輕型液壓絞車速度閉環(huán)控制系統(tǒng)的設計

姚 遠，王英民，王 成

（西北工業(yè)大學 航海學院，陜西 西安 710072）

輕型液壓絞車速度閉環(huán)控制系統(tǒng)的設計

姚 遠，王英民，王 成

（西北工業(yè)大學 航海學院，陜西 西安 710072）

在分析了開環(huán)、閉環(huán)控制方法優(yōu)劣的基礎上，提出了一種速度閉環(huán)控制方法，利用高集成度混合系統(tǒng)級MCU芯片作為控制核心，結合一些必要的外設，設計了一個穩(wěn)定性好，準確度高的速度控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠有效地提高絞車運行速度的穩(wěn)定性和準確性。從控制流程、控制方法、硬件實現(xiàn)等幾個方面入手，闡述了設計思路和實現(xiàn)方法，并在實驗室對所設計的系統(tǒng)進行了測試，測試結果表明該系統(tǒng)具有良好的速度控制效果，能夠滿足實際應用的要求。

液壓絞車；閉環(huán)控制；單片機

輕型絞車在現(xiàn)實生活中應用廣泛，其結構緊湊、占用空間小，適用于船舶、碼頭和汽車等各種起重和牽引設備。該型絞車能實現(xiàn)設備、儀器進出實驗平面進行信號的測量和采集，使其按照要求的速度提升或下放，并具備結構簡單、操作方便、工作可靠等優(yōu)點。為了保證絞車正常、高效的工作，速度控制占據(jù)著主要的地位，所以需要一種穩(wěn)健的速度控制方法來保證絞車運行的精確性。

在絞車速度控制中，為了防止飛車現(xiàn)象的產(chǎn)生，一般采用開環(huán)控制方法。雖然該方法也能使系統(tǒng)正常運行，但開環(huán)速度控制可能導致絞車失控。在開環(huán)控制方法中，當負載恒定時，速度穩(wěn)定，但是如果在絞車運行過程中，負載突然變輕，則液壓電機的轉(zhuǎn)速會突然加大，如不加控制就有可能造成纜繩的拉斷，造成嚴重的后果。閉環(huán)控制與開環(huán)控制的不同之處在于，將最后一級的輸出（即轉(zhuǎn)速）反饋到控制端，在運行過程中，通過反饋轉(zhuǎn)速和控制轉(zhuǎn)速的差值來調(diào)整控制電壓，從而達到速度控制的目的。同時若在系統(tǒng)設計時加入拉力、速度監(jiān)控模塊，就可以有效防止閉環(huán)控制時的飛車現(xiàn)象。

為了改善液壓絞車的工作性能，提高其速度控制的穩(wěn)定性和準確性，筆者利用一款完全集成的混合系統(tǒng)級MCU芯片C8051F020作為控制核心，加上必要的外部設備，設計出了針對絞車速度的閉環(huán)控制系統(tǒng)，并通過Keil C語言來編寫相關的控制程序。

1 液壓絞車工作原理

輕型絞車控制系統(tǒng)主要由絞車和控制盒兩部分組成。液壓驅(qū)動的輕型絞車由原動機帶動液壓泵，將工作油液輸入執(zhí)行構件（液壓缸或者液壓馬達）使機構動作。絞車控制盒根據(jù)操作員輸入的速度大小，輸出可變的控制電壓，該電壓作用在電液伺服閥上，通過控制電液伺服閥開角的方向和大小對輸入執(zhí)行構件工作油液流向及流量進行控制，從而達到控制絞車的提升和下降速度的目的[1]。

2 速度閉環(huán)控制系統(tǒng)的實現(xiàn)方法

2.1 閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成

本設計中，該速度閉環(huán)控制系統(tǒng)主要由4部分組成，包括控制部分、輸出部分、速度反饋部分和顯示監(jiān)控部分。速度閉環(huán)控制系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構圖

控制部分由C8051F020型單片機和數(shù)字手柄組成。C8051F020型單片機擁有豐富的資源，64個I/O口可以方便地實現(xiàn)各種開關量的輸入輸出，既可以按字節(jié)訪問也可以進行位操作，四個定時/計數(shù)器可以實現(xiàn)纜長、速度的計算，一個PCA0可編程邏輯技術陣列可以實現(xiàn)8位脈寬可調(diào)的PWM信號的輸出。同時由絕對值編碼器構成的數(shù)字手柄來完成絞車運行速度的輸入，速度輸入的幅度和精度由絕對值編碼器的位移量和位數(shù)決定，該系統(tǒng)采用了一個8位的絕對值編碼器，其角分辨率為360°/28。

輸出部分由模擬電路組成，主要用來控制電液伺服閥。該部分電路的功能是將單片機輸出的PWM信號經(jīng)過濾波放大后驅(qū)動電液伺服閥工作。當PWM信號的占空比為50%時，輸出的驅(qū)動電壓為0 V；當PWM信號的占空比為100%時，輸出最大的正電壓；當PWM信號的占空比為0%時，輸出最大的負電壓。

