（木材科学与技术专业论文）热压机电液闭环控制系统性能及监控的改进研究.pdf

摘要: 热压机电液闭环控制系统性能及监控的改进研究 李 明 ( 木材科学与 技术 ) 指导教师:杨承教授 ( 西南林学院 木质科学与 装饰工 程系 云南 昆 明 6 5 0 2 2 4 ) 热压机是人造板生产的关键设备， 而热压机的控制系统又是这个关键设备的 “ 神经中 枢” ， 它直接决定生产的效益和产品的质量。因此， 对热压机控制系统性能和模式进行研究具有十分重 要的意义。 本论 文应在我院自 行研制的、 能 进行电 液比 例闭 环控 制的 实 验热 压机上， 通过应 用p l c 的p i d 功能， 尝试用常见的串联 p i d( 数字 p i d )的方式对现有控制系统进行校正， 并通过实验分析系 统校正 效果，旨在深入研究和分析现有热压机电 液闭环控制系统的性能， 和理论模型进行比 较， 为实际生产的厂家提供一种先进的参考模式，并试验了用廉价的西门子新开发的 m i c r o c o m p u t i n g 通讯控件在v b 和e x c e l 开发新的监控界面， 并与现有组态软件进行比 较. 取得了良 好 的效果。 由于 影响数字 p i d调节的因素比 较多，已 知的 可能影响因素有: p i d参数 ( p , i , d ) o p i d 调节的 起点 ( 即p i d 调节的距离) ; p i d 调节时的补偿 ( 比 例流量阀的死区补偿) ; p i d 调节前的 速度 ( 即阀口开度) 等多个因素 ( 鉴于篇幅，不一一列举) 。 如果通过凑试法来对这此因素进行 整定， 需要做大量的 试验。以 每种可能因素选择3 种参数， 仅以上述完成上述六个因素的整定就 需要7 2 9 ( 3 ) 次试验，而且， 这才是部分整定。再者， 虽然p i d 调节在工业系统中 应用普遍， 但在热压机控制系统中应用数字p i d 调节还不多见， 在参数整定上也没有可供参考的经验数据， 所以， 经验法参数整定也不适用于本论文研究。 通过调研， 我们发现数理统计中的正交分析法比 较适合 这种尝试 性试验的 参数整 定， 并在实际 试验中 选取了l a ( 2 ) 正交试 验表进行正交实 验设 计， 为了 试验m i c r o c o m p u t i n g 通讯控件在v b 和e x c e l 中的 应用效果， 本论文在v b 中利用m i c r o c o m p u t i n g 通讯控件开发一个压机过 程模拟界面， 通过 动画图 形直 观反映 位移过程; 另外， 在e x c e l 中 利 用m i c r o c o m p u t i n g 通讯控件开发一个适时数据采集界 面。 本论文通过对现有热压机电液闭 环控制系统的分析研究认为: 现有电液闭环控制系统从基本 上解决了 传统热压机的超调现象， 为 进一步的改进研究提供了必要的基础; 现有监控界面虽然基 本满足生产需要， 但由于其数据适时传输速率还不理想， 因此， 监控界面提供的数据难以 充分描 述系统本身的性能。 现行工业系统多数应用p i d 的调节作为系统校正模式， 而且 还出现了专用的p i d 调节器作为 控制核心。 而实际上现代的p l c 已 经具有良 好的p i d 调节功能， 在当 今计算机控制系统中， 其它 行业通过应用数字p i d ， 取得良 好的 效果， 但通过p l c ， 应用数字p i d 对热压机的控制效果如何， 需要进行试验验证。 本论文正是通过大量的试验， 认为热压机控制系统采用p l c 的数字p i d 调节 具有以下特点: 第一， 数字p i d 调节可以使运行时间明显缩短。 通过第四 章的分析可以 看出， 数字p i d 调节 时的 运行时间可以 缩短到相同条件下 无p i d 调节的三分之一。 第二，比 例流量阀作为数字p i d 的控制对象， 虽然对速度的调节有良 好的功能， 但本身具有 一定的 死区， 所以在执行数字p i d 的过程中必须对输出加以 补偿， 而且补偿量的大小直接影响到 数字p i d 的整个调节。 第 三， 在数字p i d 调节过程中， 小的 微分作用可以 改善p i d 调 节的 性能， 但较大的 微分 作用 会引 起输出的大幅振荡， 不利于整个调节过程。 本论文通过用m i c r o c o m p u t i n g 组态新的监控界面， 发现对于以s 7 2 0 0 p l c 为控制设备的 热压机电 液闭 环控制， m i c r o c o m p u t i n g 通讯控件提供了一种更为理想的组态方式: 第 一， 常 用 组 态 软 件与p l c 之间 是 通 过采 用自 由 口 通 讯的 方式 传 输 数 据， 而m i c o c o m p u t i n g 通讯控件建立在一种新的通讯机制上， 它无须象自 由口 通讯那样在控布 榷序中添加通讯程序， 这 样大大提高了 数据传输速率。 第二， 基于m i c r o c o m p u t i n g 通讯控件的组态开发环境多样， 不仅可以直接在某些高级编程 工具 ( v b 或v c 十+)中开发监控界面， 还可以 在e x c e l 中开发监控界面。 