（控制理论与控制工程专业论文）调压铸造控制系统的设计与实现.pdf

摘要 调压铸造技术作为一种在差压铸造技术基础上发展而来的先进的铸造技术，具 有充型能力强，补缩能力高，兼具真空冶金效果的优点。本文在简要介绍其工艺 流程的基础上，依据其性能指标，提出了整个系统的设计方案。 本文中作者的主要工作如下： 一，确定计算机控制系统的硬件结构，对所用的各块工控板进行初始化设置， 并依据其所要实现的功能编写相应的程序模块。 二，根据系统上下位机通信的要求，在数据链路规程以及差错控制技术的基 础上，确定帧的格式，并据此编写出系统数据接收和数据发送的程序模块以及设 计出系统通信的命令集。此外根据两者通信的特点以及r s - - 2 3 2 通信的规范确定 了两者串行通信的三线连接方式。 三，文章采用机理分析法确定系统的数学模型，考虑到系统可能的各种复杂 因素造成的参数不准确以及纯滞后环节的影响，文章简单讨论了工程上p i d 参数 整定的方法以及处理纯滞后环节的s m i t h 预估算法。 四，由于系统的典型输入为斜坡信号，不同于一般控制系统的阶跃信号，根 据系统的性能指标，作者除了采用传统的p i d 控制算法之外，还采用了最小拍无 波纹的设计方法。由于最小拍无波纹设计的控制作用容易超出范围，文章还讨论 了实际系统的积分饱和特性的影响。 五，考虑到实际生产环境中的各种高频噪声干扰以及工业特有的5 0 h z 噪声干 扰的存在，文章进行了数字滤波等软件抗干扰技术的讨论，确定有用信号的频率 范围，并进行了有效的低通滤波器的设计。 最后，整个系统经过m a t l a b 仿真计算以及现场调试的验证，结果显示系统运 行良好，满足设计要求。 关键词： 调压铸造 串口通信 最小拍无波纹设计 数字滤波 酉i e 王些太堂亟堂僮监塞b 血盟 a b s t r a c t a so n ek i n do fa d v a n c e dc a s t i n gt e c h n o l o g yd e v e l o p e do nt h eb a s i so fc o u n t e r p r e s s u r ec a s t i n g , a d j u s t a b l ep r e s s u r ec a s t i n gh a sh i g h e rf i l l i n gc a p a c i t y , b e t t e rf e e d i n g c a p a c i t y , a n dh a sv a c u u mm e t a l l u r g ye f f e c tm e r i tc o n c u r r e n t l y o nt h ef o u n d a t i o no f i n t r o d u c i n gi t st e c h n i c a lp r o c e s sb r i e f l ya n dr e s t i n go n i t sp e r f o r m a n c ei n d e x ，t h i st h e s i s p u tf o r w a r dt h eo v e r a l ls y s t e md e s i g np r o p o s a l i nt h i st h e s i sa u t h o r sp r i m et a s kw a sa sf o l l o w s ： f i r s t l y , a r e rh a v i n gc o n f i n e dt h eh a r d w a r ea r c h i t e c t u r eo fc o m p u t e rc o n t r o l s y s t e m ，a u t h o rc a r r i e do nt h ei n i t i a l i z a t i o ne s t a b l i s h m e n to fe a c hp e lb o a r d , a n dt h e n c o m p i l e dc o r r e s p o n d i n gp r o g r a mm o d u l e s e c o n d l y , a c c o r d i n gt ot h ec o m m u n i c a t i o nr e q u e s tb e t w e e nt h ep o s i t i o na n dl o w e r m a c h i n eo fs y s t e m , i nt h ed a t al i n kr e g u l a t i o n sa sw e l la st h em i s t a k ec o n t r o lt e c h n o l o g y f o u n d a t i o n ，t h i st h e s i sd e s i g n e dt h ef l - a m e ，t h ef u n d a m e n t a lu n i to fd a t ac o m m u n i c a t i