PLC控制的自動調平系統

引言
為保證平臺穩定，被調平臺有五條支腿，分別用5個執行元件控制其高度，以調整平臺的水平度;用2個水平敏感元件檢測其水平度，2個水平敏感元件垂直安裝，分別用于檢測平臺前后方向的水平度和檢測平臺左右方向的水平度。圖1是被調平臺與支腿和水平傳感器安裝示意圖(圖中未標出平臺上的設備)。

圖1 被調平臺與支腿和水平傳感器安裝示意圖

5個調平支腿高度及2個水平敏感元件的輸出，構成了五輸入二輸出的多輸入輸出系統，每一調平支腿高度變動，都有可能影響平臺的水平度，因此它是一個強耦合的系統。
2 完全解耦的控制方法
系統雖有5個輸入，2個輸出，但我們知道，三點決定平面，所以在調平控制量中有二個輸入量是冗余量，只需選擇平臺重心在三支點構成的三角形內，控制這個三角形的三個支腿高度，即可實現調平;在調平結束后，再控制其余二個支腿著地即可。所以實際系統應是三輸入二輸出系統，經過分析可以得到水平敏感元件的輸出α與β是三個調平支腿高A、B與C的函數:
α=f1(A，B，C)
β=f2(A，B，C)
平臺調平后，應得到α≤δ，β≤δ。δ是一個允許的很小傾角。A、B、C與α、β之間是強耦合的。
應用理論和實驗方法都可得出其傳遞函數，設平臺輸入與輸出關系表示如下:

式中GNM是α、β對于A、B、C的傳函;GNM中下標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。設有一個預補償矩陣Kp(s)使(2)式成立。

式中KPQ中下標Q=1、2代表預補償函數的二個輸入α與β，P=1、2、3代表補償傳函的三個輸出A、B與C。若

則可實現完全解耦。為使完全解耦，必需求出k(S)，并且按(4)式實時計算A、B和C，然后實施控制。

由(3)式解出k(S)，代入(4)式并離散化(4)式，用計算機實時地計算出控制量A、B、C，就構成了快速自動調平系統。然而k(S)不容易顯式解得，(4)式的實時計算量大;以及當用伺服系統控制調平支腿的高度時，最少要有測量3個支腿高度的傳感器和兩個測量平臺水平度的傳感器，硬件電路相對復雜，開發時間長;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
某些平臺上的設備運行中不需實時調平，只要求開始工作前進行一次調平，對調平過程速度要求也不高。這種平臺的調平方法，可用剔除冗余量的解耦控制方法;將調平過程分兩步進行，首先調平某個傾角使之達到水平要求之后，將其鎖定，然后再去調另外一個傾角。在第一步時，剔除了一個傾角及兩個支腿的高，使控制系統變成了單入單出控制系統。第二步剔除已調平了的傾角及相應的已完成調平任務的兩個支腿。這樣第二步調平也變成了單入單出控制系統。這種做法是一種剔除冗余量的解耦控制方法。
具體調平過程敘述如下:首先選擇平臺重心所在三支腿構成的三角形中的三個支腿;在平臺未調平前，三個支腿連結成的三角形中，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，構成單入單出的閉環控制系統。這時，雖然調整最低位置支腿高時，會同時影響兩個傾角，但未被選用的水平傳感器的傾角變化可在第二步時再調平，因此在第一步調平過程中，最高和次高支腿高作為冗余量被暫時剔除了，較小的傾角的輸出也作為冗余量被剔除了。第一步調平過程，直至此最大傾角被調平為止。當此傾角調平后，以此水平線為軸，平臺便成了“蹺蹺板”，在平臺重心作用下，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，也以此時傾角最大的水平敏感元件的輸出為被調量(另一水平敏感元件的輸出已被調為零或一個允許的較小的傾角)，以此時的最低支腿高度為控制量，其余二個輸入和一個輸出作為冗余量被剔除，再次構成一個單入單出的單閉環系統;為防止第二步調平破壞第一步已調平得到的“蹺蹺板”的水平軸線，在第二步調平時，首先要收起最低腿的對角支腿，使此支腿懸空;這樣第二步調平過程就不會影響第一步調平的結果。當此時的最大傾角的水平敏感元件輸出變為零時，就表明平臺已完全被調平了。最后再將其余支腿放下著地使平臺更穩定。
上述剔除冗余量的解耦控制方法算法簡單，即當水平傳感器輸出超過要求時，接通最低位置支腿的電磁閥，調此支腿的高，直至水平傳感器輸出滿足要求止。控制算法中，確定電磁閥接通與否，只由水平傳感器的輸出決定，而不需要測出各調平支腿的高度，因此不需使用測量支腿高度的傳感器。且控制算法中只有一些邏輯判斷，無需處理大量的數椐，適合用PLC實現。
4 用PLC控制自動調平系統
用剔除冗余量的解耦控制方法的調平系統可用PLC實現。用PLC控制的自動調平控制系統主要包含:水平檢測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 自動調平控制系統的硬件結構框圖

下:
圖2中PLC輸出經驅動電路控制電磁閥，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量支腿是否著地;因為當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量輸出模塊，和用于接收液壓繼電器的開關量輸入模塊外，還要有模擬量輸入模塊。
某自動調平系統，自動調平工作過程如下:
(1) 選擇最大傾角(可能是“前后傾角”，也可能是“左右傾角”)方向首先調平。
(2) 判斷最大傾角方向上支腿的高低，將低端的調平支腿升高;直至在此方向達到調平精度。
(3) 進行另一方向的調節，升高較低一端的調平支腿，同時，收回此方向上較高一端的調平支腿;
(4) 達到兩個調平方向的調平精度后，使輔助支腿著地、放穩;
(5) 調平工作結束。
圖3是自動調平控制程序框圖。圖中DT9、DT11、DT13、DT15分別是除輔助支腿外的4個調平支腿的液壓缸的4個電磁閥，圖中“調左右傾角標志”和“調前后傾角標志”是PLC內部輔助繼電器，程序檢查此標志，當有標志時，會一直調整某個傾角，直至此傾角被調平為

圖3 自動調平程序框圖

止，故這一標志是實現解耦的關鍵。
編寫程序時要注意到，PLC用戶程序是周期執行的，因此PLC程序與計算機編程有很大不同。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“功能”。在條件滿足時，“功能”程序將被反復執行，與計算機程5 結束語
本自動調平系統中，未使用高度傳感器測各調平支腿的高度，系統成本低;所用的剔除冗余量的解耦控制方法，調平過程要分兩步才能完成，速度比完全解耦的控制方法慢;但在某些設備中，對調平速度要求并不高，完全可以應用，是一個很好的控制方法。總之，一些控制問題似難以用PLC進行控制，但只要在控制方法上想辦法，改進控制方法后，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現價值，可推廣應用。本文設計的用PLC實現的自動調平系統能在很短的時間內完成，開發周期很短，可靠性很高。