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【摘 要】本文根据泵车结构原理，用最优控制理论指导，设计一种用于泵车支腿及其类似结构的自动调平方法，降低人工操作的劳动强度，提高设备的自动化程度和安全性；同时给出具体的实施步骤，避免空洞理论，对实践具有非常明显的指导意义。
【关键词】泵车支腿;自动调平;最优控制;动态规划
混凝土泵车【1】是一种用于输送水泥混凝土的移动设备，同时也是在公路上行驶的工程机械，其操作使用，如行驶、作业等都有其特殊性。一般情况下，作业前须将泵车按规定要求支撑到位，然后遥控臂架到作业工作，再后才是泵送作业。作业前必须将各支腿伸出支撑车体（含臂架）以确保车体平稳，须保证整机处于水平状态，整机前后左右水平最大偏差角度不超过3°，即必须对支腿进行找平以防止倾翻。
现行做法是人工操作，通过人为观察水平检测仪或类似偏角检测显示仪的偏差数值，然后根据经验进行支腿升降调整，如此反复操作，在四支腿中找到基本水平面。由于是人工操作，且泵车四支腿分布比较分散，对操作手业务技能需要比较高（重复劳动、可能造成倾翻）；一般情况，只有经过严格训练的熟练的操作手能快速、稳定确定水平位置。同时，当支撑面发生变化时，泵车支腿不能及时做出动作响应，也可能造成倾翻。
在其它工程机械如起重机械、路面机械上也有类似运用。沥青摊铺机【2】为确保平整度，一般采用专用控制器及其控制系统，成本相对比较昂贵、且技术不公开；在铁道养护机械如轨检仪上，采用倾角传感器检测，然后进行系统的数据分析处理的办法来检测轨道面的水平情况。
摊铺机、轨检仪仅采用角度检测，对前者采用了多位置检测、系统诊断的处理办法，对后者采用检测技术加信号放大再用专用编程软件进行分析；其共同点有：1）控制对象均为活动物体；2）被控对象要求控制精度（指标）比较高；3）找平技术设计比较专业，专业化的控制器或专业分析软件。
对泵车支腿找平系统而言，与上述有下述区别：1）泵车定位后为固定状态，基本不存在动态变化过程；2）找平系统同时可用于防倾翻控制；3）作为非泵送作业技术，控制成本越低越好。
一种起重机支腿调平装置【3】提出了用于起重机调平的一种控制实现结构，侧重于对硬件结构的描述；自动调平系统的控制算法【4】、一种底盘电业自动调平系统【5】中，均给出了一种自动调平控制方法，但其实现方法、步骤均存在一定难度，且控制策略非最优。
1.控制方案
基于以上分析，需要解决以下问题：
1）如何简单、快速而准确进行四点确认平面问题；2）如何确认支腿动作顺序并进行优化调节；3）如何进行支腿调节；4）如何和现有系统简单切合。
为解决上述问题，本论文一种利用简单检测+控制算法的找平系统；实现既可降低购置找平系统产品或专业开发所需成本，又可增加产品附加性能并对竞争对手形成技术优势的找平功能方案：
1）.自动找平法。调整步骤可描述为：
①以某一支腿为参考对象，控制该支腿伸出动作，直至压力检测或重力检测到该支腿受力，延时停止；启动为手动，动作延续和停止自动；系统自动记录油缸动作时间t0；
②切换到自动状态，系统按与预定支腿同样的控制方式，即时间t0对余下支腿进行动作控制；
--如果支撑平面水平，则支腿到位，直接跳到第⑥步；
③系统自动将未装检测单元支腿收回，至对应检测信号消失；系统自动记录油缸动作时间t4；
--如果其余三点水平，直接跳到第⑤步；
④系统根据倾角传感器检测到的情况，根据控制逻辑（图4）进行确定需要调整的支腿，按照调整公式?t=t0*(1-cosα)（公式1）分步进行水平找平；
⑤系统自动将未装检测单元支腿按原时间t4进行伸出，然后按照调整公式?t=t0*(1-cosα)（公式1）将该支腿调平；
⑥系统调平，各支腿均受力。结束。
2）.最优控制算法确定主要调节的支腿：