o n i nt h i ss y s t e m a c c o r d i n gt ot h ef r a m e ，a u t h o rc o m p i l e dt h ed a t ar e c e i v ea n d t r a n s m i s s i o np r o g r a mm o d u l ea sw e l la sw r i t et h e s y s t e mc o m m u n i c a t i o no r d e r c o l l e c t i o n i na d d i t i o n , a c c o r d i n gt h ee h a r a c t e r i s t i co fc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h e p o s i t i o na n d l o w e rm a c h i n ea sw e l la st h er s - 2 3 2c o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d , t h es y s t e m d e t e r m i n e dt h ec o n n e c t i o nw a yo f a s y n c h r o n o u ss e r i a lc o m m u n i c a t i o n t h i r d l y , t h i st h e s i su s e dt h em e c h a n i s ma n a l y t i c m e t h o dt od e t e r m i n a t et h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo fs y s t e m c o n s i d e r i n gt h es y s t e me v e r yk i n do f p o s s i b l yc o m p l e x f a c t o rc r e a t et h ep a r a m e t e ri n a e c u r a t ea sw e l la st h ep u r et i m ed e l a yl i n ki n f l u e n c e t h e p a p e ra l s os i m p l yd i s c u s s e di nt h ep r o j e c tt h ep i dp a r a m e t e ri n s t a l l a t i o nm e t h o d 嬲w e l l a st h ep r o c e s s i n gp u r et i m ed e l a yl i n ks m i t he s t i m a t ea l g o r i t h i n f o u r t h l y , b e c a u s et h es y s t e mm o d e li n p u tw a st h ep i t c hs i g n a l ，d i f f e r e n tf r o ms t e p s i g n a lo fg e n e r a lc o n t r o ls y s t e m , a c c o r d i n gt ot h es y s t e mp e r f o r m a n c ei n d e x , t h ea u t h o r u s e dt h et r a d i t i o n a lp i dc o n t r o la l g o r i t h m ，b u ta l s oh a su s e dt h es m a l l e s tr a c k e t n o n - r i p p l ed e s i g nm e t h o d c o n s i d e r i n gt h ec o n t r o la c t i o no f s m a l l e s tr a c k e tn o n - r i p p l e d e s i g ne a s yt os u r p a s st h es c o p e ，t h ep a p e ra l s od i s c u s s e dt h ei n t e g r a ls a t u r a t i o n c h a r a c t e r i s t i ci n f l u e n c ei nt h ea c t u a ls y s t e m f i f l t f l y , c o n s i d e r i n gt h ee x i s t e n c eo fe v e r yk i n do fh i g l lf r e q u e n c yn o i s ej a m m i n g a sw e l la st h e i n d u s t r yu n i q u