[硕士论文精品]基于plc的自动调平控制系统研制

摘要本文论述了大型机械平台自动调平控制系统的设计和开发过程。目的是研制一套汽车平板拖车快速调平系统，使安装在平板拖车上的大型天线系统73M口径的抛物面雷达在野JL邑够快速架设和撤收，工作时达到水平，在保证天线工作性能的前提下，提高车载天线系统的机动性能。下文中把汽车平板拖车简称为平台。首先，论文分析了平台的自动调平控制系统的控制要求及主要工作方式，从选择驱动方式、主控制器、支撑方式和调平方法方面论证了系统总体方案。介绍了系统的组成、主要器件的选型。本文重点研究了调平控制系统的调平策略。首先分析了调平方法，提出了“循环多次”的调平策略，大大简化了调平过程，在一定程度上降低“虚腿“出现的可能性。根据前面所述的调平策略，得出了调平整体流程和重要子系统流程。最后，开发了自动调平控制系统的软件。首先分析了PLC的工作原理和软件开发环境。进行了系统软件的总体设计，开发了系统初始化、控制算法和通信模块软件。最后完成了自动调平控制系统的现场调试。结果证明，该系统达到了预期的控制要求，运行良好。关键词自动调平控制系统调平策略PLCABSTRACTINTHISPAPER,THEAUTOMATICLEVELINGCONTROLSYSTEMFORLARGESIZEMECHANICALPLATFORMISDESIGNEDANDDEVELOPEDTHEAIMISTODEVELOPAHIGLL一SPEEDLEVELINGSYSTEMFORVEHICLE，MAKETHELARGEANTENNASYSTEMTHERADARWHOSEDIAMETERIS73METERMOUNTEDONTHEPLATFORMSETUPANDDISMANTLEQUICKLY,ANDLEVELINGWHENTHERADARWORKSUNDERTHEPREMISEOFKEEPINGTHEPERFORMANCEOFRADAR,THEMOBILITYOFTHEVEHICLEMOUNTEDRADARISIMPROVEDASFARASWECANINTHEFOLLOWINGTEXT，THEFLATTRAILEROFVEHICLEISCALLEDPLATFORMFORSHORTFIRST,THEPAPERANALYZESTHECONTROLREQUIREMENTSANDMAJORWORKINGMETHODSOFTHEAUTOMATICLEVELINGCONTROLSYSTEMOFTHEPLATFORMTHESCHEMEOFTHESYSTEMISDESIGNEDFROMTHEASPECTSOFDRIVESELECTION,MAINCONTROLLER,THEMETHODOFSUPPORTANDTHEMETHODOFLEVELING111ECOMPONENTSOFTHESYSTEMAREINTRODUCEDANDTHEMAINELEMENTSARESELECTEDTILISPAPERFOCUSESONTHELEVELINGSTRATEGIESOFTHELEVELINGCONTROLSYSTEMFIRST，THELEVELINGMETHODSAREANALYZEDANDTHECYCLEANDREPEATINLEVELINGSTRATEGYISPUTFORWARD，WHICHGREATLYSIMPLIFIESTHEPROCESSOFLEVELINGANDREDUCETHEPOSSIBILITYOFVIRTUALLEG”INACERTAINEXTENTACCORDINGTOTHEFOREGOINGLEVELINGSTRATEGIES，THEWHOLEFLOWANDIMPORTANTSUBFLOWSOFTHEAUTOMATICLEVELINGCONTROLSYSTEMAREDESIGNEDFINALLY,THESOFTWAREOFTHEAUTOMATICLEVELINGCONTROLSYSTEMISDEVELOPEDFIRSTTHEWORKPRINCIPLEANDDEVELOPINGENVIRONMENTOFSOFTWAREOFTHEPLCISINTRODUCEDNEXT，THESOFTWAREOFTHESYSTEMISDESIGNED，WHICHCONSISTOFTHEMODULEOFINITIALIZE，MODULEOFCONTROLALGORITHMANDMODULEOFCOMMUNICATIONFINALLY,THEAUTOMATICLEVELINGCONTROLSYSTEMISDEBUGGEDTHER三SULTPROVESTHATTHESYSTEMCOMESTOANEXPECTANTCONTR01REQUIREMENTSANDRUNSWELLKEYWORDAUTOMATICLEVELINGCONTROLSYSTEMLEVELINGSTRATEGIESPLC西安电子科技大学学位论文独创性或创新性声明秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。本人签名日期西安电子科技大学关于论文使用授权的说明本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。