毕业设计（论文）-基于单片机控制的自动调平工作台设计（含图纸） .doc

液压图+电路cad图纸，联系 153893706基于单片机控制的自动调平工作台设计 摘 要： 自动调平平台是一种广泛应用于军事、机械、医疗等领域的支撑系统，目前国内外对自动调平平台系统方面的研究有限。通过毕业设计，设计一种基于单片机的自动调平平台，运用于果园采摘系统。系统采用传感器感知平台的状态，并将传感器感知的信号传输给单片机，单片机处理信号并控制液压系统的支脚升降达到实时调平的目的，满足了果园采摘平台灵活可靠地实时自动调平需求。关键词：自动调平，单片机，液压，支撑，传感器design of automatic levelling flatform based on mcuabstract： automatic leveling platform is a kind of backup system which is widely used in military mechanical and medical field,and there is limited study at home and abroad now.in mygraduationproject,idliketodesignakind ofautomaticlevelingplatformwhichisbasedon single chip computer and use it in garden pick system.this system adopt sensor to sense the state of the platform,and then deliver the message which is felt by the sensor to single chip computer to let it deal with the message and make automatic leveling come true through controlling the foot of hydraulic pressure system ,which makesautomaticlevelingflexibleandreliable.key words: single chip microcomputer; hydraulic; automatic levelling; balance system; sensor 1 前言 1.1 研究意义自动调平系统广泛运用于军事、机械、医疗等领域，随着计算机技术的飞速发展和应用范围的快速渗透，它的应用性将得到显著发展饿提高。在军事上随着现代战争中飞机、导弹等空中进攻性武器性能的快速发展，使军用地面雷达面临严峻挑战，在不断追求功能完善、性能先进、工作可靠的同时，对雷达的机动性提出了更高的要求。雷达自动调平系统是车载雷达的一个重要的组成部分，对提高雷达的测量性能，如目标角度的测量精度以及整机架设、撤收的速度等，起着决定性的作用。应用交流伺服控制，大大提高了雷达天线架设时平台的水平精度和调整的时间，而且具有高可靠性和维护性好的特点。近几年来，为使雷达做到快速架设投入战斗、迅速拆收转移阵地，在设计时对以前许多由人工完成的动作都采用了自动控制完成，如雷达的架设、拆收、方位标定、调平等，雷达天线车自动调平系统是机、电设计紧密结合的一体化自动控制系统，一般包括执行、控制、传感等部分。由于执行机构采用的驱动方式不同又可分成两大类，一种采用液压作为驱动源，称为机电液一体化系统，另一种采用电机产生原动力，通过减速器驱动丝杆动作，称为机电一体化系统1。在其他领域很显然也有非常广泛的应用，设计一个实用的自动调平平台十分必要。 1.2 国内外研究现状及存在的问题自动调平技术已经应用又在道路施工的沥青混凝土摊铺机、大型工程运梁车、静力压桩机、导弹激动发射架等设备上，是提高车载雷达机动性的关键。目前的调平系统主要有三支撑、四支撑、六支撑等方案。三支撑调平容易实现，结构简单成本低，易维护但抗倾覆能力差；四支撑、六支撑抗倾覆能力强，但存在静不定问题，容易产生虚腿，静不定次数越高，系统越复杂。现今的自动调平平台采用液压支撑，液压支撑结构简单，控制方便，但是液压系统存在价格搞，能量损失大，对温度变化较为敏感，故障难排除，存在泄露和维护问题等缺点。目前4点及多点调平设计面临的一个主要问题是虚腿现象，即有一个腿受力很小或者悬空，这在调平过程中是不能允许的。当平台的负载均匀时，4个支撑点的受力应该均匀。本系统设计的处理办法是把平台支撑起来后，先进行一次粗调平(设定一个粗精度)，目的是使4个支撑点的受力比较接近。然后，再按照系统设定的调平精度进行调平。这样，调节的过程就中不会出现一腿受力过小(虚腿)，从而有效的预防虚腿现象的出现2。 为了克服这些缺点所带来的经济和技术上大弊端，各国科学家正在积极探索，寻求更好的解决方案。