e5 0 h zn o i s ej a m m i n gi nt h e a c t u a lp r o d u c t i o n e n v i r o n m e n t , t h i st h e s i sd i s c u s s e dd i g i t a lf i l t e ra n ds o f t w a r ea n t i - j a m m i n gt e c h n o l o g y , t h e n , d e t e r m i n e dt h eu s e f u ls i g n a lt h ef r e q u e n c yr a n g ea n dd e s i g n e dt h ee f f e c t i v el o w p a s sf i l t e r f i n a l l y , p a s s i n gt h r o u g ht h em a t l a bs i m u l a t i o nc o m p u t a t i o na sw e l la st h es c e n e d e b u g g i n gc o n f i r m a t i o n , i tw a sd i s p l a y e dt h a tt h eo v e r a l ls y s t e mw o r ks a t i s f i e dt h e d e s i g nr e q u e s t k e y w o r d s ：a d j u s t a b l ep r e s s u r ec a s t i n g ， a s y n c h r o n o u ss e r i a lc o m m u n i c a t i o n , t h es m a l l e s tr a c k e tn o n r i p p l ed e s i g n , d i g i t a lf i l t e r , i h 知识产权声明书和原创性声明 西北工业大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作 的知识产权单位属于西北_ 业大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复 印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北工业 大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：幽 2 硐年3 月工8 曰 指导教师签名 1 年3 目a g b 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所早交的学位论文，是本 人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引j = | = j 的内容 和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成 果，不包含本人或其他已申请学位或其他用途使用过的成果。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位沧文作者签名：基建往 2 c 柞3 月j g 目 酉a b 王些太堂亟堂僮诠毫 箍二重缝监 第一章绪论弟一早珀下匕 调压铸造作为一种新型的铸造工艺，将金属液在一定的压力下进行反重力充 型，具有很多优点：比如可以获得最佳的充型速度；获得最优质的充型金属液， 同时能够避免外来夹杂物进入型腔，铸件凝固过程好，对铸型的要求低，适应性 强。调压铸造与传统铸造工业相比能够很好地实现对大型复杂薄壁铸件的高精度 高品质铸造，非常适合于航空铝合金发动机舱，控制机舱壳体的铸造。目前，调 压铸造技术在国民经济的各个方面得到了日益广泛的应用。然而，目前国内的调 压铸造控制系统还大都以比较原始的手工操作为主，依靠工人的实际操作经验进 行控制，完全实现由计算机控制的调压铸造系统并不多。结合作者的实践，文章 将就如何设计与实现调压铸造控制系统展开较为深入的讨论。 1 1 课题来源和背景 本课题来源于西北工业大学与江西洪都集团公司的合作项目；1 y 2 调压铸造 控制系统的设计与实现。 江西洪都集团公司原有的调压铸造工艺需要实验人员进行手工操作。手工操 作时，一方面，由于操作者熟练程度不同，可能会人为地造成比较大的压力控制 误差，工艺精度难以保证，而且不利于将该工艺扩展到可能的范围；其次，手工 操作时需要不断的观察并记录数据，使得实验人员的劳动强度很大。生产效率降 低；另外，由于必须使用各种体积庞大的手动阀、调节阀，又要占据比较大的空 间。在这种背景之下，开发一套相应的计算机控制系统就成为当务之急。 一旦实现调压铸造工艺的计算机控制，将会大大地提高压力控制精度，使铸 造工艺精度能够得到有效的保证，从而获得更为优质的铸件；同时还可以减轻工 人的劳动强度，节省设备所占的空间。因此本课题具有重要的研究意义和使用价 值。 