王 成，傅 安

（西北工業(yè)大學(xué)，西安 710072）

液壓絞車改善被吊物體動(dòng)態(tài)狀態(tài)的控制方法*

王 成，傅 安

（西北工業(yè)大學(xué)，西安 710072）

由于受飛機(jī)機(jī)身擺動(dòng)和空中風(fēng)速影響，航空吊放液壓絞車在近機(jī)狀態(tài)下（吊放物距離絞車5 m～10 m）經(jīng)常發(fā)生由于吊放的物體擺動(dòng)幅度過大，導(dǎo)致?lián)p傷吊放的物體和絞車本身。該控制方法針對(duì)某一型號(hào)液壓絞車，提出一種利用角度傳感器檢測(cè)到的電纜纜位角的信息作參考值，根據(jù)鐘擺原理，通過控制吊放電纜提升的時(shí)機(jī)、調(diào)整吊放電纜提升速度，在近機(jī)狀態(tài)下絞車收放由程序自動(dòng)控制的方法，從而解決被吊放物體擺動(dòng)幅度過大的問題。采用該方法可以保護(hù)電纜和絞車的安全，便于聲吶員操作，給出硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)的思想和方法。

液壓絞車，吊纜，纜位角，角度傳感器，消擺

0 引言

液壓絞車一般用于升降或平拖重物。由于其體積較小,可以實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速,換向比較容易,操縱控制簡便,自動(dòng)化程度高，在越來越多的領(lǐng)域里發(fā)揮著不可替代的作用。目前廣泛用于軍隊(duì)、海洋、民用等領(lǐng)域［1］。但在額定載荷較大的工況下,由于受車身移動(dòng)和風(fēng)速的影響，經(jīng)常發(fā)生被吊放起的物體擺動(dòng)幅度過大，導(dǎo)致?lián)p傷被吊放的物體和絞車本身。

國內(nèi)同類型航空聲納吊放絞車并沒有引入消除擺動(dòng)控制器，吊放類的消擺裝置主要應(yīng)用在一些起重船的起重機(jī)上?，F(xiàn)在國外的消擺策略主要有以下3種：①動(dòng)力學(xué)模型的建立；②擺角等相關(guān)信息的檢測(cè)與處理；③消擺控制算法的研究。而國內(nèi)相關(guān)產(chǎn)品由于開發(fā)難度大所以產(chǎn)品相對(duì)滯后。國內(nèi)相關(guān)研究的困難主要有以下三點(diǎn)：①相關(guān)研究多注重難以實(shí)現(xiàn)的理論和仿真，而理論研究多注重現(xiàn)代控制方法，如模糊控制、自適應(yīng)控制等控制方法；②擺角，擺角角速度的測(cè)量是重要的難點(diǎn)；③國內(nèi)相關(guān)的研究罕有合理、便于實(shí)現(xiàn)的消擺控制系統(tǒng)的電子電路的解決方案。

本型號(hào)的液壓絞車與起重機(jī)有兩點(diǎn)不同：①提升速度達(dá)到5 m/s,比起重機(jī)的1.5 m/s有了較大的提升；②纜繩具有傳遞信號(hào)的作用，所能承受的拉力有限，并且動(dòng)力學(xué)模型已經(jīng)固定。根據(jù)以上幾點(diǎn)本文提出一種利用角度傳感器檢測(cè)到的吊纜纜位角度的信息作參考值，通過閉環(huán)控制吊繩上升速度的方法，從而減少被吊放的物體擺動(dòng)幅度過大問題，并給出閉環(huán)控制的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)的思想和方法。

本設(shè)計(jì)的控制方法是應(yīng)用在直升飛機(jī)上吊放航空聲納系統(tǒng)時(shí)用的液壓絞車上。本型號(hào)的液壓絞車系統(tǒng)主要是由絞車和控制盒組成。而控制盒是最關(guān)鍵的部分，它主要完成絞車的運(yùn)行控制［2］。本文從硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)方面優(yōu)化控制盒，從而實(shí)現(xiàn)消擺控制。

