液压绞车改善被吊物体动态状态的控制方法*

王 成，傅 安

（西北工业大学，西安 710072）

液压绞车改善被吊物体动态状态的控制方法*

王 成，傅 安

（西北工业大学，西安 710072）

由于受飞机机身摆动和空中风速影响，航空吊放液压绞车在近机状态下（吊放物距离绞车5 m～10 m）经常发生由于吊放的物体摆动幅度过大，导致损伤吊放的物体和绞车本身。该控制方法针对某一型号液压绞车，提出一种利用角度传感器检测到的电缆缆位角的信息作参考值，根据钟摆原理，通过控制吊放电缆提升的时机、调整吊放电缆提升速度，在近机状态下绞车收放由程序自动控制的方法，从而解决被吊放物体摆动幅度过大的问题。采用该方法可以保护电缆和绞车的安全，便于声呐员操作，给出硬件设计和软件设计的思想和方法。

液压绞车，吊缆，缆位角，角度传感器，消摆

0 引言

液压绞车一般用于升降或平拖重物。由于其体积较小,可以实现无极调速,换向比较容易,操纵控制简便,自动化程度高，在越来越多的领域里发挥着不可替代的作用。目前广泛用于军队、海洋、民用等领域［1］。但在额定载荷较大的工况下,由于受车身移动和风速的影响，经常发生被吊放起的物体摆动幅度过大，导致损伤被吊放的物体和绞车本身。

国内同类型航空声纳吊放绞车并没有引入消除摆动控制器，吊放类的消摆装置主要应用在一些起重船的起重机上。现在国外的消摆策略主要有以下3种：①动力学模型的建立；②摆角等相关信息的检测与处理；③消摆控制算法的研究。而国内相关产品由于开发难度大所以产品相对滞后。国内相关研究的困难主要有以下三点：①相关研究多注重难以实现的理论和仿真，而理论研究多注重现代控制方法，如模糊控制、自适应控制等控制方法；②摆角，摆角角速度的测量是重要的难点；③国内相关的研究罕有合理、便于实现的消摆控制系统的电子电路的解决方案。

本型号的液压绞车与起重机有两点不同：①提升速度达到5 m/s,比起重机的1.5 m/s有了较大的提升；②缆绳具有传递信号的作用，所能承受的拉力有限，并且动力学模型已经固定。根据以上几点本文提出一种利用角度传感器检测到的吊缆缆位角度的信息作参考值，通过闭环控制吊绳上升速度的方法，从而减少被吊放的物体摆动幅度过大问题，并给出闭环控制的硬件设计和软件设计的思想和方法。

本设计的控制方法是应用在直升飞机上吊放航空声纳系统时用的液压绞车上。本型号的液压绞车系统主要是由绞车和控制盒组成。而控制盒是最关键的部分，它主要完成绞车的运行控制［2］。本文从硬件设计和软件设计两个方面优化控制盒，从而实现消摆控制。

1 缆绳摆动的模型与消摆方案

1.1 消摆方案

缆绳的摆动与物理钟摆模型和运动特性一致。因此控制悬点缆绳的收放，成为了减少摆动幅度的有效方法。本文通过摆体摆动的不同阶段，控制绞车收缆绳速度的方法来消摆。

图1 是钟摆运动过程示意图。其中φ为缆位角，ωz为电缆角速度，mg为重力［3］。

①当摆体从A向B运动时或从C向B运动时（即向内摆动时），缆位角减小，绞车停止收缆。

②当摆体从B向C运动时或从B向C运动时（即向外摆动时），缆位角增大，绞车开始收揽。

1.2 具体控制方案

当摆体上升并且缆长小于等于10 m时，手柄控制的提升控制转换为自动控制，提升条件由三方面进行限制，分别是：缆长、缆位角、电缆的摆动方向。当电缆由中心往外摆时提升，随着电缆长度的减小，允许提升的角度逐渐减小。电缆长度10 m时，只允许缆位角在±10°范围内提升，提升速度不超过1 m/s，超过±10°不提升；电缆长度5 m时，只允许缆位角在±5°范围内提升，提升速度不超过0.8 m/s，超过±5°不提升；电缆长度1 m时，只允许缆位角在± 1°范围内提升，提升速度不超过0.4 m/s，超过±1°不提升［4］。

2 硬件设计方案

本控制系统的硬件主要设计一个绞车控制电路板。首先通过角度传感器传给单片机缆位角信息；单片机再将数字手柄产生的位移信号进行采集解算，得到绞车的运行速度值；然后对应缆位角和缆长信息所要求的速度值产生相应的PWM控制信号，并对此信号进行调理；最后以直流电压信号的形式传到绞车本体上的电液伺服阀，进而控制绞车运行［5］。本系统的绞车控制板框图如图2所示。

由图2所示，该系统的硬件控制模块可以分为角度传感器角度检测、旋转编码器速度检测、PWM输出伺服阀驱动、数字手柄，C8051F020单片机和这6个部分。

①缆位角检测模块：该模块由安装在绞车上的角度传感器反馈信号实现，并将此信号发给单片机进行运算处理。

②速度检测模块：该模块由安装在绞车导向轮上的旋转编码器反馈信号来实现，并由测得的实际速度进行速度闭环控制。

③PWM输出伺服阀驱动模块：伺服阀的控制信号由C8051F020微控制器的可编程计数阵列（PCA0）的8位PWM的工作方式给出，采用固定频率方式，调节占空比的方式完成PWM脉宽调制功能，然后，PWM信号经过滤波放大调理后输出加到电液伺服阀上［6］。

④数字手柄输入：由控制杆和16位绝对值编码器组成的数字手柄，精度能做到0.3°/档，相当于将单边（上升或下降）分成70档，每档对应的速度0.07 m/s。绝对值编码器输出的是一个串行数字信号［7］。