1 2 计算机控制理论及其发展 计算机控制技术是以自动控制理论和计算机技术为基础的，它的发展与计算机 技术的发展是密切相关的。 酉北王些太堂亟堂焦论塞 墓= 童缝! 金 在过去的几十年当中，计算机技术经历了一个飞速发展的过程。与此相随， 计算机的高速发展也带动了控制学科的飞速发展。计算机控制理论是目前研究的 热门方向之一，它结合了计算机技术和控制系统理论，并利用计算机的高速运算 性能完成控制理论算法的实现。同时，控制理论也有大的发展，在四五十年代发 展的经典控制理论被成功地应用到单输入单输出定常系统的设计当中；到六 十年代初，首先由航天技术发展起来的现代控制理论得到了广泛的应用，扩展到 了多输入多输出、定常或时变系统的分析和设计领域，所讨论的问题也更加 复杂和深入，促进了控制理论的进一步深入发展。这当中，计算机发挥着重要的 作用。 由于计算机具有大量存储信息的能力、强大的逻辑判断能力及快速的运算能 力，为计算机控制系统的设计与实现提供了优越的条件。其主要优点表现在： 可以实现复杂的控制规律，提高控制质量 常规的模拟调节器只能实现单一的调节规律，计算机控制不仅具有p i d 调节功能，还能实现复杂的控制规律。尤其是智能控制理论的发展， 使得人工智能、运筹学和控制理论合为一体，可以使控制指标进一步 得到提高。 控制规律改动方便 模拟调节器要改变控制规律必须对硬件装置进行改动或拆换，计算机 只要改动或补充程序就可以很快地适应新的控制要求。 计算机投资少，见效快 采用计算机控制能节省原材料和劳动力，还可以为企业的大规模集成 化控制和上层决策提供信息。 计算机控制系统可以分成如下两种类型： 集中型计算机控制系统 它将所有控制功能集中于一台计算机来完成，包括有很多回路的d d c 控制以及监督管理控制。早期的计算机控制系统通常采用这种方式。 然而集中型计算机控制系统存在不少问题。首先它的可靠性较差，一 旦计算机发生故障，将造成整个工厂或整个系统全面停工；其次，由 于一台计算机需要控制生产过程的许多物理量，从而给整个生产过程 的操作、启动及停机都带来不便。 分布式计算机控制系统 分布式计算机控制系统也称为集散控制系统( d c s ) ，它是7 0 年代发 展起来的一种新型数字控制系统，是计算机、控制、通讯和图形显示 等技术有机结合的产物。分布式计算机控制系统能够更好地适应工业 生产规模的日趋庞大，工艺过程变得更加复杂，管理高度集中，但生 2 下： 产过程却相对比较分散的生产条件的需求，它已出现便显示了强大的 生命力。 c r t 操作台管理计算机 ： l ：i： i 基搿| 1 基搿il 貂1 000 生产过程 图1 1 分布式计算机控制系统示意图 图1 1 给出了分布式计算机控制系统的典型功能框图。各部分的功能和组成如 基本控制单元 由分散的微处理机系统组成，主要用于生产过程的直接数字控制。 操作员接口 它是人和机器进行联系、操作生产过程、监视运行状态的设备，通常 包括数据通讯接口、c r t 显示器、键盘、打印机等设备。 i o 接口单元 主要用于数据的采集及变换处理。 管理计算机 执行高一级的控制功能。 数据总线 靠它在各个单元之间进行数据通讯。 分布式计算机控制系统具有以下特点： 它是由多个分布的计算机的物理资源和逻辑资源通过互联网形成的 一个整体系统，其中各个单元既相对独立，又相互联系，使系统具 备整体控制的条件，同时还能实现资源共享。 由于各个物理资源在物理上和空间上是独立的，因此必须通过通讯网 络将它们连接起来，并按一定的通讯协议进行信息交换。 有一个高级操作系统对整个系统进行统一管理。 系统的各个资源的操作既是相互合作又是高度自治的。 由于采用了分散化控制结构，每台微处理机只控制一个局部过程，从 而使系统的功能分散，负载分散，进而使危险分散，可以提高系统 的可靠性。 由于系统硬件采用了标准的模块结构，因此扩展容易、使用方便灵活。 1 3 调压铸造控制系统的发展现状 调压铸造工艺自二十世纪问世以来，由于下压腔体积小、压力高，较小的流量 输入就能产生较大的气压变化；上压腔体积大，气压小，气压相对于流量的变化 较小。在金属液面加压控制上至今还存在着没有解决的难题： 由于气动薄膜调节阀存在着严重的不平衡力，在工程上不得不用大钢度的 弹簧去平衡，造成该类执行器有较大的惯性及滞后效应，尤其在大口径的阀上表 现得更为严重。同时由于系统执行过程的固有的静摩擦力，控制系统需要考虑死 区的影响。 由于常规的控制系统都是把气压信号变成电信号，经过运算后输出控制信 号，而执行器还需要将电信号变成气信号才能识别运行，在这种电气信号之间的 反复变换中，既增加滞后更带来误差。 p i n 调节虽然从理论上来说能对它进行补偿，但由于在铸造的过程中，坩埚 内空间容积在生产中不断的变化，合理的升液充型速度也随着条件的不同在改变， 再加上随机出现的各种泄漏，使p i d 调节的最佳参数实际上是随时间变化的。 鉴于上述三个原因，国内外的调压铸造控制系统均存在下列问题： 保压超调比较严重。 由于采用上排气控制法，只能排气，控制系统没有自动补气的功能，故升 液充型过程一旦出现超调，控制系统无法调节。 由于被控对象的惯性大，执行器的惯性也大，所以控制系统的快速性比较 差。 针对现阶段调压铸造控制技术出现的一些问题，文章讨论了一些方法以解决 这些缺点。