保密的论文在解密后遵守此规定本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。日期塑主鉴日期垄生311垒一捌名名签签人师本导第一章绪论第一章绪论11课题的背景及来源随着国内外军事形势和国防技术的发展，越来越多的军用设备需要根据任务需求，随时变更工作地点。为了保证这些军用设备的机动性能，往往以载车为运输载体，设备安装在载车上，对于具有大口径抛物面天线的雷达这样的大型设备，通常选用平板拖车作为载车。载车到达目的地后，借助平台快速将设备架设调至水平，设备工作，工作完成后平台能够快速的撤收、转移。既保证了设备的工作性能，又大大提高了设备的机动性【L】。在过去，对于平台的水平度调节主要依靠人工手动完成，通常需要一部分操作人员手动调节千斤顶或丝杠【2】，另外一部分操作人员观察水平仪的水泡位置来完成。这样的过程费时费力，且精度低、抗倾覆能力差。由于对调平时间、调平精度的要求越来越高，过去的调平方法已经远远不能满足实际情况的需要。自动调平控制技术应运而生，所需时间短、精度高、抗倾覆能力强的自动调平控制技术已经广泛应用于生产、生活的各个方面，如摊铺机、静力压桩机、高空作业车、消防车、挖掘装载机，大型钻机、地铁、平地机、浅海修井平台、桥梁检测作业车等。在军用方面，自动调平控制系统广泛应用于导弹车、机动发射装置、测控装置、情报雷达天线座车、坦克火控调试台等设备。以车载雷达为例，在现阶段的高科技战争中，雷达装备被大量使用，为了能够更加精确的监测军事目标并且有效提高雷达的生存能力，除了对雷达常规性能和抗干扰性能提出相应要求外，对雷达的机动性能也提出了更高的要求【4J。雷达的机动性是指雷达快速隐蔽或转移阵地的能力，提高雷达的机动性是提高雷达生存和工作能力的有效手段之一。制约雷达机动性的主要因素是军用雷达等电子设备进入阵地后，进行架设并调整到水平状态的时间和撤出阵地时，设备撤收时间过长。自动调平控制系统是消除这一制约因素的关键设备，所以得到国内外军工系统的普遍重视。随着自动控制技术和电子元器件的发展，许多新器件、新方法应用于自动调平控制系统，使调平所用时间及调平精度符合严格的战场要求。本课题来源于中国电子科技集团公司第三十九研究所某雷达载车自动调平控制系统的研究开发项目。目的是使车载雷达在停车工作时其载车能够迅速架设，快速精确地达到水平，工作完成后能够迅速撤收，车载雷达能够快速转移，即在保证车载雷达工作性能的条件下最大程度的提高系统的机动性。2基于PLC的自动调平控制系统研制12发展现状及趋势上世纪八十年代以前的调平系统一般用三点支撑、手动调平。它的特点是在调平时，采用手动螺杆或液压千斤顶，通过多人同时协调操作，一部分人操纵千斤顶手动螺杆，一部分人看水准泡，经过反复调整后达到水平。这种调平系统平台调整时间长，调平精度低，并且平台的抗倾覆能力差，现在基本上已不再使用。它的实际应用如原苏制的SA2防空导弹发射车和法制响尾蛇主战车的平台调平【5】O随着电子技术和控制技术的迅猛发展，调平系统逐渐完成了由手动调平向自动调平的过渡，支撑方式也由三点支撑转变为四点支撑或六点支撑。现在的自动调平系统，通常是采用工控机、微控制器MICROCONTROLLER或PLCPROGRAMMABLELOGICCONTROLLER作为系统控制核心，采用液压系统或伺服系统作为系统的执行元件。文献【6】讨论了雷达天线车的调平问题，着重提出了三点式和四点式支撑的调平控制方法，最终实现了四点支撑的雷达天线座车的全自动电液式调平，且调平精度优于6分。文献【7】提出了六点支撑液压平台的两种调平方法，即位置误差控制法和角度误差控制法，设计了相应的液压控制系统，并对两种方法的适用性进行了讨论。文献8参照STEWART并联机构，将六点支撑液压式平台的高次静不定平台结构转化为静定结构。通过对平台机构运动学和动力学分析，得到了关于平台腿长、液压缸速度、加速度、驱动力的计算机参数化调平算法。与此同期，中国电子科技集团公司第14研究所某高机动雷达平台采用的电液式自动调平系统【51，在3分钟内能将平台的精度调整到3分以内。进入21世纪以来，在客观上要求车载平台具有更高的精度和稳定性，电液式自动调平已经难以满足平台所需精度的要求。在此阶段，世界上各个著名的电气公司相继推出了各自的全数字式交流伺服系统，它们综合了伺服电机、角速度和角位移传感器的最新成就，且在交流伺服驱动器里采用新型功率开关器件、专用集成电路和新的控制算法，并且不断的采用新技术进行更新换代，该类产品具有很高的控制精度和更好的动态性能，这些执行元件的出现和其自身价格的竞争力，使得以高精度、高稳定性的机电式调平系统替代电液式调平系统成为一种趋势。在车载雷达平台领域，文献9】针对目前的液压调平系统存在的缺点，提出一种基于伺服系统的自动调平系统，该系统采用模块化设计、现场总线通信方式连接，完成了以S7PLC为控制核心的机电式自动调平系统的实践，结果表明，该系统满足当前自动调平系统快速、准确以及恶劣使用环境的要求。文献101对II二T液第一章绪论3压调平方式和应用电机的电调平方式的优劣，也指出了三点式调平和四点式调平控制方式在稳固性和抗倾覆能力的区别以及采用这两种方式对精度带来的影响。