⑤C8051F020微控制器：a.该控制器接收旋转编码器信号计算得到缆绳长度和缆绳上升速度，b.接收角度传感器的电压信号，进行A/D转换计算得出缆位角，并判断摆体的是否向外摆动。c.根据缆长、缆位角、电缆的摆动方向的信息，输出不同占空比的PWM信号［8］。

⑥EPM7128S-100CPLD模块：将16位绝对值编码器输出的串行信号转换成并行信号输入到单片机中进行速度设定。

3 软件设计方案

在硬件平台的基础上，软件设计的优劣对功能的实现起到至关重要的作用。程序的整合优化在整体资源分配上，对程序整体架构设计的优化是最关键的。要尽量采用结构化的程序设计方法，使得整个程序结构清晰、明了，便于调试和维护。

3.1 开发环境

根据系统的设计方案，系统软件设计的内容包含较多，大体上分为单片机绞车运行控制程序，可编程逻辑器件的软件设计。本文主要介绍单片机绞车运行控制程序。

单片机控制程序是核心，由单片机C语言开发，采用Keil C软件设计［9］,结合高性能SoC级芯片C8051F020，处理速度达到要求，可以满足绞车控制实时性要求；对于可编程逻辑器件CPLD的软件设计主要采用Verilog HDL语言来编写，采用Quartus II软件设计。

3.2 消摆程序流程图

消摆程序流程图如图3所示

图3流程图主要由以下3个模块组成：缆长缆速检测模块、缆位角检测和摆动方向检测模块和运行模块。以下简单介绍各模块程序的原理。

3.2.1 基于旋转编码器的绞车实时速度和缆长测定原理

由旋转编码器分辨率的定义，每转一圈，编码器输出固定个脉冲个数，记为Np，单位为脉冲个数/转；旋转编码器安装轮的直径为d,半径为r=d／2，单位为：米（m）。

由以上条件可得：

旋转编码器位移分辨率：

单位是m/每个脉冲，表示每个脉冲代表的位移量。

单片机对旋转编码器采样时间Ts，采样时间内计数脉冲个数为N（注意：每次读取计数值后要清零计数器）

通过采样时间Ts内，计数脉冲个数N即可以得到在采样时间内的位移量

其中：N为采样时间Ts内的脉冲计数个数。

线缆实时速度为：

其中：Ts为采样时间

所以只要在每个采样间隔Ts内，计数旋转编码器输出脉冲数，即可根据式（2）和式（3）测得绞车的实时缆长和速度。

3.2.2 基于角度传感器的缆位角检测和缆绳摆动方向检测的原理

①缆位角检测：角度传感器输出的是电压值V，电压值经过单片机的A/D模块转换成数字信号D，再将数字信号对应其角度值P。

K为一设定的比例值，将A/D转换输出的数字对应为角度值，这样就测出了角度值。

②缆绳摆动方向检测：使用单片机C8051F020的定时器设定一采样周期，一周期采样一次角度值，当前角度值大于上一次采样的角度值时缆绳向外摆动，反之向内摆动。

4 测试结果

将设计好的控制盒和绞车组合起来，将缆绳放至10 m，手动抱起吊物，使缆位角角度为10°。松开吊物并且推动手柄，使绞车上升。在绞车上做实验进行对比，比较使用本文控制方法和没有使用本文方法的区别。

图4 是没有使用本文方法的提升控制，吊物以1 m/s的速度上升。图5采用了本文方法。结果显示，没有使用本方法的控制盒时，吊放物体摆动幅度衰减很慢。在10 s左右与绞车撞上，使缆位角瞬间降为零；使用消摆控制的控制盒时，吊放物体摆动幅度衰减较快，并在13 s时达到一个缆位角为1°的摆动幅度，有效防止了被吊放的物体损伤和绞车本身损伤的问题。

5 结束语

本方法是针对某型号航空声纳吊放绞车而设计的。该方法即保证了绞车吊放物体速度的流畅性，又能有效减小缆绳的摆动幅度。本方法基于高集成度的 C8051F020 单 片 机 控 制 采 集 系 统+EPM7128S-100CPLD的硬件电路，加上必要的外部设备设计出的液压绞车消摆控制方法。该方法具有简单有效，稳定可靠的特点。在工程上已经取得了良好的效果。如果其他系统里需要消除吊物的钟摆现象，只需对文中方法略作调整即可。

［1］唐金元，王翠珍，于潞.基于数字PID控制的吊放声纳液压绞车控制系统［J］.青岛大学学报,2008，23（1）：40-45.

［2］姚远，王英民，王成.轻型液压绞车速度闭环控制系统的设计［J］.微型机与应用，2011，30（1）：90-92.

［3］蒋金哲.单旋翼涵道风扇式无人直升机的钟摆现象与控制［J］.兵工自动化，2007，27（5）：62-72.

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

［5］姚远.航空液压绞车的智能数字控制系统研究［D］.西安：西北工业大学，2009.

［6］王岚，吴海强，孙卓君.基于PWM滤波数模转换电路设计［J］.应用科技，2007，34（10）：50-53.

［7］许宁.绝对值编码器通过PLC实现港口机械的角度测量［J］.港口装卸，2007（5）：27-28.

［8］袁梅，田宏达，董韶鹏，等.基于PWM的电流输出数模转换电路［J］.仪表技术与传感器，2011，21（7）：91-93.

［9］童长飞.C8051F系列单片机开发与C语言编程［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2005.

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

WANG Cheng，FU 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

西北工业大学基础研究基金资助项目（GDKY1001）

王 成（1978- ），男，云南人，博士，副教授。研究方向：水声信号处理。