针对气动薄膜调节阀出现的死区特性，系统可对本身的控制信号加上 一个定值电压以抵消死区的影响或者加入个低幅高频颤振信号( 颤振信号频率应 该远大于预计的信号频率但不能与调节阀谐振以防止谐振引起疲劳破坏和元件饱 和) 使比例阀处于高频低幅值的运动状态中以抵消产生死区的库仑摩擦力。由于 系统的典型输入为斜坡函数，以及根据其快速性的要求，采取最小拍无波纹的设 计取代传统的p i d 控制器的设计可以满足其要求。 4 1 4 本系统的软硬件设计要求 任何一个计算机控制系统都是由硬件和软件两部分所构成的。根据具体的控制 要求，硬件和软件所实现的具体内容也各不相同。 在本系统中，硬件需要完成数据的采集，a d 和d a 转换，控制信号的输出 ( 各个工控板的选择详见第五章) 。相应地，软件需要完成数据的采集模块( 采样 时间的设定) ，根据控制算法进行控制信号的输出模块的设计。同时，由于本系统 是由上位机和下位机组成，系统同时需要完成通讯协议的设计，进行数据的发送 和接收以及完成控制命令的处理模块的设计。 1 5 作者的主要工作及本文的结构安排 1 5 1 作者的主要工作 t y - 2 型调压铸造系统的设计与实现是一项复杂、繁琐而又富有挑战性的工作， 需要多人的协同努力。在整个项目当中，作者完成的主要工作有： 系统数学模型的建立及控制算法的研究； 系统通讯协议的设计及软件实现； 下位控制计算机的硬件构建及软件设计与实现。 1 5 2 本文的结构安排 本文共分为五章，各章内容安排如下： 第一章：绪论 简单介绍了本文的研究内容、研究背景以及系统的软硬件设计要求。 第二章：系统总体结构与设计方案 简要介绍了调压铸造技术的工艺特征，相应的性能指标要求，以及 实现t y - 2 型调压铸造控制系统的气路方案，对铸造过程各个阶段的 操作步骤以及相应的控制方案也做了简单的叙述。 第三章：系统建模与控制算法研究 用机理分析法阐述了系统各个组件的模型，最终确定了整个系统的 数学模型，在此基础上，采取传统的p i d 控制算法和最小拍无波纹 控制算法进行了仿真研究。 第四章：通信协议的设计与实现 简要阐述了串行通信的r s 2 3 2 c 标准，串口连接方式，对数据链路 控制规程以及差错控制进行讨论设计出帧的格式，并据此介绍本系 统中上下位机通信协议的设计和软件实现。 第五章：计算机控制系统的软硬件设计与实现 主要介绍了计算机控制系统的硬件构成、软件设计及其实现方案。 在本章的最后，考虑了系统的噪声干扰的影响，对系统的数字滤波 进行了讨论。 6 西北工业大学硕士学位论文第二章调压铸造技术及气路系统简介 第二章调压铸造技术及气路系统简介 2 1 概述 2 1 1 调压铸造工艺简介 由于薄壁铸件充填较为困难，往往需要加大铸件壁厚，以保证铸件的顺利充 填，设置大型的冒口等调整铸件凝固温度场并强化补缩。增大冒口、增大壁厚一 方面浪费合金材料，另一方面由于厚壁铸件心部冷却速度低，将导致晶粒粗大， 使铸件性能降低。 采用调压铸造技术实现铸件的薄壁化浇注，可使铸件晶粒细化，致密度提升， 组织及性能均得到明显改善；同时还可以实现铸件的无冒口浇注，提高铸件收得 率，减少合金原科的消耗，显著提升铸件生产效益。 目前调压铸造技术已成功应用于航空铝合金铸件的工程化生产，不仅获得十 分优异的铸件合金品质，而且实现传统铸造技术难以企及的铸件合格率，其产品 可取代传统钣金铆接件，调压铸造技术已经成为大型复杂薄壁铸件高品质精密铸 造的重要手段。 调压铸造装置如下图2 1 所示： 图2 1 调压铸造装置示意图 装置包含两个相互独立可控的压室，其中下压室内安装坩埚以容纳金属液， 在温控系统控制下采用保温炉对金属液温度进行控制。上压室内安装铸型，型腔 一端开口并与升液管连通，插入金属液，两压室同时以管道分别与正压控制系统 西北工业大学硕士学位论文 第二章调压铸造技术及气路系统简介 和负压控制系统相连，将气体导入或导出各压室，以实现压室内气体从负压到正 压的精确控制，满足复杂的铸造过程要求。 调压铸造技术的工艺原理可描述如下：型腔和金属液处于真空状态，并且对 金属液保温并保持负压；充型时，对型腔下部的液态金属液面施加压力，但型腔 仍保持真空，将坩埚内的金属液沿升液管压入处于真空的型腔内：充型结束后迅 速对两压腔加压，始终保持下部金属液和型腔之问的压力差恒定，以避免铸型中 未凝固的金属液回流到坩埚中导致铸件缺陷；保持正压一段时间，使金属液在压 力下凝固成形，待型腔内的金属液完全凝固后，即可卸除压力，升液管内未凝固 的金属液回流到坩埚中。 调压铸造技术有3 个重要特征。 真空除气 当处于负压状态时，熔炼过程中溶解于金属液内的气体易于析出，这可使成 型的铸件中气体含量降低从而保证其长期使用过程中的尺寸精度；在负压条件下 液面也不易发生氧化形成氧化膜，有利于金属液的纯化和净化。此外在负压保持 条件下铸型表面吸附的气体以及水分都可以通过减压充分除去，避免充型时造成 侵入性气孔。 负压充型 由于充型的过程中型腔保持负压，在充型过程中金属液不会出现吸气或卷气 现象，也可避免型腔内气体反压对充型的阻碍作用，强化了充型能力，为充型平 稳顺利提供有利条件。金属液充填过程中铸型排气量极低，降低了铸型透气性的 要求。