第三， 对常用组态软件而言， 只有掌握其自 身的编程语言， 才能进行后台编程。 而使用m i c o c o m p u t i n g 通讯控件可以 直接在v b 或v c +中 应用，这使得系统组态显得更为简便. 上述结论表明: i 、对s 7 2 0 0 p l c 而言， m i c r o c o m p u t i n g 是一种理想的组态工具; 2 .数字 p i d调节在中 低速系统中是一种行之有效的系统校正 方法，在人造板热压机的 控制 系统中， 如果应用现代p l c 情况下， 完全可以 用数字p i d 的方法代替硬件p i d 调节器。 3 、因为数字p i d 调节有补偿， 无法到达实际零点， 所以 必须在到位时强制结束p i d 调节. 由于时间和经费的关系. 本论文未及研究试验其它补偿形式 ( 如输入补偿等) 下数字p i d 调 节的 效果， 也无法进一步试验控制系统的 其它校正方法. 进而， 无法对数字p i d 调节效果作更多 方面的比 较。这是本论文研究存在的不足之处。 关 键词: 热 压机 闭 环控制 p l c p i d ab s t r a c t : s t u d y o n t h e i m p r o v e m e n t o f e l e c t r o - h y d r a u l i c c l o s e d - l o o p c o n t r o l s y s t e m p r o p e r ty a n d s u p e r v i s o r y c o n t r o l o f h o t - p r e s s l i mi n g ( w o o d s c i e n c e 提交论文一年后， 允许论文被查阅和借阅， 学校可以公布论文的 全部或部分内容. 签 名 : 燮 三 经 导师签名: a v v 日期: 1绪 论 1绪论 热压工艺的发展 热压机是人造板生产中 的重要加工设备. 热压工艺又是 影响人造板的质量重 要因索。 传统热 压 工 艺 体 现 了 侧 重 于 将 板坯“ 压实 ” 的 工 艺 思 想 ， 它 主 要 采 用“ 厚 度规” 式 的 开 关 控 制 川 。 在 整 个热压周 期中，主要的转换信号是系统的压力信号， a 厚度规”的作用是人为产生一个较高的 压 力 信号，以实 现工序的 转换。由于“ 厚度规” 长期处于 不利的工作条件，所以很容易受压 变形， 这就大大增加了 产品的厚度偏差，这种偏差在后续工 序中 将被砂光机 “ 砂光” ， 这样就造成了资 源 的 浪 费 。 随 着 对 热 压工 艺 理 论 的 不 断 探 讨， 发 现在 热 压 过 程 中， 加 压 闭 合 速 度 对 板 材 的 结 构 和 性能有着决 定性的 影响， 而传统热 压工艺 无法实现速度控制， 所以 存在很大的不合理性，因 此新 的热 压工艺要求消 除 “ 厚度规”的 影响， 并能实现热压过程的 位置闭环控制和速 度控制。 . 2电 液控制系统的发展 以油 液为工作介质的 液压控制，由于具有反 应速 度快， 功率一重量比大，运动 平稳等 优点， 所以 液压控 制元件及其控制系 统在近代控制工程中得到了 广泛的 应用和发展。 然而， 在某些实 际 控制系 统中， 因液压控制信号的获得、 转换和传输比较困 难， 使得单纯的 液压系统的 应用受到限 制。 因此， 人们利用电 信号 容易获得、 转换 和传输的特点， 广 泛采用电气与液压组合的控制系统， 这 就 是 电 液 控 制 系 统侧 。 在 电 液 控 制 系 统 中 ， 电 液 结 合 主 要 体 现 在电 气 和 液 压 在控 制 系 统 执 行 元 件中的 相互 结合， 电液结合的荃本方 法有: 电液伺服阀、 电液数字阀、电 液步进马 达和电 液步进 缸、电 液比 例阀。 早期， 应 用电 液伺服控制系统的较多， 但由 于其抗污染的能力较差， 随着电 液 比例技术的 发展。 电液比例阀 控制系 统逐渐被得到推广应 用， 本研究以比 例流量阀作为系 统的关 键控制元件。 . 3论文研究的内容 传统热压机多采用继电器控制， 会产生较大的 位置 超调， 现有热压机电 液闭 环控制 系统通过 对传 统热压 机进行技术改造， 采用p l c 控制。 实现位置闭 环和压力闭环控制。由子 现有控制系统 采取分级调 速方式，所以很 难兼 顾控制 精度和运行时 间这两个性能指标。 本论文的研究内 容是:首 先， 深入研究和分析 现有热压机电 液闭环控制系统， 从液 压和电 气 两方面着手， 掌握整个系 统的工 作过程， 建立系统理论 模型， 并用 m a t l a b 对模拟系统 进行仿真 分析; 其次， 熟悉并掌握现有控 制系统的 组态软件一s y n a l l 在分析现有监控界面的基础上， 用 m i c r o c o m p u t i n g 通 讯 控 件 在v b 和e x c e l 开 发 新的 监 控 界 面 ， 并 对两 种 组 态 方 式 进 行比 较 : 再 次， 热压机电液闭环控制系统性能及监 控的改 进研究 尝试 用串 联p i d 的方式对现有 控制系统进行校正， 主要采用p l c 提供的 数字p i d 方式调节， 并 通 过实 验分 析这种数字p i d 调节 过程的影响因素及调节效果; 最后， 通过上述实践， 提出 相关结论。 