速度反饋部分由一個旋轉(zhuǎn)編碼器構成，把旋轉(zhuǎn)編碼器與絞車同軸相連，將編碼器的輸出脈沖接入單片機的計數(shù)器端就能完成對絞車實際速度的測量，同時判斷編碼器A相和B相的脈沖相位就可以實現(xiàn)辨向。

顯示監(jiān)控部分由顯示器和安全模塊組成，主要是用來顯示絞車運行時的各種狀態(tài)，如速度、纜長等，并且在拉力、速度出現(xiàn)異常時，實現(xiàn)報警。

2.2 閉環(huán)控制流程

在用該系統(tǒng)進行速度閉環(huán)控制時，初始的控制信號由絞控盒給出。初始控制信號發(fā)出后，加在電液伺服閥上，隨后電液伺服閥打開，工作油液通過伺服閥進入油路，通過壓力驅(qū)動電機動作。當液壓電機在壓力作用下開始動作時，安裝在電機上的旋轉(zhuǎn)編碼器將測速脈沖反饋到控制盒中，控制盒通過測速脈沖算得液壓電機的實際轉(zhuǎn)速，將該實際轉(zhuǎn)速與初始信號對應的轉(zhuǎn)速進行比較。如果實際轉(zhuǎn)速過快，則調(diào)整控制電壓，使其幅值降低；如果實際轉(zhuǎn)速慢于所要求的值，則調(diào)整電壓，使其幅值增大。具體實現(xiàn)過程見圖2。初始控制信號由數(shù)字手柄產(chǎn)生，手柄在中間位置時，對應速度為0 m/s。手柄向上推表示絞車正轉(zhuǎn)，手柄向下推表示絞車反轉(zhuǎn)。由絕對值編碼器的輸出可知，手柄每一個位置對應了一組8位的二進制碼，通過單片機的I/O接口讀入手柄的位置量，在單片機里轉(zhuǎn)換為對應的速度值，再通過對C8051F020中PCA0模塊的寄存器操作輸出該速度對應的特定占空比的PWM脈沖，該脈沖經(jīng)過濾波放大后再驅(qū)動電液伺服閥。

圖2 速度閉環(huán)控制流程

反饋信號由與絞車相連的旋轉(zhuǎn)編碼器產(chǎn)生，當液壓電機轉(zhuǎn)動時，旋轉(zhuǎn)編碼器就會有脈沖輸出。假設某型編碼器一圈輸出100個脈沖，絞車一圈放出纜繩的位移為1 m，則一個脈沖對應1 cm的位移。把脈沖輸入單片機的計數(shù)器，通過一個定時器計時，就可以得到絞車的實際速度。將實際速度與所要求達到的速度作比較，如果實際速度大于所要求的速度，則可以降低PWM信號的占空比來降低驅(qū)動電壓，從而達到減速的目的，如果實際速度小于所要求的速度，則就需要增加PWM信號的占空比來提高驅(qū)動電壓。

2.3 速度控制過程

根據(jù)絞車運行速度較低、負載較大的工作特點，在該速度閉環(huán)控制系統(tǒng)中，采用比例調(diào)整的方法，這樣既可以提高速度調(diào)整的時間，也可以達到比較高的精度來滿足實際的要求。

令Sin為控制盒要求的速度值，V為控制電壓，V′為調(diào)整之后的控制電壓，Sout為實測的電機轉(zhuǎn)速，σ為控制比例系數(shù)，S′out為調(diào)整之后的電機轉(zhuǎn)速。則有：

在該實際系統(tǒng)處理中，根據(jù)速度與PWM信號占空比的關系， 將速度差值 ΔS， 即 σ×（Sin-Sout）， 轉(zhuǎn)換成為C8051F020單片機所能接收和處理的數(shù)字量，通過把數(shù)字量寫入PCA0計數(shù)模塊的寄存器來調(diào)整PWM的占空比，再由占空比和電壓的關系，得到ΔV，最終反映到控制電壓的輸出上。

速度調(diào)整所需要的時間由兩個方面決定：第一是ΔS的大小，它決定了調(diào)整的次數(shù)；第二是伺服閥的響應時間，一般來說，伺服閥的響應時間小于50 ms。如果假設 Sin=2.5 m/s，Sout=3 m/s，σ=0.5，用單片機的定時器來計時，20 ms進行一次速度調(diào)整。則由公式（3）可以算出 S′out從3 m/s變化到2.507 8 m/s，一共調(diào)整了6次，所以在150 ms的時間內(nèi)，在閉環(huán)的條件下，速度可以從3 m/s調(diào)整到 2.5 m/s。