此外，负压充型所提供的平稳充型方式可以在型腔内形成有利于顺序凝固 的温度场。 正压凝固 负压条件下的反重力方向充型有助于实现铸件由上到下的顺序凝固；而在充 型完毕后仍保证上下压腔之间的压差不仅可以有效避免金属液回流，同时可为金 属液完成补缩作用提供驱动力；当凝固过程中形成的固相骨架不能承受外加的压 力时，期间形成的缩松或缩孔也可能被压实而消失，显著提高铸件的致密度，保 证其冶金以及力学性能的提高。 2 1 2t y - 2 型调压铸造控制系统的技术要求 根据t y - 2 型调压铸造的工艺要求，上下压腔期望压力控制曲线如图2 2 所示： p 1 为铸型环境气压，也即是上压腔压力( 实线表示) ，p 2 为金属液环境气压，也即 是下压腔压力( 虚线表示) 。 西北工业大学硕士学位论文第二章调压铸造技术及气路系统简介 图2 2 调压铸造示意图 在抽真空阶段，要求上下压腔的真空度接近- o 1 m p a ，一般来说，特别是抽真 空阶段，要求上下压腔互通阀打开，保证上、下压腔抽真空速度相同，压差为零， 否则当出现下压腔抽真空速度比上压腔快，上腔压力比下腔压力高，金属液即会 出现倒流，产生跑火现象，造成严重的恶果；在升压充型阶段，因为上下压力腔 之间的压力差p 决定了调压铸造的铸件质量，所以要求p ( p = p 2 p 1 ) 总的控 制精度小于l ，同时还要求上下压腔压力上升曲线的斜率保持不变，并且升液充 型的过程必须在l o 秒内完成；在保压阶段，要求充型升压与保持正压曲线交点处 的上下腔压力不能出现振荡，否则，将有可能使上下压腔的压力出现反相，无法 保证p ，更严重的是有可能使金属液倒流回下腔，给安全生产带来灾难性的后果。 本系统中抽真空阶段为了防止出现跑火现象，在硬件方面可以通过加大互通 阀管道半径的方法，当抽真空时，上下腔压力互通速度更快，保证上下压腔压力 变化的速度相等。软件方面使上压腔调节阀开度一定，只调节下压腔开度，使上 下压腔压差为零。 2 2t y - 2 型调压铸造气路系统结构 在t y - 2 调压铸造控制系统中，气路系统作为执行机构实现调压铸造过程中上 下压腔内的压力控制。 在本系统中，所谓的比例阀对应着气动薄膜调节阀( 未在图中标出) ，气体薄 膜调节阀的工作原理为：当气室输入了o 0 2 o 1 0 的信号压力后，薄膜产生推力， 使推力盘向下移动，压缩弹簧，使推杆、阀杆、阀芯向下移动，阀芯离开阀座， 从而使压缩空气流通。当信号压力维持在一定时，阀门就维持在一定的开度上。 而比例阀的作用即为，输入比例阀的一定电压对应着气动薄膜阀气室的信号压力。 9 西北工业大学硕士学位论文第二章调压铸造技术及气路系统简介 两者相结合即是输入比例阀的一定的电压对应着气体流量管道的一定的开度，控 制着气体流量大小，从而控制上下压腔的气压。如图2 3 所示，上下压腔前面的 电磁阀( f 5 ，f 1 ，f 2 ，) 和比例阀( t 1 ，他) 为常闭阀；上下压腔后面的电磁阀( f 3 ， f 4 ，f 6 ，包括互通阀( f 1 0 ，f 1 1 ) 和比例阀( t 3 ，t 4 ) 为常开阀。 图2 3 给出了t y - 2 调压铸造气路系统结构图。气路系统的工作可以概括为( 开 始工作前，所有的电磁阀，比例阀全部关闭) ： 开真空泵 上下压腔抽真空 打开互通阀( f 1 0 ，f 1 1 ) ，电磁阀f 7 ，f 3 ，f 4 ，电调节阀t 3 ，”。 打开压力罐 打开电磁阀f 5 。 升液、充型、保压 升液充型阶段，关闭上下压腔的互通阀。着实际气压低于理想值，打开电磁 阀f l ，f 2 ，比例阀t 1 ，t 2 ，关闭比例阀t 3 ，t 4 ，对上下压腔进行充气。 若实际气压高于该时刻的理想值，关闭比例阀t 1 ，砣，打开比例阀t 3 ，t 4 进行抽气。 卸压 打开互通阀( f 1 0 ，f 1 1 ) ，比例阀t 3 ，t 4 ，f 3 ，f 4 以及对应通向大气的电 磁阀f 6 。 工作结束 一切复位。 由第五章可知，电磁阀、互通阀以及真空泵的开关对应着一块输入输出板p c l 7 2 4 的a 、b 两个端口的各个位，比例阀对应着一块d a 输出板p c 卜7 2 6 端口 的各个位。由第四章可知，通信单位帧中包含的控制字命令即是控制着p c l - _ 7 2 4 端口各个位的高低电平，进而控制着电磁阀的开闭。帧中包含的数据经过相应控 制算法的处理控制着p c l - 7 2 6 输出端电压的高低，进而控制着气路管道阀门的开 度。 1 0 西北工业大学硕士学位论文第二章调压铸造技术及气路系统简介 图2 3 气路系统结构图 西北工业大学硕士学位论文第三章系统建模与控制算法研究 第三章系统建模与控制算法研究 设计一个自动控制系统时，首先需要知道被控对象的数学模型。控制系统的设 计任务就是依据被控对象的数学模型，按照控制要求来设计控制器。 一般地，被控对象的数学模型可以采用机理分析法和辨识法两种方式来建立。 用机理分析法建立数学模型就是根据系统中各装置或元部件的工作机理，建立相 关物理量之间的数学表达式从而获得所需的数学模型；辨识法根据工业工程的输 入和输出的实测数据进行建模从而得到系统的模型。