CN102707730A - 高空作业车操作平台轨迹控制装置 - Google Patents

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CN102707730A CN2012100972911A CN201210097291A CN102707730A CN 102707730 A CN102707730 A CN 102707730A CN 2012100972911 A CN2012100972911 A CN 2012100972911A CN 201210097291 A CN201210097291 A CN 201210097291A CN 102707730 A CN102707730 A CN 102707730A
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Abstract

本发明公开了一种高空作业车操作平台轨迹控制装置。该控制装置包括:A.操作机构;B.检测装置;C.显示及报警装置;D.带压力补偿的液压工作回路;E.坐标定位模块;F.正向求解模块;G.挠度补偿模块;H.速度设定模块;I.算法优化模块;J.可编程控制器。采用此种装置,可明显提高高空作业车的工作效率,减小操作人员劳动强度,并可降低能源消耗,降低使用成本。

Description

高空作业车操作平台轨迹控制装置
技术领域
本发明涉及变幅伸缩臂高空作业设备领域,特别涉及高空作业车操作平台控制装置。
背景技术
高空作业车是用来运送工作人员和使用器材到指定高度进行作业的特种工程车辆,操作平台是作业车在空中承载工作人员和使用器材的装置。本发明应用对象为带伸缩机构的直臂高空作业车,其臂架由两端分别安装在转台和臂架上的油缸驱动变幅,臂架伸缩由油缸带动伸缩机构(如绳排、链轮等)实现。
高空作业车进行沿高层建筑墙壁上下擦洗玻璃或沿顶壁顺序安装物体时,或快速到达指定作业点时,为使操作平台按期望轨迹运动,操作者需不断操作变幅和伸缩手柄。对此典型“开环”运动控制方法,就要求操作者具有较高的操作技能。而且仅依靠操作者视觉,实现平台沿期望轨迹是非常困难并且很难复现。与之相反,本发明的“闭环”运动控制***,利用安装在臂架上的长角传感器和油缸上的长度传感器检测,经控制器运算,实现操作平台精确的沿着拟定轨迹运动并可复现,例如沿着墙壁升降或顺着墙顶移动。
电子与液压技术在工程机械上的应用与发展,使得轨迹控制在多种工程设备中得以应用。目前在混凝土泵车、挖掘机、装载机、履带式起重机、动臂塔机、叉车等设备上已经出现能够实现按设定轨迹进行作业的控制***并申请了诸多专利。
在高空车上,利用控制器,已经实现的运动控制有以下方面:
(1)利用工作平台水平传感器,进行平台的实时调平。
(2)利用臂架长角传感器,控制臂架伸缩和升降,使设备工作在安全作业区间内。同时控制器接收此传感器信号后,根据不同臂架工况,限制整车行走速度.
(3)利用转台水平传感器,检测整机倾斜角度,限定相应机构动作。
(4)利用平台载荷传感器,限定平台载荷不超过额定载荷,保证整机稳定性。
以上传感器属于高空车通常必需安装的设备。控制器接收传感器信号,根据编制的程序,做出相应控制指令。但上述运动控制局限于特定点或局部的限制性动作,本发明则实现了一种连续性轨迹控制。
以下内容为与本专利保护内容相类似专利和文献,但均存在明显区别并总结如下:
专利申请号为201110027467.1,名称为《一种高空作业平台的工作轨迹控制方法》中介绍了采用六个步骤实现一种高空作业平台的工作轨迹控制方法。该专利中介绍了选用的控制元器件及其使用功能。在专利算法中介绍了通过多种传感器采集信号,经控制器计算实际需求长度和角度。但存在以下技术问题:
(1)专利的控制算法公开不充分。该专利中虽给出了误差补偿概念,但在利用目标值与状态值的差值通过控制器,以PWM信号作用到比例阀上的具体补偿阐述上模糊不清。具体存在以下四个问题:一是,该专利中PWM信号作用到比例阀上,而比例阀是整个控制中的非线性环节,即比例阀的输出流量不会与控制电流PWM值成比例关系,所以仅通过实验测量出比例阀最大和最小电流,无论怎样调整PWM信号都不会得不到文中所述的控制要求,不能实现误差补偿,进而不能实现所述控制功能;二是,由工程控制理论可知,在此仅带有负反馈的典型阀控缸的位置控制一型***中,当经三角函数运算后的信号作为输入命令,执行***会产生稳态误差,无法实现误差的完全补偿;三是,在实现该专利阐述的理想垂直升降和水平伸缩运动中,没有回转角度参与运算。四是,该专利未明确给出回转角度与臂架角度和变幅角度数学运算关系。
(2)该专利实施时存在安全隐患。作为将人员举升高空作业的设备,保证操作人员安全是首要的。文中进行的水平回转动作,仅考虑工作臂回转、变幅和伸缩,而忽略了对载人的操作平台的回转控制。实施该专利描述的水平回转时,按照该专利所述仅实现了工作臂臂头的水平回转,而此运动中操作平台则与臂头的水平回转平面产生夹角,从而位于臂架末端的操作平台不会进行设计者期望的水平回转。此控制结果可能导致操作平台与临近的高空物体发生碰撞,不但造成设备损坏,甚至危害操作人员生命安全,造成安全事故。
(3)该专利缺乏所述动作控制要素的完整性。高空作业车臂架常为几节臂架搭接组合而成。因臂架自重、平台载荷作用以及臂架之间搭接间隙,臂架都会产生明显挠度变形。随着臂架长度增加,挠度变形会越显著,严重影响该专利阐述的位置控制效果。该专利中并未涉及挠度变形,也未提出解决办法。
文献《Motion control of an aerial work platform》中阐述了一种高空作业平台的运动控制方法。该文献利用高等机构学,将控制和检测参数在笛卡尔坐标系、关节坐标系和执行空间坐标系转化,涉及理论复杂,对控制***元器件的运算速度和控制精度要求较高,故该文献中选用了特定的高端控制器,从而使得此控制方法成本昂贵。这种复杂运算控制方法在目前高空作业车通用的控制器上无法实现。本专利进行模型简化,采用平面解析几何进行求解,简单并有效实现了轨迹控制功能,可在目前高空作业车通用的控制器上实现。