綜上所述，速度閉環(huán)控制的實現(xiàn)步驟為：

（1）控制盒給出所要求速度的初始控制電壓，將該電壓加在電液伺服閥上驅(qū)動液壓電機動作。

（2）將與液壓電機同軸相連的旋轉(zhuǎn)編碼器得到的測速脈沖引入控制盒，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到電機實際轉(zhuǎn)速。

（3）將實際轉(zhuǎn)速和要求轉(zhuǎn)速的差值乘以控制系數(shù)，來調(diào)整控制電壓的輸出，以實現(xiàn)對速度的調(diào)整。

3 速度閉環(huán)系統(tǒng)的測試

測試條件：一個直流小電機作為輸出負載，其轉(zhuǎn)速與電壓不成線性關系，并且轉(zhuǎn)速范圍大，能夠很好地檢驗該速度閉環(huán)控制方法的性能。一個5 V直流供電、參數(shù)為100 P/R的旋轉(zhuǎn)編碼器來實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的測量和反饋。數(shù)字手柄輸出的速度范圍為0～5 m/s，控制系統(tǒng)加在電液閥上的輸出電壓范圍為0 V～3.3 V，測速時，單片機設為20 ms定時，控制系數(shù)σ=0.05。

圖3給出了直流小電機在開環(huán)條件下，兩端加上要求速度對應的控制電壓時，其實際運行的轉(zhuǎn)速情況。由圖可以看出，直流小電機按照自身的電壓-速度特性運行，其實際速度和要求速度相差很大。

圖3 開環(huán)條件下電機運行速度曲線

由圖4可以看出在閉環(huán)控制條件下，控制盒可以很好地按照要求速度的大小來約束實際的運行速度，在閉環(huán)控制的作用下，通過調(diào)整直流小電機兩端的控制電壓，使得實際運行速度與要求速度基本吻合，經(jīng)計算其速度誤差的均值為0.175 m/s。

圖4 閉環(huán)條件下電機運行速度曲線

圖5反映的是電機速度從初始值調(diào)整到所要求的速度值時所需要的時間。從圖中可以看出，在要求速度為0～3 m/s的范圍內(nèi)，小電機速度范圍為 0～8 m/s時，速度調(diào)整所需要的時間較長，這是由于小電機在速度比較低的時候，速度波動較大。在要求速度為3～5 m/s，小電機速度范圍為8～22 m/s時，小電機轉(zhuǎn)速高，速度比較穩(wěn)定，此時速度調(diào)整時間比較穩(wěn)定。經(jīng)計算，小電機在低速時的平均調(diào)整時間為1.312 s，在高速時的平均調(diào)整時間為0.84 s。整段的速度調(diào)整平均時間為1.075 s。

圖5 電機運行速度閉環(huán)的調(diào)整時間曲線

通過對速度閉環(huán)控制系統(tǒng)測試結果的分析，文中所提到的速度閉環(huán)控制方法能夠在較短的時間里把速度控制在較小的誤差范圍之內(nèi)，可以滿足實際應用的需要。

本文從改善絞車控制系統(tǒng)的性能入手，設計了一個實用的速度閉環(huán)控制系統(tǒng)，并從控制流程、控制方法和硬件實現(xiàn)等幾個方面入手，闡述了設計思路和實現(xiàn)過程。最后在實驗室里對設計出的速度閉環(huán)控制系統(tǒng)進行了速度控制性能測試。測試結果表明該系統(tǒng)具有良好的控制性能，能夠滿足實際應用的需要。

[1]曹玉平，閻祥安.液壓傳動與控制[M].天津：天津大學出版社，2009.

[2]張毅坤，陳善久，裘雪紅.單片微型計算機原理及應用[M].西安：西安電子科技大學出版社，1998.

[3]沈陽新華龍電子有限公司.C8051F020/1/2/3混合信號ISP FLASH微控制器數(shù)據(jù)手冊[Z].2005.

[4]湯競男，沈國琴.51單片機C語言開發(fā)與實例 [M].北京：人民郵電出版社，2008.

[5]牛昱光.單片機原理與接口技術[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

A speed closed-loop control system for light hydraulic winch

Yao Yuan，Wang Yingmin，Wang Cheng

（College of Marine Engineering，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China）

A precise speed closed-loop control method is put forward in this paper.To overcome the shortages of the openloop control system，a high stability and accuracy control system was designed using high integrated MCU as control center and combining necessary peripherals as encoder.The design and implement method were illustrated in control flow，control method，hardware，etc.This system passed the test in the laboratory.The result shows that the performance is so nice that it can be applied in practice.

hydraulic winch；closed-loop control；singlechip

TP368.2

A

1674-7720（2011）01-0090-03

2010-08-02）

姚遠，男，1986年生，碩士研究生，主要研究方向：聲納技術。

王英民，男，1963年生，博士生導師，主要研究方向：水聲信號處理。

王成，男，1978年生，博士，主要研究方向：工程水聲信號處理。