t y - 2 调压铸造控制系统的模 型建立方法为机理分析法。 3 1 系统的数学模型 图3 1 系统的计算机控制模型 图3 1 为t y - 2 调压铸造控制系统的计算机控制模型方框图。y ( k ) 为期望压力 输入序列，u 为输出期望压力所对应的电压输入序列，其中插值表是按照压力传 感器的值标定的( 因为实际系统中，压力传感器用的时间长了之后会产生零点漂 移，此时将需要对传感器重新标零，也即是对插值表重新取值) ，因此其可以看成 相对应的压力传感器的传递函数，v 为计算机根据误差计算出来的输出电压，q 为比例气动调节阀的输出电压，y ( t ) 为系统的实际气压输出。被控对象根据实际情 况为上压腔或下压腔。 3 1 1 上压腔的数学模型 当上压腔内通入压力罐中的气体之后，腔内气体压力上升。确定上压腔的输入 量为气体质量流量q ( ，) ，输出量为腔内的压力只( f ) 。 将理想气体定律应用于上压腔，则有： 只k = m 1 月正 ( 3 一1 ) 1 2 西北工业大学硕士学位论文第三章系统建模与控制算法研究 式中只上压腔内的气体压力；m p a k 上压腔内的气体体积；m 3 五空气的气体常数；固定为r = 2 8 7 j k g k 正上压腔内的气体温度；k 因为上压腔的容积较大，而型腔内金属液体积相对较小，故可以忽略上压腔 内气体体积的变化，同理也可以忽略气体与金属液之间因能量交换而引起的温度 变化，即认为上压腔内的气体体积和温度不变。将式( 3 1 ) 对时间求导，得： 警k + 毋警= 等竭+ m l r - - 鲁- ( 3 - - 2 ) 考虑到： 誓= o ：等砒百d m i = q l 得： a 西e , v 1 = q 1 r 五( 3 - - 3 ) 将其进行拉氏变换，得： 业；堕三： q l ( s )k s 即： g p l 2 器= 1 邵； 。卅 式中 。= 善为上压腔的时间常数。 由式( 3 4 ) 可知，上压腔为一个积分环节，且其有效体积( 需要考虑到模 型所占的体积) 越大，则时间常数也越大。 实际装置中，上压腔的有关参数如下； k = 3 4 2 l m 3 r = 2 8 7 j 堙k 正= 2 5 + 2 7 3 = 2 9 8 k 得到f 。= 4 0 ，得到上压腔的传递函数为： g p l ( 5 ) 5 丽1 ，注：相应的气压单位为膨； ( 3 5 ) 西北工业大学硕士学位论文第三章系统建模与控制算法研究 3 1 2 下压腔的数学模型 当下压腔( 坩埚) 内通入压力罐的气体之后，下压腔内气压上升。与上压腔相 似，调节对象的输入量为气体质量流量q 2 ( ，) ，输出量为下压腔内的压力p a t ) 。 根据文献【3 l 】，下压腔( 坩埚) 的数学模型为： g r 2 = 器= 去 。一， 1 r 。3 1 p 。ot 式中 z 积分时间常数，且巧= 1 r ( i f 一+ f - - - - l 石； 厂升液管截面积，m 25 丑空气的气体常数，j ( k g 芷) 5 f 下压腔( 坩埚) 截面积，m 2 ； 圪初始时刻下压腔( 坩埚) 内液面上空的体积，m 3 ； 异初始时刻下压腔( 坩埚) 内液面上空气体的绝对压力，m p a ； 兀下压腔( 坩埚) 内气体的绝对温度，k ； y 下压腔内金属液的密度；k g m 3 ； 实际装置中的有关参数如下： f = 3 1 4 o 0 4 2 = 5 0 2 4 x 1 0 。4 m 2 ，升液管直径为8 厘米； = 0 3 m 3 ； r = 0 0 1 5 m p a ； ，= 2 7 x 1 0 3 k g m 3 ，金属铝液的密度； l = 6 0 0 + 2 7 3 = 8 7 3 k ，与坩埚内金属液的温度相当； 得到z = 1 3 ，相应的下压腔( 坩埚) 的传递函数为： g p ：( s ) = 亡，注：相应的气压单位为m p a ； ( 3 7 ) 1 s s 3 1 3 比例气动调节阀的数学模型 在t y - 2 调压铸造控制系统中，采用一个比例阀与一个气动薄膜调节阀组成一 个比例气动调节阀的主要作用过程可以概括为：控制器输出的调节电压输入比例 调节阀，改变阀的开度，阀开度的改变引起通过比例调节阀的压缩空气流量的改 变。下面将分别建立调节电压到比例气动调节阀相对开度和阀相对开度到质量流 量的数学模型。 1 4 西北工业大学硕士学位论文第三章系统建模与控制算法研究 输入调节电压和比例气动调节阀相对开度之间的传递函数w ( s ) 为： t r ( s ) ：型：k r e - 4 ( 3 - - 8 ) v b ) f f s + 1 式中足，放大系数； f ，对象的惯性时间常数； f 对象的纯滞后时间。 实际系统中，在标准情况下，常开阀5 v 电压下完全关闭，0 v 电压下完全打 开。常闭阀0 v 电压下完全关闭，5 v 电压下完全打开。因此取调节阀放大系数 髟f = 2 0 v ，惯性时间常数f ，= 0 8 秒，纯滞后时间f 取0 1 2 秒。将上述数据带 入式( 3 8 ) ，得 脚，= 器= 蔫( 3 - - 9 ) 08 s y o ) + l 其次，建立调节阀的开度k 与质量流量q 的模型。