控制理论的发展及其在工业和军事等领域的应用，导致其对运动对象的控制要求越来越高，尤其在被控对象的动态性能方面提出了更加苛刻的要求，不仅要采用计算机进行先期模拟，还要在模拟的基础上进行实验验证［１－２］。针对国内对重载空间多自由度模拟平台的缺乏，急需建立一种能够对实验对象施加一定空间运动的模拟实验平台［３－４］。本文设计了转动、制动和驱动模拟平台进行空间多自由度位姿控制的控制系统，系统中以液压泵站为动力源，利用液压油缸及其他机械装置来实现模拟平台的转动、制动和驱动，采用两路ＰＩＤ分别控制模拟平台的横滚和俯仰运动。
１系统设计要求及总体方案
空间多自由度位姿模拟平台由一个立柱和两个液压缸组成，立柱与地基是一个整体并保持静止，两个液压缸由液压泵站提供动力源，通过电液比例伺服阀控制油缸的行程和速度，实现模拟平台的横滚与俯仰。该系统的主要目标是能够快速地跟踪并保持给定角度，实验对象在给定的角度上完成空间多自由度位姿实验。模拟平台在Ｘ轴与Ｙ轴方向上转动的结构示意图如图１所示。本系统下位机选用Ｓ７－３００系列ＰＬＣ与传感器配合采集与处理信号，运用ＰＩＤ算法运算对信号进行运算与处理，模拟量模块输出控制电液比例伺服阀，由电液比例伺服阀控制油缸的伸出与缩回。选用与西门子ＰＬＣ无缝连接的ＷｉｎＣＣ软件对上位机监控软件进行开发［５－８］，模拟平台的实时位姿由另一套视频系统显示，控制系统总体方案如图２所示。
２硬件设计
２．１电控系统硬件设计
系统中的主控模块选择了具有较强通讯功能的３１５－２ＤＰ、数字量输入模块ＳＭ３２１（ＤＩ３２）和数字量输出模块ＳＭ３２２（ＤＯ３２），主要控制急停、复位、报警等的按钮和指示灯。模拟量的采集包括总油路油温、油压、油缸进口和出口压力以及角度信号，分别选用模拟量输入模块ＳＭ３３１（ＡＩ８）、模拟量输出模块ＳＭ３３２（ＡＯ２）及ＤＰ网关做主站，用ＭＯＤＢＵＳ协议来采集Ｘ、Ｙ轴的角度信号，西门子通讯协议是ＭＰＩ下挂接ＰＲＯＦＩＢＵＳ实现网络通讯［６］。硬件选用与网络的结构示意图如图３所示。
２．２液压系统硬件设计
液压系统通过电液比例阀来控制两个液压油缸的伸出和缩回，用ＰＩＤ算法实现比例阀开度的稳定，从而使模拟平台保持一定角度。液压油从液压泵站出来，经过出油管路、过滤器到溢流阀、安全阀，再经过三位四通换向阀，以确保油缸动作的唯一性。两个电液比例阀实现两个油缸的伸出和缩回，在油缸下端有各自的平衡阀以保持油缸中的压力［９］。
３软件设计
３．１上位机软件设计
本系统的ＷｉｎＣＣ组态有操作画面、报警画面、趋势组态等，需要对实时曲线实时保存、回放等。由于ＷｉｎＣＣ的曲线控件不具备随时保存、提取的功能，调用组态王的超级ＸＹ曲线控件，将所采集到的数据实时显示并按实验要求所需要的时间保存。系统组态主控画面如图４所示，操作画面主要调用ＷｉｎＣＣ组态的控件以及ＶＢ脚本编程。由图４可以看出，系统用户登录后弹出主控画面，用户先要进行参数校验，设置横滚与俯仰的报警上下限以及零点校验相应的Ｋ、Ｂ系数。通过手／自切换开关选择本地的手动／自动控制方式，其中手动方式是将给定可调节的模拟量输出到电磁阀，使平台能较平稳地制动。在确保一侧角度为水平位置后，输入另一侧的设定值，将自动控制开关闭合，表盘控件指针、阀开度的百分比及超级ＸＹ曲线控件自动实时跟踪角度值。点击坡面控制按钮进入自动实时跟踪角度值。点击坡面控制按钮进入自动步骤设定画面，设定角度、定时时间后返回主控制画面，闭合自动方案开关，实现系统自动２０步的动作。通过开始记录、暂停记录、保存数据、清除图像和曲线回放步骤，能实现试验数据的随时记录、提取、保存和回放功能。报警记录通过调用ＷｉｎＣＣ控件，实现主要监控参数包括油温、油压和实际角度的上下限等是否超限。
３．２下位机软件设计