4论文研究的实际意义 我国 是世界上缺材少林国家之一， 据专家预测，到2 0 1 0年我国的木材消费需求将达到 2 . 1 亿m ， 而缺口 达6 0 0 0 万 3 (o ,m . 弥补我国木 材紧缺的唯一行之有效的 途径 就是大力发 展人 造板生 产， 提高人造板生产效率。 热压机 作为人造板生产的关键设备， 直接决定了 生产效率 及产品质量， 而热压机性能的好 坏又在很大程度上取决于其控制系统的优劣。 因此， 对热压机控制系统的研究 可以 促进国产热 压机的控制系统水平的提高， 也对这类产品参与国 际市场的竞争有较为现实的意 义。 现代p l c 功能强大，己 经普遍应用于各个领域。 本论文正是尝 试利用现代p l c 的p i d 功能对 现有热压 机电 液闭环控制系统加以 权止， 场钾城 n t a j x 1 7 3 1 .; n .k y l y 7 1 r = 7 g a j lr w i i r c v : c v . 和借鉴。 热压机电液闭环控制系统性能及监控的改进研究 尝试 用串 联p i d 的方 式对现有 控制系统进行校正， 主要采用p l c 提供的 数字p i d 方式调节， 并 通 过实验分析这种数字p i d 调节过程的影响因素及调节效果; 最后， 通过上述实践， 提出 相关结论。 1 . 4论文研究的实际意义 我国是世界上缺材少林国家之一，据专家预测，到 2 0 1 0年我国的木材消费需求将达到 2 . 1 亿m ， 而缺口 达6 0 0 0 万 3 (o ,m . 弥补我国木 材紧缺的 唯一行之有 效的 途径 就是 大力发 展人 造板生 产， 提高人造板生产效率。 热压机作为人造板生产的关键设备， 而热压机性能的好坏又在很大程度上取决于其控制系统的优劣。 直接决定了生产效率及产品质量， 因此， 对热压机控制系统的研究 可以 促进国 产热压机的控制系统水平的提高， 也对这类产品参与国际市场的竞争有较为现实的意 义。 现代p l c 功能强大，已 经普遍应用于各个领域。 本论文正是尝试利用现代p l c 的p i d 功能对 现有热压机电液闭环控制系统加以校正， 和借鉴。 这种试验 可以 为 热压 机控制 系统的 进一步 研究 提供实 例 z 热压机电液闭环控制系统及静动态特性 2热压机电液闭环控制系统及静动态特性 热压机电液闭环控制系统是一个集电气控制、 液压控制和计算机控制于一体的先进控制系 统.图 i 为系统的结构原理框图。 计算机人机界面 圈s系统结构原理图 在介绍热压机电液闭环控制系统时， 液压和电 气是密不可分的， 但为了 说明的方便， 通常将 整个系统分为液压控制系统、电 气控制系统及人机界面三个部分， 其中人机界面部分将在下一章 专门 介绍， 所以， 本章主要介绍液压控制系统和电 气控制系统。 2 . 、热压机的基本结构 热压机有生产型热压机和实验型热压机两种， 实验热压机是木材加工工业、 科研单位、 高等 院校等的实验室设备之一， 可作纤维板、 刨花板、 胶合板、 表面装饰板、 塑料板等的热压实验之 用。 除了 加热系统外， 其工作特征和结构与生产型热压机基本相同. 图z 为本论文实验用的q d - 1 0 0 实验型热压机结构简图。 机架 柱基 2上压板 6电控柜 3导轨a 7压机底座 热压板( 下压板) . 2 o d - 1 0 0 实验型热压机结构简图 热压 机电 液闭 环控制系 统性能 及监控的改进研究 2 . 2 热压机液压控制系统 2 . 2 . 1热压机液压控制系统工作原理 根据新i - 艺的要求， 热压机电 液闭环控制系统要实现对压力、 位移及速度的控制。 其中对压 力的闭环控制回路由比例溢流阀、油缸、压力传感器及负载构成:位移的闭环控制回路由比例流 量阀、油缸、 位移传感器及负载构成。 2 . 2 . 2热压机液压控制系统图及动作顺序表 本节最后所附的图3 和表1 分别 给出了热压机液压控制系统的液压系统图和电磁铁动作顺序 表。 2 . 2 . 3控制系统工作过程及进、回油路 热压机的整个工作过程可以分为启动、 空载快速段( 快进) 、 闭合段( 慢进) 、 保位段、 降压段、 保压段、卸压段、回程。 其中， 在空载快速段对流量不作任何控制，以最大速度上升:在闭合段 对热压机闭合速度进行单段或多段的 变速控制， 并对位置进行闭环精确控制: 保位段实现对板厚 进行保位控制:降压段和卸压段都是控制系统压力，前者为了完成 “ 放气” 过程， 后者为了实现 压力平稳下降。 系统各段的主油路进、回油路及泵的卸荷回路如下: 空载快速段进油路: 泵3 一单向阀2 5 比 例流量阀液控单向阀1 8 柱塞缸 闭合段进油路: 泵3 单向阀2 5 比 例流量阀液控单向阀1 8 一柱塞缸 回程段回油路: 柱塞缸一液控单向阀1 8 一比例流量阀单向阀1 0 一油箱 泵3 卸荷回路:泵3 - - 溢流阀1 3 ，单向阀1 0 一油箱 泵4 卸荷回路:泵4 -溢流阀1 3 一单向阀1 0 油箱 1 d t2 d t3 d t ot5 d t 6 d t 7 d t8 d t9 d t 启动 十 + 快进 十 + 慢进 + + 保位 降压 + 十 保压 卸压 十 + 回程 十 + z热压机电液闭环控制系统及静动态特性 图3 热压机掖压控制系统图 热压机电液闭环控制系统性能及监控的改进研究 2 . 