[发明专利]高空作业车操作平台轨迹控制装置

权利要求书

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)

                                      (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：

                                         (3)

                                     (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轴投影长度均保持恒定，进行如下计算：

                                               (5)

                                (6)

                                       (7)

                                                (8)

                                      (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：

                                          (11)

                                          (12)

                                          (13)

                                            (14)

                                            (15)

式中：为臂架长度误差，为臂架实际长度，为臂架伸缩油缸长度误差，为臂架长度变化量与臂架伸缩油缸长度变化量的比值，为臂架变幅油缸长度误差，为臂架变幅油缸实际长度，为转台回转角度误差，为转台回转实际角度，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；

利用叠加法求得臂架弯曲变形和角度补偿值如下：

                                       (16)

                              (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，计算系统主输入参考量—臂架变幅角度信号：

在垂直升降中：

                                  (18)

将式（18）两边分别对时间求导，得下式

                              (19)

以初始条件,解微分方程，求平台0.4匀速升降时，变幅角度为：

                           (20)

在水平伸缩中：

                                   (21)

将式（21）两边分别对时间求导，得下式

                               (22)

以初始条件,解微分方程，求平台0.7匀速伸缩时，变幅角度为：

                         (23)

在水平回转中：

                                   (24)

将式（24）两边分别对时间求导，得下式

                               (25)

以初始条件,解微分方程，求臂架末端0.7匀速回转时，回转角度为：

                            (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，摆动角度为：

                        (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系统，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：

                                (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。