1.2.1 手动调平系统 20世纪50年代末期，美国aknsas州高速公路委员会的一名工程师发明了第一套自动调平装置。它结构简单，靠手动操作完成纵坡和横坡的调节。纵坡是靠基准线和一个指示器来标志；横坡是靠安装在横梁上的角度传感器和一个指示器来指明。纵坡调节工作原理：基准线挂在车载-n，指示器装在牵引梁枢铰点附近并作为参考点搭在基准线上。当车载行走在高低不平的基层上时，指示器随着上下移动，此时，操作人员通过旋转手动厚度调节螺钉即可保证较平整的面层。横坡调节工作原理与纵坡调节原理类似。1.2.2 自动调平系统20世纪70年代初期，研究人员在手动调平系统的基础上研发出早期的自动调平系统。它是靠移动牵引架来改变平地铲刀的升降。由于这段时期工作宽度较小，所以都采用纵坡和横坡控制器来进行调平作业。早期是半自调平系统，该系统横坡采用自动调节，纵坡采用原来的手调装置来控制；后期手动横坡调节机构也被自动装置取代，出现了全自动调平控制系统，该系统工作特性相对较完善，且找平效果好。工作原理：该自动调平控制系统由传感器、控制箱、操作面板、执行机构(液压马达或液压缸)等部件组成。在整平之前，首先设定所需要的整平高度，工作时，控制面板、纵坡和横坡传感器产生电脉冲信号并传给控制箱，控制箱发出电信号使油缸做出相应的动作来改变铲刀的位置，这样即可保证铲刀始终保持在某一固定高度，达到整平目的。传感器：这段时期自动调平系统所采用的调节方式分两个阶段：初期，多数采用开关控制方式，其传感器多为液压随动器(即转阀)，以开、关和死区三种工作方式响应路面的不平整度信号；中后期，随着电子传感技术的发展和广泛应用，逐渐出现了电位器式、应变片式、霍尔元件等类型的传感器，同时配合相应的脉冲调节方式实现了比例脉冲控制方式。如vogeel的脉频调制式，agb的脉宽调制方式，提高了调平精度。基准线式调平效果较好，但容易受外界影响(如本身挠度及重力影响等)；当基准路面比较软时，多采用滑靴式随动装置；轮式随动装置常用于比较硬的地面为基准时的作业，如沥青路面等3。近年来，随着电子技术、计算机控制技术等的发展，车载在性能上得到了进一步的完善，具体涉及到自动调平系统、行走驱动系统、转向系统等方面的改进。其中自动调平系统的改变如下：调平基准：在原有基准线、滑靴式和轮式调平基准的基础上，20世纪70年代中期出现了调平效果更好的平均梁调平基准，完全可以满足各种路面情况。调平传感器：20世纪90年代的自动找调平装置中，非接触式超声波传感器得到了应用，增加了抗干扰能力，调平效果更趋于良好，如ecadarpids公司较早地采用了超声波传感器。激光传感器出现在20世纪70年代，由于其本身的复杂性以及受外界影响较大，没有得到发展。20世纪90年代，美国一些公司正致力于激光传感器的研究，有望成为将来使用的重点。控制器：20世纪70年代，脉冲调制式的比例脉冲控制方式取代了前期的开关控制方式，在控制精度上得到很大的改善，但与机液、电液伺服控制方式相比，仍存在不足。20世纪90年代，随着计算机控制技术和液压技术的发展，出现了数字控制器自动调平装置，它是微处理器与高速开关阀相结合的产物，如以bmwknox公司最近生产的“lba平nkox自动调平系统。此系统采用微处理器来自动控制纵坡和横坡。与此同时，还提供一个自身故障诊断系统。目前，国外的自动调平控制系统生产厂商主要有德国的moba、美国的agi公司、丹麦的肿trdaing公司咀及日本的tocpno公司等，这些公司的产品代表着国际上自动调平控制器的先进产品；国内自动调平控制系统的研发和生产厂家有江苏宝应县创新工程电器厂、常州树华电子有限公司以及孙祖望路桥技术研究有限公司研制的多点超声波自动调平控制器等为数不多的几个厂商。德国的moba公司生产的一系列自动调平控制器在国内的自动调平控制器市场占有相当的份额，其主要的产品为mobalatic数字控制系统。mobamatic数字控制器采用数字化控制技术，控制精度高，安装方便，操作简单方便。它具有通用性强的特点，可以和多种传感器配合使用；sonic-ski超声波传感器是世界上第一部并联式多超声波束装置，共有6个超声波传感器，其中5个超声波传感器组成一个滑动靴，以确保较大范围地测量宽度和工作精度，第6只传感器则起着温度和其他因素补偿的作用，它能不断的补偿和消除由于温度变化对超声波传感器的影响，从而提高控制精度；数字式旋转传感器是利用钢丝、路肩等基准，通过检测旋转角度变化的数据，与moba-matic数字控制器一起使用起到控制自动调平的作用，配套设备包括传感器臂、传感器杆、传感器靴。为了提高系统的控制精度，丹麦的tfnadjg公司推出了高性能、高精度自动调平系统mini-line非接触找平控制器，该系统町以大幅度提高路面平整度指标。2 自动调平系统分析平整路面的平整度主要取决于安装在机械上的自动调平控制系统，自动调平控制系统通过控制油缸来调节工作装置，从而有效提高路面的整平质量。