文献11】运用了坐标变换方法，推导出了车载平台的位姿变换矩阵，并从提高调平效率的角度出发，利用位姿变换矩阵确定了向中间看齐的调平策略。以上几种车载雷达平台自动调平系统都尚未批量装备于机动雷达，目前国内装备于军队的机电式自动调平基本上都由中国电子科技集团第38研究所【5】提供，该所的四点支撑、机电式自动调平系统调平精度为4分，调平时间小于120秒。随着调平技术的进一步发展，国内外相关的科研机构提出了车载激光武器的概念，现阶段对此类高精度、机电式的自动调平系统大多还处于平台的系统动力学建模和分析、平台结构和控制系统方案的设计和论证等概念设计阶段。文献112】建立了激光平台的六自由度动力学简化模型，奠定了激光平台方案的概念设计以及主动控制概念研究的理论基础。并且通过数值仿真，比较了不同激光平台支撑方案的优缺点，指出在现有条件下采用硬支撑对达到预期的性能指标最为有利【14】【15】。在激光平台系统控制方案设计方面，文献131建立了激光平台系统的主动振动控制模型，并将一种基于LMI的结构振动控制器设计新方法应用于两类支撑的激光平台振动控制中，探讨了激光平台系统的主动控制方法。此外，文献16】分析了激光平台的仿真、调平、参数软测量及振动控制方法。现阶段，国内外的调平技术都已逐步成熟，但随着设备机动性要求的不断提高，对调平系统调平时间和调平精度的要求也相应提高，与之相适应的自动控制调平技术也不断发展。今后的自动调平系统将向以下几个方向发剧17】【18J1精确性系统的精确性程度主要取决于倾角传感器的分辨率。随着采用新结构、新材料、新工艺和新技术的高精度倾角传感器的迅猛发展，倾角传感器的性能得到了大幅度的提高，倾角传感器正在从传统的液体摆、气体摆原理向伺服加速度及力平衡、重力摆原理发展，目前倾角传感器的分辨率已达到0001度或更高。2稳定性近年来，为了适应现代武器装备高机动性和快速反应能力的需求，要求车载平台有更高的稳定性，采用电液伺服系统已经不能满足精确度的要求，随之出现的机电伺服系统来代替电液系统，加上单片机系统可靠性与抗干扰技术的不断发展，为单片机系统稳定、可靠的工作奠定了基础。特别是计算机技术、传感器技术的发展，使高稳定性的调平系统得以实现。3快速性目前，倾角传感器的响应速度已显著提高，世界上最新型倾角传感器响应时间达到了5毫秒，相当于200次秒的响应速度，再加上先进控制算法在控制系统中的应用，都大大缩短了调平系统的调平时间，很大程度上提高武器系统的快速性。4可操作性在自动调平系统中设计有人机交互显示面板，通过其图形界面显示系统的状态及各种实时参数，并根据工作需要对系统进行参数设置。面板设置4基于PLC的自动调平控制系统研制有多个功能键，可根据需要自由定义，实现了调平系统的各种操作，同时设置有手动自动操作的切换开关，可以在自动调平系统出现故障或其他特殊情况下，由人工来完成调平工作。这些都将大大提高该系统的可操作性。13论文的主要研究内容根据论文所选题目及意义，本论文基于PLC研制了一套适用于车载雷达的自动调平控制系统，目的是提高车载雷达的机动性。论文各章节的主要内容如下第一章介绍了课题的背景和来源，分析了自动调平控制系统的发展现状及发展趋势。第二章分析了自动调平控制系统的控制要求及主要工作方式，从驱动方式的选择、主控制器的选择、支撑方式的选择以及调平方法的选择等方面对系统进行总体的方案设计。第三章根据自动调平控制系统的总体方案要求，介绍系统的机械组成和电气组成，并对系统中主要元器件进行选型并对其性能特点进行介绍。第四章对自动调平控制系统的调平方法进行分析，根据分析结果提出相应的调平策略，并对重要的子系统的工作流程进行了分析。第五章对自动调平控制系统的软件进行开发。第六章对自动调平控制系统进行现场调试。第七章对本文所做工作进行总结，并指出了下一步要完成的任务。第二章系统的总体设计第二章系统的总体设计21控制要求与主要工作方式如图21所示为车载雷达示意图，雷达由载车运载，到达目的地后汽车停止，自动调平控制系统开始工作，使雷达的工作平面达到水平，雷达工作，工作完成后，调平系统进行撤收，雷达由载车运输至下一工作地点。图21车载雷达示恿图但是，自动调平控制系统并不是在任何环境下都可以工作，自动调平控制系统需满足如下的要求1在运动状态下车载自动调平控制系统由载车运载，支腿处于收藏状态；2进入调平工作状态时，先进行预支撑，车体平台由支撑系统支撑并与地面脱离；，3用双轴倾角仪检测此时平台横倾和纵倾的角度，如果大于5。，支腿收藏，退出调平程序，重新停车；4平台应在规定时间内调平并满足精度要求，调平以后应对其位置锁定，保证平台水平；5当平台偏离水平状态时，可以及时调平并满足精度要求；6车载调平系统平台进入运动状态时，其支撑脚能迅速升起；7要求系统能在两分钟时间内快速架设起来，并达到01。的精度。本系统可以在两种工作方式下工作自动调平工作方式和手动调平工作方式。在自动调平工作方式下，系统会根据程序，依次进行角度检测、倾角小于5。时进6基于PLC的自动调平控制系统研制行预支撑、确定最高点、计算支腿移动量、粗调平、精调平、充实支腿等子程序。手动工作方式下，需要手动输入命令，逐步执行上述子程序。相比之下，手动工作方式费时费力，所以只有在系统调试、检测过程中才使用手动调平工作方式。