1 纜繩擺動(dòng)的模型與消擺方案

1.1 消擺方案

纜繩的擺動(dòng)與物理鐘擺模型和運(yùn)動(dòng)特性一致。因此控制懸點(diǎn)纜繩的收放，成為了減少擺動(dòng)幅度的有效方法。本文通過擺體擺動(dòng)的不同階段，控制絞車收纜繩速度的方法來消擺。

圖1 是鐘擺運(yùn)動(dòng)過程示意圖。其中φ為纜位角，ωz為電纜角速度，mg為重力［3］。

①當(dāng)擺體從A向B運(yùn)動(dòng)時(shí)或從C向B運(yùn)動(dòng)時(shí)（即向內(nèi)擺動(dòng)時(shí)），纜位角減小，絞車停止收纜。

②當(dāng)擺體從B向C運(yùn)動(dòng)時(shí)或從B向C運(yùn)動(dòng)時(shí)（即向外擺動(dòng)時(shí)），纜位角增大，絞車開始收攬。

1.2 具體控制方案

當(dāng)擺體上升并且纜長小于等于10 m時(shí)，手柄控制的提升控制轉(zhuǎn)換為自動(dòng)控制，提升條件由三方面進(jìn)行限制，分別是：纜長、纜位角、電纜的擺動(dòng)方向。當(dāng)電纜由中心往外擺時(shí)提升，隨著電纜長度的減小，允許提升的角度逐漸減小。電纜長度10 m時(shí)，只允許纜位角在±10°范圍內(nèi)提升，提升速度不超過1 m/s，超過±10°不提升；電纜長度5 m時(shí)，只允許纜位角在±5°范圍內(nèi)提升，提升速度不超過0.8 m/s，超過±5°不提升；電纜長度1 m時(shí)，只允許纜位角在± 1°范圍內(nèi)提升，提升速度不超過0.4 m/s，超過±1°不提升［4］。

2 硬件設(shè)計(jì)方案

本控制系統(tǒng)的硬件主要設(shè)計(jì)一個(gè)絞車控制電路板。首先通過角度傳感器傳給單片機(jī)纜位角信息；單片機(jī)再將數(shù)字手柄產(chǎn)生的位移信號(hào)進(jìn)行采集解算，得到絞車的運(yùn)行速度值；然后對(duì)應(yīng)纜位角和纜長信息所要求的速度值產(chǎn)生相應(yīng)的PWM控制信號(hào)，并對(duì)此信號(hào)進(jìn)行調(diào)理；最后以直流電壓信號(hào)的形式傳到絞車本體上的電液伺服閥，進(jìn)而控制絞車運(yùn)行［5］。本系統(tǒng)的絞車控制板框圖如圖2所示。

由圖2所示，該系統(tǒng)的硬件控制模塊可以分為角度傳感器角度檢測(cè)、旋轉(zhuǎn)編碼器速度檢測(cè)、PWM輸出伺服閥驅(qū)動(dòng)、數(shù)字手柄，C8051F020單片機(jī)和這6個(gè)部分。

①纜位角檢測(cè)模塊：該模塊由安裝在絞車上的角度傳感器反饋信號(hào)實(shí)現(xiàn)，并將此信號(hào)發(fā)給單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算處理。

②速度檢測(cè)模塊：該模塊由安裝在絞車導(dǎo)向輪上的旋轉(zhuǎn)編碼器反饋信號(hào)來實(shí)現(xiàn)，并由測(cè)得的實(shí)際速度進(jìn)行速度閉環(huán)控制。

③PWM輸出伺服閥驅(qū)動(dòng)模塊：伺服閥的控制信號(hào)由C8051F020微控制器的可編程計(jì)數(shù)陣列（PCA0）的8位PWM的工作方式給出，采用固定頻率方式，調(diào)節(jié)占空比的方式完成PWM脈寬調(diào)制功能，然后，PWM信號(hào)經(jīng)過濾波放大調(diào)理后輸出加到電液伺服閥上［6］。

④數(shù)字手柄輸入：由控制桿和16位絕對(duì)值編碼器組成的數(shù)字手柄，精度能做到0.3°/檔，相當(dāng)于將單邊（上升或下降）分成70檔，每檔對(duì)應(yīng)的速度0.07 m/s。絕對(duì)值編碼器輸出的是一個(gè)串行數(shù)字信號(hào)［7］。