文献《Level luffing control system for crawler crane》中阐述了一种履带式起重机的水平变幅控制方法。该文献提出的控制***适用于履带式起重机,其控制对象为变幅马达和起升马达。该文献主要提出并解决了臂架因刚度不足引起的摆动、执行元件的非线性、因吊载和发动机转速引起控制特性不同和启动瞬间的较大误差四个问题。
在针对解决臂架刚度引起摆动的问题上,文献只采用了前馈和反馈的复合校正方法,而本专利针对各环节分别采用不同的校正方法。在针对解决直线元件非线性问题上,文献采用电气信号控制补偿措施,而本专利采用带压力补偿的比例阀元件解决。在文献后两个问题不会在本专利实施对象上出现。
专利申请号为06119983.2,名称为《Articulated ladder or raisable platform position path control and active vibration damping》中阐述了一种铰接式登梯或举升平台的路径控制和振动抑制。该专利利用多种传感器采集信号并输入到控制器中运算,实现单独机构运动过程中的准确性,并抑制运动过程中振动。该专利只实现了单独机构动作的平稳性控制,没有进行机构复合动作控制,不能实现操作平台沿特定直线轨迹的控制。
发明内容
(1)发明目的
本发明目的是实现高空作业车操作平台垂直升降、水平伸缩和水平回转的特定直线轨迹运动。
(2)技术方案
a)功能按钮和操作手柄
功能按钮包括使能按钮、运动学习按钮和复现运动按钮。
在控制面板设置使能按钮,便于普通操作与该智能操作之间相互切换。使能按钮常位时,操作控制面上手柄为普通操作功能。当需要使用轨迹控制智能操作时,必需先按下该按钮并保持,控制面板上手柄切换到智能操作模式并屏蔽手柄普通操作功能。
控制面板中设有运动学习按钮,当在使能按钮被按下并保持时,启动该按钮,控制器能够记忆该时间段内高空作业车运动参数(路径、速度),并储存下来。
控制面板中设有复现运动按钮,当在使能按钮被按下并保持时,启动该按钮,高空作业车将复现最后一次储存的运动,直至该按钮或使能按钮不被启动,复现动作停止。
智能轨迹控制中,选用两个双轴比例手柄。第一个操作手柄的上下运动表示进行如图1所示垂直升降功能,操作手柄左右运动表示进行如图2所示水平伸缩功能。第二个操作手柄的左右运动表示进行如图3所示水平回转功能,上下操作功能被屏蔽。
b)传感器
为检测设备臂架状态,采用长角传感器检测臂架长度和臂架角度,采用长度传感器检测变幅油缸长度,采用转台编码器检测转台相对下车的回转角度,采用平台编码器检测操作平台相对臂架的回转角度。测量值将传递到可编程控制器中进行运算。
c) 显示报警装置
显示装置可根据当前整机状态,自动选择出设定的作业区间,凸显在显示屏上,利于操作人员明确作业范围。报警装置由指示灯和蜂鸣器组成,根据控制器控制指令做出相应动作。当按下轨迹控制使能按钮时,指示灯闪烁。按下轨迹控制使能按钮并操作手柄,让平台按特定轨迹运动时,指示灯常量,蜂鸣器发出对应提示声音,显示装置中显示出理想运动轨迹。
d) 带压力补偿的液压工作回路
转台阀组包括变幅、伸缩和回转的三条回路,每条回路的主阀均带有压力补偿,使得推动油缸或马达运动的流量仅与主阀开度相关,即与控制主阀电流近似线性比例关系,而与驱动负载无关。同时伸缩、变幅和回转三条控制回路互不干扰,如图4所示。
平台阀组包括平台摆动和平台调平回路,每条回路的主阀均带有压力补偿,使得推动调平油缸或摆动马达运动的流量仅与主阀开度相关,即与控制主阀电流近似线性比例关系,而与驱动负载无关。同时调平与摆动两条控制回路互不干扰,如图5所示。
e) 坐标定位模块
该模块具有检测当前主臂状态和判断是否允许进行智能操作。当启动智能轨迹控制时,该模块接收臂架长角传感器信号,确定臂架角度与臂架长度;接收转台编码器信号,确定转台回转角度,即臂架相对于下车的回转角度;接收平台编码器信号,确定操作平台相对臂架回转角度。
在XY平面内,由控制器计算臂架末端位置,与如图6示设备作业区间比较,进行能否垂直升降或水平伸缩的智能操作判断。当检测到臂架末端位于作业区间包络线及其邻近区域时,允许进行垂直升或降中一个动作和水平伸或缩中的一个动作。当操作者推动手柄进行不允许动作时,报警器蜂鸣警告且整机无动作。
在XZ平面内,控制器计算臂架相对于下车正方向的回转角度和操作平台相对于臂架的回转角度,将当前臂架和操作平台状态参数保存。
智能轨迹操作的速度优先级低于作业区间规定的操作速度。控制器实时接收该模块传递的检测信号并与设定程序进行比较。当智能轨迹操作临近作业区间包络线或其他限制点时,报警装置提示操作人员;当智能轨迹操作已接近作业区间包络线或其他限制点时,限制智能轨迹操作,报警装置蜂鸣报警。
f) 正向求解模块
该模块进行理想状态操作平台运动路径轨迹运算。该模块在坐标定位模块判断能够进行智能轨迹操作后进行工作,接收坐标定位模块检测到的臂架、转台和操作平台状态参数和手柄操作信号。
该模块运算垂直升降和水平伸缩时,以臂架角度为主输入参考量,输出分别控制变幅油缸和伸缩油缸动作的理想控制信号。
该模块运算水平回转时,以转台回转角度为主输入参考量,输出分别控制转台回转马达、变幅油缸、伸缩油缸和操作平台摆动马达动作的理想控制信号。
在如图7所示的垂直升降简化图中,保证运动过程中臂架OC在水平X轴投影长度保持恒定,进行如下计算:
Figure 2012100972911100002DEST_PATH_IMAGE001
                                              (1)
Figure 248455DEST_PATH_IMAGE002
                                           (2)
在如图8所示的水平伸缩简化图中,保证运动过程中臂架OC在垂直Y轴投影长度保持恒定,进行如下计算:
Figure 2012100972911100002DEST_PATH_IMAGE003
