SKM400GB125D 
图1   被调平台与支腿和水平传感器安装示意图SKM400GB125D
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5个调平支腿高度及2个水平敏感元件的输出，SKM400GB125D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，SKM400GB125D因此它是一个强耦合的系统。
2  完全解耦的控制方法SKM400GB125D
    系统虽有5个输入，2个输出，但我们知道，SKM400GB125D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，SKM400GB125D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，SKM400GB125D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)SKM400GB125D
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，SKM400GB125D设平台输入与输出关系表示如下:

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SKM400GB125D。

    SKM400GB125D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

    则可实现完全解耦。为使完全解耦SKM400GB125D，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。

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**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，**少要有测量3个支腿高度的传感器和两个测量平台SKM400GB125D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SKM400GB125D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**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SKM400GB125D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**，这条边是由**高与**两支点的连线，与它平行的(或夹角**小的)水平敏感元件的输出**，也即由此水平传感器测出SKM400GB125D的倾角**，以此水平敏感元件的输出作被控量，以高度**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**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，SKM400GB125D因此在**步调平过程中，**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。**步调平过程，直至此**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**支腿。原倾角较小的传感器输出变成**。
    第二步，也以此时倾角**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**支腿高度为控制量，SKM400GB125D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**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**腿的对角支腿，SKM400GB125D使此支腿悬空;这样第二步调平过程就不会影响**步调平的结果。当此时的**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。**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**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。SKM400GB125D
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

图2   自动调平控制系统的硬件结构框图SKM400GB125D

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SKM400GB125D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**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**倾角方向上支腿的高低，SKM400GB125D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

图3   自动调平程序框图SKM400GB125D

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  SKM400GB125D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。
在自动化控制领域，PLC是一种重要的控制设备。SKM400GB125D目前，**上有200多厂家生产300多品种PLC产品，应用在汽车（23%）、粮食加工（16.4%）、化学/制药（14.6%）、金属/矿山（11.5%）、纸浆/造纸（11.3%）等行业。为了使各位初学者更方便地了解PLC，本文对PLC的发展、基本结构、配置、应用等基本知识作一简介，以期对各位网友有所帮助。　
一、PLC的发展历程
在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是**代可编程序控制器，称Programmable Controller（PC）。
个人计算机（简称PC）发展起来后，为了方便，也为了反映可编程控制器的功能特点，可编程序控制器定名为Programmable Logic Controller（PLC），现在，仍常常将PLC简称PC。
PLC的定义有许多种。国际电工委员会（IEC）对PLC的定义是：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、SKM400GB125D模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。
上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展**的时期，年增长率一直保持为30~40%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。
PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、SKM400GB125D可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。　
二、PLC的构成
从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。　
三、CPU的构成
CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，SKM400GB125D每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。
CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。
在使用者看来，不必要详细分析CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、SKM400GB125D解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。
CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模。
四、I/O模块
PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。SKM400GB125D输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。
开关量是指只有开和关（或1和0）两种状态的信号，模拟量是指连续变化的量。常用的I/O分类如下：
开关量：按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。
模拟量：按信号类型分，SKM400GB125D有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。
除了上述通用IO外，SKM400GB125D还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。
按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其**数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受**的底板或机架槽数限制。