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PLC控制的自动调平系统
[正文]:引言    为保证平台稳定，被调平台有五条支腿，分别用5个执行元件控制其高度，以调整平台的水平度;用2个水平敏感元件检测其水平度，2个水平敏感元件垂直安装，分别用于检测平台前后方向的水平度和检测平台左右方向的水平度。
图1是被调平台与支腿和水平传感器安装示意图(图中未标出平台上的设备)。

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图1   被调平台与支腿和水平传感器安装示意图5个调平支腿高度及2个水平敏感元件的输出，构成了五输入二输出的多输入输出系统，每一调平支腿高度变动，都有可能影响平台的水平度，因此它是一个强耦合的系统。
2  完全解耦的控制方法    系统虽有5个输入，2个输出，但我们知道，三点决定平面，所以在调平控制量中有二个输入量是冗余量，只需选择平台重心在三支点构成的三角形内，控制这个三角形的三个支腿高度，即可实现调平;在调平结束后，再控制其余二个支腿着地即可。
所以实际系统应是三输入二输出系统，经过分析可以得到水平敏感元件的输出α与β是三个调平支腿高a、b与c的函数:     α=f1(a，b，c)     β=f2(a，b，c)平台调平后，应得到α≤δ，β≤δ。
δ是一个允许的很小倾角。
a、b、c与α、β之间是强耦合的。
应用理论和实验方法都可得出其传递函数，设平台输入与输出关系表示如下: 
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式中gnm是α、β对于a、b、c的传函;gnm中下标n=1、2代表水平敏感元件的输出α与β，m=1、2、3代表三支腿高a、b与c。
设有一个预补偿矩阵kp(s)使(2)式成立。

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    式中kpq中下标q=1、2代表预补偿函数的二个输入α与β，p=1、2、3代表补偿传函的三个输出a、b与c。
若
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    则可实现完全解耦。
为使完全解耦，必需求出k(s)，并且按(4)式实时计算a、b和c，然后实施控制。

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由(3)式解出k(s)，代入(4)式并离散化(4)式，用计算机实时地计算出控制量a、b、c，就构成了快速自动调平系统。
然而k(s)不容易显式解得，(4)式的实时计算量大;以及当用伺服系统控制调平支腿的高度时，最少要有测量3个支腿高度的传感器和两个测量平台水平度的传感器，硬件电路相对复杂，开发时间长;这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台上的设备运行中不需实时调平，只要求开始工作前进行一次调平，对调平过程速度要求也不高。
这种平台的调平方法，可用剔除冗余量的解耦控制方法;将调平过程分两步进行，首先调平某个倾角使之达到水平要求之后，将其锁定，然后再去调另外一个倾角。
在第一步时，剔除了一个倾角及两个支腿的高，使控制系统变成了单入单出控制系统。
第二步剔除已调平了的倾角及相应的已完成调平任务的两个支腿。
这样第二步调平也变成了单入单出控制系统。
这种做法是一种剔除冗余量的解耦控制方法。
    具体调平过程叙述如下:首先选择平台重心所在三支腿构成的三角形中的三个支腿;在平台未调平前，三个支腿连结成的三角形中，必有一条边的倾角最大，这条边是由最高与最低两支点的连线，与它平行的(或夹角最小的)水平敏感元件的输出最大，也即由此水平传感器测出的倾角最大，以此水平敏感元件的输出作被控量，以高度最低支腿的高为控制量，构成单入单出的闭环控制系统。
这时，虽然调整最低位置支腿高时，会同时影响两个倾角，但未被选用的水平传感器的倾角变化可在第二步时再调平，因此在第一步调平过程中，最高和次高支腿高作为冗余量被暂时剔除了，较小的倾角的输出也作为冗余量被剔除了。
第一步调平过程，直至此最大倾角被调平为止。
当此倾角调平后，以此水平线为轴，平台便成了“跷跷板”，在平台重心作用下，原次高支腿变成了新的最低支腿。
原倾角较小的传感器输出变成最大。
    第二步，也以此时倾角最大的水平敏感元件的输出为被调量(另一水平敏感元件的输出已被调为零或一个允许的较小的倾角)，以此时的最低支腿高度为控制量，其余二个输入和一个输出作为冗余量被剔除，再次构成一个单入单出的单闭环系统;为防止第二步调平破坏第一步已调平得到的“跷跷板”的水平轴线，在第二步调平时，首先要收起最低腿的对角支腿，使此支腿悬空;这样第二步调平过程就不会影响第一步调平的结果。
当此时的最大倾角的水平敏感元件输出变为零时，就表明平台已完全被调平了。
最后再将其余支腿放下着地使平台更稳定。
上述剔除冗余量的解耦控制方法算法简单，即当水平传感器输出超过要求时，接通最低位置支腿的电磁阀，调此支腿的高，直至水平传感器输出满足要求止。
控制算法中，确定电磁阀接通与否，只由水平传感器的输出决定，而不需要测出各调平支腿的高度，因此不需使用测量支腿高度的传感器。
且控制算法中只有一些逻辑判断，无需处理大量的数椐，适合用plc实现。
4  用plc控制自动调平系统    用剔除冗余量的解耦控制方法的调平系统可用plc实现。
用plc控制的自动调平控制系统主要包含:水平检测器与控制支腿高度的电磁阀与液压缸等组成。
硬件框图如
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图2   自动调平控制系统的硬件结构框图下:    图2中plc输出经驱动电路控制电磁阀，电磁阀控制液压缸，液压缸控制支腿高度，液压缸上的液压继电器用于测量支腿是否着地;因为当支腿着地后液压缸压力升高，液压继电器接通。
水平传感器输出的水平倾角是模拟量，因此plc除了要有用于控制液压缸的开关量输出模块，和用于接收液压继电器的开关量输入模块外，还要有模拟量输入模块。
某自动调平系统，自动调平工作过程如下:(1) 选择最大倾角(可能是“前后倾角”，也可能是“左右倾角”)方向首先调平。
(2) 判断最大倾角方向上支腿的高低，将低端的调平支腿升高;直至在此方向达到调平精度。
(3) 进行另一方向的调节，升高较低一端的调平支腿，同时，收回此方向上较高一端的调平支腿;(4) 达到两个调平方向的调平精度后，使辅助支腿着地、放稳;(5) 调平工作结束。
图3是自动调平控制程序框图。
图中dt9、dt11、dt13、dt15分别是除辅助支腿外的4个调平支腿的液压缸的4个电磁阀，图中“调左右倾角标志”和“调前后倾角标志”是plc内部辅助继电器，程序检查此标志，当有标志时，会一直调整某个倾角，直至此倾角被调平为
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图3   自动调平程序框图止，故这一标志是实现解耦的关键。
编写程序时要注意到，plc用户程序是周期执行的，因此plc程序与计算机编程有很大不同。
但本程序是用在s7-300 plc中的，s7-300程序由“组织块”(ob1)和“功能”(fc1)等组成[2]，本程序是一个“功能”。
在条件满足时，“功能”程序将被反复执行，与计算机程5  结束语本自动调平系统中，未使用高度传感器测各调平支腿的高度，系统成本低;所用的剔除冗余量的解耦控制方法，调平过程要分两步才能完成，速度比完全解耦的控制方法慢;但在某些设备中，对调平速度要求并不高，完全可以应用，是一个很好的控制方法。
总之，一些控制问题似难以用plc进行控制，但只要在控制方法上想办法，改进控制方法后，用plc也能胜任;本文提出的剔除冗余量的解耦控制方法有实现价值，可推广应用。
本文设计的用plc实现的自动调平系统能在很短的时间内完成，开发周期很短，可靠性很高。