利用最优控制算法中的动态规划法【6】（逆向思维法）查找最需要调节的支腿，以确保每一步调节的最优—算法最少、效果最佳，来实现系统调整的最优；利用雙闭环的控制方案（如图1所示），减少系统调整的波动；
3）.利用时间调整油缸动作快速进行定位：通过对结构和油缸动作特性的分析，建立简单的时间调整算法（公式），智能进行支腿运动；
4）.建立和泵车控制系统并行的设计方案，易于简单和现有系统配合动作。
2.具体实施
为实现上述找平系统控制，本论文着重阐述1）如何进行检测和控制？2）如何确定调整支腿对象？3）如何进行支腿调整等方案。
2.1 检测方法
实现的方式如图2所示：
即：采用倾角传感器检测+模拟量模块采集：在车体下部中心位置的左右（横向）水平方向、前后（纵向）水平方向各安装一个倾角传感器；在支腿垂直伸缩动作中，将倾角传感器检测的模拟量信号分别采集进泵车控制器模拟量单元。压力检测用于判断支腿伸缩时是否处于受力状态，也可采用重力检测的判断方式。
2.2 控制方法
相应地，需要增加倾角传感器及相关连接、固定单元各2套，增加相应的模拟量单元（SYMC如有剩余，不用增加）；对应的控制系统组成如下图3所示：
为有效快速实现找平，控制方式分为手动和自动：在手动粗调定位（如第4）支腿期间，事先预定支腿稳定大致位置如80%伸缩量（压力检测单元给出允许状态指示灯），然后切入自动：系统通过PLC运算自动确定剩余（如第1/2/3）支腿动作控制。
控制方法详细描述如下：
1）粗调时，定位（如第4）支腿调整时，支腿伸缩量须能满足泵车支撑（采用支腿压力检测开关检测，当支腿受到压力时延时自动停止；同时须考虑现场场地实际情况，以最高点（油缸伸出量最小）为最佳，避免后续调整时支腿出现完全伸出仍不能调节的情况。
定位后，转入自动粗调，系统自动调整余下支腿至相同位置。 2）粗调后，如传感器检测到车体存在非水平情况，系统自动进行细调整：首先预先将第4（非检测）支腿降低（收回）一点，然后按控制规律自动查找最优调整支腿，自动按照调整算法对第1/2/3（检测）支腿进行找平，最后再次调整第4（非检测）支腿。
3）在泵车找平过程（手自动）中，系统给出动态偏差信息、调整方向信息及报警信息；在泵车作业过程中，还可对支腿位置状态进行动态预警。出现严重报警时，须对找平工作重新进行。
2.3 调整算法
算法推导
本论文设计的具体的调整算法可分析如下图5所示：
调整算法可如下公式1所示：
t= t0 *(1-cosα) …调整公式
--- t0：定位腿动作时间 …系统自动计算
--- α：傾斜角度（0） …传感器检测
--- t：油缸动作时间（0.1s） …控制参数
公式1—时间调整算法
即，根据上述变量很容易将当前的偏差（倾斜角度）通过简单的时间算法进行调整。
油缸速度
为减少系统波动情况，支腿油缸动作（即线速度，由液压回路确定）越小越有利于系统快速稳定；可在液压回路设计时增加对支腿油缸节流设计。
液压控制采用开关量时间控制或将时间转化为相应为比例电磁阀调节控制都是易于实现的。
3. 结论
本论文提出的制动调平算法具有以下特点：
1）利用简单检测技术和智能控制算法，实现支腿的自动找平控制和自动放倾翻控制，降低人工操作、提高泵车稳定性。
2）具备手自动找平功能，在找平过程中动态给出找平指示，便于操作和及时人工干预；在泵送过程中，给予及时预警和控制；
3）定位支腿任意确定（最高位—油缸伸出量最小最佳）可确定粗调整；细调整时采用最优控制理念实现最小步骤的高效支腿确定方案，避免调整对象不确定的反复操作性，确保系统稳定性。
4）利用简单的时间控制算法进行开关量液压电磁阀动作，稳定将支腿调节至设计平衡状态；液压支腿速度可设置节流装置进行调节。同时，也可将时间关系转换为采用比例阀控制的模式；
5）易于和原系统集成，增加检测单元和算法即可；可应用于与泵车类似找平情况如起重机系统。
