于以上步骤c中，比例阀(5)整体调节值a＝a0+a1(t)。
8.根据权利要求4所述的一种气浮系统的实时姿态调平方法，其特征在于：对于以上步骤d中，气浮系统的主调节由a1(t)决定。
9.根据权利要求4所述的一种气浮系统的实时姿态调平方法，其特征在于：对于以上步骤f中，调节力为一个控制周期，且最终比例阀(5)值：
a(0)＝a0+a1(0)
a(ti)＝a(ti-1)+p·a1(ti)+d·(u(ti)-u(ti+1))Δh
其中-1≤p≤1d＞104或d＜-104。
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