CN203763747U - 消防车工作平台的自动调平控制系统及消防车 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种消防车工作平台的自动调平控制系统及消防车，包括：控制装置、水平角度传感器、角加速度传感器和调平执行机构；水平角度传感器采集消防车工作平台相对于水平面的倾斜角度并发送到控制装置；角加速度传感器采集曲臂的旋转角加速度并发送到控制装置；控制装置根据工作平台相对于水平面的倾斜角度和曲臂的旋转角加速度生成控制信号，控制调平执行机构完成消防车工作平台的调平操作。本实用新型的自动调平控制系统及消防车，引入了角加速度的反馈，用角加速度的反馈分量来抑制抖动现象，采取了两种不同的控制模型来分别控制工作平台在举升和降落过程中的自动调平问题，并设置调平截止区，提升了自动调平的效果。

Description

消防车工作平台的自动调平控制系统及消防车

技术领域

本实用新型涉及工程机械技术领域，尤其涉及一种消防车工作台的自动调平控制系统及消防车。

背景技术

消防车，例如登高平台消防车，通常包括车体、臂架、曲臂和工作平台等部分。工作平台位于登高消防车的曲臂端部，用来载物或载人的工作斗（或称吊篮），通过臂架的变幅、回转、伸缩和曲臂的展和收，实现工作平台的举升和下降。理论上，在此过程中必须保证工作平台始终处于水平状态，这样才可以保证工作人员的人身安全。但在实际操作过程中，由于运动传递的滞后和振动干扰等因素，工作平台必然存在一定的倾斜。登高平台消防车在使用过程中，工作平台的倾斜角度在一定范围内，可以认为工作平台是水平的。当倾斜的角度大于某个值，则由控制装置打开液压阀的开关，控制调平油缸的伸或缩，以实现工作平台的自动调平。

现有的消防车工作平台的自动调平控制系统如图1A和图1B所示，安装于工作平台9上的角度传感器2（3为冗余）用来感知工作平台9的水平状态，控制装置1检测传感器2的读取数值u(t)，并与初始水平设定值a（可以设定a=0）进行比较，记两者差值为e(t)=u(t)-a；用e(t)与调平动作设定值b(b>0)进行比较。

当e(t)＞b时，此时工作平台9呈现滞后状态（传感器2的水平高度低于传感器3的水平位置），控制装置1发出调平指令，控制电液比例阀4的开启，液压系统供油，推动调平油缸7、8动作，进而驱动调平机构12动作，使得工作平台9绕铰接轴10按逆时针方向旋转，使得工作平台9趋于水平状态，从而实现自动调平的功能；当e(t)＜-b时，此时工作平台9呈现超前状态（传感器2的水平高度高于传感器3的水平位置），控制装置1发出调平指令，控制电液比例阀4的开启，液压系统供油，推动调平油缸7、8动作，进而驱动调平机构12动作，使得工作平台9绕铰接轴10按顺时针方向旋转，使得工作平台9趋于水平状态，从而实现自动调平的功能。

现有的消防车工作平台的自动调平控制系统具有如下的不足之处：

1、在处理自动调平时，大多不区分工作平台是处于举升还是下降状态，而是按照统一的方式进行自动调平，但工作平台在举升和下降时的受力和所承受的载荷是不同的，因此单一的模型很难同时满足举升和下降这两个工况时的自动调平。通常是举升（或下降）时调平效果好，而下降（或举升）时调平效果不好。

2、工作平台在调平过程中，有时会出现振荡现象。即工作平台9频繁地在超前和滞后状态之间切换（频发地过0°位置）。目前现有的解决技术是设定调平截止区，即设定调平动作值b，当工作平台1的倾斜程度小于b时，则认为工作平台1是水平的，不进行自动调平。理论上，这种方法是可以解决振荡问题，但实际使用中b的取值很难定准。b取值过小（截止区过窄），由于机械动作的惯性，工作平台1很容易越过截止区，从超前（或滞后）状态越过水平位置（0°）变成滞后（或超前）状态。b取值过大（截止区过宽），则会造成工作平台1的倾斜程度加剧。