                                              (3)
Figure 916328DEST_PATH_IMAGE004
                                          (4)
在如图9所示的水平回转简化图中,保证运动过程中臂架OC在XY平面内的投影保持恒定,即沿Y轴投影长度
Figure 2012100972911100002DEST_PATH_IMAGE005
和沿X轴投影长度
Figure 322164DEST_PATH_IMAGE006
均保持恒定,结合图7和图8,进行如下计算:
 
Figure 2012100972911100002DEST_PATH_IMAGE007
                                                 (5)
                                   (6)
Figure 2012100972911100002DEST_PATH_IMAGE009
                                          (7)
Figure 33210DEST_PATH_IMAGE010
                                                (8)
Figure 980307DEST_PATH_IMAGE002
                                       (9)
                                                 (10)
利用传感器将实际长度与计算长度,回转角度与计算角度进行比较,将两者差值导入回路中运算,分别计算变幅、伸缩、转台回转和平台摆动控制回路控制误差如下:
Figure 624171DEST_PATH_IMAGE012
                                             (11)
                                             (12)
Figure 698437DEST_PATH_IMAGE014
                                             (13)
Figure 2012100972911100002DEST_PATH_IMAGE015
                                               (14)
Figure 118048DEST_PATH_IMAGE016
                                               (15)
式中:
Figure 2012100972911100002DEST_PATH_IMAGE017
为臂架长度误差,
Figure 862145DEST_PATH_IMAGE018
为臂架实际长度,
Figure 2012100972911100002DEST_PATH_IMAGE019
为臂架伸缩油缸长度误差,
Figure 242573DEST_PATH_IMAGE020
为臂架长度变化量与臂架伸缩油缸长度变化量的比值,
Figure 2012100972911100002DEST_PATH_IMAGE021
为臂架变幅油缸长度误差,
Figure 831513DEST_PATH_IMAGE022
为臂架变幅油缸实际长度,为转台回转角度误差,
Figure 731729DEST_PATH_IMAGE024
为转台回转实际角度,
Figure 2012100972911100002DEST_PATH_IMAGE025
为平台摆动角度误差,
Figure 912306DEST_PATH_IMAGE026
为平台实际摆动角度。
g) 挠度补偿模块
该模块计算臂架因自重和平台载荷作用产生的固定挠度变形量,并将此变形量加入到控制油缸动作信号中,修正因挠度变形产生的轨迹误差。同时在该模块中加入修正因子,用来修正因臂架搭接中滑块间隙、臂架加工质量产生的变形。如臂架挠度变形简图10中,该模块计算不同臂架状态下,臂架变幅角度挠度补偿量
Figure 2012100972911100002DEST_PATH_IMAGE027
根据图10示臂架挠度变形简化图,利用叠加法求得臂架弯曲变形和角度补偿值如下:
                                       (16)
Figure 2012100972911100002DEST_PATH_IMAGE029
                              (17)
h) 速度设定环节
国家标准《GB/T 9465-2008 高空作业车》规定,工作平台的起升、下降速度不得超过0.4m/s,在最大范围测量平台最外边缘的水平线速度不超过0.7m/s。现分别以上述两值,计算***主输入参考量—臂架变幅角度信号
Figure 930520DEST_PATH_IMAGE030
在如图7所示的垂直升降简化图中:
Figure 2012100972911100002DEST_PATH_IMAGE031
                                     (18)
将式(18)两边分别对时间求导,得下式
Figure 324723DEST_PATH_IMAGE032
                                  (19)
以初始条件
Figure 2012100972911100002DEST_PATH_IMAGE033
,解微分方程,求平台0.4
Figure 2012100972911100002DEST_PATH_IMAGE035
匀速升降时,变幅角度
Figure 890276DEST_PATH_IMAGE030
为:
  
Figure 93724DEST_PATH_IMAGE036
                            (20)
