（机械电子工程专业论文）基于模糊pid的高速液压拉深机速度控制系统研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 i i 摘要 本文以高速液压拉深机的速度控制系统为对象，从电液调速原理、计算机控制策 略、数据通讯和软件设计等几个方面展开了对高速液压拉深机控制系统的研究。 首先在分析、比较国内外液压机控制系统发展现况的基础上，从拉深工艺对拉深 速度控制的要求出发，确定了速度控制系统的总体方案，采用工控机与p l c 主从控制 的模式，电液速度控制采用变频调速加定量泵的方法。为了提高控制性能，对速度控 制系统建立了简化模型，分析了控制系统的动态特性，并在p i d 闭环控制的基础上， 进行了自适应模糊一p i d 控制器的设计。其次，在控制变频器的p l c 中完成了p i d 控 制和输入输出信号的标准化转换，以及利用软件滤波功能和硬件抗干扰措施进一步提 高控制系统的可靠性。最后介绍了数据通讯的实现和软件的设计，阐述了控制系统中 p l c 在自由口模式下与工控机串口之间的通讯协议和通讯流程，应用多线程机制提高 软件的运行效率和可靠性，提供了触摸屏接口模式下控制数据图形化编辑界面和数据 ， 有效性校验，提高了设备现场操作的简易性和无差错率。现场调试结果表明，此控制 系统能满足不同产品对拉深速度的控制要求，可有效地实现高速、变速拉深，系统响 应速度快，超调量小。 本文对液压拉深机速度控制系统的研究，为同类型设备的升级改造提供了一种实 用、可行方法，也为液压机的远程控制和中小企业的小规模网络生产奠定了基础。专一 关键词：液压拉深机速度控制p l c模糊一p i d 变频调速数据通讯 华中科技大学硕士学位论文 ! ! ! = ! ! ! ! ! ! ! 竺竺竺! 竺! ! i 二一i 二 b i i i = ! ! ! ! 鼍暑竺 a b s tt a c t t h ed i s s e r t a t i o np r e s e n t s t h er e s e a r c ho fs p e e dd s h z t o lo fh i g h s p e e d h y d r a u li cp r e s si nt e r m so fe l e c t r o h y d r a u l i cs p e e dc o n t r o lt h e o r y ，c o m p u t e r c o n t r 0 1a l g o r it h m d a t ac o m m u n i c a t i o na n ds o f t w a r ed e s i g ne t c f i r s t l y b a s e do nd e v e l o p m e n to fc o n t r o ls y s t e mo ft h ep r e s sa t h o m ea n d a b r o a da n dt h er e q u i r e m e n to fd r a w i n gs p e e da c c o r d i n gt od r a w i n gt e c h n i c s ， t h ea r c h it e c t u r eo fs p e e dc o n t r 0 1s y s t e ma n dt h es c h e m e o fp l ca n di p c m a s t e r s l a v ec o n t r o ls y s t e ma r ep r e s e n t e d ，e l e c t r o h y d r a u l i cs p e e dc o n t r o l m e t h o dt h a tc o n s t a n t f l o wp u m pd r i y e nb yf r e q u e n c yc o n v e r t e ri sa d o p t e d i n o r d e rt oi m p r o v ec o n t r o lp e r f o r m a n c e ，m a t h e m a t i c a lm o d e lo fs p e e dc o n t r o l s y s t e mi sg i v e n ，t h e nd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i ci sa n a l y z e da n ds e l f a d a p t i r e f u z z y p i dr e g u l a t o r i s d e s i g n e d s e c o n d l y ，p i dc o n t r o lt h r o u g h p l ct h a t c o n t r o l s f r e q u e n c y c o n v e r t e ra n d s t a n d a r d i z i n s o f i o s i g n a l s a r e a c c o m p l i s h e d ，m e t h o d s o fa n t i - j a