3、臂架的变幅和曲臂的旋转运动会造出工作平台倾斜角角速度的变化，而倾斜角加速度的显著变化会造出调平过程的抖动或振荡。而现有调平技术绝大多数是基于水平角度状态监测的，并没有考虑角加速度变化的影响，即便考虑到了，也是采用对水平角度的二次求导来推算角加速度的，这个方法在理论上是可行的，但实际运用中，会存在累计误差，实际效果并不理想。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型要解决的一个技术问题是提供一种消防车工作平台的自动调平控制系统，引入水平面的倾斜角度和角加速度的反馈。

一种消防车工作平台的自动调平控制系统，包括：控制装置、水平角度传感器、角加速度传感器和调平执行机构；所述控制装置分别与所述水平角度传感器和所述角加速度传感器电连接；所述水平角度传感器设置在消防车工作平台上，采集消防车工作平台相对于水平面的倾斜角度并发送到所述控制装置；所述角加速度传感器设置在曲臂上，采集曲臂的旋转角加速度并发送到所述控制装置；所述控制装置根据消防车工作平台相对于水平面的倾斜角度和曲臂的旋转角加速度生成控制信号，并且将所述控制信号发送到所述调平执行机构，控制所述调平执行机构完成消防车工作平台的调平操作。

根据本实用新型的系统的一个实施例，进一步的，所述调平执行机构包括：电液比例阀、调平油缸；所述调平油缸的两端分别与曲臂和工作平台铰接；所述电液比例阀根据所述控制装置发送的控制信号，通过控制流经所述电液比例阀的液压油的压力和流量，控制所述调平油缸伸缩；其中，所述控制信号为电压信号。

根据本实用新型的系统的一个实施例，进一步的，还包括报警器；所述报警器与所述控制装置电连接。

根据本实用新型的系统的一个实施例，进一步的，在消防车工作平台上设置2个所述水平角度传感器；2个所述水平角度传感器都与所述控制装置电连接；2个所述水平角度传感器分别采集消防车工作平台相对于水平面的倾斜角度并分别发送到所述控制装置。

根据本实用新型的系统的一个实施例，进一步的，在曲臂上设置2个所述角加速度传感器；2个所述角加速度传感器都与所述控制装置电连接；2个所述角加速度传感器分别采集曲臂的旋转角加速度并分别发送到所述控制装置。

本实用新型还提供了以下技术方案：

一种消防车，其特征在于：包括如上所述的消防车工作平台的自动调平控制系统。

本实用新型的消防车工作平台的自动调平控制系统及消防车，引入了角加速度的反馈，用角加速度的反馈分量来抑制抖动现象，采取了两种不同的控制模型来分别控制工作平台在举升和降落过程中的自动调平问题，并设置调平截止区，提升了自动调平的效果。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1A为现有技术中消防车工作平台的自动调平控制系统的示意图；图1B为现有技术中消防车工作平台的调平机构的示意图；

图2为本实用新型的消防车工作平台的自动调平控制系统的一个实施例的示意图；

图3为本实用新型的消防车工作平台的自动调平控制系统的调平方法的一个实施例的流程图；

其中，1—控制装置；2、3—角度传感器（冗余）；4—电液比例阀；5、6—安全锁止阀；7、8—调平油缸；9—工作平台；10—铰接轴；11—臂架；12—调平机构。

具体实施方式

下面参照附图对本实用新型进行更全面的描述，其中说明本实用新型的示例性实施例。下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。下面结合图和实施例对本实用新型的技术方案进行多方面的描述。

下文为了叙述方便，下文中所称的“左”、“右”、“上”、“下”与附图本身的左、右、上、下方向一致。

如图2所示，消防车工作平台的自动调平控制系统包括：控制装置23、水平角度传感器22、角加速度传感器24和调平执行机构。控制装置23分别与水平角度传感器22和角加速度传感器24电连接。