3 比 例阀的选用及性能简介 比例阀是介于普通液压阀和电液伺服阀 之间的一种液压阀， 它可以接受电信号的指令， 连续 地 控制液压系统的压 力、 流量等参数， 使之与 输入电 信号 成比 例地变 化(z 。 它既可以 用于 开 环系 统中实现对液压的 遥控， 也可以作为信号转换与放大元件用于闭环控制系统。 与手动调节和通断 控制的普通液压阀 相比， 它能大大提高液压系统的控制水平; 与电 液伺服阀 相比， 虽然它的 性能 有些逊色， 但是结构简单、成本低。比例阀可以 分为压力控制、 流量控制和方向 控制三大类。 热压机电 液闭 环控制系统要实现对压力、 位移和速度的控制。 而对于液压系统而言， 速度取 决于流量， 所以 系统要配置比 例压力阀和比 例流量阀。比 例阀最基本也是最重要的性能指标是稳 定性及线性度， 德国力土乐( r e x r o t h ) 公司生产的2 f r e - 4 x 比例流量阀和d b e t r - 1 x 比 例溢流阀稳 定性 及线性度都非常好， 且比同 类产品具有更高性价比， 所以 在本系统中采用2 f r e - 4 x 比 例流量 阀作为流量控制元件，d b e t r - 1 x 比例溢流阀作为压力控制元件。 2 f r e - 4 x比 例流量阀是一种在阀 芯上带有位置传感器的双通道比 例流量阀， 它具有双增益特 性， 图4 为该阀的结构图和电 压一 流量曲 线图。 该阀 主要由阀体1 、 带感应式位移传感器的比 例电 磁铁2 、 控制节流孔3 等主要部分组成。 从流量一 速度曲线图中可以 看出， 该阀 具有两种不同的 增 益， 且两种增益下的线性度都非常好， 这样就有利于实现系统的闭环控制， 但它存在大约1 0 % 的 死区，这就要求在控制中作相应的补偿。 s iz e 1 0 口口 口口口口 口 口口口口 口口口团 口 日口团 口厂 口 门 厂 口 m q f 阵 二诬医属 p 二 ， 关j石橄d二 图4 周的 结构图 和电 压甲 流盈曲 线图 4热压机电 气控制系统及其发展前景 传统热压机多采用继电器开关控制， 这种控制对工艺的调整不灵活， 且可靠性差， 不便于 维 p l c 是在一种比 继电 器更可靠、功能更齐全、 响应速度更快的新型控制器，它接线简单且控 2.护 制灵活， 特别适宜工业生产中的 应用。 在某些行业( 如机械加工、 污水处理等) 中，p l c的应用己 经比 较成熟，甚至达到了p l c 网络控制阶段。 p l c 在工业中的应用已经成为一种趋势。 在发达国 家( 德国、 美国等) ， 木材加工工业很早就开始采用 6- p l c 控制， 而我国在这方面发展比 较缓慢， 现 2热压机电液闭环控制系统及静动态特性 有p l c 成套控制设备也多数依靠进口，国产设备有的虽然已 经应用了p l c ， 但整个系统的控制水 平较低。 本论文采用西门子s 7 - 2 0 0 系列p l c 对q d - 1 0 0 实验型热压机进行技术改造后， 应用新的 控制模式，对新型控制系统的性能进行了 详细的试验研究。 2 . 4 . 1 p l c 及其发展概况 可编程控制器( p r o g r a m m a b l e c o n t r o l l e r ) 缩写为p c ，为了 和个人计算机相区别， 把可编程 控制器缩写为p l c 。 可编程控制器一直在发展中， 因此直到目 前为止， 还未能对其下最后的定义。 美国电 气制造商协会n e m a ( n a t i o n a l e l e c t r i c a l m a n u f a c t u r e r s a s s o c i a t i o n ) 在1 9 8 0 年给p l c 作了 这样的定义:p l c 是一个数字式的电子装置， 它使用了 可编程序的记忆体以 存储指令，用来 执行诸如逻辑、 顺序、 计时、 计数和演算等功能， 并通过数字或模拟的输入和输出，以 控制各种 机械或生产过程。一部数字电子计算机若是用来执行p l c 这功能者， 亦被视同为p l c ， 但不包括 鼓式或机械式顺序控制器。 国际电z委员会( i e c曾于 1 9 8 2 年1 1 月颁发了可编程控制器标准草案第一稿，1 9 8 5 年 1 月 又颁发了 第二稿， 1 9 8 7 年2 月颁发了 第三稿。 草案中对可编程控制器的定义是: 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。 它采用了可编程序的存储器， 用 来在其内部存储执行逻辑运算、 顺序控制、定时、 计数和算术操作等面向用户的指令，并通过数 字式或模拟式的输入/ 输出。 