PLC控制的四點自動調平系統

分類：技術教程日期：2007-04-04 00:00:00

1 引言
某火炮發射車為了提高命中率，在發射火炮前，必須先進行承載平臺的調平。承載平臺由四條支腿和四個輪胎支撐，為了保證調平后水平度的穩定，調平時首先讓輪胎離地，只讓四條支腿支撐平臺，以克服輪胎變形引起的平面變化。要實現自動調平，就必須使電氣控制系統和液壓系統在計算機的控制下，成為一個有機的整體，協調、高效、準確地運行。平臺控制的關鍵技術是調平算法的選擇和自動調平技術的實現。我們使用了2個水平傳感器，分別檢測前后和左右的傾斜度，而每個支腿的升高都可能引起它們的變化，因此從控制系統來看，這是一個多輸入多輸出的強耦合的動態過程[1]。
火炮發射平臺應該滿足以下要求:
(1) 調平后，平臺由四條支腿支撐并與車體脫離;
(2) 調平過程應在短時間內完成，并滿足精度指標的要求;
(3) 平臺調平后，應進行鎖定以保證平臺的狀態至少24小時不變。
為了提高火炮的機動性，我們研究開發了PLC控制的自動調平系統，這種系統調平時間短，調平精度高，操作簡單可靠，對提高火炮的機動性能具有重大意義。
2 四點式平臺的調平方法
圖1是四點式承載平臺示意圖。按照對稱矩形方式，采用4個垂直油缸來支撐平臺。這種支撐形式具有穩定性好、抗傾覆能力強等優點，因此被廣泛用于機動火炮的發射過程[2]。

圖1 四點式承載平臺示意圖

調平系統中水平傳感器安裝如圖2所示，水平傳感器與平臺的一條對角支點連線平行安裝。平臺有4個支點，平臺重心不在兩水平傳感器交叉點上。如圖2所示，2個方向傾角為α和β，傳感器夾角為γ，則平臺的傾斜度θ可以由α和β合成為:

如果2個方向的控制精度為±δ，則調平后平臺的水平誤差為:

從(2)式可以得到，控制度δ一定，當γ=90°時，平臺的水平誤差θ取最小值，因此在大多數的調平系統中，兩個傳感器都互相垂直安裝。此時

也就是說，兩邊的水平控制度應為整個平臺水平控制度的，比如要求整個平臺的傾斜度為2′，則控制時2個方向的控制度應該為。

圖2 傳感器安裝示意圖

根據水平傳感器測出的水平傾角可以判斷出4個支承點的高低，找出最高點，按照“只升不降”的原則，采用升調平技術，把其他3個支點升高至與最高點處于同一水平面后，調平過程結束。其技術關鍵是如何根據2個水平傾角決定各支點應該升高的高度，以及采用哪種方法去精確控制各支點升高的高度。、
3 調平的PLC實現及系統構成
由于PLC的高可靠性和接口的簡易性，使用PLC實現自動調平是一種很好的方法。假定最高支點高度為A，某一支點高度為B，按照升調平方法，則B點需要升高的垂直高度為AB，我們可以用下面的公式計算出該支腿升高AB時所需要的脈沖數n，從而控制該支腿升高的高度，達到調平目的。
式中ΔP是產生1mm位移的固定脈沖，可以用實驗方法精確測出支點升高1mm所需的時間，編程控制加于液壓開關的脈沖個數就可實現要求的位移。
本系統選用德國Siemens公司的SIMATIC S7-300系列的PLC作為主控元件，其結構框圖如圖3所示。該PLC系統包含電源模塊、CPU模塊、模擬量輸入(AI)模塊、數字量輸入(DI)模塊和數字量輸出(DO)模塊[3]。通過2個水平傳感器檢測平臺的左右傾角和前后傾角是否滿足精度。檢測出的傾角信號經相敏整流電路后送給模擬量輸入模塊。模擬量輸入模塊用來輸入水平檢測信號，自動完成A/D轉換，然后送給CPU模塊，與給定水平度進行比較。CPU模塊作為控制器，可以發送各種控制命令，接收并處理各種數據，對整個系統進行協調控制。CPU模塊輸出的控制量通過數字量輸出模塊，控制各支腿繼電器動作，從而可以控制各支腿的升降，達到調平目的。液電壓力開關可以檢測各個支腿是否著地，避免虛腿調平。支腿著地時，對應的液電壓力開關就會閉合，數字量輸入模塊對應的輸入信號就為高電平;反之，支腿懸空時，對應的輸入信號就為低電平。CPU模塊根據讀入的數字量做出相應的處理。

圖3 調平系統的結構框圖
4 系統的工作過程
本系統的工作過程與系統的軟件流程相對應，分為四大模塊，分別是:差動著地模塊、手動調平模塊、自動調平模塊、自動撤收模塊。根據平臺的傾斜度，整個調平過程分為粗調和精調，傾斜度大于5°時，系統粗調，各支腿的動作速度較快;傾斜度小于5°時，系統精調，各支腿的動作速度較慢。其工作過程為:
(1) 啟動電機，送啟動信號給PLC;
(2) PLC接收到啟動信號，執行程序;
(3) 差動放腿40s，保證所有調平支腿著地;
(4) 根據操作指令，執行調平過程:
·按下“手動調平”鍵，則根據發出的各支腿升降指令進行調平;
·按下“自動展開”鍵，系統自動讀入水平傳感器的傾角，判斷傾斜度，自動進行調平。采用升調平技術，根據讀入傾角值，判斷最高點，計算各支點需要升高的高度，用(4)式計算出所需脈沖數，然后把它對應加到各支腿，控制它們的高度，達到調平目的;
(5) 調平過程結束，發射車可以發射火炮。需要撤收時，按下自動撤收鍵，系統自動撤收所有調平支腿。
5 技術要求與試驗結果
本調平系統的技術參數要求是:
(1) 調平精度≤2′
(2) 調平時間≤3min
(3) 保持穩定狀態24h不變
試驗證明，該系統達到了指標要求，調平時間小于1min，調平精度在2′以內，穩定性滿足要求。本調平系統已調試完成，經過多次打靶實驗，命中率比較高，取得了令人滿意的效果。