水平角度传感器22设置在消防车工作平台21上，采集消防车工作平台21相对于水平面的倾斜角度并发送到控制装置23。角加速度传感器24设置在曲臂26上，采集曲臂26的旋转角加速度并发送到控制装置23。

控制装置23根据消防车工作平台相对于水平面的倾斜角度和曲臂的旋转角加速度生成控制信号，并且将控制信号发送到调平执行机构，控制调平执行机构完成消防车工作平台的调平操作。

根据本实用新型的一个实施例，调平执行机构可以有多种实现方式，例如，调平执行机构包括：电液比例阀27、调平油缸25；调平油缸25的两端分别与曲臂26和工作平台21铰接。电液比例阀27根据控制装置23发送的控制信号，通过控制流经电液比例阀27的液压油的压力和流量，控制调平油缸25伸缩。其中，控制信号为电压信号。调平执行机构还包括与臂架29和曲臂26铰接的曲臂油缸28。

根据本实用新型的一个实施例，报警器与控制装置23电连接，用于报警。

根据本实用新型的一个实施例，在消防车工作平台21上设置2个水平角度传感器22。2个水平角度传感器22都与控制装置23电连接，2个水平角度传感器22分别采集消防车工作平台相对于水平面的倾斜角度并分别发送到控制装置23。冗余设置2个水平角度传感器22能够提高系统的可靠性。

根据本实用新型的一个实施例，在曲臂26上设置2个角加速度传感器24。2个角加速度传感器24都与控制装置23电连接，2个角加速度传感器24分别采集曲臂26的旋转角加速度并分别发送到控制装置23。冗余设置2个角加速度传感器24能够提高系统的可靠性。

本实用新型的消防车工作平台的自动调平控制系统，能够控制消防车工作平台在臂架变幅操作中始终处于水平位置，以保障消防人员的安全。通过臂架29（曲臂26是顶节臂，属于臂架的一部分）的变幅运动来实现工作平台21的升降运动。其中，包括臂架29的变幅运动，曲臂油缸28驱动曲臂26的旋转运动。

在此过程中，安装于工作平台21上的水平角度传感器22时刻监测工作平台21的倾斜角度，安装于曲臂26上的角加速度传感器24监测曲臂26的旋转角加速度，并反馈给控制装置23，控制装置23通过相应的控制算法来调整伺服比例阀27的开闭和开启程度，进而控制调平油缸25的伸缩量，从而实现工作平台21的自动调平。

根据本实用新型的一个实施例，角加速度传感器24输出的是电压信号，采用角加速度传感器24的目的，主要是抑制工作平台21调平过程中的冲击。

角加速度传感器24的信号和水平角度传感器22的信号是负相关的。例如，假设水平角度传感器22的输出信号是a(t)，角加速度传感器24的输出是b(t)，则控制信号y(t)与传感器采集的数据的关系为：y(t)=a(t)-k*b(t)，k为抑制系数。

根据本实用新型的一个实施例，电液比例阀27或其它的电磁阀根据控制信号的变大或变小，通过控制电液比例阀27或其它的电磁阀的液压油的压力和流量，控制调平油缸25伸缩的幅度和速度。即，通过角加速度的状态来判断当前调平过程中的冲击程度，冲击大，则角加速度传感器24的输出的b(t)大。如果此时不对输出信号y(t)进行抑制，则调平过程有可能产生抖动。引入角加速度传感器24采集的角加速度b(t)，则在冲击大的时候，对控制装置23的输出信号进行抑制，冲击越大，抑制效果越强。

为了消防人员的人身安全，理论上要求工作平台21始终处于水平状态（即β=0°），但实际的调平过程中，由于种种因素的干扰和影响，工作平台1往往会出席调平超前（β＞0°）或滞后（β＜0°）现象，严重影响着工作人员的生命财产安全。