在如图8所示的水平伸缩简化图中:
                                      (21)
将式(21)两边分别对时间求导,得下式
Figure 342434DEST_PATH_IMAGE038
                                   (22)
以初始条件
Figure 740180DEST_PATH_IMAGE033
,
Figure 815452DEST_PATH_IMAGE034
解微分方程,求平台0.7
Figure 697958DEST_PATH_IMAGE035
匀速伸缩时,变幅角度为:
Figure 2012100972911100002DEST_PATH_IMAGE039
                          (23)
在如图9所示的水平回转简化图中:
Figure 369821DEST_PATH_IMAGE040
                                        (24)
将式(24)两边分别对时间求导,得下式
Figure 2012100972911100002DEST_PATH_IMAGE041
                                    (25)
以初始条件
Figure 558488DEST_PATH_IMAGE033
,
Figure 103739DEST_PATH_IMAGE042
解微分方程,求臂架末端0.7匀速回转时,回转角度
Figure 2012100972911100002DEST_PATH_IMAGE043
为:
Figure 191223DEST_PATH_IMAGE044
                              (26)
此时,为保持操作平台相对下车方向不变,应逆向等速旋转,摆动角度
Figure 2012100972911100002DEST_PATH_IMAGE045
为:
Figure 890623DEST_PATH_IMAGE046
                          (27)
i) 算法优化模块
该模块体现在智能轨迹闭环控制回路中,变幅油缸、伸缩油缸、转台回转马达、平台摆动马达动作均为带位置反馈的闭环控制***,其控制***的响应性能和稳定性能会影响该智能轨迹控制效果,关系到平台上操作者的舒适性和安全性,直接影响智能控制的实用性。通过添加控制算法,实现轨迹控制动作迅速、平稳、消除稳态误差,保证轨迹控制良好性能。
i.1 负反馈加前馈的复合校正:分别将变幅油缸、伸缩油缸、转台回转马达、平台摆动马达的实测值与控制器运算值比较,如公式(11)、(12)、(13)、(14)、(15)所示。同时加入信号输入前馈通路,组成前馈和反馈控制相结合***,极大减小稳态误差,形成复合校正;
i.2 PID控制环节:在控制信号与主阀间加入PID,利用其比例、积分、微分作用;
i.3 在伸缩回路中加入带死区的PID控制算法。
臂架伸缩通常由臂架伸缩油缸带动伸缩机构驱动完成。而且伸缩油缸的长径比和缸径比都比较大,所以伸缩机构的响应频率是较低的,因而增加了控制难度。
在垂直起升模式中,当臂架变幅穿越水平位置时,臂架长度会从缩短变为伸长。在垂直下降模式中,当臂架变幅穿越水平位置时,臂架长度会从伸长变为缩短。臂架越临近水平位置,臂架长度变化量越小,则对位置控制精度要求越高。且对于阀控非对称缸,由于快速换向会引起压力跃变,引起油液的“内爆”或“外爆”,从而在换向时也不能平稳地工作。
为了避免伸缩机构在臂架变幅穿越水平时快速换向,消除由于快速换向动作所引起的振荡,同时合理降低位置控制精度,采用带死区的PID控制,如图11所示。带死区的PID控制算法流程框图如图12所示,其控制算式如下:
Figure 2012100972911100002DEST_PATH_IMAGE047
                                    (28)
式中,死区
Figure 865664DEST_PATH_IMAGE048
是一个可调的参数,具体数值可根据具体设备由现场实验确定。
根据轨迹控制组件中各模块算法推导,直线轨迹控制***流程如图13示。
j) 可编程控制器
目前高空作业车一般采用电液控制***,***中可编程控制器根据操作人员输入的指令信号做出逻辑判断,控制电磁阀实现整车运动控制。同时控制器可接收各种传感器数据并分析运算,做出相应判断。可编程控制器接收由坐标定位、正向求解、挠度补偿、速度设定和算法优化四部分组成的轨迹控制模块产生的信号,利用编程实现轨迹控制组件中各模块算法。图14为可编程控制器与高空车执行机构、传感装置之间数据传递图。
当进行垂直升降或水平伸缩时,以臂架变幅角度为统一输入变量,同时产生控制电流作用到变幅、伸缩液压工作回路的电磁阀和报警装置上,其控制运算如图15所示。
当进行水平回转时,以转台回转角度为统一输入变量,同时产生控制电流作用到变幅、伸缩、转台回转和操作平台摆动液压工作回路的电磁阀及报警装置上,其控制运算如图16所示。
(3)有益效果
采用此种装置,可明显提高高空作业车的工作效率,减小操作人员劳动强度,并可降低能源消耗,降低使用成本。
附图说明
图1为高空作业车垂直升降示意图。
图2为高空作业车水平伸缩示意图。
图3为高空作业车水平回转示意图。
图4为转台阀组液压原理图。
图5为平台阀组液压原理图。
图6为高空车作业区间图。
图7为垂直升降简化图。
图8为水平伸缩简化图。
图9为水平回转简化图。
图10为臂架挠度变形简化图。
图11为带死区的PID控制***图。
图12为带死区的PID控制算法程序框图。
图13为轨迹控制***流程图。
图14为轨迹控制***数据传递图。
图15为垂直升降和水平伸缩控制运算图。
图16为水平回转控制运算图。
附图标记说明如下:
1.下车;2.转台(内置液压***和电气***);3.变幅油缸(安装有位移传感器);4.伸缩油缸(内置,连接臂架的一、二节臂);5.臂架总成;6.长角传感器;7.工作平台。
Figure DEST_PATH_IMAGE049