因此，分析研究自动调平系统的工作原理，将有助于我们对自动调平控制系统有更深刻的理解。2.1 自动调平系统的分类 国内外从20世纪70年代开始，先后研制出了多种找平系统，根据检测装置可分为： （1）“机一电”式以机械杠杆和电子元件作为检测装置；（2）“机一液”式以机械电子和液压元件作为检测和执行机构；（3）“激光”式以激光束参照平面作为参考基准，控制液压系统铲刀的升降高度，达到精确整平的效果；（4）“超声波”式以超声波及其感应元件作为检测装置，后2种属于非接触式的自动调平系统。按照控制方式的不同，自动调平系统又可分为以下三种类型： （1）开关式开关式控制形式是以“开关”的方式进行调节，不管检测到的偏差大小，均以恒速进行断续控制。这种系统存在反应误差，因此必须设置一个调节“死区”(或称为起阻尼作用的“零区”)，传感器越过死区后才有信号输出。为了提高系统的反应精确性，“死区应尽量减小但是系统是恒速调节的，如果“死区范围过窄，调节容易冲出“死区而出现误差，即产生所谓的超调。超调需要反方向的修正，这样在不断的超调和修正之间，系统就在“死区”附近来回的搜索零点，使系统发生振荡，由此而影响到路面的平整度。为了消除振荡所引起的系统不稳定的缺陷，“死区”要足够宽，让系统在反向修正时可由最高值趋向于零速，不会再冲向一边，但是“死区”过宽又降低了系统的精确度。所以要想在这种系统上获得理想的找平效果，必须合理的确定“死区”的大小，正确解决“死区”大小和控制精度之间的矛盾，才能保证精确的找平特性。此调平方式不理想，但其结构简单、价格低廉、使用方便。 （2）比例式 这种系统是以液压比例控制阀取代电磁换向阀演化而来的，他根据偏差信号的大小以相应的快慢速度进行连续的调节。当系统偏差为零时，相应的调节速度也趋于零，因此在这种调节方式下，基本上消除了系统因为超调而引起的振荡现象。该系统可使得平整出来的路面十分平整，但是它对系统结构精度的要求高、造价也相对较高。（3）比例脉冲式比例脉冲式自动控制系统是在开关式自控系统的“恒速调节区和“死区之间设置一个“脉冲区”。脉冲信号根据偏差的大小成正比例变化，其变化方式主要有改变脉冲宽度(pwm)和脉冲频率(pfw)。传感器检测出偏差信号进入脉冲区后，调节器根据信号的大小，以不同宽度或频率的脉冲信号推动电磁阀动作，使得油缸工作。这种系统兼备了前两种系统的优点，大大缩小了“死区”的范围，可以使系统的精度达到很高的标准，而且价格低廉、经久耐用，是目前主要使用的自动调平控制方式。2.2 自动调平系统的基本构造自动调平系统一般由检测装置、执行装置和工作装置等几部分组成。图1为美国sundstrandsauer公司生产的absl000自动调平系统4。图1 abs1000自动调平系统fig.1 abs1000 automatic leveling system1检测装置：检测装置主要有以下几个部件构成。 （1）纵向传感器安装在牵引臂上，当路面不平引起牵引点上下移动从而使刮刀位置发生变化时，与基准线接触的纵向传感器就会感知这一变化，并将这一变化量经过处理变成变幅宽的脉冲电信号进入电磁阀，控制其开关时间的长短，在液压系统的作用下变成牵引臂的机械动作，从而消除这种偏差，使刮刀始终处于预先设定的位置。 （2）横向传感器安装在刮土铲刀前端的横梁上，用来检测路面横向坡度的变化，工作原理同纵向传感器。 （3）调节器将传感器检测到的偏差信号与给定信号进行差动放大后，输出一个根据偏差信号变化的直流控制信号，将该信号与锯齿波脉冲信号送入比较器比较输出宽度不同的调节脉冲信号。执行装置：执行装置主要包括电磁换向阀、调平液压缸和调平大臂。工作时油泵输出压力经过2个流量阀排出定量的油液，在电磁阀的控制下经液控单向阀进入油缸，油缸活塞杆的伸缩控制牵引架的降低与抬高，保持刮刀的位置不变，达到路面的平整度标准。 工作装置：工作装置即铲刀。它位于机器的前后桥之间，用来完成剥离、转移土壤和平整等工作。自动调平装置是高性能车载的关键部件，安装自动调平装置的车载能明显提高作业效率和平整精度。2.3 自动调平系统的控制原理分析自动调平控制系统就是以补偿路面系统误差为目的的控制系统。工业上用的控制系统，根据有无反馈作用可分为两类：开环控制和闭环控制5。（1）开环控制系统。如果系统的输出端和输入端之间不存在反馈回路，输出量对系统的控制作用没有影响，这样的系统称为开环控制系统。在开环系统中，动作信号是预先确定、不变化的。开环控制系统比较容易构造，结构也比较简单。（2）闭环控制系统。控制装置的输入受到输出的反馈作用时，该系统就称为闭环系统。为了提高控制质量，系统常采用闭环负反馈结构，这种反馈控制系统的组成框图如图2所示图2 典型闭环控制系统fig.2 typical closed loop control system自动调平控制系统本身就是一个典型的闭环系统。自动调平控制系统见图3所示。