由于工作平台21在举升（θ由小变大）和降落（θ由大变小）的过程中，其受力情形并不相同，另外，曲臂油缸28、调平油缸25也存在大腔和小腔作用面积不一致的情形，因此工作平台21的举升和降落可以认为是两种不同的工况。因此本实用新型将工作平台的举升和降落调平设置为两种不同的工作模式，分别对应不同的控制模型。

根据本实用新型的一个实施例，一种消防车包括如上的消防车工作平台的自动调平控制系统。

根据本实用新型的一个实施例，一种如上的消防车工作平台的自动调平控制系统的调平控制方法，包括：控制装置分别读取安装于工作平台上的水平角度传感器采集的水平角度采样值和安装于曲臂上的角加速度传感器采集的角加速度采样值。控制装置查询是否有工作平台的相关操作，如果有工作平台的操作，则判断工作平台是举升操作还是降落操作；如果是举升操作则进入“举升调平模式”，否则进入“降落调平模式”。

根据本实用新型的一个实施例，消防车在举升和降落时，其操作手柄的输出信号是不同的，因此根据操作手柄的输出状态就可以判断出消防车是工作于举升或降落状态，控制装置也是根据操作手柄的工作状态来选择其工作的模式的。

举升状态（“举升调平模式”）时，曲臂26展，调平油缸25收缩，角加速度传感器24是逆时针旋转，而降落状态（“降落调平模式”）时，曲臂26收，调平油缸25伸，角加速度传感器24顺时针旋转。这两种工作状态时，调平油缸25分别是大腔进油和小腔进油。

工作状态不同，调平系统的受力情形和调平油缸25所受到的液压冲击是不同的，因此要分为举升调平模式和降落调平模式，它们的抑制系数k要取不同的值。

控制装置计算水平角度采样值与水平位置设定值的差值e(t)，e(t)为工作平台与水平位置设定值的倾斜程度；控制装置将e(t)与调平动作设定值b进行比较，其中，b大于a；当e(t)大于-b并小于b时，控制装置判断工作平台不需要调平，当|e(t)|＞b时，则控制装置判断工作平台需要进行调平动作。

控制装置应用“举升模式调平控制模型”或“降落模式调平控制模型”、并采用角加速度传感器的采样值u₂(t)对调平控制模型进行修正，抑制由于臂架变幅或曲臂旋转产生的抖动；控制装置根据水平角度采样值和角加速度采样值生成控制信号，通过控制电液比例阀的开启程度，控制调平油缸的伸缩量，进行自动调平操作。

根据本实用新型的一个实施例的示意图，在自动调平过程中，控制装置实时读取水平角度采样值，并实时计算和角加速度采样值与水平位置设定值的差值e(t)。当|e(t)|＞c时，控制装置控制警报器报警；其中，c为斜程度危险报警阈值，c大于b。

根据本实用新型的一个实施例，在自动调平过程中，当|e(t)|＞d时，控制装置锁止臂架的变幅动作和工作平台的自动调平动作；其中，d为强制锁止阈值，d大于c。当调整为人工调平模式或采取人工复位时，控制装置禁止解除锁止动作。

根据本实用新型的一个实施例，如果在调平过程中出现振荡现象，并且振荡的次数大于振荡次数阈值时，控制装置修正控制模型中的参数，减缓调平过程。

根据本实用新型的一个实施例，调平过程中出现振荡现象，主要是工作平台频繁地越过0°，反复的在超前和滞后状态之间转换，使人感觉不舒适。其原因主要是消防车控制信号y(t)过大，调平系统的液压系统惯性大（液压系统在控制信号消失后，还会继续工作一段时间，调平油缸还会伸（或者缩）一段距离。控制信号越大，液压系统的惯性就越大）。因此，要抑制振荡就要抑制控制信号y(t)。前述，y(t)=a(t)-k*b(t)，也可以表述为y(t)=m*（a(t)-k*b(t)），正常情况下，m=1，即y(t)=a(t)-k*b(t)。当出现振荡时，调整参数m，使得控制信号y(t)减小。

