PLC控制的自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)

引言
為保證平臺(tái)穩(wěn)定，被調(diào)平臺(tái)有五條支腿，分別用5個(gè)執(zhí)行元件控制其高度，以調(diào)整平臺(tái)的水平度;用2個(gè)水平敏感元件檢測(cè)其水平度，2個(gè)水平敏感元件垂直安裝，分別用于檢測(cè)平臺(tái)前后方向的水平度和檢測(cè)平臺(tái)左右方向的水平度。圖1是被調(diào)平臺(tái)與支腿和水平傳感器安裝示意圖(圖中未標(biāo)出平臺(tái)上的設(shè)備)。

圖1 被調(diào)平臺(tái)與支腿和水平傳感器安裝示意圖

5個(gè)調(diào)平支腿高度及2個(gè)水平敏感元件的輸出，構(gòu)成了五輸入二輸出的多輸入輸出系統(tǒng)，每一調(diào)平支腿高度變動(dòng)，都有可能影響平臺(tái)的水平度，因此它是一個(gè)強(qiáng)耦合的系統(tǒng)。
2 完全解耦的控制方法
系統(tǒng)雖有5個(gè)輸入，2個(gè)輸出，但我們知道，三點(diǎn)決定平面，所以在調(diào)平控制量中有二個(gè)輸入量是冗余量，只需選擇平臺(tái)重心在三支點(diǎn)構(gòu)成的三角形內(nèi)，控制這個(gè)三角形的三個(gè)支腿高度，即可實(shí)現(xiàn)調(diào)平;在調(diào)平結(jié)束后，再控制其余二個(gè)支腿著地即可。所以實(shí)際系統(tǒng)應(yīng)是三輸入二輸出系統(tǒng)，經(jīng)過分析可以得到水平敏感元件的輸出α與β是三個(gè)調(diào)平支腿高A、B與C的函數(shù):
α=f1(A，B，C)
β=f2(A，B，C)
平臺(tái)調(diào)平后，應(yīng)得到α≤δ，β≤δ。δ是一個(gè)允許的很小傾角。A、B、C與α、β之間是強(qiáng)耦合的。
應(yīng)用理論和實(shí)驗(yàn)方法都可得出其傳遞函數(shù)，設(shè)平臺(tái)輸入與輸出關(guān)系表示如下:

式中GNM是α、β對(duì)于A、B、C的傳函;GNM中下標(biāo)N=1、2代表水平敏感元件的輸出α與β，M=1、2、3代表三支腿高A、B與C。設(shè)有一個(gè)預(yù)補(bǔ)償矩陣Kp(s)使(2)式成立。

式中KPQ中下標(biāo)Q=1、2代表預(yù)補(bǔ)償函數(shù)的二個(gè)輸入α與β，P=1、2、3代表補(bǔ)償傳函的三個(gè)輸出A、B與C。若

則可實(shí)現(xiàn)完全解耦。為使完全解耦，必需求出k(S)，并且按(4)式實(shí)時(shí)計(jì)算A、B和C，然后實(shí)施控制。

由(3)式解出k(S)，代入(4)式并離散化(4)式，用計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)地計(jì)算出控制量A、B、C，就構(gòu)成了快速自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)。然而k(S)不容易顯式解得，(4)式的實(shí)時(shí)計(jì)算量大;以及當(dāng)用伺服系統(tǒng)控制調(diào)平支腿的高度時(shí)，最少要有測(cè)量3個(gè)支腿高度的傳感器和兩個(gè)測(cè)量平臺(tái)水平度的傳感器，硬件電路相對(duì)復(fù)雜，開發(fā)時(shí)間長(zhǎng);這些因素都限制了完全解耦控制方法的使用。|
3 剔除冗余量的解耦控制方法
某些平臺(tái)上的設(shè)備運(yùn)行中不需實(shí)時(shí)調(diào)平，只要求開始工作前進(jìn)行一次調(diào)平，對(duì)調(diào)平過程速度要求也不高。這種平臺(tái)的調(diào)平方法，可用剔除冗余量的解耦控制方法;將調(diào)平過程分兩步進(jìn)行，首先調(diào)平某個(gè)傾角使之達(dá)到水平要求之后，將其鎖定，然后再去調(diào)另外一個(gè)傾角。在第一步時(shí)，剔除了一個(gè)傾角及兩個(gè)支腿的高，使控制系統(tǒng)變成了單入單出控制系統(tǒng)。第二步剔除已調(diào)平了的傾角及相應(yīng)的已完成調(diào)平任務(wù)的兩個(gè)支腿。這樣第二步調(diào)平也變成了單入單出控制系統(tǒng)。這種做法是一種剔除冗余量的解耦控制方法。
具體調(diào)平過程敘述如下:首先選擇平臺(tái)重心所在三支腿構(gòu)成的三角形中的三個(gè)支腿;在平臺(tái)未調(diào)平前，三個(gè)支腿連結(jié)成的三角形中，必有一條邊的傾角最大，這條邊是由最高與最低兩支點(diǎn)的連線，與它平行的(或夾角最小的)水平敏感元件的輸出最大，也即由此水平傳感器測(cè)出的傾角最大，以此水平敏感元件的輸出作被控量，以高度最低支腿的高為控制量，構(gòu)成單入單出的閉環(huán)控制系統(tǒng)。這時(shí)，雖然調(diào)整最低位置支腿高時(shí)，會(huì)同時(shí)影響兩個(gè)傾角，但未被選用的水平傳感器的傾角變化可在第二步時(shí)再調(diào)平，因此在第一步調(diào)平過程中，最高和次高支腿高作為冗余量被暫時(shí)剔除了，較小的傾角的輸出也作為冗余量被剔除了。第一步調(diào)平過程，直至此最大傾角被調(diào)平為止。當(dāng)此傾角調(diào)平后，以此水平線為軸，平臺(tái)便成了“蹺蹺板”，在平臺(tái)重心作用下，原次高支腿變成了新的最低支腿。原傾角較小的傳感器輸出變成最大。
第二步，也以此時(shí)傾角最大的水平敏感元件的輸出為被調(diào)量(另一水平敏感元件的輸出已被調(diào)為零或一個(gè)允許的較小的傾角)，以此時(shí)的最低支腿高度為控制量，其余二個(gè)輸入和一個(gè)輸出作為冗余量被剔除，再次構(gòu)成一個(gè)單入單出的單閉環(huán)系統(tǒng);為防止第二步調(diào)平破壞第一步已調(diào)平得到的“蹺蹺板”的水平軸線，在第二步調(diào)平時(shí)，首先要收起最低腿的對(duì)角支腿，使此支腿懸空;這樣第二步調(diào)平過程就不會(huì)影響第一步調(diào)平的結(jié)果。當(dāng)此時(shí)的最大傾角的水平敏感元件輸出變?yōu)榱銜r(shí)，就表明平臺(tái)已完全被調(diào)平了。最后再將其余支腿放下著地使平臺(tái)更穩(wěn)定。
上述剔除冗余量的解耦控制方法算法簡(jiǎn)單，即當(dāng)水平傳感器輸出超過要求時(shí)，接通最低位置支腿的電磁閥，調(diào)此支腿的高，直至水平傳感器輸出滿足要求止?？刂扑惴ㄖ?，確定電磁閥接通與否，只由水平傳感器的輸出決定，而不需要測(cè)出各調(diào)平支腿的高度，因此不需使用測(cè)量支腿高度的傳感器。且控制算法中只有一些邏輯判斷，無需處理大量的數(shù)椐，適合用PLC實(shí)現(xiàn)。
4 用PLC控制自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)
用剔除冗余量的解耦控制方法的調(diào)平系統(tǒng)可用PLC實(shí)現(xiàn)。用PLC控制的自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)主要包含:水平檢測(cè)器與控制支腿高度的電磁閥與液壓缸等組成。硬件框圖如