图3 自动调平控制系统fig.3 automatic leveling control system其中：w一设定的基准高度；e一偏差信号；h一检测的实际高度。车载在进行平整工作时，由于路面的不平，引起铲刀上下移动，传感器检测到路面的高度h，与设定的基准高度w就有偏差，产生偏差信号e，然后通过调节器对误差信号做出相应的处理再给执行机构发出控制信号，控制油缸升降，从而达到施工高程和设计高程的一致，保证路面的平整度。现在一般已经使用的比较成熟的控制系统都是基于这个思想而设计的。2.4 非接触式自动调平控制系统的分析与比较近年来随着我国经济建设的发展，交通基础设施投入增大，对高等级公路建设的质量要求也越来越高，自动调平系统是现代车载的重要标志之一，对车载的性能及路面的平整质量起着至关重要的作用。非接触式自动调平系统在20世纪90年代就被用于工程机械的找平控制中，它的许多优点使车载的质量和效益得到了极大的提高，为施工企业带来了显著的经济效益，因此从推广以来已逐步地在世界各地得到了广泛使用。目前非接触式自动调平技术主要有超声波自动调平技术和激光自动调平技术6。2.4.1超声波自动调平控制系统分析系统组成：2001年我国开始引进非接触式超声波调平装置，又称超声波平均梁，它由声纳传感器、控制盒和平衡杆组成。采用的是超声波测距原理，每侧牵引大臂上固定一条铝合金梁(平均梁)，朝下布置多个声纳传感器(一般为四个)。整平作业时，声纳传感器向作为参考基准的地面发出声纳信号并接收返回信号，计算出距离地面的高度均值， 以此来控制油缸的升降，进而控制铲刀的升降，从而达到平整土地的目的。工作原理：非接触平衡梁通过安装座与牵引臂相连，超声波探头通过差动串行总线与控制盒构成主从式多级通讯系统。每个超声波探头分别测试探头到路面之间的距离，并上传至控制盒，控制盒按照预定的算法处理这些数据，得到各个超声波探头到路面之间的平均距离。通过比较实时平均距离与设定基准距离之间的偏差，产生校正信号控制调平油缸的升降，使实时平均距离与设定基准距离之间的偏差处于设定的范围内。由于传感器安装于车载的大臂上，铲刀将随大臂按基准线的高程作相应的调整，进而实现对作业路面高程的控制。2.4.2激光自动调平控制系统分析系统组成：20世纪70年代，美国首先将激光技术应用于农用车载械，并取得了巨大的经济效益和社会效益。在国内自20世纪80年代开始，一些部门就已引进国外机型进行试验，但由于价格问题一直未能推广。激光自动调平控制系统由激光发射器、激光接收器、自动控制器组成。 工作原理：激光控制自动调平技术是利用激光束参照平面作为非视觉控制手段，代替常规机械设备中操作人员的目测判断方法，自动控制铲刀的升降高度，以便达到精确整平的效果。激光发射器是由有源电池驱动的一种激光发生装置，它被安置在作业面适当位置的三脚架上。激光发射头在工作时是高速旋转的，并可根据设定要求自动达到水平面或斜坡面状态，它发射的激光束可在作业面上形成一个激光光学平面，该平面即作为整平作业的基准参照面。由于该参照面是处于一定空间高度的稳定平面，因而不受机群作业和其它因素的干扰。激光接收器的功用是接收激光发射器发来的高程光信号，并根据相对基准参照面的高度变化将光信号转换成变化的电信号，并传输到控制器。控制器将激光接收器传递来的电位信号，经过数据分析处理后转换成控制信号，控制电磁换向阀通向铲刀提升液压缸的油量和方向，实现铲刀的自动升降。2.4.3 比较结论超声波自动调平控制系统的优缺点：（1）设备体积小、重量轻，安装简单方便结构紧凑，贮存运输业很方便，使用时随机性强，比较灵巧。（2）该系统选在路面上方，与路面非接触，消除了压痕及沾轮现象，而且可以回避各种沟盖、接缝等的影响，平地效果好。（3）非接触平衡梁工作时长度短，控制电路采用先进的数字电路，反馈信息快，能够及时地控制铲刀位置调整，保证有较好的平整度效果。（4）但超声波在空气中的传播速度会受环境温度、湿度等参数影响，为了提高测量精度，一般都要设置补偿和校正装置，用来补偿环境因素的影响。激光自动调平控制系统结构简单，拆装方便，有很强的灵活性，相比于超声波自动调平控制系统平整精度高，作业效率高，但成本也较高。激光式找平系统也会受到环境因素的影响，在能见度很低的情况下，会严重影响激光的传输，使系统工作不稳定。更重要的是，此种找平系统对现场的管理要求较高。虽然系统本身可以区分现场人员流动和杂物等引起的干扰，但如果工作人员过于繁杂，流动人员过多时，会使系统工作不稳定，影响系统的控制精度。根据以上的分析比较，考虑到成本，以及施工精度的要求，技术的成熟性等诸方面，本课题主要研究非接触式超声波传感器自动调平控制系统。2.5 影响自动调平控制系统精度的几个因素自动调平控制系统就是根据传感器采集路面的平整度信息来控制铲刀的升降，从而使平整出来的路面能够达到规定的平整度要求。