— 臂架伸缩后长度,即图7和图8的,图9中的
Figure DEST_PATH_IMAGE051
Figure 712976DEST_PATH_IMAGE052
— 臂架初始状态长度,即图7、图8和图9中的
Figure DEST_PATH_IMAGE053
Figure 751602DEST_PATH_IMAGE054
— 操作平台中轴线简化示意;
 — 初始状态时,臂架与
Figure 530333DEST_PATH_IMAGE056
的夹角;
Figure DEST_PATH_IMAGE057
 —
Figure 836549DEST_PATH_IMAGE056
与X轴正方向之间的夹角;
Figure 652321DEST_PATH_IMAGE058
 — 初始状态时,臂架
Figure 676777DEST_PATH_IMAGE053
与XZ平面之间的夹角;
Figure DEST_PATH_IMAGE059
 — 初始状态时,臂架
Figure 868987DEST_PATH_IMAGE053
在XZ平面内投影OD与X轴正方向之间的夹角;
Figure 295289DEST_PATH_IMAGE060
 — 初始状态时,操作平台中轴线与臂架在XZ平面内投影之间的夹角;
Figure 793714DEST_PATH_IMAGE030
 — 臂架伸缩后,臂架与
Figure 789614DEST_PATH_IMAGE056
的夹角;
— 臂架伸缩后,变幅油缸长度,即图7和图8中的
Figure 430942DEST_PATH_IMAGE064
Figure DEST_PATH_IMAGE065
 — 臂架伸缩后,臂架
Figure 352631DEST_PATH_IMAGE053
与XZ平面之间的夹角;
Figure 587565DEST_PATH_IMAGE066
 — 臂架伸缩后,臂架在XZ平面内投影OD与X轴正方向之间的夹角;
Figure DEST_PATH_IMAGE067
 — 臂架伸缩后,操作平台中轴线
Figure 522472DEST_PATH_IMAGE061
与臂架
Figure 490428DEST_PATH_IMAGE062
在XZ平面内投影之间的夹角;
Figure 711193DEST_PATH_IMAGE068
 — 变幅油缸根铰点与臂架根铰点之间距离,即图7和图8中的
 — 变幅油缸端铰点与臂架根铰点之间距离,即图7和图8中的
Figure DEST_PATH_IMAGE071
— 臂架端部点沿Y轴方向运动的位移;
Figure DEST_PATH_IMAGE073
— 臂架端部
Figure 137834DEST_PATH_IMAGE072
点距X轴方向运动的位移;
Figure 512184DEST_PATH_IMAGE074
— 臂架端部
Figure 100118DEST_PATH_IMAGE072
点距Z轴方向运动的位移;
Figure DEST_PATH_IMAGE075
 — 臂架端部最大挠度;
Figure 534511DEST_PATH_IMAGE076
 —修正因子;
Figure DEST_PATH_IMAGE077
 — 臂架质量线密度;
Figure 231334DEST_PATH_IMAGE078
 — 臂架材料弹性模量;
Figure 409374DEST_PATH_IMAGE080
 — 臂架当量截面惯性矩;
 — 平台组件质量;
Figure 999886DEST_PATH_IMAGE082
 —臂架与X轴线的夹角;
Figure 480546DEST_PATH_IMAGE027
 —臂架变幅角度挠度补偿量。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
本实施例的高空作业车轨迹控制装置包括以下几个部分:
1.    操作机构
1.1 自复位轨迹控制使能按钮:常态下不接通电路,此时设备为正常普通操作控制。当该按钮被按下时,启用智能轨迹控制,同时屏蔽正常普通操作控制。
1.2 三位跷板开关用做运动学习按钮和复现运动按钮。自复位轨迹控制使能按钮被按下并保持的前提下,跷板开关上位按下,启动运动学习功能,控制器能够记忆该时间段内高空作业车运动参数(路径、速度),并储存下来。复位轨迹控制使能按钮被按下并保持的前提下,跷板开关处于常位,停止记忆,先前记忆的运动参数同时被保存。自复位轨迹控制使能按钮被按下并保持的前提下,跷板开关下位按下,启动复现运动功能,高空作业车将复现最后一次储存的运动,直至该跷板开关不在下位或使能按钮不被启动,复现动作停止。
1.3 双轴比例手柄:正常普通操作时,第一个操作手柄的上下推动手柄为变幅起升和变幅下降,左右推动手柄为臂架伸出和臂架缩回。第二个操作手柄的左右运动表示进行普通转台回转功。当自复位轨迹控制使能按钮被按下时,第一个操作手柄的上下运动表示进行如图1所示垂直升降功能,操作手柄左右运动表示进行如图2所示水平伸缩功能。第二个操作手柄的左右运动表示进行如图3所示水平回转功能,上下操作功能被屏蔽。
2.    显示及报警装置
2.1 显示屏:根据当前整机状态,自动选择出设定的作业区间,凸显在显示屏上,利于操作人员明确作业范围。按下自复位轨迹控制使能按钮并操作手柄,让平台按特定轨迹运动时,显示屏中显示出理想运动轨迹。
2.2 蜂鸣器:按下自复位轨迹控制使能按钮并操作手柄,让平台按特定轨迹运动时,蜂鸣器发出对应提示声音。
2.3 黄色指示灯:当按下自复位轨迹控制使能按钮时,黄色指示灯闪烁。按下自复位轨迹控制使能按钮并操作手柄,让平台按特定轨迹运动时,黄色指示灯常量。
3.    检测装置
3.1 长角传感器:选用长角传感器测量臂架长度和臂架角度,臂架长度与臂架伸缩油缸行程存在比例关系。该实施例中臂架伸缩油缸最大行程为8m,臂架角度范围为-12°~80°。选用有效测量长度11.5m,有效测量角度320°的长角传感器,其分别对应输出电流值范围为4-20mA。