控制各种类型的机械或生产过程， 可编程控制器及其有关外围设备， 都按易于与上 业系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。 2 . 4 . 2 p l c 的产生和发展 1 9 6 9 年美国数字设备公司 ( d e c )根据美国通用汽车公司 ( g m )提出的用面向控制过程、面 向问 题的“ 自 然语言” 编程的要求， 研制出了 这种新的 控制装置- p l c ， 并在g m 公司的一条汽 车自 动化生产线上首次运行成功. 从1 9 6 9 年到现在， p l c 经历了四次换代: 第一代p l c ， 大多用一位机开发， 只具有单一的逻 辑控制功能:第二代p l c 产品中 换成了8 位微处理器及半导体存储器， p l c 产品开始系列化: 第 三 代p l c 产品随着高性能微处理器及位片式c p u 在p l c 中大量的使用， p l c 的处理速度大大提高， 从而促使它向多 功能及联网通信方向 发展;第四 代p l c 产品不仅全面使用1 6 位、 3 2 位高性能微 处理器， 而且在一台p l c 中配置多个微处理器， 进行多道处理，使得第四代p l c 产品成为具有逻 辑控制功能、 过程控制功能、数据处理功能、 联网 通信功能的真正名符其实的多功能控制器。由 p l c 构成的p l c 网络也得到了飞速的发展， p l c 与p l c 网 络成为工厂企业中 首选的工业控制装置， 从 而使p l c 及 其网 络被公认为现 代工 业自 动化三 大支 柱( p l c 、 机器人、 c a d / d a m ) 之一(1 a 1 由于p l c 具有装置一级的三电 一体化和良 好的 联网 通信功能， p l c 网 络在最近几年得到了 快 速发展， 己 成为具有多级子网的分布式网络， 加上配置强有力的工具软件， 使它成为具有工艺流 程显示、 动态画面显示、 趋势图生成显示、各类报表制作的多种功能的 系统，在m a p( 制造自 动 化通信协议) 规约的带动下， 可以方便地与其它网 络互联。 现代p l c 网络具有从设备级到管理级 的多 级网 络结构， 可以 根据不同的需要选择相应的网 络结构，并可以 方便地由 低级向高级升级， 以 西门 子公司的p l c 网络为例， 它具有设备级的p p i 通信网络和现场总路线 ( p r o f i b u s ) 网络结 构等的多 种网络结构，并可以 方便地联到其它局域网 或广域网上。 热压机电液闭 环控制系统性能及监控的改进研究 2 . 4 . 3 p l c 的组成及工作原理 虽然各种p l c 产品的组成形式和功能特点各不相同， 但它们在结构和组成上基本是相同的， 一般由c p u 、 存储器、输入/ 输出系统及其它可选部件组成，p l c 在运行过程中，一般由c p u 、存 储器和输入/ 输出系统三个部分完成各种控制任务。 c p u 是p l c 的核心， 其作用类似于人的大脑，日 前各厂家生产的p l c 已普遍采用高性能的 1 6 位、3 2 位微处理器作为其c p u ; p l c 的存储器由系统程序存储器和用户程序存储器两部分组成， 系统程序是由 生产厂家预先编制的监控程序、 模块化应用功能子程序、 命令解释和功能子程序的 调用管理程序及各种系统参数等， 用户程序是由 用户编制的梯形图、 输入/ 输出 状态、 计数/ 计时 值以 及系统运行必要的初始值、 其它参数:p l c的输入/ 输出系统是过程状态与参数输入到 p l c 以 及p l c 实 现控制信号输出的通道， 根据它们实现的功能不同， 可 将 工 / 0 通道分为五种: 模拟量 输入通道 ( a 工 ) 、 模拟量输出通道 ( a o ) 、开关量输入通道 ( d 工 ) 、 开关量输出 通道 ( d o ) 、 脉冲量 输入通道 ( p i ) ; p l c 的可选部件是与p l c 的运行没有依赖关系的一些部件， p l c 可以 独立于这些 部件而运行， 可选部件包括编程器、i / 0 信号模拟盘、数据通信接口等。 p l c 是一种工业控制计算机， 它的工作原理是建立在计算机工作原理基础上的，即通过执行 反 映控制要求的 用户程序来实现的。p l c 的工作方式是一个不断循环的 顺序扫描工作方式， 每一 次扫描所用的时间称为扫描周期或工作周期。 c p u 从第一条指令开始， 按顺序逐条地执行用户程 序直到用户程序结束， 然后返回第一条指令开始新的一轮扫描。 p l c 的工作过程可分为 “ 输入采 样， 、 “ 程序执行， 、 “ 输出刷新”三个阶段. 2 . 4 . 4 p l c 的功能特点 p l c 之所以 得到迅速的发展和越来越广泛的 应用， ( 1 ) p l c 集三电 ( 电 控、电 仪、电传) 于一体， 是因为它具有一些良 好的特点: 在装置一级实现三电一体化; ( 2 ) p l c的 输入/ 输出系统功能完善，性能可靠， 能够适应于各种形式和性质的开关量和模 拟量信号的输入和输出 好的联网通信功能: ， 在p l c 内部具备计数器、中间继电 器等的许多控制功能， 而且还具有良 ( 3 ) p l c 的硬件结构全部采用模块化结构。 