根据本实用新型的一个实施例，电液比例阀27或其它的电磁阀根据控制信号的变大或变小，通过控制电液比例阀27或其它的电磁阀的液压油的压力和流量，控制调平油缸25伸缩的幅度和速度，从而控制调平过程，进而避免振荡。

如图3所示：步骤301，首先在消防车上电的同时给控制装置23上电，控制装置23进行初始化和自检。

步骤302，控制装置23分别读取安装于工作平台21上的水平角度传感器22和安装于曲臂26上的角加速度传感器24的采样值u₁(t)、u₂(t)。

步骤303、304，控制装置23查询是否有工作平台21的相关操作，如果没有相关操作，则控制装置23继续轮询工作平台21的状态。

步骤305，如果有工作平台21的操作，则判断工作平台21是举升操作还是降落操作是举升操作则进入“举升调平模式”，否则进入“降落调平模式”。在这两个模式中，分别设置有不同的控制模型，以针对不同的工况需求。下面以举升过程为例：

步骤308、309，计算水平角度传感器22的采样值u₁(t)与水平位置设定值a（可以设定a=0，即水平位置）的差值，记为e(t)=u₁(t)-a，用e(t)来表示工作平台1与水平位置a的倾斜程度。

步骤311，用e(t)与调平动作设定值b（b>a，或称为调平截止区设定值）进行比较。

步骤314、315当-b<e(t)<b时，认为工作平台21的倾斜状态在可接受的范围内，此时不需要调平，如果|e(t)|＞b，则此时需要进行调平动作。调取“举升模式调平控制模型”或“降落模式调平控制模型”，并利用角加速度传感器24的采样值u₂(t)对调平控制模型进行修正，以抑制由于臂架29变幅或曲臂26旋转时，角加速度显著变化而产生的抖动。

步骤316，通过运算，将水平角度传感器22的控制信号和角加速度传感器24的控制信号合并成一个控制信号，并用这个合成控制信号来控制伺服比例阀27的开启程度，进而控制调平油缸25的伸缩量，来进行自动调平操作。

步骤318，在调平过程中，工作平台21的倾斜程度理论上应该逐渐减小，但如果臂架29变幅或曲臂26旋转的速度过快，有可能造成工作平台21倾斜角度加剧的情形。因此有必要在调平的过程中持续监测工作平台21的倾斜程度e(t)，如果在自动调平过程中，工作平台21的倾斜程度加剧，并且|e(t)|＞c（c>b，为工作平台21倾斜程度危险报警值），则说明此时工作平台21的倾斜程度到了危险程度，警笛间歇地发出报警信号，提升操作人员注意安全。

步骤324，如果在自动调平过程中，工作平台21的倾斜程度进一步加剧，并且|e(t)|＞d（d>c，工作平台1倾斜程度强制锁止值），此时应立刻锁止臂架的变幅动作和工作平台21的自动调平动作，并且警笛长鸣，发出报警信号。此时应调整为人工调平模式或采取人工复位，否则禁止解除锁止动作，以保障工作人员的人身安全。

步骤322，如果没有发生倾斜程度e(t)超过报警值d的情形，则持续进行自动调平动作，并时刻判断调平动作是否完成（|e(t)|＜b），如果没有完成调平动作，则继续返回调平过程，如果调平动作已经完成，则返回工作平台21的状态监测，以等待下一次的调平动作。

在驱动调平油缸25进行调平处理的过程中，有时会出现振荡现象，即工作平台21频繁地在超前和滞后状态之间切换（频发地过0°位置）。目前现有的解决技术是设定调平截止区，即设定调平动作值b，当工作平台21的倾斜程度小于b时，则认为工作平台21是水平的，不进行自动调平。理论上，这种方法是可以解决振荡问题，但实际使用中b的取值很难定准。b取值过小（截止区过窄），由于机械动作的惯性，工作平台21很容易越过截止区，从超前（或滞后）状态越过水平位置（0°）变成滞后（或超前）状态。b取值过大（截止区过宽），则会造成工作平台21的倾斜程度加剧。