3.2 长度传感器:该传感器测量臂架变幅油缸长度。该实施例中变幅油缸行程为1.9m,选用有效测量长度2.5m的长度传感器,其对应输出电流范围为4-20mA。
3.3编码器:该编码器通用于测量转台回转角度和操作平台摆动角度。该实施例中转台可进行连续360°回转,选用多圈绝对值编码器,其对应输出电流范围为4-20mA。操作平台可进行左右各90°的摆动,选用单圈绝对值编码器,其对应输出电流范围为4-20mA。
4.    液压驱动阀组
采用带压力补偿的比例型流量插装阀,该阀为插装阀芯式电磁驱动阀,断电时常闭,其输出口流量,不受***工作压力影响,随电磁阀中控制电流增大,输出流量增大。变幅和伸缩主阀均为线圈电压24V,阈值电流175±50mA,最大控制电流800±100mA,最大流量可达53L/min。
5.    坐标定位
实施例中,当按下自复位轨迹控制使能按钮后,坐标定位模块在接受传感器信号后,坐标定位模块首先检测当前主臂状态和判断是否允许进行智能操作。以图6所示作业区间,进行如下判断:
1)当臂架当前状态位于作业区间的包络线Ⅰ及其附近时,可在作业区间内进行水平伸出和垂直起升,但不允许进行水平缩回和垂直降落;
2)当臂架当前状态位于作业区间的包络线Ⅱ及其附近时,可在作业区间内进行水平伸出和垂直降落,但不允许进行水平缩回和垂直起升;
3)当臂架当前状态位于作业区间的包络线Ⅲ及其附近时,可在作业区间内进行水平缩回和垂直降落,但不允许进行水平伸出和垂直起升;
4)当臂架当前状态位于作业区间的包络线Ⅳ及其附近时,可在作业区间内进行水平伸出和垂直起升,但不允许进行水平缩回和垂直降落;
5)当臂架当前状态位于作业区间的所有包络线内部时,可在作业区间内进行预期智能轨迹操作。
本实施例中臂架为带伸缩机构的箱形截面,臂架根部铰接在转台上,臂架中部连接变幅油缸,臂架端部承载一定质量的平台。
分别以设备三种初始状态验证轨迹控制中垂直起升、水平缩回和水平回转性能。
在垂直起升中,初始状态为臂架与X轴夹角为0°,臂架初始长度为15m,此时臂架在X轴上投影为15m,末端状态时臂架与X轴夹角为61.79°,臂架伸出后长度为31.76m,此时臂架在X轴上投影为15.01m。说明在平台起升过程中,较好保持了垂直效果。
在水平缩回中,初始状态为臂架与X轴夹角为60°,臂架初始长度为26.0m,此时臂架在Y轴投影为22.52m,末端状态时臂架与X轴夹角为76.77°,臂架缩回后长度为23.11m,此时臂架在Y轴上投影为22.5m。说明在平台缩回过程中,较好保持了水平效果。
在水平回转中,初始状态为臂架在XZ平面内投影与X正方向夹角25°,臂架与XZ平面的夹角为45°,臂架初始长度为20.0m,操作平台与臂架夹角为-25°.此时臂架在XY轴投影,沿Y轴投影长度为14.14m,沿X轴投影长度为12.82m。末端状态时臂架在XZ平面内投影与X正方向夹角-25°,此时臂架与XZ平面的夹角为45.07°,臂架长度为20.04m,操作平台与臂架夹角为25°。说明在平台回转过程中,较好保持了水平效果。
小结,该轨迹控制装置具有以下特点:
1.  充分利用原高空车设备上器件,没有太多额外器件购置;
2.  设有普通操作与智能操作切换装置,便于两种操作模式间切换,且互不干涉;
3.  垂直升降和水平伸缩中以臂架变幅角度为统一输入量,进行变幅油缸和伸缩油缸的同步控制,能够达到较高的控制精度,且两个油缸的控制回路无相互作用;
4.  水平回转中以转台回转角度为统一输入量,进行回转马达、摆动马达、变幅油缸和伸缩油缸的同步控制,能够达到较高的控制精度,且四个的控制回路无相互作用;
5.  在各机构的位置控制***中,分别采用了不同的算法校正,从而有效实现快速平稳响应,达到轨迹控制要;
6.  添加挠度变形补偿并可调整补偿因子,使控制轨迹适应不同伸缩长度的臂架;
7.  具有操作简单,降低对操作人员的熟练程度要求,降低工人的工作强度;
8.由于能够稳定并复现轨迹动作,可明显节省工作时间,提高工作效率,从而降低设备运行成本,并显著增强设备的在同类市场的竞争力。
以上内容是结合优选技术方案对本发明所做的进一步详细说明,不能认定发明的具体实施仅限于这些说明。对本发明所属技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明的构思的前提下,还可以做出简单的推演及替换,都应当视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种高空作业车操作平台轨迹控制装置,其特征在于,所述高空作业车操作平台轨迹控制装置包括以下部分:
A.操作机构
所述操作机构部分是设有功能按钮和操作手柄的控制面板;
所述功能按钮包括使能按钮、运动学习按钮和复现运动按钮;
所述使能按钮,用于普通操作与智能操作之间相互切换;使能按钮常位时,操作控制面上操作手柄为普通操作功能;当需要使用轨迹控制智能操作时,必需先按下使能按钮并保持,控制面板上操作手柄切换到智能操作模式并屏蔽操作手柄普通操作功能;
所述运动学习按钮,当在使能按钮被按下并保持时,启动运动学习按钮,可编程控制器记忆该时间段内高空作业车运动参数,并储存下来;
所述复现运动按钮,当在使能按钮被按下并保持时,启动复现运动按钮,高空作业车将复现最后一次储存的运动,直至复现运动按钮或使能按钮不被启动,复现动作停止;
使用轨迹控制智能操作时,选用两个双轴比例手柄;第一操作手柄的上下运动表示进行垂直升降功能,第一操作手柄左右运动表示进行水平伸缩功能;第二操作手柄的左右运动表示进行水平回转功能,上下操作功能被屏蔽;
B.检测装置
所述检测装置采用长角传感器检测臂架长度和臂架角度、采用长度传感器检测变幅油缸长度、采用转台编码器检测转台相对下车的回转角度、采用平台编码器检测操作平台相对臂架的回转角度;各测量值将传递到可编程控制器中进行运算;
C.显示及报警装置
所述显示装置根据当前整机状态,自动选择出设定的作业区间,凸显在显示屏上,利于操作人员明确作业范围;
所述报警装置由指示灯和蜂鸣器组成,根据控制器控制指令做出相应动作;当按下轨迹控制使能按钮时,指示灯闪烁;按下轨迹控制使能按钮并操作手柄,让平台按特定轨迹运动时,指示灯常量,蜂鸣器发出对应提示声音,显示装置中显示出理想运动轨迹;