本系统中采用的调节阀为 z j h p 型气动单座套筒调节阀，流量特性为直线特性。根据所提供的资料，其理想 的流量特性数据如下表3 1 所示。 表3 1 调节阀流量特性数据 l 相对流量 o 0 2o 1 1 8 0 2 1 60 3 1 40 4 1 2 0 5 l0 6 0 80 7 0 60 8 0 4 0 9 0 21 l 相对开度( )o1 02 03 04 05 06 07 08 09 01 0 0 由表3 1 ，可以得出q 与k 的近似直线方程为： q = 0 0 1 绒k( 3 一l o ) 式中q 调节阀在某一开度时压缩空气的质量流量； 级调节阀全开时压缩空气的质量流量； k 调节阀的相对开度。 由流体力学的相关理论可以知道调节阔最大极限流量绒的计算公式： i q 一p 绒= 0 3 9 6 c a ( 3 - - 1 1 ) v 式中0 ，调节阀接管的截面积； c 调节阀的流量系数； r 调节阀入口处压缩空气的绝对温度； 只调节阀入口处压缩空气的绝对压力； 只调节阀出口处压缩空气的绝对压力； 得到流量q 与调节阀的相对开度k 的传递函数可表示为： 西北工业大学硕士学位论文第三章系统建模与控制算法研究 阶器= 3 9 6 x 1 0 - 3 c a ，警 c 。叫z ， 本系统中，压力罐的绝对压力最大约为o 6 m p a ，上压腔的压力不会超过外界 大气压( o 1m e t 2 ) ，而下压腔与上压腔的压差一般不会大于一个大气压。因此调 节阀出口的气体压力( 上压腔压力或下压腔压力) 与入1 2 1 压力的比值将小于o 5 2 8 ， 所以压缩空气流经调节阀时将处于超临界状态。 当气体处于超临界流动状态( 即只只0 5 2 8 ) 时，调节阀的流量系数c 的 计算公式为： c ：盟业生。1 0 ( 3 一1 3 ) 1 0 4 4 丑 式中g l 标准状态下气体的体积流量，r a 3 ； h 标准状态下气体的重度，n m 3 ； r 阀入口处气体的绝对温度，置； 只阀入1 ：3 处气体的绝对压力，p a ； 只阀出i z l 处气体的绝对压力，p a ： 可得： = 器一o s 7 9 ，级矾半 c ，叫， 式中： q = 1 0 0 m 3 ho h = 1 2 2 5 n m 3 。 a ，= 3 1 4 x 0 0 5 2 = 7 8 5 x 1 0 。3 辨2 ，调节阀接管半径为5 厘米； 将上述参数值代入( 3 一1 4 ) 中，得到 t ( s ) = 1 0 4 2 1 x 华 ( 3 州) 综合电压与相对开度( 3 9 ) ，相对开度与流量( 3 1 4 ) 的传递函数，可得 到调节阀的传递函数为： m ( j ) ：盟： 矿( j ) ! ! ：丝! ：竺旦二墨( 3 - - 1 6 、 o 8 s + i e 由于本系统中纯滞后时间与系统的惯性时间之比小于o 3 ，系统可以看成一般 的滞后系统，且由比例气动调节阀的特性可知，只是由于其静摩擦力导致的死区 引起的，通过加入一定的电压抵消其影响也即可忽略其造成的纯滞后环节的影响。 因此在后面设计控制器时也可先忽略滞后环节的影响。 1 6 西北工业大学硕士学位论文第三章系统建模与控制算法研究 3 1 4 传感器的数学模型 在t y - 2 调压铸造控制系统中，压力传感器的传递函数事先并不知道，需要借 助压力校验仪标定数据进行确定。上下压腔压力传感器的数据标定如下表所示： 表3 2 上压腔压力传感器标定数据 l 上压腔压力( k p a ) 1 8 6 2l - 6 1 2i - 4 0 5 | 2 0 4l0 1l 2 0 7 4 1 0 6 1 6 7 6 7i l 电压( v ) 1 2 6 9 11 7 4 1 5l2 1 2 8 2l2 5 0 7 2l2 8 9 0 8l3 2 7 9 53 6 5 6 94 0 3 94 3 2i 表3 3 下压腔压力传感器标定数据 下压腔压力- 8 6 55 5 o - 4 0 62 0 50 o 2 1 34 0 5 6 1 5 8 4 6 i ( k p a ) l 电压( v ) 1 2 6 8 51 8 6 5 72 1 3 4 92 5 1 0 32 8 9 2 7 3 2 8 8 33 6 5 4 84 0 3 3 84 4 6 3 6 注：压力校验仪用的是表压。 实际装置中，上下压腔的压力传感器是采用的同一种型号，实际标定的数据 的相似也确定了这点，由上下压腔的标定数据可知，上下压腔传感器的传递系数 皆为 ，( s ) = 2 0 ，单位为v m p a ；( 3 1 7 ) 3 1 5 广义被控对象的数学模型 为： 综合以上各节所述部件的传递函数，可以得到上压腔广义被控对象的传递函数 g l o ) = f i ( s ) m ( s ) g m ( s ) 将式( 3 1 7 ) 、( 3 一1 6 ) 、( 3 5 ) 代入式( 3 1 8 ) 中，可得 g 1 ( j ) ：1 0 4 2 1 e - 。- 5 , 生量：1 3 0 2 6 2 e - 0 5 生量( 3 1 9 ) s ( o 8 s + 1 ) 只 s ( s + 1 2 5 ) 只 下压腔广义传递函数为： g 2 ( s ) = f 2 (