系统采用模块化编程思想，利用Ｓ７－３００的编程软件Ｓｔｅｐ７编写，将ＬＡＤ与ＳＴＬ混合编程。上电后，ＯＢ１００执行一个扫描周期、ＰＩＤ默认自动方式，则初始化完成，然后执行ＯＢ１循环扫描，调用各个子模块程序。其中ＳＦＣ系统功能是实现角度传感器网关处理，完成两个角度的实时上传。ＦＢ２功能块用于油缸调速，分为ＦＣ１００功能的本地调速和ＦＣ１０１功能的现场调速。调速形式有两种，一种是手动高、中、低三档调速，通过调节模拟量输出ＰＱＷ的值来调速；另一种是通过ＰＩＤ算法来调速，是对ＰＩＤ功能块的输出ＬＭＮ作出处理，乘以高、中、低三档的系数控制ＰＱＷ的输出值大小。ＦＢ４０功能块转换模拟输入量，外部输入的是４～２０ｍＡ电信号，经过模拟量输入模块进行Ａ／Ｄ转换，由ＦＣ１０５功能转换到实数，实现温度、压力等参数的规格化。ＦＢ１０功能块是对主要参数的报警判断，实现本地控制台面板、现场手动箱和上位机ＷｉｎＣＣ主画面的报警提示。ＦＣ１０功能是实现现场手动，即当有故障发生时，控制系统可以脱离工控机运行。在ＦＢ５０功能块中，本地动作有３种，包括本地手动ＦＣ５０功能块、本地角度设定ＦＢ７０功能块以及ＦＢ６０功能块本地坡度方案的设定。其中后两种功能通过调用中断ＯＢ３５，采用ＰＩＤ算法进行编程［７］。系统保持角度的定时时间不定，由于Ｓ７－３００定时器的最长设定定时时间小于３ｈ，故采用定时中断来做长时间定时，在中断ＯＢ３４中的程序块安排示意图如图５所示。控制系统采用ＰＩＤ为主要算法，其程序的编写分为３个步骤：（１）实际值ＰＶ＿ＩＮ与设定值ＳＰ＿ＩＮＴ规格化处理。将采集到的角度数字量信号转换为０．０～１．０之间的数值。（２）在ＯＢ３５循环中断中调用ＦＢ４１子程序实现连续循环控制。其接口数据存放在ＤＢ４１中，要设置的主要参数包括手自动、Ｐ使能位、输出的上下限、死区区间、比例参数、输出端ＬＭＮ，为了便于调试，设置了ＬＭＮ＿Ｐ、ＬＭＮ＿Ｉ以及判断正反作用的ＥＲ。（３）输出ＬＭＮ的规格化处理。调用ＦＣ１０６功能将其转换到—２７６４８～２７６４８之间的数字量，将其与高、中、低３档系数绑定，实现可调节的ＰＩＤ控制。由于所选电磁比例阀的放大板是单极性的，当ＥＲ≥０时，ＬＭＮ为正作用，直接输出到ＡＱＷ０；当ＥＲ＜０时，ＬＭＮ为反作用，取ＥＲ的绝对值输出到ＡＱＷ０。
４编程与调试过程
４．１ＰＩＤ参数的整定与实验结果
对于ＰＩＤ参数的整定，常用的有临界比例法、衰减曲线法以及试凑法。在熟悉了Ｐ、Ｉ、Ｄ３个参数对系统性能影响的基础上，设定值横滚角度为２０°，现场运用试凑法［１０］。实验结果曲线趋势与效果分析如图６所示，其中，Ｐ为比例系数，ＤＥＡＤＢ为死区。由图６可知，图（ａ）中的比例系数较大，调节速度加快，稳态误差较小，但超调量增大，振荡次数增加；图（ｂ）中的比例系数适当与死区匹配，能满足系统１°／ｓ的速度要求，且运行较平稳；图（ｃ）中的比例系数太小，系统输出量变化缓慢，运行较平稳，调节所需的总时间过长［１１］。为了满足±０．５°精度要求，本文设定比例系数为２０．０、死区为０．００１。
４．２上升沿与下降沿的采集
系统上电后默认低速，调用ＯＢ１００以及通讯多处用到的上升沿、下降沿指令，如果简单地将其放在功能或功能块中有时会采集不到信号。但当上升沿、下降沿指令在ＯＢ１主程序中或是在ＦＢ、ＦＣ中做静态变量时，就能准确地采集到信号。
４．３长时间定时的实现
系统要求定时时间不定，Ｓ７－３００的最长定时时间为９９９０ｓ，长时间的定时一般需用定时器的串联或是定时器与计数器的配合使用，这样使得编程较为复杂。为了简化程序考虑用中断定时，ＣＰＵ３１５－２ＤＰ有４个循环中断，其中ＯＢ３５用来写ＰＩＤ程序，ＯＢ３４的循环周期设为６０００ｍｓ，用１条ＡＤＤ无限指令累加，在坡度方案的ＦＢ６０中，当上位机设置的定时时间到，让累加的数值为０，实现一个中断程序长时间的定时和多次调用。
４．４超级ＸＹ曲线的使用
系统需要对模拟平台的转动制动情况随时提取曲线，而ＷｉｎＣＣ自带的趋势控件只能从数据库提取从实验开始到实验结束的曲线趋势［１１－１２］。组态王中的超级ＸＹ曲线移植到ＷｉｎＣＣ中可以做到曲线的随时保存、调用等。
５结论
本系统现已投入运行，半年内使用正常，模拟平台达到了预期效果，控制精度在±０．５°。系统中下位机程序语言用ＬＡＤ编程，可以灵活地用ＳＴＬ来取代ＬＡＤ算法等。程序的多次重复执行可以编写较精简的功能块，以便再次开发时使用该程序。
作者：郭伟建 李维军 石成江 单位：辽宁石油化工大学机械工程学院
