车臂架控制体系策划简述

作者：胥军 李刚炎 王鹏飞 陈涛涛 单位：武汉理工大学机电工程学院

通过力学分析与校验，举升机构在变幅平面内的运动范围大约为：下臂相对于水平面0°~86°；中臂相对于下臂0°~166°；上臂相对于中臂0°~180°[2]。臂架变幅的具体控制要求可描述为：回转台回转至期望方向后，操作下臂或中臂运动，上臂随动以自动调平作业平台。若作业平台仍未运动至预期作业位置，重复操作回转台、下臂或中臂运动，直至操作人员到达预期作业位置。臂架系统要能自动回收，回收时中臂先运动至相对于下臂的初始位置（夹角0°），上臂随动，自动调平作业平台；中臂完全回收后下臂开始回收，中臂与下臂保持相对静止，上臂随动保持作业平台的水平，下臂回收至初始位置后，臂架系统完全收回。

臂架变幅控制系统结构设计

本文设计的臂架变幅控制系统既可在上车触摸屏操作，也可在下车触摸屏操作，通过互锁功能确保同一时刻只能由上车或下车触摸屏发出控制指令；通过触摸屏间的同步通信功能，很容易实现上车操作与下车操作的同步。在分析臂架变幅控制需求的基础上，整理臂架变幅的具体控制流程为：主电源接通后，在触摸屏上选择上车或下车操作，当回转台运动至目标位置后接通下臂操作开关或中臂操作开关对下臂或中臂进行操作。若先接通下臂操作开关，此时下臂运动指示灯亮，上臂随动，自动调平作业平台；若接通中臂操作开关则中臂运动指示灯亮，上臂随动，保持作业平台水平。可重复操作回转台回转，下臂、中臂的升起和下降以使作业平台运动至最理想的位置进行作业。作业完成后，接通臂架自动回收开关，此时中臂运动指示灯亮，中臂自动归位至相对于下臂的初始位置，中臂完全归位后下臂开始运动，下臂运动指示灯亮，中臂与下臂保持相对静止，上臂随动，调平作业平台，当下臂运动至相对于回转台的初始位置后，臂架系统回收完毕。根据上车、下车控制流程，设计臂架变幅控制系统的结构。将上车PLC安装于回转台上，处理上车所有传感器信号和控制信号。上臂与中臂、中臂与下臂、下臂与转台之间均装有传感器，可实时检测各节臂的旋转角度，输出模拟信号至PLC的A/D转换模块，经过PLC运算后在触摸屏上实时显示。上车和下车处的触摸屏与PLC之间通过RS-485总线通信实现双向数据传输。通过变比例系数快速PID调节法实现双液压缸同步控制，确保臂架受力平衡，防止臂架发生扭曲变形，提高臂架变幅的稳定性，臂架变幅控制系统总体策略如图3所示。双液压缸同步控制工作方式为：以主动液压缸1的运动位移为基准，从动液压缸2跟随主动液压缸1运动，系统根据两液压缸的位移差进行PID运算得到调整信号，由D/A转换模块的输出调节流过比例方向阀1的流量，从而改变从动液压缸2的运动速度，达到主动液压缸1与从动液压缸2同步的目的。当从动液压动缸2的伸出位移大于主动液压缸1的伸出位移时，通过PID运算，减少比例方向阀2的控制值，从而使从动液压缸2放慢伸出速度达到与主动液压缸1同步。反之，增加比例方向阀2的控制值以加快从动液压缸2的伸出速度。

臂架变幅控制系统开发

作为折臂式高空作业车控制系统的主控制器，PLC的性能直接影响整车的功能与性能。折臂式高空作业车臂架变幅控制系统需处理的信号类型包括数字量和模拟量两类，通过逻辑关系处理和算术运算即可满足控制要求。考虑控制系统的性价比，选择三菱FX系列PLC（FX2N）作为主控制器[6-8]，配合4通道12位精度A/D转换模块与D/A转换模块、FameView触摸屏、角位移传感器等，共同构成臂架变幅控制系统的硬件部分。根据臂架实际的运动情况开发控制程序。此外，为了实现更为友好的人机交互，在FameView组态软件[9]的基础上设计实时监控界面。为了能方便直观地对折臂式高空作业车的臂架系统进行监控，将HMI（人机交互）界面分为总控部分、臂架变幅控制部分和臂架实时动作动画显示部分，不仅能完成对折臂式高空作业车臂架系统的控制，而且能够直观地显示各臂架的动作状态，使得对折臂式高空作业车的控制变得更加直观。臂架系统HMI界面如图4所示，界面右侧是满足程序功能要求的开关、按钮及指示灯（总控部分、臂架变幅控制部分），左侧是实时监控界面，能够以动画的形式动态地显示臂架的变幅过程（臂架实时动作动画显示部分）。

慧鱼仿真试验模型

为了降低研发调试费用，缩短系统控制程序的开发周期，采用德国慧鱼组件搭建臂架变幅控制仿真试验模型（见图5），对臂架变幅控制系统进行测试和优化。用电机、齿轮和齿条代替液压缸实现对臂架的驱动，模拟折臂式高空作业车臂架变幅时的运动过程。慧鱼仿真试验模型中，下臂、中臂和上臂的旋转运动均是通过电机、变速器、齿轮和齿条的组合驱动实现的。实际工作中，折臂式高空作业车臂架之间是通过液压缸提供动力实现相互运动的。在本文的仿真试验中，控制逻辑和算法是基于各角位移传感器输出的信号，对臂架运动的动力来源并无强制要求，因此，通过慧鱼仿真试验测试得到的结果是接近于实车测试的。

系统调试

控制系统通过计算机模拟和仿真试验来进行调试。在模拟调试时，需通过计算机检测PLC程序无误后，再根据电气控制原理图（见图6）进行接线。实际的输入信号可以通过旋钮开关和按键来模拟，各输出量的通断状态用PLC上的发光二极管来显示。实际的反馈信号（如传感器的模拟信号）可以根据系统控制流程图（见图7），在适当的位置通过改变寄存器的值来模拟。调试时，应充分考虑各种可能的情况，如各种不同的工作方式，系统控制流程图中各种可能的进展路线，都应逐一检查。发现问题后应及时修改程序，直到在各种可能的情况下，输入量与输出量之间的关系完全符合控制逻辑。在计算机模拟调试的基础上，结合慧鱼仿真试验模型，搭建仿真试验系统，进行臂架变幅仿真试验。仿真试验系统如图8所示，其中，角位移传感器信号通过旋钮开关给出，其余各传感器的信号由按键开关给出。输入信号既可以通过相应开关输入，也可以通过触摸屏输入，输出信号通过LED指示灯显示。

结束语

由于试验的关键是检验臂架变幅PID控制参数（比例系数KP、积分系数KI和微分系数KD）设置的合理性，因此首先通过仿真试验对PID控制参数进行多次整定，然后进行实车试验，仿真试验与实车试验PID控制参数对比见表1（本阶段主要解决变幅时的稳定性问题，因此还没有涉及速度或力矩跟随曲线）。对比可知，结合慧鱼仿真试验模型搭建的折臂式高空作业车臂架变幅仿真试验系统，可以方便地对所设计的臂架变幅控制系统的执行效果进行检验和验证，仿真试验结果与实车试验结果（PID控制参数）基本相符，与传统的现场调试方式相比，仿真试验可缩短调试时间60%以上，节省调试成本近40%，大幅提高了折臂式高空作业车控制系统的开发效率，为企业快速开发新产品提供了有力支持。