CN112456361A - 一种减小吊放声纳液压绞车水下分机摆动幅度的控制方法 - Google Patents

一种减小吊放声纳液压绞车水下分机摆动幅度的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种减小吊放声纳液压绞车水下分机摆动幅度的控制方法，属于航空直升机液压绞车探潜领域。包括角度传感器、旋转编码器、PWM输出伺服阀驱动模块、数字手柄、单片机和CPLD模块；角度传感器测量缆位角信息；CPLD模块采集数字手柄的位移信号和旋转编码器的脉冲信号并送入单片机；单片机根据旋转编码器的脉冲信号计算缆长和缆速，对应缆位角和缆长所要求的速度值产生相应的PWM控制信号，并通过PWM输出伺服阀驱动模块对此信号进行调理；最后以直流电压信号的形式传到绞车本体上的电液伺服阀，进而控制绞车运行。本发明有效的减少被吊物体因摆动幅度过大造成的对吊放物体和绞车本身的损伤，提高了飞机和绞车的安全。

Description

一种减小吊放声纳液压绞车水下分机摆动幅度的控制方法
技术领域
本发明涉及航空直升机液压绞车探潜领域，具体涉及吊放声纳液压绞车水下分机的控制方法。
背景技术
目前，现有的航空直升机提升被吊物时，在接近飞机舱口状态(距离飞机舱口5米左右)下，由于受机身摆动和空中风速影响，使得提升控制困难，容易出现被吊物摆动幅度过大，被吊物和电缆触碰飞机喇叭口，损伤被吊物和电缆，造成飞机安全隐患，并且声纳员在操作时需频繁俯身从飞机喇叭口观察被吊物状态，操作不便。
现有消摆控制技术多采用输入指令滤波控制方法，对输入加速度信号进行滤波处理，其代价是跟踪响应速度的降低，即滤波作用普遍存在输入指令的迟后影响，而且此种方案需要加装加速度传感器，不适用于吊放声纳液压绞车系统。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种减小吊放声纳液压绞车水下分机摆动幅度的控制方法，通过在原有绞车上加装相应的角度传感器，重新设计控制电路并加入自动控制程序。可实现快速减少电缆的摆动幅度，自动控制被吊物提升。该方法能够在保证稳定可靠的前提下，简单有效的减少电缆的摆动幅度。
技术方案
一种减小吊放声纳液压绞车水下分机摆动幅度的控制系统，其特征在于包括角度传感器、旋转编码器、PWM输出伺服阀驱动模块、数字手柄、单片机和CPLD模块；所述的角度传感器测量缆位角信息并传给单片机；所述的旋转编码器安装在绞车导向轮上；所述的CPLD模块采集数字手柄的位移信号和旋转编码器的脉冲信号并送入单片机；所述的单片机根据旋转编码器的脉冲信号计算缆长和缆速；然后对应缆位角和缆长所要求的速度值产生相应的PWM控制信号，并通过PWM输出伺服阀驱动模块对此信号进行调理；最后以直流电压信号的形式传到绞车本体上的电液伺服阀，进而控制绞车运行。
本发明技术方案更进一步的说：所述的PWM输出伺服阀驱动模块采用固定频率方式，调节占空比的方式完成PWM脉宽调制功能，PWM信号经过滤波放大调理后输出加到电液伺服阀上。
本发明技术方案更进一步的说：所述的数字手柄由控制杆和16位绝对值编码器组成，精度满足0.3°/档，相当于将单边分成70档，每档对应的速度0.07m/s；绝对值编码器输出的是一个串行数字信号。
本发明技术方案更进一步的说：所述的单片机采用C8051F020微控制器，接收旋转编码器信号计算得到缆绳长度和缆绳上升速度；接收角度传感器的电压信号，进行A/D转换计算得出缆位角，并判断摆体的是否向外摆动；根据缆长、缆位角、电缆的摆动方向的信息，输出不同占空比的PWM信号。
本发明技术方案更进一步的说：所述的CPLD模块的型号为EPM7128S-100，将16位绝对值编码器输出的串行信号转换成并行信号输入到单片机中进行速度设定。
一种减小吊放声纳液压绞车水下分机摆动幅度的控制方法，其特征在于：角度传感器、旋转传感器采集液压绞车电缆的缆长和角度以及数字手柄输入的位移信号传输给单片机，计算得到液压绞车运行速度值，将根据对应缆位角±10°、±5°、±1°和缆长10米、5米、1米信息的不同情况对吊放重物提升速度值进行相应调整；最终产生相应的PWM控制信号，对此信号进行调整，以直流电压信号的形式传到绞车上的电液伺服阀，从而控制绞车运动。