22系统总体方案的对比与选择随着电子元器件发展的日益成熟和多样化，并且越来越多的先进技术应用于调平控制领域，自动调平控制系统的实现方式也变得多种多样。我们可以根据本系统的实际情况选择不同的调平方案和相应的元部件【16】【171。如图22所示为自动调平控制系统实现方法汇总的示意图。通过对比现有的自动调平控制系统的总体实现方案，可知实现自动调平的主要方案有两大类，一是机电式调平系统，二是液压式调平系统。而机电式调平系统的实现方式又多种多样，主要分为以下三个方面按主控制器的类型分，主要有基于PLC调平系统、基于工控机调平系统和基于单片机调平系统；按支撑方式分，主要有刚性支撑、半刚性支撑和弹性支撑三种，其中，刚性支撑方式又主要有三点支撑、四点支撑和六点支撑三种方式；按调平方法分，主要有角度误差控制法和位置误差控制法，后者又包括最高点不动、最低点不动、中心不动调平法和设定点不动调平法。接下来我们对各种方法的原理和优缺点进行介绍，从而根据工程的实际需要选择合适的方案。调可方第二章系统的总体设计7221驱动系统的选择现有的自动调平控制系统中，驱动系统主要有机电系统和液压系统两种。现代生产机械一般由工作机构、传动机构、原动机及控制系统等级部分组成。当原动机为电动机时，即由电动机通过传动机构带动工作机构进行工作时，这种传动方式称为“机电传动”。一般说来，机电传动系统包括电动机、电器控制电路以及电动机和运动部件相互联系的传动机构。一般把电动机及传动机构合并一起称为“电气拖动”部分把满足加工工艺要求使电动机启动、制动、反向、调速、快速定位等电气控制和电气操作部分视为“电气自动控制”部分，或称电气自动控制装置。这也就是机电传动系统的两大组成部分。机电系统的缺点在于承载能力有限，如果设备重量过大，就不适合用机电系统进行传动。但是机电系统的成本低、稳定性好、适宜在恶劣的环境下工作、维护修理容易。像机电传动一样，液压传动也是传送动力的方法之一，它是靠密封容器内受静压力的液体传送动力的。在液压系统中，油泵将具有一定转矩M和转速N的电动机的机械能，转变成具有一定压力和流量的液压能，通过控制阀的调节，借助执行机构油缸和马达还原成所需要的移动或回转的机械能，由于这种动力的变换和传递是依靠液压油作传动介质的，所以叫液压传动。液压传动在动力特性方面占有很大优势，系统体积小、重量轻、结构紧凑、加速性好【191。如果一电气系统能够搬送1424KG载荷，则相同体积的液压系统就可搬送100140KG的载荷，而且还有与电气系统相当的精度和响应速度。液压驱动机构可以得到很大的速度范围，其低速性能比电动机好；液压系统定位刚度较大，位置误差小；液压缸是直线位移驱动机构，其运动与支腿要求的运动相吻合，易获得较高的控制性能。因此，从功率、结构和控制精度等方面看，大吨位载荷的平台控制采用电液伺服并联机构驱动最为合适。但是液压系统也存在缺点，首先，液压传动装置以液体作为工作介质，无法避免泄漏。液体的泄漏和液体的可压缩性使液压传动无法保证严格的传动比。其次，液压传动装置对油温和负载的变化都比较敏感，不宜在低温及高温条件下工作。液压传动装置对油液的污染亦比较敏感，要求有良好的过滤措施。最后，液压传动装置出现故障时不易追查原因、迅速排除。这一系列缺点影响了液压式调平系统的可靠性和可维护性，从而限制了其应用范围、工作性能和对环境的适应能力。机电式自动调平与液压式自动调平相比具有可靠性高、维护方便简单等特点。由于我们设备的工作环境较复杂，而液压系统对环境要求比较苛刻，所以本系统选择机电系统作为驱动系统。基于PLC的自动调平控制系统研制222主控制器的选择现在市场上的控制器多种多样，如DSP、单片机和PLC等等。而车载平台的自动调平控制系统体系结构总体上有三类。即基于单片机型、基于工控机运动控制卡型和基于可编程控制器PLC型。单片机的技术现在已非常成熟，从早期的8位单片机，到后来的用于各种控制系统的16位单片机，因其开发容易、成本低廉而被大量应用。对于较为简单的控制系统，单片机完全可以做到应付自如，但是现在的控制系统向高速、高精度方向发展，而且硬件系统朝集成化方向发展，单片机使用时需搭建许多外围电路，这无疑降低了系统的可靠性。工控机的主要优点是人机交互界面好，非常适合整合数个子系统的应用，现在被大量用于复杂多子系统控制系统。但是其存在操作系统耗费CPU大量资源，体积重量大，功耗高等缺点。工控机运动控制卡具有开发简单、性能稳定、抗干扰能力强的特点，但其由于没有形成独立的下位系统，工作时候必须通过迅速启动工控机完成系统上电过程，系统启动所需时间较长，这在分秒必争的战场环境下是一个很大的劣势，同时系统较为复杂，自身重量和占用空间也较大，这对车载能力尤其是车载空间提出了较高要求，且其硬件部分也不容易扩展。这些缺点使得近期的车载平台调平控制系统在体系结构的选型基本上都集中于能独立构成下位系统的PLC上。可编程逻辑控制器PROGRAMMABLELOGICCONTROLLER简称PLC，是在微处理器的基础上发展起来的一种新型的控制器，是一种基于计算机技术、专为在工业环境下应用而设计的电子控制装置。它采用存储器存储用户程序，通过数字或模拟的输入输出完成一系列逻辑、顺序、定时、计数、运算等功能，控制各种类型的机电一体化设备和生产过程。