安装方便， 接线简单， 而且可以 通过不同的模块 ( 4 ) 和监控， 便: ( 5 ) p l c 能直观地反映现场信号的变化状态和控制系统的运行状态， 非常有利于系统的 维护 p l c可采用梯形图编程、功能块编程和语句编程多种方式。给编程人员带来了极大的方 p l c 性能稳定， 可靠性高，且具有较高的性能/ 价格比。 4 . 5 p l c 的应用 随着p l c 功能的不断完善， 性能价格比的不断提高， p l c 已 广泛应用于国民生产的 各个行业 。其应用范围通常可以 分为五种类型: 2.中 ( 1 )顺序控制: ( 2 )运动控制: ( 3 )过程控制: 具有闭环控制功能。 它取代了传统的继电 器顺序控制。 %ia plc i薰 j c. e 通过现场总路线组建的工控网可以 实现对多条生 产线的联合控制;通过将p l c 网络联到局域网或广域网 上可以实现对生产线的远程控制。 2 . 8热压机电 液控制系统的仿真 仿真技术是以 相似原理、 系统技术、 信息技术以 及仿真应用领域的有关技术为基础，以计算 机系统为工具， 利用模型对系统进行研究的 一门 综合性技术. 仿真本质上是一种知识处理的过程， 计算机仿真具有三要素: 系统、 模型和计算机， 联系着它们的三项基本活动是模型建立、 仿真模 型 建立和仿真试验i5 1 。 其关系如图6 所示。 模型建立 仿真试验 模 型 计算机 仿真模型建立 图6仿真三要素 2 热压机电液闭环控制系统及静动态特性 2 . 8 . 1 s i m u l i n k 及其仿真功能 s i m u l i n k 是一种用来实现计算机仿真的软件工具， 它是m a t l a b 的一个附加组件，用来提供 一个系 统级的建模与动态仿真工作平台， 它是用模块组合的方法来使用户快速、 准确地创建动态 系统的计算机模型， 特别对于复杂的控制系统，其效果更为明显。 s i m u l i n k 可以 用来模拟线性或非线性、 连续或离散或两者的混合系统， 也就是说它可以 用来 模 拟儿乎 所有可遇到的动态系统 o s i m u l i n k 没有单独的 语言， 但它提供s 函 数规则， 所谓的s 函数可以是一个 m文件、 f o r t r a n程序、 c或 c + + 语言程序， 通过特殊的语法规则使之能够被 s i m u l i n k 模型或模块调用，同时，它允许用户制定自己的模块和模块库。 综上所述， s i m u l i n k 是一种功能强大的 通用仿真软件， 在本论文中， 就是用s i m u l i n k 作为 热压机电液闭环控制系统的仿真工 具。 2 . 8 . 2系统模型建立 热压机电液闭环控制系统主要由p l c 、比 例放大器、比 例阀、 油缸、 传感器组成。由于比 例 阀存在死区， 所以比例阀本身是非线性的，因此就决定整个系统是一个非线性系统。但是，由于 在实际工作过程中， 在加入补偿后，比 例阀始终工作在线性段， 因此， 在系统建模和分析时，比 例阀完全可以近视地认为是线性的。系统的其它主要组成部分都可以认为是线性的。另外，由于 系统是用p l c 控制的，所以 从原理上讲与计算机控制相似， 计算机控制本质上是一种离散控制， 但是，由 于p l c 的扫描周期非常快( 微秒或毫秒级) ， 所以， 在进行理论分析时， 可以 将它看成连 续系统。 综上所述， 在对热压机电液闭 环控制系统进行理论分析时， 可以 将其看作是一个连续线性系 统。 1系统控制框图 热压机电液闭环控制系统主要采用进油节流调速和旁路节流调速，由于在控制过程中， 反馈 的只是热压机的位移，而不是速度， 所以， 对速度是开环的控制方式。另外，从比例阀的结构中 可以看出，阀芯本身带有电 位置反馈， 所以，比例阀阀芯构成了一个闭环控制， 它能保证在负载 恒定时，阀芯稳定。 对位移和压力则可以 用闭 环控制方式。 它们的控制框图 分别如下: 图， 闭 环位置控制框图 图8 闭 环压力控制框图 热压机电 液闭环控制系统性能及监控的改进研究 p l c的输出设定 图， 速度开环控制框图 2热压机基本参数 q d - 1 0 0 实验型热压机的基本设备参数如下: a最大输出压力:1 0 0 吨( 9 8 0 k n ) 油缸柱塞直径:2 3 0 m m 油缸柱塞截面积:4 1 5 c m 2 工作台最大幅面:5 0 0 x 5 0 0 ; a = 2 5 0 0 c m 2 1 : 作台最小幅面:3 5 0 x 3 5 0 ; a = 1 2 2 5 c m 2 血额定最高油压:2 5 m p a 热压板单位压力: 试件最大: 4 m p a : 试件最小: 8 m p a 由以 上基本参数， 并根据液压控制的有关原理， 可以 在理论上求出油缸固有频率: 4 8 1 弧度/ 秒。 2 . 8 . 3系统传递函数的确定 由系统的控制框图 可以看出， 要确定系统的 传递函 数，首先要在理论上确定油缸、比 例阀、 传感器等控制环节的传递函数。 1油 缸传递函数的确定 油缸在速度控制时是一个微分环节，由 于速度控制是开环控制， 所以， 就没有必要对其动态 特性进行分析。 