在车载的工作过程中，恶劣的工作环境，车载自身状态的影响和某些手工操作的误差(如基准线的布置)影响车载自动调平系统精度：（1）在施工中一些操作手对安装的自动调平系统未能正确的掌握其性能要求，未能正确使用、校对，造成精度不准，未能充分发挥其应有的作用，甚至停用。所以，必须对操作手进行必要的培训，同时每天工作时要校对自动调平系统，这样可以保证整机工作精度，确保每天的正常工作。（2）传感器也是影响自动调平系统的一个重要因素。譬如，本系统采用的是超声波传感器，利用的是超声波测距原理：依靠超声波的传播速度和声时来计算探头到目标的距离的。影响超声波传播速度的因素很多，在道路施工中，温度、风力、烟气是重要的影响因素。所以必须采取其他措施来进行校正，可以依靠温度传感器和参考杆来补偿超声波的传播速度，保证它的测距精度。（3）通过对自动调平电液系统分析可知，控制器发出的信号并不是直接控制铲刀的上下移动，控制器和牵引架之间通过了一个液压系统进行控制信号的传递。就液压系统来说，控制器控制信号的发出到电磁换向阀的响应再到油缸的运动直至达到要求的位置需要一个响应时间，而这段时间内，控制器对铲刀的位置也同时在不停的检测，在油缸还没达到要求位置时，ad所采集的信号并没有真实的反映控制信号的控制效果，如果这时候控制器对这段时间内采集的信号进行处理，结果将导致铲刀始终在不停的上下移动，不断在调整自身的状态。显而易见，油缸运动位移很难达到理想的控制效果。所以，液压系统的滞后时间长短，控制器何时才能对控制信号进行响应是保证控制精度的主要问题。综上所述，影响车载自动调平系统精度的因素是多方面的，有车载自身性质和工作环境等外界因素，也与车载自动调平系统的类型有关。这就需要我们不断的利用新技术，研究并改进自动调平控制系统，开发故障诊断等专家系统，不断提高车载平整精度，减少作业循环次数，提高工效。3 自动调平控制系统的设计通过对车载自动调平装置的工作原理分析，我们对车载的调平性能有了理论上的认识，但是在车载自动调平控制系统中，不仅需要分析找平装置的工作原理，而且对液压控制系统、超声波传感器、以及自动调平控制方案等都需要有进行一定深度的理解和分析7。自动调平控制系统的研究已经历了半个世纪的发展，就控制方式来说，从最初的开关式控制发展到比例式控制再到目前常用的比例脉冲式控制；传感器的发展也由单一的角度传感器发展到目前的超声波和激光传感器；同时在目前常用的自动调平控制系统中，用的较多的控制方式脉宽调制(pwm)技术。本章确定了车载自动调平系统的控制方案。3.1 自动调平控制方案的确定3.1.1 自动调平控制系统的要求保证平整出来的路面平整度达到规定的要求是车载自动调平控制系统的一项基本功能。要实现对车载铲刀升降的精确控制就要求系统必须采用闭环控制，通过反馈来判断和调整控制信号的准确性。然而，对于自动调平系统来说，以往的模拟式控制系统已经基本上能够实现对铲刀升降的控制，在数字式自动调平控制系统中不仅仅只是要将控制精度提高，还应该考虑到让操作人员能在工作中随时可以了解到机器的运行状态，根据不同的路况和路面平整度要求对控制系统进行参数设置，使控制器在能够满足不同等级路面施工的需求。综合各方面考虑，车载自动调平控制系统应该要求具备以下功能：（1）具备两种工作模式：手动模式和自动模式，在车载工作时应能在这两种工作模式之间相互切换。（2）具有灵敏度设置功能，使车载在不同的施工环境和平整不同等级的路面时能对灵敏度进行调整，通过合理设置很好的协调好保证路面平整度要求和减小自动调平系统振荡两者之间的矛盾。 （3）系统也应该具有控制窗口设计功能，车载自动调平系统的基准是通过超声波传感器设定，在整平的过程中，由于路基高度的突变，超出了正常的工作范围，超声波传感器会检测到这种变化，输出的高度信号也会突变，于是引起了控制器的强烈反应，控制器输出信号控制液压油缸，导致路面出现一个明显的凹凸。为了防止这种情况的发生，系统应该设有一个窗口值，当超声波传感器检测值与基准的差值超过窗口值，那么便认为情况不正常，这时系统应立即停止输出控制信号，同时以一定的方式通知操作人员，让他知道系统发生了故障，从而保证系统的正常运行。（4）在手动模式下，应屏蔽灵敏度和窗口设置功能。这时系统保持高度误差显示，同时通过“增和“减”两个按键来控制铲刀的升降。（5）在自动模式下，应能随时对灵敏度和窗口值进行设置，通过系统各项参数的设置，根据不同的高度误差对铲刀采用不同的调整方式，实现对铲刀的精确控制。在控制系统设计中，应该力求在实现所有功能的前提下，尽量使操作变得简便(即必须把控制面板设计得简单明了)，通过硬件和软件的结合，不仅能实现对铲刀的精确控制，还要使的控制界面更人性化，操作更简便8。3.1.2 自动调平控制系统的方案根据车载自动调平控制系统的特性，以及车载的结构特征等，确定车载自动调平控制系统的方案，如图所示。