⑤C8051F020微控制器：a.該控制器接收旋轉(zhuǎn)編碼器信號(hào)計(jì)算得到纜繩長度和纜繩上升速度，b.接收角度傳感器的電壓信號(hào)，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換計(jì)算得出纜位角，并判斷擺體的是否向外擺動(dòng)。c.根據(jù)纜長、纜位角、電纜的擺動(dòng)方向的信息，輸出不同占空比的PWM信號(hào)［8］。

⑥EPM7128S-100CPLD模塊：將16位絕對(duì)值編碼器輸出的串行信號(hào)轉(zhuǎn)換成并行信號(hào)輸入到單片機(jī)中進(jìn)行速度設(shè)定。

3 軟件設(shè)計(jì)方案

在硬件平臺(tái)的基礎(chǔ)上，軟件設(shè)計(jì)的優(yōu)劣對(duì)功能的實(shí)現(xiàn)起到至關(guān)重要的作用。程序的整合優(yōu)化在整體資源分配上，對(duì)程序整體架構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化是最關(guān)鍵的。要盡量采用結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計(jì)方法，使得整個(gè)程序結(jié)構(gòu)清晰、明了，便于調(diào)試和維護(hù)。

3.1 開發(fā)環(huán)境

根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的內(nèi)容包含較多，大體上分為單片機(jī)絞車運(yùn)行控制程序，可編程邏輯器件的軟件設(shè)計(jì)。本文主要介紹單片機(jī)絞車運(yùn)行控制程序。

單片機(jī)控制程序是核心，由單片機(jī)C語言開發(fā)，采用Keil C軟件設(shè)計(jì)［9］,結(jié)合高性能SoC級(jí)芯片C8051F020，處理速度達(dá)到要求，可以滿足絞車控制實(shí)時(shí)性要求；對(duì)于可編程邏輯器件CPLD的軟件設(shè)計(jì)主要采用Verilog HDL語言來編寫，采用Quartus II軟件設(shè)計(jì)。

3.2 消擺程序流程圖

消擺程序流程圖如圖3所示

圖3流程圖主要由以下3個(gè)模塊組成：纜長纜速檢測(cè)模塊、纜位角檢測(cè)和擺動(dòng)方向檢測(cè)模塊和運(yùn)行模塊。以下簡單介紹各模塊程序的原理。

3.2.1 基于旋轉(zhuǎn)編碼器的絞車實(shí)時(shí)速度和纜長測(cè)定原理

由旋轉(zhuǎn)編碼器分辨率的定義，每轉(zhuǎn)一圈，編碼器輸出固定個(gè)脈沖個(gè)數(shù)，記為Np，單位為脈沖個(gè)數(shù)/轉(zhuǎn)；旋轉(zhuǎn)編碼器安裝輪的直徑為d,半徑為r=d／2，單位為：米（m）。

由以上條件可得：

旋轉(zhuǎn)編碼器位移分辨率：

單位是m/每個(gè)脈沖，表示每個(gè)脈沖代表的位移量。

單片機(jī)對(duì)旋轉(zhuǎn)編碼器采樣時(shí)間Ts，采樣時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)為N（注意：每次讀取計(jì)數(shù)值后要清零計(jì)數(shù)器）

通過采樣時(shí)間Ts內(nèi)，計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)N即可以得到在采樣時(shí)間內(nèi)的位移量

其中：N為采樣時(shí)間Ts內(nèi)的脈沖計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)。

線纜實(shí)時(shí)速度為：

其中：Ts為采樣時(shí)間

所以只要在每個(gè)采樣間隔Ts內(nèi)，計(jì)數(shù)旋轉(zhuǎn)編碼器輸出脈沖數(shù)，即可根據(jù)式（2）和式（3）測(cè)得絞車的實(shí)時(shí)纜長和速度。

3.2.2 基于角度傳感器的纜位角檢測(cè)和纜繩擺動(dòng)方向檢測(cè)的原理

①纜位角檢測(cè)：角度傳感器輸出的是電壓值V，電壓值經(jīng)過單片機(jī)的A/D模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)D，再將數(shù)字信號(hào)對(duì)應(yīng)其角度值P。