PLC把微型计算机技术和继电器控制技术融合在一起，兼具计算机的功能完备、灵活性强、通用性好以及继电接触器控制系统的简单易懂、维修方便的特点。目前PLC已经广泛应用在复杂的自动化生产和控制行业中。PLC具有下列优点【20】【2L】1可靠性高。工业现场的环境十分恶劣，如高温、潮湿、振动、冲击、粉尘和强电磁干扰等，因此工业生产对控制系统的可靠性要求很高。PLC是专为工业控制而设计的，能够适应工业现场的恶劣环境。PLC在设计和制造过程中采取了一系列的抗干扰措施，如所有的IO接口电路均采用光电耦合器进行隔离；各模块均采用屏蔽措施，防止辐射干扰等。使PLC的平均无故障时间通常在2000000小时以上。2编程简单易学。程序设计大多采用类似于继电器控制线路的梯形图语言。对使用者来说，只要具备有电气控制方面的相关基础知识，因此很容易为一般的工第二章系统的总体设计9程技术人员所理解和掌握。3功能强。PLC综合应用了微电子技术、通信技术和计算机技术，除了具有逻辑、定时、计数等顺序控制功能外，还具有进行各种算术运算、PID调节、过程监视、网络通信、远程IO和高速数据处理能力，因此可以满足工业控制中的各种复杂功能要求。4接口模块丰富。PLC除了具有CPU和存储器以外，还有丰富的IO接口模块。对于工业现场的不同信号如交流或直流、开关量或模拟量、电压或电流、脉冲或电位、强电或弱电等，PLC都有相应的IO模块与工业现场的器件或设备直接相连。此外，为了适应新的工业控制要求，IO模块也越来越丰富，如通信模块、位置控制模块、模拟量模块等，进一步提高了PLC的性能。5安装简单，使用方便。PLC可以在各种工业环境下直接安装运行，使用时只需根据要求编写程序，将现场的各种IO设备与PLC相应的IO端相连接，系统便可投入运行。综上所述，可编程控制器PLC专门用于工业现场环境，在抗干扰能力方面优于单片机等其它控制器。对比每种控制器的优缺点，本系统最终选择PLC作为自动调平控制系统的主控制器。223自动调平控制系统的支撑目前自动调平控制系统的实现有刚性支撑、半刚性支撑、弹性支撑等多种支撑方式【6】，而在刚性支撑中又有三点支撑、四点支撑、六点支撑多种具体支撑方式。刚性支撑是指支腿全部为刚性构件，平台上的载荷全部通过刚性支腿直接传递到地面，其中又有三点支撑、四点支撑和六点支撑三种支撑方式。半刚性支撑是指设备的工作平台用前轮和后千斤项支撑于地面，形成所谓的前弹性、后刚性的支撑。使用这种支撑，发射平台由行军状态转换为战斗状态时，后面的两个千斤顶下降，着地后将全车抬起，后轮逐步减少负载，到一定值后停止。弹性支撑是指发射平台用前后车轮支撑于地面，发射时的载荷通过前、后车轮传给地面。车体上的悬挂可以锁死，只有轮胎的弹性支撑。也可以不锁住，由轮胎和悬挂的弹性串连支撑。由以上介绍的三种支撑方式可知，三种支撑方式中刚性支撑刚性最好，所以精度也最高，稳定性最好，本系统选取刚性支撑方式。在刚性支撑中又有三点支撑、四点支撑和六点支撑等方式可以选择。下面就重点研究这三种支撑方式的优缺点。1三种支撑方式下支腿的受力情况【22】【231】10基于PLC的自动调平控制系统研制从受力状况角度进行分析，平台稳定后，应满足受力平衡和力矩平衡两个条件。现以四点支撑为例进行分析，如图23所示。设平台载重为G，OC支腿距离为A，OA支腿距离为B。图中两条相垂直的直线将平台平均分成4部分，圆圈F为重心所在位置。设OABC支腿受力分别为VO、卧VB、FO，则根据受力平衡有FOEFBFOG式21以支腿0为原点，根据力矩平衡有FEXA了GIA式22可得FGIG式23故在理想状态下，调平结束后每个支腿受力应为G4。但是，如果重心在圆圈E的位置，即不在平台的几何中心上，距OA支腿所在边为C，则受力平衡方程不变，但力矩平衡方程变为FCA詈C船4用此式和式22做对比可知，式24中的F。小于式22中的FF百G。0CEFD厂、，、VAB图23四腿支撑平台受力分析示意图由以上分析可知，由于平台载荷重心所在位置不同，可以造成调平后支腿受力不平衡。而且在调平过程中，难免会出现暂时受力不平衡的情况，或在加速支撑过程中，支腿会承受大于G4的支撑力。而对于四点支撑和六点支撑来说，除了上述三种情况，还要考虑到“虚腿”的情况。尽管“虚腿“的情况在调平结束后是不允许存在的，但在调平过程中是不可避免的。在存在“虚腿“的情况下，支腿更要承受更多的支撑力。第二章系统的总体设计因此，载荷的重量也是我们选择支撑方式的考虑要素。一般情况下较轻载荷选用三腿支撑平台，十几吨的载荷选用四腿支撑平台，对于负荷达数十吨的大型平台，平台跨度相对较大，用四腿或三腿支撑时台面变形超出精度允许范围，为了提高平台刚度，应该使用六腿支撑平台。2三种支撑方式的精度对比【10】OA图24三点支撑调平方式YIJ，CBQ夕口0A图25四点支撑调平方式如图24、25所示为三点支撑和四点支撑调平方式示意图，图中X、Y两轴上的矩形代表两个单轴倾角仪，所以一个平台需要用两个单轴倾角仪，设秒为两个单12基于PLC的自动调平控制系统研制轴倾角传感器安装位置所在轴线的夹角，假设倾角传感器敏感得到两个轴向倾斜角度分别为口、。