由车载自带的蓄电池向自动调平控制器和电磁换向阀提供+24v电源，首先通过人机界面设定车载的工作基准，进入工作状态后，车载开始匀速行使，超声波传感器开始检测路面的变化，控制器通过不断对超声波传感器的采样获取路面的高度，并将其与设定的基准值进行比较取偏差，通过控制算法后得出控制输出信号，控制信号对电磁换向阀进行控制进而调整液压油缸的升降，实现消除误差的目的，达到土地的平整。图4 自动调平控制系统的方案fig.4 automatic leveling control system图4这个控制系统的框图基本上反应了车载非接触式自动调平控制系统的设计思想，并且符合当前控制系统的大体设计趋势，同时能够基本满足施工现场的要求。3.1.3 自动调平系统工作流程 自动调平平台基于单片的机控制，完成自动调平。如图5，启动系统后，传感器将感知的平台状态，并将信号进行放大处理，传递给调平控制系统，控制系统控制液压系统做出相应的反应，调平平台。传感器实时感知平台状态，循环此过程，直到平台处于水平状态。图5 自动调平控制系统工作流程fig.5 automatic leveling system working3.1.4 自动调平系统主控制器的选择主控制器的选择是控制方案的一个重要环节，它直接影响到自动调平控制系统的性能、价格以及控制功能等。满足车载使用功能要求的主控制器的选择范围有高性能单片机、可编程控制器(plc)、工业控制机、以及数字信号处理(dsp)等，这四种形式各有优缺点。（1）单片机：在目前的应用研究中，较易于实现数字控制的方案是使用单片机来实现其功能，尤其是新型的8位，16位单片机具有ad、pwm、eeprom、比较输出、捕捉输入、spi接口、异步串行通讯接口、flash程序存储器等功能。单片机成本低，易开发，因为单片机价格不断下降，而其技术含量却不断提高。另外，单片机的应用已相当广泛，有许多可以借鉴的成功应用范例与大量的公用程序。尺寸小，结构易布置，由于单片机及其外围接口电路可以紧凑地放在一块印刷电路板上，这就为控制器的面板设计带来方便，面板形状与大小都可以在一定程度上随意设计。对于一些比较复杂的控制，其计算量往往很大，这样，计算速度将直接影响控制精度。（2）可编程控制器(plc)：顺序控制、运动控制、过程控制等。plc是专门为顺序生产过程而设计的控制器，它替代传统的继电器，具有很强的时序性。抗干扰能力强，因为plc是专门用于工业现场环境，在抗干扰能力方面优越于单片机系统。与电磁阀连接容易，因为plc的输出形式为数字脉冲形式，可以通过开关量输出组件输出电平信号省去了oa转换，直接驱动电磁阀、电磁继电器和电磁开关等：同时可以大量节省外围驱动电路。与此同时，因为plc是一种时序性很强的顺序式控制器，其计算能力不是很强，这就限制了一些控制方案的实现。虽然也出现了一些具有较强计算能力的plc，但其本质并没有脱离原来的特点，仍基于循环扫描和程序执行方式，往往影响计算速度。（3）工控机：相对于单片机和plc来说功能灵活，结构复杂，它集单片机与plc优点于一体，具有很强的控制功能。工控机成本高，系统结构复杂，若和其它控制系统联合使用，不仅会降低成本，而且会协调控制系统的工作，采用先进的控制模式，实现控制的智能化。编程容易，接口简单，可以采用高级语言编程，设计友好的工作界面，利用计算机强大的计算功能，编制复杂的软件：另外，其接口都是标准接口，易于与各系统之间进行通讯与连接。工业控制有强大的计算、管理及通讯功能，适宜于高性能进行机群调度和管理适合形成网络控制系统的上位机。（4）数字信号处理器(dsp)：具有典型的数字信号处理的能力dsp芯片普遍采用了数据总线和程序总线分离的哈佛结构及改进的哈佛结构，采用流水技术，即每条指令都由片内多个功能单元分别完成取指、译码、取数和执行等多个步骤，从而在不提高时钟频率的条件下减少了每条指令的执行时间；dsp芯片内有多条总线可以同时进行取指令和多个数据存取操作，并且有辅助寄存器用于寻址，它们可以在寻址访问前或访问后自动修改内容，以指向下一个要访问的地址：dsp芯片大多带有dma通道控制器和串行通信口等，配合片内总线结构，数据块传送速度大大提高；dsp芯片配有中断处理器和定时控制器，可以方便地构成一个小规模系统：具有软、硬件等待功能，能与各种存取器接口；针对滤波、相关和矩阵运算等需要大量乘法累加运算的特点，dsp芯片大多配有独立的乘法器和加法器，使得在同一时钟周期内可以完成乘、累加两个运算：低功耗，一般为0.5-4w，而采用低功耗技术的dsp芯片只有0.1 w，可用电池供电，节能；驱动电流小，驱动电磁阀需要外加外围电路。工控机具有超过1000mhz的工作频率，非常完善的开发手段，非常丰富的软件支持，在这些方面，dps是无法与之相比的。但是，工控机并非针对实时信号处理而设计，其数据输入输出能力相对于其处理能力要低得多，其响应速度或者响应延迟不能满足实时处理要求。在相同的工作频率下，工控机进行乘积fif编解码等常用数字信号处理的速度要比dps低得多。