本发明技术方案更进一步的说：根据对应缆位角±10°、±5°、±1°和缆长10米、5米、1米信息的不同情况对吊放重物提升速度值进行相应调整具体如下：
当摆体上升并且缆长小于等于10m时，手柄控制的提升控制转换为自动控制，通过判断缆长、缆位角、电缆的摆动方向，控制提升的时机和提升速度；
当电缆长度大于5米且小于等于10米时，在缆位角±10°范围内，且电缆向外摆动时，控制提升速度不超过1m/s，如果缆位角超过±10°，或电缆向内摆动时，不提升；
当电缆长度大于1米且小于等于5米时，在缆位角±5°范围内，且电缆向外摆动时，控制提升速度不超过0.8m/s，如果缆位角超过±5°，或电缆向内摆动时，不提升；
当电缆长度小于等于1米时，在缆位角在±1°范围内，且电缆向外摆动时，控制提升速度不超过0.4m/s，缆位角超过±1°，或电缆向内摆动时，不提升。
有益效果
本发明提出的一种减小吊放声纳液压绞车水下分机摆动幅度的控制方法，在近机状态下，采集电缆摆动角度、摆动方向和提升速度，根据钟摆消摆原理，采用程序自动控制提升电缆的时机和提升速度，具有自动化程度高、便于声纳员操作的特点，在保证控制过程稳定可靠的同时，有效的减少被吊物体因摆动幅度过大造成的对吊放物体和绞车本身的损伤，提高了飞机和绞车的安全。本发明方法高效可靠，自动化程度高、操作简便。
附图说明
图1是钟摆运动过程示意图。
图2是本系统的绞车控制电路板组成框图。
图3是消摆程序流程图。
图4是没有使用本方法的提升控制图。
图5是使用本方法的提升控制图。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
本发明根据钟摆原理，在水下分机在接近飞机舱口状态下，控制提升的时机，从而达到减小其摆动幅度，实现稳定控制的目的。方法高效可靠，自动化程度高、操作简便。
本发明控制方法所使用的控制系统硬件部分由单片机、数字手柄、PWM输出、滤波放大电路、电液伺服阀装置组成。控制系统的程序部分，当吊放物体达到接近飞机舱口状态下，绞车收放控制转换为程序自动控制，根据角度传感器,旋转传感器测量到的缆位角、缆长等信息，针对被吊物的摆动和近机情况，控制提升的时机和提升的速度，减少被吊物的摆动幅度。有效的减少接近飞机舱口状态下水下分机的摆动幅度，从而保证绞车提升水下分机的安全性与流畅性。
如图1所示，可以看到钟摆运动过程，其中θ为缆位角，ωz为电缆角速度，mg为重力。当摆体上升并且缆长小于等于10m时，由手动提升控制转换为自动控制，通过判断缆长、缆位角、电缆的摆动方向，控制提升的时机和提升速度，从而达到逐渐减小电缆摆动幅度的目的。随着电缆长度的减少，允许提升的角度也逐渐减少。
根据钟摆运动原理，通过传感器测量得到的缆位角、缆长等参数后的控制方法如下：如果电缆长度大于5米且小于等于10米时，在缆位角±10°范围内，且电缆向外摆动时，由程序自动控制提升，且提升速度不超过1m/s，如果缆位角超过±10°，或电缆向内摆动时，不提升；电缆长度大于1米且小于等于5米时，在缆位角±5°范围内，且电缆向外摆动时，由程序自动控制提升，提升速度不超过0.8m/s，如果缆位角超过±5°，或电缆向内摆动时，不提升；电缆长度小于等于1米时，在缆位角在±1°范围内且电缆向外摆动时，由程序自动控制提升，提升速度不超过0.4m/s，缆位角超过±1°，或电缆向内摆动时，不提升。
如图2所示，该系统的硬件控制模块可以分为角度传感器角度检测，旋转编码器速度检测、PWM输出伺服阀驱动、数字手柄、C8051F020单片机、EPM7128S-100CPLD模块这六个部分。