在位置控制中， 油缸是一个积分环节，由 于负载干扰的存在， 通常将其传递函数 写为: 1 / a g ( s ) = s ( s 2 / w z n + 2 s l w , + 1 ) 其中 :w , 为 油 缸的 固 有 频 率，a 为 油 缸的 有 效 作 用 面积 2比 例阀 传递函 数的确定 比 例流量阀是整个控制系统的关键环节， 由于 它的线性度比较好， 本来可以 将其作为一个比 例环节看待。 但是比 例阀 本身就构成了 一个闭环系统， 且通过分析厂家提供的阀的频率响应图后， 觉得还是作为一个惯性加延时环节比 较合理。 在阀的频率响应图中， 我们可以粗略地估计频率增 个卫oul召，卫氏 _5 巨.， . -一 s e es 日 卫 严 叫反 1咚 ! 扭 口 日 厂习 口 1 刃 1区乃卜11 1 1 ( 1 1 口 尸 刁i! i门 卫 l厂卜叼 1! i l l 二 巨 口 ii口 卫i 二 1.i . 11 卫 1 - 门 !lm l l 二i 、i i i72 i厂ll口 卫 i 二i怪 喇团 三 口i! 口 卫亡二 l 才口 目 节泣二 厂二 i!日 巨 二 引.i i v l l 二 l一厂习 i! 口 i巨 二r fl i 1 .v 反二 l一广，ll日7 1 1 ， 砂户.r 二1 1 1 扭 1 1 1 p 丁 !一【 二 卫 刁日 卜只丑r二f - i i 1 1 ! 巨洛 .p名息石互遨.习苍赶工 加1 倍时， 幅值减少5 d b ， 从而可以 近视地认为从一 mb以后的曲 线的 斜 率是一 2 0 d b / d e c ( 标准的一 2 0 d b / d e c 线是频率增加 1倍时，幅值减少 6 . 0 2 d b ) ，并可以 从图中求出 惯性 环节的时间常数是 t = 1 / 1 . 5秒。再 从阀的 相角图上可以 看出它还具有 延时环节的特性，由于比例阀主要 在中低频段使用，所以，在确定比 f e e 刁 口 目 i 哥 m目 z砖 图1 0 频率响应曲 线 2热压机电液闭环控制系统及静动态特性 例阀传递函数时，可以忽略延时部分的影响 综上所述，比例阀的传递函数是: g( s ) = k s+丁 其中丁 是惯性系统时间常数的倒数 3传感器传递函数的确定 传感器在系统分析时，通常都作为比 例环节。这里位移传感器的量程是 3 0 c m ,输出电 压是 0 - 5 v ,所以位移传感器的传递函数是: k = 5 / 3 0 = 0 . 1 7 v / c m 2 . 8 . 4静动态特性分析 根据前面求得的各组成部分的 传递函数， 结合系统的控制过程， 可以 绘制出系统的方块图 如 千扮 p l c给定k, 1 / a s十zs ( s 2 i c 0 2 h + 2 s / m , + 1 ) e 匕 例阀 油缸 传感器 图1 1 系统方框图 其中，各参数分别是: z 二1 . 5 hz co h = 4 8 1 r a d i s a=4 1 5 c m2 5 = 0 .2 k =0 . 1 7 v l c m 因为比 例流量阀具有双增益， 所以 两个线性段有各自 的 k , ，根据阀的电 压一 流量曲 线图可以 分别求出 两段的 增益为:_广 一 一 一 分 门 口钟 第 一 线 性 段 k 1 = 1 3 . 8 c m 3 / v ( 1 0 % - 7 0 % ) . s 杀 仪口 .一 一户 . . . . 目 . . . . 一 ， 月 ， ， 圳0 .-叭 第 二 线 性 段 ( ( 8 0 % - 1 0 0 % ) k 1 = 5 8 3 . 3 c m 3 / v. s 有了 上 述的 计算及参数， 就可以 在图1 2 s i m u l i n k 中的系统仿真模型 s i m u l i n k 中 创建系统的仿真模型: 有了系统仿真模型， 就可以 对系统进行仿真分析。 主要是仿真两个线性段的开、闭环特性及 3热压机电液闭环控制系统的监控组态 3热压机电液闭环控制系统的监控组态 3 . 1监控组态软件及其发展 组态软件作为用户可定制功能的软件平台1具，是随着分布式控制系统 d c s ( d i s t r i b u t e d c o n t r o l s y s t e m ) 及计算机控制技术的日 趋成熟而发展起来的。由于每一套 d c s都是比较通用的 控制系统， 为了使用户在不需要编代码程序的情况下， 便可生成适合自己需求的应用系统， 侮个 d c s 厂商在d c s 中都预装了系统软件和应用软件，而其中的应用软件实际上就是组态软件， 但一 直没有人给出明 确定义，只是将使用这种应用软件设计生成目 标应用系统的过程称为 “ 组态” 组态的 概念最早来自 英文c o n f i g u r a t i o n ，含义是使用软件工具对计算机及软 件的各种资 源 进 行 配 置， 达 到 使 计 算 机 或软 件 按 照 预先 设 置，自 动 执 行 特定 任务， 满 足 使 用者 要 求 的目 的 困 。 监控组态软件是面向监控和数据采集的软件平台工具，其最早出现时，k m 工 ( h u m a n m a c h i n e i n t e r f a c e ) 或h 1 m i ( m a n m a c h i n e i n t e r f a c e ) 是其主要内 涵，即主要解决人机图形界面问 题。