工控机本身结构复杂，功耗多，价格较高。单片机有较高的运算速度，开发成本低，结构简单，易于开发；另外，单片机的应用已经非常的广泛，具有许多可以借鉴的经验，为控制器的设计带来方便。通过以上比较和分析，选择价格较低，信号处理能满足要求的单片机作为主控制器9。3.2 自动调平控制系统的液压系统图6 自动调平液压系统的原理图fig.6 automatic levelling hydraulic system schematic diagram目前国内外生产的车载均采用机电液一体化的自动调平控制系统，其中液压系统是多种多样的，但其共同点都是向油缸供定量油液，以保证油缸调节的及时性及稳定性。通常，典型的电液控制系统由油泵、安全阀、流量阀、电磁换向阀、液控单向阀、油缸及油管、接头等组成(参见图6)。系统采用定量泵供油，油泵输出的压力油经过两个流量阀排出定量的油液，在电磁换向阀的控制下经液控单向阀进入左右两个油缸。再经油缸活塞杆的伸缩来控制牵引架绕前铰点上下摆动，从而达到对平地铲刀高度的精确把握。在工作过程中，首先通过控制器设定整平基准，当平整路面发生上下起伏的变化时，牵引架会发生上下移动，所以它也会带着铲刀一起升降，同时安装在牵引架上的超声波传感器也共同升降。这样，超声波传感器就能检测到当前的与路基的实际距离，通过与基准值进行比较，可以得出偏差信号。这个偏差信号被控制器采样后，通过一定的分析和处理，发出控制信号，通过功率驱动电路给电磁阀供电。电磁阀接到信号后，根据信号的不同做出不同的响应，使得牵引点的工作油缸上腔或下腔进油，让牵引点回到原来的高度(即刚开始设定的基准值)，于是，铲刀也就相应的回到的原来的设定的位置。至此，偏差信号消失，控制器切断电磁阀的控制信号，油缸停止运动。这样就保证了铲刀始终维持在初始设定的位置，达到了自动调平的目的12。3.3 控制系统的总体原理3.3.1 控制系统的数学模型（1）工作装置的数学模型设定车载铲刀所受的阻力保持不变，则铲刀的运动将沿着牵引点的作用点连线方向，可建立如图7所示的运动关系。现在分析铲刀的运动规律。图7 车载铲刀的运动关系fig. 7 car blade movement relationship设图中t是牵引点，p为铲刀与路面的接触点，t、p分别是铲刀经时间dt后的相应位置。其中坐标值分别表示为t(x1，y1。)， p(x1，y1)及t(x2+dx2，y2+dy2)，p(x2+dx2，y2+dy2，)，由此可得到线性方程为：（dy2/dx2）=（y2-y1）/（x2-x1） （1）设l=x1-x2，其为调平大臂有效长度的水平投影，dx2/dt=v为整平速度，式又可写成（dy2/dx2）=（y1-y2）/l或（dy2/dt）=（dx2/dt）（y1-y2）/l）（7)若设v恒定，对式(7)进行拉氏变换可得y2（s）/y1（s）=1/（1+ts） （2）式(8)为铲刀的传递函数，其为一阶惯性环节，式中z=为铲刀的时间常数。（2）执行机构环节的数学模型执行环节主要由开关型电磁换向阀和双作用液压油缸组成，下面分别以二者的其中之一为对象展开讨论，建立它们的数学模型14。开关型电磁换向阀可简化为一阶惯性环节，其传递函数可表示为： （3）式中：一开关电磁换向阀的流量增益， 一开关间常数，s。根据液压伺服系统的理论，可得到流量增益的计算公式： （4）式中：cd锐边节流阀，cd在0.60.65之间；w阀的面积梯度，p油的密度，kg/m3p系统中油缸通过开关电磁换向阀时的压降，mpa。双作用液压油缸的传递函数可表示为： （5）式中：a双作用液压油缸的有效面积即油缸大腔活塞面积与油缸小腔活塞面积差， w一阀控液压油缸的液压固有频率，一阀控液压油缸的液压阻尼比， 在010020之间；d1一液压油缸直径，m；d2一活塞杆直径，m；m一单个油缸所承载的油缸运动部件质量和平地铲刀折算质量之和，kg；一等效容积的弹性模数，mpa；v括管路在内的等效液压油缸容积，v=l*a，m3；l_一活塞杆有效行程，m。由g(s)和gy(s)可求得执行机构环节的总传递函数g(s)为： （6） （3）反馈环节的数学模型单反馈环节可表示为：k=c/l （7）式中：c为传感器位置到牵引点之间的距离；取c=23l，则k=23。（4）控制器的数学模型控制器由信号调理电路、单片机、光电隔离电路及功率放大器等组成，用以检测高度偏差，并据此以脉冲或连续调节信号的形式驱动电磁换向阀，使油缸动作。整个环节为非线性环节。当高度偏差在死区范围内，控制器不做任何调节，液压油缸不运动；当系统工作在脉冲调节区时，输出脉冲的脉宽占空比与偏差信号成正比，属于脉宽调制(pwm)；当系统工作在恒速区时，找平油缸进行恒速调节。因此本环节可简化为一具有死区的饱和非线性环节，其数学模型可表示为： （8）式中 u一控制器的输出，a；d一死区范围，m；s一脉冲区高度偏差上限，m；e一高度偏差，m；k-放大系数，am；sign(e)一取e的符号。