K為一設(shè)定的比例值，將A/D轉(zhuǎn)換輸出的數(shù)字對(duì)應(yīng)為角度值，這樣就測(cè)出了角度值。

②纜繩擺動(dòng)方向檢測(cè)：使用單片機(jī)C8051F020的定時(shí)器設(shè)定一采樣周期，一周期采樣一次角度值，當(dāng)前角度值大于上一次采樣的角度值時(shí)纜繩向外擺動(dòng)，反之向內(nèi)擺動(dòng)。

4 測(cè)試結(jié)果

將設(shè)計(jì)好的控制盒和絞車組合起來，將纜繩放至10 m，手動(dòng)抱起吊物，使纜位角角度為10°。松開吊物并且推動(dòng)手柄，使絞車上升。在絞車上做實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，比較使用本文控制方法和沒有使用本文方法的區(qū)別。

圖4 是沒有使用本文方法的提升控制，吊物以1 m/s的速度上升。圖5采用了本文方法。結(jié)果顯示，沒有使用本方法的控制盒時(shí)，吊放物體擺動(dòng)幅度衰減很慢。在10 s左右與絞車撞上，使纜位角瞬間降為零；使用消擺控制的控制盒時(shí)，吊放物體擺動(dòng)幅度衰減較快，并在13 s時(shí)達(dá)到一個(gè)纜位角為1°的擺動(dòng)幅度，有效防止了被吊放的物體損傷和絞車本身損傷的問題。

5 結(jié)束語

本方法是針對(duì)某型號(hào)航空聲納吊放絞車而設(shè)計(jì)的。該方法即保證了絞車吊放物體速度的流暢性，又能有效減小纜繩的擺動(dòng)幅度。本方法基于高集成度的 C8051F020 單 片 機(jī) 控 制 采 集 系 統(tǒng)+EPM7128S-100CPLD的硬件電路，加上必要的外部設(shè)備設(shè)計(jì)出的液壓絞車消擺控制方法。該方法具有簡單有效，穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)。在工程上已經(jīng)取得了良好的效果。如果其他系統(tǒng)里需要消除吊物的鐘擺現(xiàn)象，只需對(duì)文中方法略作調(diào)整即可。

［1］唐金元，王翠珍，于潞.基于數(shù)字PID控制的吊放聲納液壓絞車控制系統(tǒng)［J］.青島大學(xué)學(xué)報(bào),2008，23（1）：40-45.

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［4］Yu G，Martynenko A M.Formal’skii.Controlledpendulum on a Movable Base［J］.Mechanics of Solids，2013，48（1）：6-18.

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［6］王嵐，吳海強(qiáng)，孫卓君.基于PWM濾波數(shù)模轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)［J］.應(yīng)用科技，2007，34（10）：50-53.

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［8］袁梅，田宏達(dá)，董韶鵬，等.基于PWM的電流輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換電路［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2011，21（7）：91-93.

［9］童長飛.C8051F系列單片機(jī)開發(fā)與C語言編程［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

Control Methods of Improve Dynamic State of Bjects Hanged on Hydraulic Winch

WANG Cheng，F(xiàn)U An
（Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710012，China）

Because of the influence of the mobile and wind speed,hydraulic winch hoist goods often encounter the problem that the amplitude of swing is too big.When hydraulic winch of Airborne dipping in the near machine state(the distance is 5 m～10 m)，it is easy to damage the hanging objects and winch.Therefore.For one type of hydraulic winch，a method is proposed to achieve this goal，that angular transducer detected the angle sensor of the hoist cable’s angle information as reference value of the controller.According to the principle of pendulum，by controlling the lifting cable promotion opportunities，adjust the lifting cable hoisting speed is adjusted.When the hoisting at the state of near machine，it will be controlled by the program.Thereby the problem which the suspended object swings are too much can be solved.This method can be used to protect the cable and winch's safety，and is easy to operation via the sonar officer.And the paper gives the hardware design and software design ideas and methods.

hydraulic winch，cable，the cable angle，angle sensor，anti swing

TJ630

A

1002-0640（2015）09-0163-04

2014-08-17

2014-09-09

西北工業(yè)大學(xué)基礎(chǔ)研究基金資助項(xiàng)目（GDKY1001）

王 成（1978- ），男，云南人，博士，副教授。研究方向：水聲信號(hào)處理。