D.带压力补偿的液压工作回路
所述带压力补偿的液压工作回路包括:转台阀组和平台阀组;
转台阀组包括变幅、伸缩和回转的三条回路,每条回路的主阀均带有压力补偿,使得推动油缸或马达运动的流量仅与主阀开度相关,即与控制主阀电流近似线性比例关系,而与驱动负载无关;同时伸缩、变幅和回转三条控制回路互不干扰;
平台阀组包括平台摆动和平台调平回路,每条回路的主阀均带有压力补偿,使得推动调平油缸或摆动马达运动的流量仅与主阀开度相关,即与控制主阀电流近似线性比例关系,而与驱动负载无关;同时调平与摆动两条控制回路互不干扰;
E.坐标定位模块
所述坐标定位模块检测当前主臂状态和判断是否允许进行智能操作;当启动智能轨迹控制时,坐标定位模块接收长角传感器信号,确定臂架角度与臂架长度;接收转台编码器信号,确定转台回转角度,即臂架相对于下车的回转角度;接收平台编码器信号,确定操作平台相对臂架回转角度;
在XY平面内,由可编程控制器计算臂架末端位置,与设备作业区间比较,进行能否垂直升降或水平伸缩的智能操作判断;当检测到臂架末端位于作业区间包络线及其邻近区域时,允许进行垂直升或降中一个动作和水平伸或缩中的一个动作;当操作者推动手柄进行不允许动作时,报警器蜂鸣警告且整机无动作;
在XZ平面内,可编程控制器计算臂架相对于下车正方向的回转角度和操作平台相对于臂架的回转角度,将当前臂架和操作平台状态参数保存;
智能轨迹操作的速度优先级低于作业区间规定的操作速度;控制器实时接收该模块传递的检测信号并与设定程序进行比较;当智能轨迹操作临近作业区间包络线或其他限制点时,报警装置提示操作人员;当智能轨迹操作已接近作业区间包络线或其他限制点时,限制智能轨迹操作,报警装置蜂鸣报警;
F.正向求解模块
所述正向求解模块进行理想状态下操作平台运动路径轨迹运算;在坐标定位模块判断能够进行智能轨迹操作后进行工作,接收坐标定位模块检测到的臂架、转台和操作平台状态参数和手柄操作信号;
正向求解模块运算垂直升降和水平伸缩时,以臂架角度为主输入参考量,输出分别控制变幅油缸和伸缩油缸动作的理想控制信号;
正向求解模块运算水平回转时,以转台回转角度为主输入参考量,输出分别控制转台回转马达、变幅油缸、伸缩油缸和操作平台摆动马达动作的理想控制信号;
在垂直升降运行中,保证运动过程中臂架OC在水平X轴投影长度保持恒定,进行如下计算:
                                         (1)
Figure 899054DEST_PATH_IMAGE002
                                      (2)
在水平伸缩运行中,保证运动过程中臂架OC在垂直Y轴投影长度保持恒定,进行如下计算:
Figure DEST_PATH_IMAGE003
                                         (3)
Figure 144615DEST_PATH_IMAGE004
                                     (4)
在水平回转运行中,保证运动过程中臂架OC在XY平面内的投影保持恒定,即沿Y轴投影长度和沿X轴投影长度
Figure 774311DEST_PATH_IMAGE006
均保持恒定,进行如下计算:
 
Figure DEST_PATH_IMAGE007
                                              (5)
Figure 760590DEST_PATH_IMAGE008
                                (6)
                                       (7)
Figure 660807DEST_PATH_IMAGE010
                                                (8)
                                      (9)
Figure DEST_PATH_IMAGE011
                                                (10)
利用传感器将实际长度与计算长度,回转角度与计算角度进行比较,将两者差值导入回路中运算,分别计算变幅、伸缩、转台回转和平台摆动控制回路控制误差如下:
Figure 456910DEST_PATH_IMAGE012
                                          (11)
Figure DEST_PATH_IMAGE013
                                          (12)
Figure 108865DEST_PATH_IMAGE014
                                          (13)
Figure DEST_PATH_IMAGE015
                                            (14)
Figure 1603DEST_PATH_IMAGE016
                                            (15)
式中:
Figure DEST_PATH_IMAGE017
为臂架长度误差,
Figure 588967DEST_PATH_IMAGE018
为臂架实际长度,
Figure DEST_PATH_IMAGE019
为臂架伸缩油缸长度误差,
Figure 193255DEST_PATH_IMAGE020
为臂架长度变化量与臂架伸缩油缸长度变化量的比值,
Figure DEST_PATH_IMAGE021
为臂架变幅油缸长度误差,
Figure 521337DEST_PATH_IMAGE022
为臂架变幅油缸实际长度,为转台回转角度误差,