随着 它的 快 速发 展， 实 时 数据库、 实时 控制、 s c a d a ( s u p e r v i s o r y c e n t e l a n d d a t a a c p u i s i t i o n ) , 通信及联网、开 放数据接口、 对i / 0 设备的广泛支持已经成为它的主要内容。 3 . 1 . 1组态软件的系统构成及简介 按照使用监控组态软件的工作阶段划分， 即按照系统环境划分， 监控组态软件是由 系统开发 环境和系统运行环境两大部分构成。 1系统开发环境 系统开发环境是设计人员为实施其控制方案， 在组态软件的支持下进行应用程序的系统生成 工作所必须依赖的工作环境。 用户在系统开发环境下设计符合需要的友好的人机界面， 并自 动生 成一系列用 户数据文件， 供系统运行环境运行时使用。 系统开发环境由 若干个组态程序组成， 如 图形界面组态程序、实时数据库组态程序等。 2系统运行环境 系统运行环境是用于运行目 标应用程序。 在运行环境下，目 标应用程序( 人机界面) 通过 1 / 0 驱 动 程序与 相 应的 控制设 备连接， 从 而实 现监控和数 据采集任务， 并可以 通过后台 执行的方 式， 完成其它数据处理任务。 系统运行环境是由若干个运行程序组成， 如图形界面运行程序， 实时数 据库运行程序等。 基于系 统开发环境和系统运行环境的需要，组态软件必须具备以 下 6 个部分:( 1 ) 应用程序 管理器:( 2 ) 图 形界面开发程序;( 3 ) 图形界面运行程序;( 4 ) 实时数据库系统组态程序:( 5 ) 实时 数据库系统运行程序;( 6 ) 工 / 0 驱动程序。 3 . 1 . 2组态软件的发展及前景 因为 每个d c s 厂家的组态软件是专用的( 即与硬件相关) ， 不可相互替代， 所以 在很大程度上 制约着监控组态软件的发展。 随着d c s 的普及和系统不断升级的需要， 各种控制设备驱动程序的 3热压机电液闭环控制系统的监控组态 实时 数据库也是监控组态软 件的 一个重 要发 展方向。 随 着计 算机处理能力的 不断提高， 实时 数 据库的性能和处理能力也有了明显的 提高. 现在越来越多的用户通过实时数据库来分析生产情 况、 汇总和统计生产数据，并以此作为指挥、 决策的 依据。 现在， 在许多监控组态软件中，实时 数据库已 经作为独立的商品单独出售，i n t e l l u t i o n . w o n d e r w a r e 、力控等都在宣传各自 的实时 数据库产品。 3 . 2适于s 7 - 2 0 0 的监控组态产品 s 7 - 2 0 0 作为西门子公司推出的一种小型p l c ， 一般的由 专门软件开发商研制的监控组态软件 都提供了 相应的i / 0 驱动程序， 也就是说它可以 用这些监控组态软件进行组态。 随着西门 子p l c 在生产中 应用的不断扩展， 西门 子公司为其p l c 产品专门开发了一系列的监 控组 态产品: w i n c c , t d 2 0 0 文本显 示器、 触摸 屏、 p r o t o o l 组态软 件、 m c r o c o m p u t i n g 通讯 控件 等。 其中 t d 2 0 0 文本显示器和m c r o c o m p u t i n g 通讯控件是专门为s 7 - 2 0 0 系列开发的用于组态的 硬件和软件产品。 t d 2 0 0文本显示器是一种文本显示装置， 它虽然没有生动逼真的人面界面， 但它可以 通过主 动轮询的方式读取和显示s 7 - 2 0 0 中的信息， 可以 调整选定的程序变量、 强制或非强制i / 0 点 等， 所以t d 2 0 0 文本显示器是一种简单方便的操作员界面。 m c r o c o m p u t i n g 是联结s i m a t i c s 7 - 2 0 0 和计算机的 桥梁。 它虽 然只 是一个 通讯控件， 但它 作为控件可以被一些高级编程语言( v i s u a l b a s i c 和v i s u a l c + + ) 和常用数据库软件( e x c e l ) 中直 接引用， 这样就可利用标准的w i n d o w s 应用来处理和显示来自s 7 - 2 0 0 的数据、 创建数据库应用、 操作员 控制和监视界面 ( h m i ) ， 也可用来创建统计评估的工具 ( 例如e x c e l ) 或者满足复杂需求 的 计 算 模 板。 因 此， 用 户 可以 基 于m c r o c o m p u t i n g ， 用 某 种 高 级 编 程 语 言 灵 活 地 开 发自 己 的 实 用 监控界面。 触摸屏可以 也可以作为s 7 - 2 0 0 p l c 的 监控设备， 它由p r o t o o l 组态软件组态。 触摸屏由 于体 积小 ， 便于安装.操作简单。 所以主要用在工业现场和成品设备上作为人机界面。 现有系统使用的监控组态软件 本论文讨论的q d - 1 0 0 实验型热压机现有电 液闭 环控制系