则三点调平的水平误差Z可以根据口、P成为T241Z口222AFLCOSOSINO式25若口、的控制精度都为万，则三点调平平台的水平误差为Z422EOSODSINO式26如图24所示，若OAB为等边三角形，有0600，则Z28式27而在四点调平方式下，0900，平台的水平误差Y为Y428式28对于六点支撑的平台来说，倾角仪的安装方法与四点支撑相同，故六点支撑平台的水平误差与四点支撑平台相同。我们现在常用的双轴倾角仪与上面分析的四点调平情况一致。从以上分析可以看出，六点和四点支撑平台的调平方式比起三点支撑的平台，除了稳定性和抗倾覆能力有提高外，精度也有所提高。3三种支撑方式下抗倾覆能力的对比【25】【26】在三点支撑、四点支撑和六点支撑平台中，通常说三点支撑平台抗倾覆能力差，相比三点支撑平台，四、六点支撑平台的抗倾覆能力有了大大的加强。在此通过三点支撑和四点支撑平台的抗倾覆能力对比进行说吲25】【271。如图26所示0HCFRDE。AB图26两种支撑力臂结构示意图OAD为三点支撑平台的三条腿，OABC为四点支撑平台的四条腿。EF上OD，EF为三点支撑平台的抗倾覆力臂，EH为四点支撑平台的抗倾覆力臂。假设重心在平台的几何中心上。由图可以看出，在同样的空问内，EHEFO所以，四点支撑的抗倾覆力矩稳定矩M。GXEH远大于三点支撑的抗倾覆力矩稳定矩MGEF。由于六点支撑的平台承载能力比三支撑、四支撑强，一般情况下，第二章系统的总体设计13六点支撑平台的跨距也大，抗倾覆力臂相对较长，所以抗倾覆能力是三种支撑方式中最好的。在理论上，一般认为平台是理想刚性的，但在实际工程中，平台也是有形变的，平台的刚度好有利于平台的调平，支撑点的增多可以显著的提高平台的支撑刚度。从这一角度出发，可知六腿支撑平台刚度最好，四腿支撑平台次之，三腿支撑平台最差。由于任意不在同一直线上的三点可以确定一个平面。对于三点支撑平台来说C3_1，即三个支腿可以唯一确定一个平面，而对于四腿支撑平面来说CI4，即四个支腿可以确定4个不同平面，对于六腿支撑平面来说C20，即六个支腿可以确定20个不同平面。在调平过程中只要任意三点组成的平面达到水平即可认为平面水平。由于三腿支撑平台有唯一确定的平面，故其调平实现简单。由于平台不是绝对刚体，对于四、六腿支撑的平面，增加了不确定因素，并且也大大增加了“虚腿”出现的可能性【7】【28】，增加了调平的难度与时间。经过以上对三种支撑方式三个方面的对比，可以看出六点支撑平台的承载力最好，四点支撑平台次之，三点支撑平台最差；四点支撑和六点支撑平台的调平精度优于三点支撑平台的调平精度；从抗倾覆能力看，六点支撑平台的性能最佳，四点支撑平台次之，三点支撑平台最差【291。由于工程实际中载荷大约为十吨，对平台的载重能力要求不是很高，又要求有较好的抗倾覆能力，根据三种支撑性能的优缺点，本系统选择四点支撑平台较为合适。224自动调平控制系统的调平方法自动调平控制系统的调平方法主要有角度误差控制法和位置误差控制法【5】【3011311。角度误差控制调平法这种方法直接控制平台的横倾角口、纵倾角，通过支腿的伸长或缩短使倾角减少，直到倾角为0。如图27所示，分别以口为横轴，为纵轴，可以建立平面CROP，口、的所有可能取值都能在如图CROP平面内有一点与之对应，0为原点。设平面的横倾角和纵倾角的精度均为艿，则由口万和万这四条直线围成了图中所示的正方形。根据角度误差控制调平法的定义，可知，在平台调平过程中，当横倾角口、纵倾角组成的坐标值在CROP平面中对应的点在正方形内，则可认为平台已经调平。14基于PLC的自动调平控制系统研制JI声艿一60巧T一6图27角度误差调平法控制逻辑图位置误差控制法指的是直接控制各支腿需要伸长或缩短的距离。通过计算得到达到水平每个支腿要升高或降低的距离，使每条支腿升高或降低一定的距离，则可认为平台达到水平。位置误差控制法又有四种方式追逐式调平法，最高点不动；追逐式调平法，最低点不动；中心不动调平法；设定点不动调平法。一般情况下，采用只升不降的原则【311，即由调平程序判断出最高点后，其余的点上升向最高点靠拢来进行调平【3311341。这是由于平台的自重和负载较大，当采用支点下降调平时，会产生较大的惯性力，使车载天线工作平台产生剧烈抖动，不利于调平。此外，由于受坡度位置的限制等影响，如采用下降法进行调平时，可能会导致平台最后无法达到水平。本系统根据实际情况，选择了角度误差控制法和位置误差控制法相结合的调平方式，其中，位置误差控制法中选用的是追逐式调平最高点不动调平法。这样可以最大限度的发挥两种调平方法的优点，达到快速精确的调平。具体的选择依据在第四章会进行详细分析。综上所述，本系统选择PLC作为主控制器、四点支撑方式的平台和角度误差控制法和位置误差控制法相结合的调平方法所组成的机电式调平系统。23小结本章首先分析了系统主要工作方式及控制要求。对现有的自动调平控制系统的实现方法进行分析，然后根据本系统的实际情况的需要，对系统的总体方案进行设计、选择，其中着重分析了三点支撑、四点支撑和六点支撑方式调平的优缺第二章系统的总体设计15点。最终选择了机电系统为驱动方式，PLC作为主控制器、四腿支撑方式的平台，调平时用位置误差控制法和角度误差控制法相结合的调平方式。