综上所述，本算法是一种最优的、易于实现的控制策略，可很好解决现有手动调平的不足和提高设备的使用安全系数。当然，具体的程序实现，如调节算法可再行深入，在此仅抛砖引玉。
【关键词】泵车支腿;自动调平;最优控制;动态规划
混凝土泵车【1】是一种用于输送水泥混凝土的移动设备，同时也是在公路上行驶的工程机械，其操作使用，如行驶、作业等都有其特殊性。一般情况下，作业前须将泵车按规定要求支撑到位，然后遥控臂架到作业工作，再后才是泵送作业。作业前必须将各支腿伸出支撑车体（含臂架）以确保车体平稳，须保证整机处于水平状态，整机前后左右水平最大偏差角度不超过3°，即必须对支腿进行找平以防止倾翻。
现行做法是人工操作，通过人为观察水平检测仪或类似偏角检测显示仪的偏差数值，然后根据经验进行支腿升降调整，如此反复操作，在四支腿中找到基本水平面。由于是人工操作，且泵车四支腿分布比较分散，对操作手业务技能需要比较高（重复劳动、可能造成倾翻）；一般情况，只有经过严格训练的熟练的操作手能快速、稳定确定水平位置。同时，当支撑面发生变化时，泵车支腿不能及时做出动作响应，也可能造成倾翻。
在其它工程机械如起重机械、路面机械上也有类似运用。沥青摊铺机【2】为确保平整度，一般采用专用控制器及其控制系统，成本相对比较昂贵、且技术不公开；在铁道养护机械如轨检仪上，采用倾角传感器检测，然后进行系统的数据分析处理的办法来检测轨道面的水平情况。
摊铺机、轨检仪仅采用角度检测，对前者采用了多位置检测、系统诊断的处理办法，对后者采用检测技术加信号放大再用专用编程软件进行分析；其共同点有：1）控制对象均为活动物体；2）被控对象要求控制精度（指标）比较高；3）找平技术设计比较专业，专业化的控制器或专业分析软件。
对泵车支腿找平系统而言，与上述有下述区别：1）泵车定位后为固定状态，基本不存在动态变化过程；2）找平系统同时可用于防倾翻控制；3）作为非泵送作业技术，控制成本越低越好。
一种起重机支腿调平装置【3】提出了用于起重机调平的一种控制实现结构，侧重于对硬件结构的描述；自动调平系统的控制算法【4】、一种底盘电业自动调平系统【5】中，均给出了一种自动调平控制方法，但其实现方法、步骤均存在一定难度，且控制策略非最优。
1.控制方案
基于以上分析，需要解决以下问题：
1）如何简单、快速而准确进行四点确认平面问题；2）如何确认支腿动作顺序并进行优化调节；3）如何进行支腿调节；4）如何和现有系统简单切合。
为解决上述问题，本论文一种利用简单检测+控制算法的找平系统；实现既可降低购置找平系统产品或专业开发所需成本，又可增加产品附加性能并对竞争对手形成技术优势的找平功能方案：
1）.自动找平法。调整步骤可描述为：
①以某一支腿为参考对象，控制该支腿伸出动作，直至压力检测或重力检测到该支腿受力，延时停止；启动为手动，动作延续和停止自动；系统自动记录油缸动作时间t0；
②切换到自动状态，系统按与预定支腿同样的控制方式，即时间t0对余下支腿进行动作控制；
--如果支撑平面水平，则支腿到位，直接跳到第⑥步；
③系统自动将未装检测单元支腿收回，至对应检测信号消失；系统自动记录油缸动作时间t4；
--如果其余三点水平，直接跳到第⑤步；
④系统根据倾角传感器检测到的情况，根据控制逻辑（图4）进行确定需要调整的支腿，按照调整公式?t=t0*(1-cosα)（公式1）分步进行水平找平；
⑤系统自动将未装检测单元支腿按原时间t4进行伸出，然后按照调整公式?t=t0*(1-cosα)（公式1）将该支腿调平；
⑥系统调平，各支腿均受力。结束。
2）.最优控制算法确定主要调节的支腿：
利用最优控制算法中的动态规划法【6】（逆向思维法）查找最需要调节的支腿，以确保每一步调节的最优—算法最少、效果最佳，来实现系统调整的最优；利用雙闭环的控制方案（如图1所示），减少系统调整的波动；