圖2 自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖

下:
圖2中PLC輸出經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路控制電磁閥，電磁閥控制液壓缸，液壓缸控制支腿高度，液壓缸上的液壓繼電器用于測(cè)量支腿是否著地;因?yàn)楫?dāng)支腿著地后液壓缸壓力升高，液壓繼電器接通。水平傳感器輸出的水平傾角是模擬量，因此PLC除了要有用于控制液壓缸的開關(guān)量輸出模塊，和用于接收液壓繼電器的開關(guān)量輸入模塊外，還要有模擬量輸入模塊。
某自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)，自動(dòng)調(diào)平工作過程如下:
(1) 選擇最大傾角(可能是“前后傾角”，也可能是“左右傾角”)方向首先調(diào)平。
(2) 判斷最大傾角方向上支腿的高低，將低端的調(diào)平支腿升高;直至在此方向達(dá)到調(diào)平精度。
(3) 進(jìn)行另一方向的調(diào)節(jié)，升高較低一端的調(diào)平支腿，同時(shí)，收回此方向上較高一端的調(diào)平支腿;
(4) 達(dá)到兩個(gè)調(diào)平方向的調(diào)平精度后，使輔助支腿著地、放穩(wěn);
(5) 調(diào)平工作結(jié)束。
圖3是自動(dòng)調(diào)平控制程序框圖。圖中DT9、DT11、DT13、DT15分別是除輔助支腿外的4個(gè)調(diào)平支腿的液壓缸的4個(gè)電磁閥，圖中“調(diào)左右傾角標(biāo)志”和“調(diào)前后傾角標(biāo)志”是PLC內(nèi)部輔助繼電器，程序檢查此標(biāo)志，當(dāng)有標(biāo)志時(shí)，會(huì)一直調(diào)整某個(gè)傾角，直至此傾角被調(diào)平為

圖3 自動(dòng)調(diào)平程序框圖

止，故這一標(biāo)志是實(shí)現(xiàn)解耦的關(guān)鍵。
編寫程序時(shí)要注意到，PLC用戶程序是周期執(zhí)行的，因此PLC程序與計(jì)算機(jī)編程有很大不同。但本程序是用在S7-300 PLC中的，S7-300程序由“組織塊”(OB1)和“功能”(FC1)等組成[2]，本程序是一個(gè)“功能”。在條件滿足時(shí)，“功能”程序?qū)⒈环磸?fù)執(zhí)行，與計(jì)算機(jī)程5 結(jié)束語
本自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)中，未使用高度傳感器測(cè)各調(diào)平支腿的高度，系統(tǒng)成本低;所用的剔除冗余量的解耦控制方法，調(diào)平過程要分兩步才能完成，速度比完全解耦的控制方法慢;但在某些設(shè)備中，對(duì)調(diào)平速度要求并不高，完全可以應(yīng)用，是一個(gè)很好的控制方法。總之，一些控制問題似難以用PLC進(jìn)行控制，但只要在控制方法上想辦法，改進(jìn)控制方法后，用PLC也能勝任;本文提出的剔除冗余量的解耦控制方法有實(shí)現(xiàn)價(jià)值，可推廣應(yīng)用。本文設(shè)計(jì)的用PLC實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)能在很短的時(shí)間內(nèi)完成，開發(fā)周期很短，可靠性很高。