第三章系统的硬件集成设计17第三章系统的硬件集成设计31系统的机械构成自动调平控制系统的控制对象是车载雷达的矩形工作平台和工作平台的四组支撑结构，支撑结构包括支腿和扩腿两部分，拖车和雷达载荷大约13吨。平板拖车设计相对支撑结构设计来说较容易。支撑结构的设计主要涉及电机轴的旋转运动转化为支腿和扩腿的伸出和收回的直线移动，自锁和刚度要求等问题。如图31所示为平台与支腿连接示意图。平台与支腿的连接方式为，扩腿和支腿分别由外筒、内筒、螺母、丝杠以及限位开关组成。扩腿的外筒与平台相连，扩腿的内筒与支腿的外筒相连。支腿丝杠与电机轴相连，实现旋转运动，螺母与内筒连在一起，通过螺旋传动的方式，实现转动转化为直线运动。套筒图31平台与支腿连接示意图支腿和扩腿不仅在机械结构方面相似，在工作原理方面也相似。所以在此仅以支腿为例进行介绍。如图32为支腿机械构成示意图。由图所示可知，支腿由电机、减速箱、丝杠、上限位开关、下限位开关、落地开关、外筒、内筒、螺母等组成135】。18基于PLC的自动调平控制系统研制电机减速器上限位开关内外琢简筒厶厶下限位I开关FLDT11图32支腿机械构成示意图支腿的工作原理为当电机收到指令后，电机启动，丝杠转动一定的圈数，经由螺旋传动的方式，螺母和内筒向上或向下移动一定的距离。当收到停止指令时，无需加专门的自锁工具，丝杠可实现自锁。因为电机控制在传动过程中，通过丝杠实现了转动化为直线运动的方式，并且在电机轴安装有减速器，减速比为1001，丝杠的螺纹为5MM左右，所以整个电机对平台的位置控制几乎没有惯性，平台位置控制可以实现高精度定位【361。32系统的电气组成本系统由西门子S7200PLC、编码器、数字双轴倾角仪、三相交流电机；包括减速器、变频器包括与其相匹配的速度回授PG卡、丝杠、RS485通信接口和接近传感器与继电器组成的接近开关组成。系统的框图如图33所示。J第三章系统的硬件集成设计19图33自动调平控制系统的组成框图如图33所示，自动调平控制系统的四个扩腿上分别安装有两个接近传感器，分别用于检测扩腿扩到位和收到位的极限位置。四个支腿上分别安装有三个接近传感器，分别用于每个支腿运动过程中到达上限位、下限位和接触地面的指示，待支腿运动到上限位、下限位时，电机停止转动并且报警，支腿接触地面时，编码器开始检测电机转过的角位移，进而可以计算得到平台脱离汽车轮胎支撑而上升的距离。变频器与PLC的输出端口相连，变频器驱动电机转动，速度回授卡PG卡检测电机的转速，与电机同轴相连的编码器检测电机转过的角位移。数字双轴倾角仪与PLC通过串口RS485相连，传递平台的横倾角和纵倾角值。触摸屏与PLC通过串口RS485相连，向PLC传递控制指令，如自动调平、手动调平以及手动调平过程中的各个子模块的开始指令。基于PLC的自动调平控制系统研制331PLC33相关元器件介绍可编程序控制器PET主要由中央处理器CPU、存储器RAM、ROM、输入输出单元IO、电源和编程器等几部分组成，是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用一类可编程的存储器，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计算和算数操作等面向用户的指令；并通过数字式或模拟式输入输出控制各种类型的机械或生产过程。具有可靠性高，抗干扰能力强；编程简单、直观；控制能力强；易于安装，便于维护等优点。如图34为PLC的系统组成结构刚捌。输入设备按输出设备接触钮、开关等器、电磁阀等图34PLC系统组成结构图PIC编程器监控设备外存储器打印机条码读入器CPU是PLC的核心部件，负责完成逻辑运算、数字运算及协调系统内各部分的工作。它在系统程序的管理下运行，主要功能有接收并存储由编程器输入的用户程序和数据；诊断电源故障及用户程序的语法错误；读取输入状态和数据并存储到相应的存储区；读取用户程序指令，解释执行用户程序，完成逻辑运算、数字运算、数据传递等任务，刷新输出映像，将输出映像内容送至输出单元。PLC的存储单元分成两个部分系统程序存储器和用户程序存储器。前者用于存放PLC生产厂家编写的系统程序，PLC的所有功能都是在系统程序的管理下第三章系统的硬件集成设计2L实现的。后者又可分为程序存储区和数据存储区。程序存储区用于存放用户编写的控制程序，数据存储区存放的是程序执行过程中所需要的或者所产生的中间数据。输入输出单元也叫IO单元，输入单元将来自现场的电信号转换为中央处理单元能够接收的电平信号；输出单元则将用户程序的执行结果转换为现场控制电平，或者模拟量，输出至被控对象。髓盏；图35CPU226PLC的CPU本系统中，PLC是接收双轴倾角仪状态、编码器和接近传感器状态，运行调平程序，完成调平控制的主要控制元器件。本系统中，我们选择西门子公司产的S7200PLC。S7200PLC具有四种不同结构配置的CPU单元CPU221、CPU222、CPU224、CPU226。如图35所示为CPU226PLC的CPU外观图。