步骤319、320，为了弥补这个问题，在控制装置23中增加了对振荡现象的抑制。在现有方案的基础上，增加了振荡次数的监测。如果在调平过程中出现振荡现象，并且振荡的次数大于3次，则修正控制模型中的参数，以减缓调平过程，避免工作平台21越过调平截止区，造成振荡现象。

本实用新型的消防车工作平台的自动调平控制系统及消防车，由于采取了两种不同的控制模型来分别控制工作平台在举升和降落过程中的自动调平问题，因此避免了单一控制模型控制两种工况而产生的适应性差的缺点，提升了自动调平的效果。

设置调平截止区可以在一定程度上避免振荡现象。当截止区设置过小，工作平台可能越过截止区产生振荡，截止区设置过大，则工作平台倾斜严重。在设定调平截止区的基础上，结合模型修正的方法，时刻监测工作平台是否存在振荡现象，如果存在，则修正模型，减缓自动调平动作，避免振荡。这样即可以使得工作平台更加趋于水平位置，又避免了振荡。

在自动调平过程中，臂架变幅和曲臂旋转产生的加速度变化而引起的抖动问题时发生，为了抑制抖动，引入了角加速度的反馈。用角加速度的反馈分量来抑制抖动现象。

上述本实用新型所公开的任一技术方案除另有声明外，如果其公开了数值范围，那么公开的数值范围均为优选的数值范围，任何本领域的技术人员应该理解：优选的数值范围仅仅是诸多可实施的数值中技术效果比较明显或具有代表性的数值。由于数值较多，无法穷举，所以本实用新型才公开部分数值以举例说明本实用新型的技术方案，并且，上述列举的数值不应构成对本实用新型创造保护范围的限制。

同时，上述本实用新型如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接（例如使用螺栓或螺钉连接），也可以理解为：不可拆卸的固定连接（例如铆接、焊接），当然，互相固定连接也可以为一体式结构（例如使用铸造工艺一体成形制造出来）所取代（明显无法采用一体成形工艺除外）。

另外，上述本实用新型公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。本实用新型提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本实用新型技术方案的精神，其均应涵盖在本实用新型请求保护的技术方案范围当中。

Claims (5)

1.一种消防车工作平台的自动调平控制系统，其特征在于，包括： 

控制装置、水平角度传感器、角加速度传感器和调平执行机构； 

所述控制装置分别与所述水平角度传感器和所述角加速度传感器电连接；所述水平角度传感器设置在消防车工作平台上，采集消防车工作平台相对于水平面的倾斜角度并发送到所述控制装置；所述角加速度传感器设置在曲臂上，采集曲臂的旋转角加速度并发送到所述控制装置； 

所述控制装置根据消防车工作平台相对于水平面的倾斜角度和曲臂的旋转角加速度生成控制信号，并且将所述控制信号发送到所述调平执行机构，控制所述调平执行机构完成消防车工作平台的调平操作； 

所述调平执行机构包括：电液比例阀、调平油缸；所述调平油缸的两端分别与曲臂和工作平台铰接；所述电液比例阀根据所述控制装置发送的控制信号，通过控制流经所述电液比例阀的液压油的压力和流量，控制所述调平油缸伸缩；所述控制信号为电压信号。 

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于： 

还包括报警器； 

所述报警器与所述控制装置电连接。 

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于： 

在消防车工作平台上设置2个所述水平角度传感器； 

2个所述水平角度传感器都与所述控制装置电连接；2个所述水平角度传感器分别采集消防车工作平台相对于水平面的倾斜角度并分别发送到所述控制装置。 

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于： 

在曲臂上设置2个所述角加速度传感器； 

2个所述角加速度传感器都与所述控制装置电连接；2个所述角加速度传感器分别采集曲臂的旋转角加速度并分别发送到所述控制装置。 

5.一种消防车，其特征在于： 

包括如权利要求1至4任意一项所述的消防车工作平台的自动调平控制系统。