3.3.2 控制算法的设计pid控制是指通过对被控参数的偏差施加比例作用、积分作用和微分作用(proportional+integral+deviative，缩写为pid)给出控制器的输出。在控制器中，比例作用可以加快系统对偏差的响应速度，积分作用可以消除静态偏差，微分作用可以改善系统的动态品质。调整三者的作用强度，就可以改变整个生产过程的运行特性。pid控制具有设计简，参数调整直观、方便、适应强等优点，是工业过程控制领域中最为常用的控制方法15。数字试pid控制器是将模拟式pid调节器的微分方程用差分方程代替，在时域中，用计算机程序来实现与模拟式pid等效的控制规律。模拟式pid控制的微分方程为： （9）式中: u()一控制器的输出；kp一比例系数；ti一积分时间常数；td一微分时间常数；e(t)一偏差，e(t)=sp-pv，sp和pv分别为被控参数的设定值和实际值。如果选采样周期为t，将上述微分方程离散化处理成差分方程如下： （10）式中 u（n)一本次pid算法的控制输出；e (n)一本次采样所得的偏差信号；e (n一1)一上次采样所得的偏差信号；ki一积分常数，ki=kpt/ti；kd一微分常数，kd=kptd/t。如果控制器的执行器件是个调节阀，则上述算式的输出u(n)与阀位是一一对应的，因此该算式通常称为位置式pid算式。从式(16)中可以看到，每次的控制输出都与系统过去的所有状态有关。它不仅需要对偏差e进行不断的累加，从而增大计算机的计算量和存储量，而且当给定值变更时，容易产生积分失控，发生阀门冲击和超调。为弥补这一缺陷，目前计算机控制系统中的pid控制常用增量式算法。由式(16)得u(n)与u(n-1)，相减得：u(n)=u(n)-u(n一1)=kpe(n)-e（n一1)+ kie(n)+ kde(n)-2e(n-1)+e(n-2)=(kp+ki+ kd)e(n)+(- kp-2 kd)e(n-1)+ kd e(n-2) （11）在计算机控制系统中，采样周期t一般是恒定的，所以在确定了kp，ki和kd之后，仅需在内存中依次存放3个采样周期的偏差值，即可求出控制增量。采用增量式算法不仅简化了运算过程，而且还具有以下优点：(1)算式中没有累加项，不会发生积分失控，也不易产生超调；(2)由于控制输出是控制值的增量，所以当系统出现故障时影响范围小，也容易实现自动手动的切换；(3)可以在程序中设置条件判断，当pid算式输出的控制增量超过允许范围时，限制输出的变化幅度，从而减小对被控系统的冲击。3.4 系统的抗干扰措施及控制参数的确定3.4.1 系统的抗干扰措施车载自动调平控制系统的控制精度在很大程度上取决于控制系统的抗干扰措施设计的好坏。在车载工作时，来自工作现场的电磁干扰是干扰信号传输的一个主要干扰源之一，此外车载自身的振动和外界的一些不可测因素，这几个方面对传感器扰动的叠加导致传感器检测出来的信号必然产生一定的误差。在自动调平控制系统设计时，必须采用一个有效的方法来消除这些干扰源对系统控制精度的影响。在本系统中，为保证系统能够在恶劣的环境下正常工作，保证一个稳定的控制精度，采用软硬件相结合的方法，对干扰信号进行多重处理。实验表明这种方法几乎完全消除了各种干扰信号对传感器的影响，使得控制器在不同的工况下保证相当的控制精度，达到理想的控制要求。这在第四五章将作介绍。3.4.2 关键控制参数的确定在车载自动调平控制系统设计中，一些控制参数的选取直接决定了控制器的控制性能。目前，在自动调平控制系统中主要的控制参数有：灵敏度、死区比例脉冲区、恒速调节区。在自动调平控制系统中，我们将控制路面高度的误差分成3个区域(如图所示)：死区、比例脉冲区、恒速调节区。这3个区域的设置决定了路面平整度的好坏。当车载自动调平系统处于自动状态下时，操作人员可根据路面施工的要求对以上3个区域的值通过按键来设置相应的值，使得车载自动调平系统在确保路面平整度要求的前提下以最稳定的状态运行。图8 系统调节区域图fig.8 the system regulation of regional map图8中的三个区域的大小是由控制器中设置的灵敏度值和窗口值决定的。下面简要介绍一下各个区域大小的确定和调节方式：（1）死区：死区是指在理想的高度附近，与理想的平整度值相差很小的一段区域。当误差高度处在这块区域内时，系统不对铲刀进行任何调节。死区的大小决定了车载在运行过程中铲刀振荡的剧烈程度，死区不能过大，其大小必须小于路面要求的平整精度，否则平整出来的路面必然达不到路面的平整度要求，但是在满足上述条件的前提下，死区也不能无限制的调小，死区太小则会引起系统的超调，使得铲刀发生振荡。所以，死区的调节必须在保证路面平整精度的前提下尽可能的减少系统超调的发生。本系统死区的大小和灵敏度的对应关系如表1所示。表1 灵敏度与死区参数值table 1 sensitivity and the de