其技术指标如表31【37】所示表31S7200CPU226产品的主要性能表CPU型号CPU226程序存储器8KB用户存储器类型E2PROM本机IO24入16出扩展模块数量7，数字量IO128入128出模拟量IO32入32出33MHZ下布尔指令执行速度O37邮指令内部继电器256计数器定时器256256顺序控制继电器256内置高速计数器6个30KHZ模拟量调节电位器2高速脉冲输出2路20KHZ，DC基于PLC的自动调平控制系统研制通信中断1发送器2接收器硬件输入中断4个输入点通信数量RS4852S7200PLC提供一定数量的主机数字量IO点，当主机点数不够或者处理的信息是模拟量时，就必须使用扩展的接口模块。S7200PLC的接口模块有数字量模块、模拟量模块和智能模块等，例如数字量输入模块EM221、数字量输出模块EM222、数字量输入输出模块EM223、模拟量输入模块EM231、模拟量输出模块EM232、模拟量输输出模块EM235。本系统外加了两个型号为EM223的数字量模块。数字量模块的主要特点是数字量扩展模块内部没有中央控制器，所以必须与CPU模块相连，使用CPU模块的寻址功能，对模块上的IO接口进行控制；数字量扩展模块须由CPU模块通过扩展接口提供正常工作所需的5VDC电源，其外部不再提供工作电源；扩展模块秉承了整体式PLC的结构特点，也吸收了模块式PLC便于扩展的优势，其结构紧凑，与CPU模块同宽同高而长度不同，扩展后与CPU形成一个整齐的长方体结构，十分便于在控制柜内整体安装。EM223数字量模块性能如表3219】【38【391所示。表32EM223数字量模块性能表数字量模块型号EM223输入点数4816点输出点数4816点隔离组点数4点输入电压30VDC最大输出电压204V288VDC或5V30VDC、5V一250VDC电缆长度隔离不隔离30050输出类型DC输出继电器输出电能消耗5VDC40MA100MA160MA所以，整个PLC系统构成如图36所示，其中A为PLC系统构成的示意图，B为PLC系统构成实物图。PLCCPU226EM223EM223A第三章系统的硬件集成设计图36PLC系统构成图PLC系统的通道分配表如表33所示为表33PLC系统通道分配表输入输出。腿编码器A相计数Q00O腿扩度转换。腿编码器B相计数Q01A腿扩度转换。腿上限位。兼复位计数器Q02B腿扩度转换M3C腿编码器A相计数OO3C腿扩度转换C腿编码器B相计数QO4O腿计数方向C腿上限位1兼复位计数器QO5A腿计数方向106A腿编码器A相计数006B艟计数方向M7A腿编码器B相计数QO7C腿计数方向A腿上限位L兼复位计数器Q10O腿正转计数专用QL1O腿反转B睫编码器A相计数QI2O腿I档速度B腿编码嚣B相计数QI3O腿2档速度B腿上限位L兼复位计数器QI4B腿清除状态计数专H|OL5O腿清除状态IL6O腿下限位QL6A腿止转。腿落地OL7A腥反转A腿下限位Q20A腿1档速度A腿落地Q2IA腿2档速度乜2B腿F限位022C腿清除状态心3B腿落地Q23B腿清除状志C腿F限伉Q24B腿正转N5相序与缺相025B腿反转126C腿落地026B腿1档速度Q27B腿2档速度24基于PLC的自动调平控制系统研制1300腿扩腿到位Q3O手动开关指示灯1310腿收腿到位Q31自动开关指示灯1320腿故障Q32C腿正转133Q33C腿反转134A腿扩腿到位Q34C腿1档速度135A腿收腿到位Q35C腿2档速度136A腿故障Q36举升开关指示灯137Q37撤收开关指示灯14OB腿扩腿到位141B腿收腿到位142B腿故障143144C腿扩腿到位145C腿收腿到位146C腿故障147如图37所示为系统PLC的外围电路图。图37PLC的外围电路第三章系统的硬件集成设计如图37所示，各支腿的限位开关和码盘信号与PLC的输入端子相连，各支腿的变频器与PLC的输出端子相连。PLC有两个RS485串口，倾角仪串口为RS485，触摸屏串口为RS一232，所以需要用转换接头进行转换。332编码器编码器把角位移或直线位移转换成电信号，前者称为码盘，后者称为码尺。按照读出方式编码器可以分为接触式和非接触式两种。接触式采用电刷输出，电刷接触导电区或绝缘区来表示代码的状态是“L”还是“0”；非接触式的接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件时，以透光区和不透光区来表示代码的状态是“1”还是“0”，通过“1”和“0”的二进制编码来将采集来的物理信号转换为机器码可读取的电信号用以通讯、传输和储存。如图38为光电编码器原理示意图。图38光电编码器原理不意图按照工作原理编码器可分为增量式和绝对式两类。增量式编码器以转动时输出脉冲，通过计数设备来知道其位置，当编码器不动或停电时，依靠计数设备的内部记忆来记住位置。这样，当停电后，编码器不能有任何的移动，当来电工作时，编码器输出脉冲过程中，也不能有干扰而丢失脉冲，不然，计数设备记忆的零点就会偏移，而且这种偏移的量是无从知道的，只有错误的生产结果出现后才能知道。如图39为增量式旋转编码器的内部工作原理示意图。AB顺时钟图39增量式旋转编码器的内部工作示意图A，B两点对应两个光敏接受管，A，B两点间距为S2，角度码盘的光栅间距分别为SO和S1。当角度码盘以某个速度匀速转动时，那么可知输出波形图中的S0S1S2比值与实际图的SOS1S2比值相同，同理角度码盘以其他