3）.利用时间调整油缸动作快速进行定位：通过对结构和油缸动作特性的分析，建立简单的时间调整算法（公式），智能进行支腿运动；
4）.建立和泵车控制系统并行的设计方案，易于简单和现有系统配合动作。
2.具体实施
为实现上述找平系统控制，本论文着重阐述1）如何进行检测和控制？2）如何确定调整支腿对象？3）如何进行支腿调整等方案。
2.1 检测方法
实现的方式如图2所示：
即：采用倾角传感器检测+模拟量模块采集：在车体下部中心位置的左右（横向）水平方向、前后（纵向）水平方向各安装一个倾角传感器；在支腿垂直伸缩动作中，将倾角传感器检测的模拟量信号分别采集进泵车控制器模拟量单元。压力检测用于判断支腿伸缩时是否处于受力状态，也可采用重力检测的判断方式。
2.2 控制方法
相应地，需要增加倾角传感器及相关连接、固定单元各2套，增加相应的模拟量单元（SYMC如有剩余，不用增加）；对应的控制系统组成如下图3所示：
为有效快速实现找平，控制方式分为手动和自动：在手动粗调定位（如第4）支腿期间，事先预定支腿稳定大致位置如80%伸缩量（压力检测单元给出允许状态指示灯），然后切入自动：系统通过PLC运算自动确定剩余（如第1/2/3）支腿动作控制。
控制方法详细描述如下：
1）粗调时，定位（如第4）支腿调整时，支腿伸缩量须能满足泵车支撑（采用支腿压力检测开关检测，当支腿受到压力时延时自动停止；同时须考虑现场场地实际情况，以最高点（油缸伸出量最小）为最佳，避免后续调整时支腿出现完全伸出仍不能调节的情况。
定位后，转入自动粗调，系统自动调整余下支腿至相同位置。 2）粗调后，如传感器检测到车体存在非水平情况，系统自动进行细调整：首先预先将第4（非检测）支腿降低（收回）一点，然后按控制规律自动查找最优调整支腿，自动按照调整算法对第1/2/3（检测）支腿进行找平，最后再次调整第4（非检测）支腿。
3）在泵车找平过程（手自动）中，系统给出动态偏差信息、调整方向信息及报警信息；在泵车作业过程中，还可对支腿位置状态进行动态预警。出现严重报警时，须对找平工作重新进行。
2.3 调整算法
算法推导
本论文设计的具体的调整算法可分析如下图5所示：
调整算法可如下公式1所示：
t= t0 *(1-cosα) …调整公式
--- t0：定位腿动作时间 …系统自动计算
--- α：傾斜角度（0） …传感器检测
--- t：油缸动作时间（0.1s） …控制参数
公式1—时间调整算法
即，根据上述变量很容易将当前的偏差（倾斜角度）通过简单的时间算法进行调整。
油缸速度
为减少系统波动情况，支腿油缸动作（即线速度，由液压回路确定）越小越有利于系统快速稳定；可在液压回路设计时增加对支腿油缸节流设计。
液压控制采用开关量时间控制或将时间转化为相应为比例电磁阀调节控制都是易于实现的。
3. 结论
本论文提出的制动调平算法具有以下特点：
1）利用简单检测技术和智能控制算法，实现支腿的自动找平控制和自动放倾翻控制，降低人工操作、提高泵车稳定性。
2）具备手自动找平功能，在找平过程中动态给出找平指示，便于操作和及时人工干预；在泵送过程中，给予及时预警和控制；
3）定位支腿任意确定（最高位—油缸伸出量最小最佳）可确定粗调整；细调整时采用最优控制理念实现最小步骤的高效支腿确定方案，避免调整对象不确定的反复操作性，确保系统稳定性。
4）利用简单的时间控制算法进行开关量液压电磁阀动作，稳定将支腿调节至设计平衡状态；液压支腿速度可设置节流装置进行调节。同时，也可将时间关系转换为采用比例阀控制的模式；
5）易于和原系统集成，增加检测单元和算法即可；可应用于与泵车类似找平情况如起重机系统。
综上所述，本算法是一种最优的、易于实现的控制策略，可很好解决现有手动调平的不足和提高设备的使用安全系数。当然，具体的程序实现，如调节算法可再行深入，在此仅抛砖引玉。