首先通过缆位角检测模块上的角度传感器得到反馈信号，并将缆位角信息传给单片机，单片机将接收到的缆位角传感器测量到到的模拟电压信号换算成相应的角度信息。可编程EPM7128S-100CPLD模块采集安装在绞车导向轮上的旋转编码器得到的脉冲信号，送入单片机，根据旋转编码器个脉冲代表的缆长长度乘以测量到的脉冲数就得到缆长，缆长除以中断时间就得到绞车的运行速度。可编程EPM7128S-100CPLD模块采集数字手柄的位移信息，根据每档位移对应的速度信息计算出数字手柄输出的速度和数字手柄测量到的绞车速度进行速度闭环控制。根据测量到的缆位角和缆长信息控制提升的时机并限制最大提升速度，根据速度闭环控制提升速度并产生相应的PWM控制信号，并通过PWM输出伺服阀驱动模块对此信号进行调理；最后以直流电压信号的形式传到绞车本体上的电液伺服阀，进而控制绞车运行。
其中，PWM输出伺服阀驱动模块：伺服阀的控制信号由C8051F020微控制器的可编程计数阵列(PCA0)的8位PWM的工作方式给出，采用固定频率方式，调节占空比的方式完成PWM脉宽调制功能，然后，PWM信号经过滤波放大调理后输出加到电液伺服阀上。
数字手柄输入：由控制杆和16位绝对值编码器组成的数字手柄，精度能做到0.3°/档，相当于将单边(上升或下降)分成70档，每档对应的速度0.07m/s。绝对值编码器输出的是一个串行数字信号。
C8051F020单片机中：C8051F020微控制器：1、该控制器接收旋转编码器信号计算得到缆绳长度和缆绳上升速度，2、接收角度传感器的电压信号，进行A/D转换计算得出缆位角，并判断摆体的是否向外摆动。3、根据缆长、缆位角、电缆的摆动方向的信息，输出不同占空比的PWM信号。
EPM7128S-100CPLD模块：将16位绝对值编码器输出的串行信号转换成并行信号输入到单片机中进行速度设定。
如图3所示，流程图主要由缆长缆速计算模块，缆位角和摆动方向计算模块、运行模块三部分组成。
缆长缆速计算模块：由旋转编码器分辨率的定义，每转一圈，编码器输出固定个脉冲个数，通过单片机对旋转编码器采样时间和采样时间内计数脉冲个数可以得到在采样时间内的位移量，从而根据相关公式得到绞车的实时缆长和速度。
缆位角和摆动方向计算模块：由角度传感器测得输出电压值，电压值经过单片机的A/D模块转换成数字信号，再将数字信号根据一定比例得到对应的角度值。再使用单片机C8051F020的定时器设定一采样周期，一周期采样一次角度值，当前角度值大于上一次采样的角度值时缆绳向外摆动，反之向内摆动，从而确定其摆动方向。
运行模块：通过程序控制，读取数字手柄信号，根据缆长缆速计算模块、缆位角和摆动方向计算模块提供的信息，采用闭环控制方式，输出控制信号。
实施例：
本发明的控制方法针对某一型号的航空声纳吊放绞车而设计，控制系统以单片机作为控制核心，加上数字手柄、缆位角检测模块、速度计算模块构成，并通过单片机C语言、可编程逻辑器件CPLD的Verilog HDL语言来实现控制程序。
控制部分由可编程逻辑器件EPM7128S-100CPLD和数字手柄组成。一个EPM7128S-100CPLD可编程逻辑器件可将16位绝对值编码器输出的串行信号转换成并行信号输入到单片机中。同时由数字手柄来完成绞车运行速度的输入，速度输入的幅度和精度由绝对值编码器的位移量和位数决定，该系统采用了一个16位的数字手柄。
输出部分由微控制器的可编程计数阵列(PCA0)的8位PWM的工作方式给出，主要用来控制电液伺服阀，该部分电路的功能是将单片机输出的PWM信号经过滤波放大后驱动电液伺服阀工作，当PWM信号的占空比为50％时，输出的驱动电压为0V，当PWM信号的占空比为100％时，输出最大的正电压，当PWM信号的占空比为0％时，输出最大的负电压。
速度计算模块是由一个旋转编码器构成，把旋转编码器与绞车同轴相连，将编码器的输出脉冲接入单片机的计数器端就能完成对绞车实际速度的测量。
缆位角检测模块是由安装在绞车上的角度传感器反馈信号实现，角度传感器输出的是电压值，电压值经过单片机的A/D模块转换成数字信号，再将数字信号对应其角度值。
该控制方法的工作流程如下：
初始的控制信号由角度传感器、旋转传感器采集液压绞车电缆的缆长和角度和数字手柄输入的位移信号共同得到。初始控制信号发出后，传输给可编程逻辑器件CPLD，并计算得到液压绞车运行速度值，将根据对应缆位角±10°、±5°、±1°和缆长10米、5米、1米信息的不同情况对吊放重物提升速度值进行相应调整。最终产生相应的PWM控制信号，对此信号进行调整，以直流电压信号的形式传到绞车上的电液伺服阀，从而控制绞车运动。