Figure 396145DEST_PATH_IMAGE024
为转台回转实际角度,
Figure DEST_PATH_IMAGE025
为平台摆动角度误差,为平台实际摆动角度;
G.挠度补偿模块
所述挠度补偿模块计算臂架因自重和平台载荷作用产生的固定挠度变形量,并将此变形量加入到控制油缸动作信号中,修正因挠度变形产生的轨迹误差;同时在挠度补偿模块中加入修正因子,用来修正因臂架搭接中滑块间隙、臂架加工质量产生的变形;在臂架挠度变形中,挠度补偿模块计算不同臂架状态下,臂架变幅角度挠度补偿量
Figure DEST_PATH_IMAGE027
利用叠加法求得臂架弯曲变形和角度补偿值如下:
Figure 619896DEST_PATH_IMAGE028
                                       (16)
Figure DEST_PATH_IMAGE029
                              (17)
H.速度设定模块
所述速度设定模块根据工作平台的起升、下降速度的阈值0.4m/s,在最大范围测量平台最外边缘的水平线速度阈值0.7m/s,计算***主输入参考量—臂架变幅角度信号
Figure 377767DEST_PATH_IMAGE030
在垂直升降中:
Figure DEST_PATH_IMAGE031
                                  (18)
将式(18)两边分别对时间求导,得下式
Figure 979519DEST_PATH_IMAGE032
                              (19)
以初始条件
Figure DEST_PATH_IMAGE033
,
Figure 150827DEST_PATH_IMAGE034
解微分方程,求平台0.4
Figure DEST_PATH_IMAGE035
匀速升降时,变幅角度
Figure 962663DEST_PATH_IMAGE030
为:
  
Figure 258646DEST_PATH_IMAGE036
                         (20)
在水平伸缩中:
Figure DEST_PATH_IMAGE037
                                   (21)
将式(21)两边分别对时间求导,得下式
Figure 983413DEST_PATH_IMAGE038
                               (22)
以初始条件
Figure 470764DEST_PATH_IMAGE033
,
Figure 395994DEST_PATH_IMAGE034
解微分方程,求平台0.7
Figure 495668DEST_PATH_IMAGE035
匀速伸缩时,变幅角度
Figure 933996DEST_PATH_IMAGE030
为:
                         (23)
在水平回转中:
Figure 467615DEST_PATH_IMAGE040
                                   (24)
将式(24)两边分别对时间求导,得下式
Figure DEST_PATH_IMAGE041
                               (25)
以初始条件,
Figure 160338DEST_PATH_IMAGE042
解微分方程,求臂架末端0.7
Figure 217287DEST_PATH_IMAGE035
匀速回转时,回转角度
Figure DEST_PATH_IMAGE043
为:
Figure 656227DEST_PATH_IMAGE044
                            (26)
此时,为保持操作平台相对下车方向不变,应逆向等速旋转,摆动角度
Figure DEST_PATH_IMAGE045
为:
Figure 932881DEST_PATH_IMAGE046
                        (27)
I.算法优化模块
所述算法优化模块包括:负反馈加前馈的复合校正、PID控制环节、在伸缩回路中加入带死区的PID控制算法三部分;
I1.负反馈加前馈的复合校正:分别将变幅油缸、伸缩油缸、转台回转马达、平台摆动马达的实测值与控制器运算值比较,利用公式(11)、公式(12)、公式(13)、公式(14)、公式(15),同时加入信号输入前馈通路,组成前馈和反馈控制相结合***,极大减小稳态误差,形成复合校正;
I2.PID控制环节:在控制信号与主阀间加入PID,利用其比例、积分、微分作用;
I3.在伸缩回路中加入带死区的PID控制算法;
在垂直起升模式中,当臂架变幅穿越水平位置时,臂架长度会从缩短变为伸长;在垂直下降模式中,当臂架变幅穿越水平位置时,臂架长度会从伸长变为缩短;臂架越临近水平位置,臂架长度变化量越小,则对位置控制精度要求越高;且对于阀控非对称缸,由于快速换向会引起压力跃变,引起油液的“内爆”或“外爆”,从而在换向时也不能平稳地工作;为解决这些问题,选用带死区的PID控制方法;
带死区的PID控制算式如下:
Figure DEST_PATH_IMAGE047
                                (28)
式(28)中,死区是一个可调的参数,具体数值可根据具体设备由现场实验确定;
J.可编程控制器
可编程控制器接收由坐标定位模块、正向求解模块、挠度补偿模块、速度设定模块和算法优化模块四部分组成的轨迹控制模块产生的信号,利用编程实现轨迹控制组件中各模块算法;
当进行垂直升降或水平伸缩时,以臂架变幅角度为统一输入变量,同时产生控制电流作用到变幅、伸缩液压工作回路的电磁阀和报警装置上;
当进行水平回转时,以转台回转角度为统一输入变量,同时产生控制电流作用到变幅、伸缩、转台回转和操作平台摆动液压工作回路的电磁阀及报警装置上。
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