PID控制的电动支撑防虚腿设计

PID控制的电动支撑防虚腿设计

程俊博郭佳佳李浩然李永鹏

上海航天电子技术研究所

摘要：随着多型军用、民用工程设备的迅速发展，对支撑调平设备自动化、精准化的要求不断增加，并对其可靠性提出更高要求。现有虚腿检测技术中，往往通过在电机中加装电流传感器，通过电机电流的大小判定支腿是否为“虚腿”。这种方法增加了电流传感器及控制系统的复杂程度，并且在温度变化较大或电动缸一致性较差时可能造成电流值突变造成误判。本文提出了一种PID控制的电动支撑防虚腿设计，通过实测状态反馈量(载车平台姿态，电机轴位置、电机转速)进一步制定控制策略进行调平，逐步避免“虚腿”现象，至车载平台处于水平状态，操作过程方便，可靠性高。

关键词：PID控制，电动支撑，虚腿

1研究背景与意义

对于现代化特种车辆，例如，雷达车、火炮发射车、抢险救援车、野战医疗车等，车上通常搭载有许多高精度设备[1]。这类设备工作前，通常需要先对车载平台进行调平以对其提供一个良好的基准平面。对于这类体积大、载荷重、设备工作平台水平度和抗倾覆性能要求高的装备,必须采用多点支撑的方式,以保证设备的支撑刚度和稳定性。作为调平动作的执行机构，调平支腿根据驱动形式通常可分为电液调平支腿和电动调平支腿。对干电液调平支腿，系统需单独配备液压能源，存在维护和保养要求高、系统响应慢、容易因泄漏导致平台精度难长时间保持等不可忽视的缺点。电动调平支腿由电机直接驱动，结构简单、维护方便、能够长时间可靠锁定，符合调平工况的使用要求。然而,多点支撑电动调平装置在调平的过程中会出现过约束超静定问题,若不能对每个支撑点进行有效监控,准确判定每个调平支撑腿是否触地,必然会存在一个或多个支撑点的支撑腿因不受力而处于悬空状态,即产生“虚腿”现象[2]，存在“虚腿”现象会破坏设备的支撑刚度和稳定性，导致设备处于异常工作状态，轻则影响设备性能，重则使设备无法使用或发生危险事故。因此，消除“虚腿”现象对装备或者车辆来说至关重要。

2设计原理

本文提供的基于PID控制的电动支撑防虚腿设计，如图所示，包括PID控制器、伺服电机（含伺服驱动器）、减速机、法兰、限位开关、倾角传感器；PID控制器安装在支撑设备控制箱中，包括显示屏、显控软件、按钮、状态切换开关、CPU模块、通信模块；伺服电机（含伺服驱动器）、减速机、法兰、限位开关安装在四个按照矩形布置的电动支撑调平支腿上，倾角传感器安装于车辆支撑设备控制器一侧，包括一个双轴倾角传感器。PID控制器用于与各设备之间的信号通信、PID控制、实时监测、人际交互及界面显示；伺服电机（含伺服驱动器）用于接收PID控制器的控制信号，输出响应信号，执行响应动作，并向PID控制器回传自身转速信号以及装置状态；倾角传感器用于接收平台姿态数据，向PID控制器回传倾角信号以及调平状态。

其原理如图所示，第一，伺服电机输出轴伸入减速机，并通过法兰与减速机连接；由伺服电机带动减速机实现提高扭矩；第二，限位开关包括上限限位开关、下限限位开关，限定了调平支腿活动区间；第三，PID控制器在预展开操作中，控制伺服电机匀速转动，至调平支腿伸长至预定长度L1，记录当前倾角信号X、Y；第四，PID控制器在进行判虚腿操作时，单一控制伺服电机转动，使得倾角信号X、Y产生一定的角度变动β；此时认为该调平支腿已触地；重复操作使得四个调平支腿均触地；第五，PID控制器在进行调平操作时，以最后一个调平支腿的高度为基准，控制另外三组伺服电机转动，使得倾角信号归为水平信号或误差范围内；第六，PID控制器在进行转速控制操作时，通过初始角度输入、角度反馈、角度差结合PID算法实现对伺服电机的转速控制；最后，PID算法为以初始角度输入设定起转初始速度，通过实测的倾角信号X、Y实现角度反馈，结合角度差数据以负反馈形式实现转速控制。

3器件选择与实现

PID控制器用于与各设备之间的信号通信、PID控制、实时监测、人机交互及界面显示；显示屏可采用工控一体机电容触摸屏，用于实现界面显示；显控软件可选择为C软件环境下的应用软件，实现人机交互；按钮、状态切换开关可选用嵌入式工业键盘、数字键盘等，实现初始状态量的输入以及支腿运动的状态切换；CPU模块可选用西门子CPU314C-2DP，用于实现信号监测；通信模块可选用CAN或者RS422串口通信，用于实现信号通信。伺服电机（含伺服驱动器）被配置为接收PID控制器的控制信号，输出响应信号，执行响应动作，并向PID控制器回传自身转速信号以及装置状态；伺服电机、减速机45#钢材质组合套装，实现高扭矩、低噪音的传动功能；限位开关可采用YBLX-ME系列行程开关，可实现支腿升降的有限行程；倾角传感器可采用LCA326T型双轴数字型倾角传感器，接收平台姿态数据，实现载车平台姿态的采集，并向PID控制器回传倾角信号以及调平状态。

PID控制器在预展开操作

中，控制伺服电机匀速转动，至调平支腿伸长至预定长度0.3m，记录当前倾角信号X、Y；PID控制器在进行判虚腿操作时，单一控制伺服电机转动，使得倾角信号X、Y产生0.2′的角度变动；此时认为该调平支腿已触地；重复操作使得四个调平支腿均触地；PID控制器在进行调平操作时，以最后一个调平支腿的高度为基准，控制另外三组伺服电机转动，使得倾角信号归为水平信号或10′误差范围内；PID控制器在进行转速控制操作时，通过初始角度输入设定起转初始速度，通过实测的倾角信号X、Y实现角度反馈，PID控制器接收角度反馈后结合角度差数据以负反馈形式实现对伺服电机的转速控制。

4结束语

车载调平机构在工业和军事领域的应用日益广泛，尤其对于雷达车、导弹发射车等军事装备，具有非常广阔的应用前景。一种快速稳定高精度的调平机构，会大大增加武器的快速战斗能力和效率[3]。本文提出的基于PID控制器、伺服电机（含伺服驱动器）、减速机、法兰、限位开关、倾角传感器来判定调平腿触地和防止“虚腿”的方法，所需设备配置简单,，均为市场上常见的电动调平装置配置，无需增加新配置，成本低，简便易行，且准确性高、可靠性及安全性好，可推广到工程机械及陆地国防车载式平台等需应用电动调平装置的装备中。

参考文献

[1]宋振越,曹秀芳,侯晓亭.浅谈一种车载电动调平支腿设计[J].中国设备工程,2023,(21):99-100.

[2]付国华, 张礼学, 翟杰勇, 张应红. 一种基于多元感知的电动调平装置“虚腿”判定方法[J]. 桂林电子科技大学学报, 2022, 42 (03): 181-186.

[3]严金根, 陈君. 一种车载平台电动调平腿设计[J]. 机械工程师, 2019, (11): 105-106+109.