具体实现过程如图3所示。
作用效果：对没有使用本发明方法的提升控制，吊物以1m/s的速度上升的绞车和采用本发明的提升控制方法效果对绞车吊放重物摆动幅度的控制性能进行了测试，测试结果如图4，图5所示。
对比图4、图5可以看出：没有使用本方法的控制盒时，吊放物体摆动幅度衰减很慢。在10秒左右与绞车撞上，使缆位角瞬间降为零；使用消摆控制的控制盒时，吊放物体摆动幅度衰减较快，并在13秒时达到一个缆位角为1度的摆动幅度，有效防止了被吊放的物体损伤和绞车本身损伤的问题。

Claims (7)

1.一种减小吊放声纳液压绞车水下分机摆动幅度的控制系统，其特征在于包括角度传感器、旋转编码器、PWM输出伺服阀驱动模块、数字手柄、单片机和CPLD模块；所述的角度传感器测量缆位角信息并传给单片机；所述的旋转编码器安装在绞车导向轮上；所述的CPLD模块采集数字手柄的位移信号和旋转编码器的脉冲信号并送入单片机；所述的单片机根据旋转编码器的脉冲信号计算缆长和缆速；然后对应缆位角和缆长所要求的速度值产生相应的PWM控制信号，并通过PWM输出伺服阀驱动模块对此信号进行调理；最后以直流电压信号的形式传到绞车本体上的电液伺服阀，进而控制绞车运行。
2.根据权利要求1所述的一种减小吊放声纳液压绞车水下分机摆动幅度的控制系统，其特征在于所述的PWM输出伺服阀驱动模块采用固定频率方式，调节占空比的方式完成PWM脉宽调制功能，PWM信号经过滤波放大调理后输出加到电液伺服阀上。
3.根据权利要求1所述的一种减小吊放声纳液压绞车水下分机摆动幅度的控制系统，其特征在于所述的数字手柄由控制杆和16位绝对值编码器组成，精度满足0.3°/档，相当于将单边分成70档，每档对应的速度0.07m/s；绝对值编码器输出的是一个串行数字信号。
4.根据权利要求1所述的一种减小吊放声纳液压绞车水下分机摆动幅度的控制系统，其特征在于所述的单片机采用C8051F020微控制器，接收旋转编码器信号计算得到缆绳长度和缆绳上升速度；接收角度传感器的电压信号，进行A/D转换计算得出缆位角，并判断摆体的是否向外摆动；根据缆长、缆位角、电缆的摆动方向的信息，输出不同占空比的PWM信号。
5.根据权利要求1所述的一种减小吊放声纳液压绞车水下分机摆动幅度的控制系统，其特征在于所述的CPLD模块的型号为EPM7128S-100，将16位绝对值编码器输出的串行信号转换成并行信号输入到单片机中进行速度设定。
6.一种减小吊放声纳液压绞车水下分机摆动幅度的控制方法，其特征在于：角度传感器、旋转传感器采集液压绞车电缆的缆长和角度以及数字手柄输入的位移信号传输给单片机，计算得到液压绞车运行速度值，将根据对应缆位角±10°、±5°、±1°和缆长10米、5米、1米信息的不同情况对吊放重物提升速度值进行相应调整；最终产生相应的PWM控制信号，对此信号进行调整，以直流电压信号的形式传到绞车上的电液伺服阀，从而控制绞车运动。
7.根据权利要求6所述的一种减小吊放声纳液压绞车水下分机摆动幅度的控制方法，其特征在于：根据对应缆位角±10°、±5°、±1°和缆长10米、5米、1米信息的不同情况对吊放重物提升速度值进行相应调整具体如下：
当摆体上升并且缆长小于等于10m时，手柄控制的提升控制转换为自动控制，通过判断缆长、缆位角、电缆的摆动方向，控制提升的时机和提升速度；
当电缆长度大于5米且小于等于10米时，在缆位角±10°范围内，且电缆向外摆动时，控制提升速度不超过1m/s，如果缆位角超过±10°，或电缆向内摆动时，不提升；
当电缆长度大于1米且小于等于5米时，在缆位角±5°范围内，且电缆向外摆动时，控制提升速度不超过0.8m/s，如果缆位角超过±5°，或电缆向内摆动时，不提升；
当电缆长度小于等于1米时，在缆位角在±1°范围内，且电缆向外摆动时，控制提升速度不超过0.4m/s，缆位角超过±1°，或电缆向内摆动时，不提升。
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