m m i n gs u c ha ss o f t f i l t e ra n dh a r d w a r e is o t a t i o na r ep r e s e n t e d f i n a l l y ，t h es o f t w a r eo fc o n t r o ls y s t e mi sd e v e l o p e d j l h ed i s s e r t a t i o np r e s e n t sap r o t o c o ia n df l o wc h a r to fd a t ac o m m u n i c a t i o n b e t w e e np l ci nf r e e p o r tm o d ea n d p cs e r i a lp o r t ，m u t t i - t h r e a dm e c h a n i s mf o r p r o m o l in go p e r a t i or l e f f i c i e n c ya n df e l i a b il i t yo fs o f t w a r e i ta l s od e s i g n s ag r a p h i c e d i ti n t e r f a c ef o rg e n e r a t i o no fc o n t r o ld a t ab yt o u c h i n g o ns c r e e n a n df i n is h e sf u n c t i o no fa u t oc h e c k i n gd a t a i no r d e rt os i m p l i f yf i e l d w o r k o p e r a t io r a n dr e d u c em i s t a k e s t h ee x p e r i m e n ts h o w st h a tc o n t r o ls y s t e mc a n f u lf i l it h e s p e e dc o n t r o lr e q u i r e m e n to fs p e e da n dd e e pd r a w l n gi nv a r i o u s s p e e d sc o n t i n u a l l ya c c o r d i n gt od i f f e r e n tk i n d so fp r o d u c t i n c o d c i u s i o n ，t h er e s e a r c h o f s p e e d c o n t r o l s y s t e m o f h i g h s p e e d h y d r a u li cp r e s sp r e s e n t sap r a c t i c a la n dv a h a b l ew a yn o to n l yf o ru p g r a d e a n d p r o m o t i o n ，b u ta l s of o rr e m o t ec o n t r o la n db u i l d i n gm e d il l m s c a l eo r s m a l1 - s c a l ei n t r a n e tf r a m e w o r k k e yw o r d s ：h y d r a u l i cd e e pd r a w i n gp r e s s ，s p e e dc o n t r o l ，p l c f u z z y p i d ，f r e q u e n c yc o n v e r s i o nt i m i n g ，d a t ac o m m u n i c a t i o n 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 概述 液挺拉深梳是液稻较为广泛的一释压力或型枫械，广泛应嗣于不锈钢、铝铡磊的 挝深成型。由于长期以来，在众羼扳料成彤的工艺及设冬翡研究中，缝往只重援大型 覆盖件( 如汽车覆盖件) 的研究，而忽视民用器皿类金属成形的研究，所以我国猩此 方面的工艺现状比较落搿和传统，液压拉深机总体的技术水平也比较低，生产效率及 寄品质嚣都商待提高。就器蓠豹现蹴来说，对不锈镭及铝剿品拉深工蕊研究的滞籍直 接制约了我鳗渡压拉深机技术水平的提藏与发耀【l j 。霞此，扶这一实黪王程繁景出发， 根据极限拉深原理进行液压拉深机遥度控制系统的研究。 极限拉渫【2 是强保证板料塑性变形不失稳条件下，使材料在拉深变形全过程中处 予最大许雳怒悻率工况下的拉深过耩。稷鞭拉深成形技术就是实现极限拉深成型的工 艺方法。在拉深设蠢性能方瑶：合理设计拉深速度，采用交速拉深及变压边力控囊方 式，可大大改善拉深过程中坯料变形区受压板料塑性变形的稳定性条件，实现极限 拉深。 。 液压控深撬熬王作要求 撮攫渡压投溪桃的极隈拉潆原理，对按剁系缓舂一些姆殊要求，毅 l 、滑块的速度调整方便，可以在一定范围内对活动横梁速度避孳亍调节以遁应不同 工艺流程对工作速度的要求，即保证拉深工作速度随工艺曲线在一个工作循环中自 动诵整。这是研究羹点所在。另外，液压搬深税的工况中，一般要求空行程时作快速 运动；期压过程既要求缀持压力恧速度又不韪大，甚至速蹙为零。这撵裁馒两者豹速 度相差懋殊，造成所需流蟹极不平衡。这对选择液压系统中泵和嘲路都提出了特殊要 求。 华中科技大学硕士学位论文 2 、用户加工的材料品种、厚度、大小、形状、工作环境、模具经常是发生变化的， 因此相应的控制动作就要做改变。为此，还要开发一个用户数据库系统。该系统可以 记录每次拉深速度、压力的变化，并存入计算机里，然后形成一个针对不同工件产生不 同拉深工艺的控制动作数据库，供用户以后调用；并可以根据环境变化，自动匹配和推 荐合适的极限拉深或近似极限拉深工艺。这个系统是实现极限拉深工艺的智能保障， 也是开发极限拉深液压机最大的技术难题。 3 、般液压拉深机的压力大、流量也较大，故功率大【) l 。因此，必须特别注意提 高系统的功率利用率，同时还应采取措施防止系统泄压时产生振动。 1 1 2 国内外液压机控制技术发展状况 液压机的液压系统和整机结构等方面发展已经比较成熟，国内外机型无较大差 距，主要差别在于控制系统。微电子技术、微机控制技术的飞速发展，加速了机、电、 液一体化的开发应用，也为改进液压机的性能、提高稳定性、加工效率等方面提供了 前提条件。相比之下，国内机型虽然种类齐全，但技术含量相对较低，缺乏高档机 型，这与机电液一体化和中小批量柔性生产的发展趋势不相适应 1 。4 - 6 】。 当前国内外液压机产品中控制系统分为以下三种类型。 ( 1 ) 以继电器为主控元件的传统型 其电路结构简单，技术要求不高，成本较低，相应控制功能简单，适应性不强。 主要用于单机工作，加工产品精度不高的大批量生产，也可组成简单的生产线，但由 于电路的限制，稳定性、柔性差。现在，国内许多液压机厂还以该机型为主，使用对 象多为小型加工厂，或加工精度要求不高的民用产品。国外众多厂家只是保留了对该 机型的生产能力，而主要面向以下两种技术含量高的机型组织生产。 ( 2 ) 采用可编程控制器( p l c ) 控制系统【7 】 浚系统是在继电器控制和计算机控制发展的基础上开发出来的，并逐渐发展成 为以微处理器为核心，将自动化技术、计算机技术、通讯技术溶为一体的新型工业自 2 华中科技大学硕士学位论文 动控制装置。目前，该机型广泛应用于各种生产机械和自动化生产过程中。早期的可 编程序控制器只能进行简单的逻辑控制，随着技术的不断发展，一些厂家采用微电 子处理器作为可编程序控制器的中央处理单元( c p u ) ，不仅可以进行逻辑控制，还可 以对模拟量进行控制，扩大了控制器的功能。可编程控制器有较高的稳定性和灵活 性但还是介于继电器控制和工业控制机控制之间的一种控制方式，与工业控制机 相比还有很大的差距。因受c p u 运算速度的限制，难以及时处理大量数据信息，一旦 控制功能较为复杂时，往往控制的实时性较差。实用中，难以配以算法较为复杂的控 制软件；在实际应用软件调试和应用中，因受本身硬件资源的限制，程序调试困难， 难以直接对被控对象实现直观的动态追踪显示。当前，国内有不少厂家采用p l c 控制 方式，如天津锻压机械厂有6 0 的产品装有p l c ；徐锻研制成功的y x 2 8 一1 7 0 0 2 5 0 0 大型双动薄板拉深数控液压机的电气采用p l c ；合肥锻压机床股份有限公司最近研制 成功的国内最大的y h 2 8 一1 6 0 型双动拉深液压机也采用p l c 控制；康思达公司推出的 一系列型号的液压机全部采用三菱或西门子的p l c 。国外厂家如丹麦的s t e n h q j 公司 采用s i e m e n s 的可编程控制器，实现压力和位移的控制。 ( 3 ) 应用高级微处理机( 或工业控制计算机) 的高性能控制系统 该控制方式是在计算机控制技术成熟发展的基础上采用的一种高科技含量的控 制方式，以工业控制机或单片单板机作为主控单元，通过外围接口器件( 如a d 或d a 板等) 或直接应用数字阀实现对液压系统的控制，同时利用各种传感器组成 闭环回路式的控制系统，达到精确控制的目的。这种控制方式的主要特点为： 具有友好的人机交互性，操作简单。如：b r o w nb o g g s 公司的产品，可通过数 字面板显示输入压力、快进和回程速度、压制速度及保压停机时间参数，极大减轻 了劳动强度： 控制精度高。数字控制的行程长度及工作行程与传统的机械式行程开关控制相 比，精度有很大的提高。一般控制精度可达到0 0 5 m m ； 生产高速化，提高生产率。如美国的f e r r a 公司通过电子微处理器控制方式， 华中科技大学硕士学位论文 工作循环比以前快6 0 ； 可顺利实现对工作参数( 如压力、速度、行程等) 的单独调整和控制，从而调 整被加工材料的流动，完成复杂工件、不对称工件的加工； 预存工作模式，缩短调整时间，与柔性加工要求相适应： 可通过软件来消除高速下的换向冲击，以降低噪声，提高系统的稳定性： 在安全方面可利用软件进行故障预诊断，并自动修复故障和显示错误，如 s t e n h q f 的机型和b r o w nb o g g s 公司都有此项功能； 易于实现生产线的集成控制，组成柔性生产线及与上位机进行通讯和实现调度 控制。 现在，国外众多液压机生产厂家都生产这种高性能的工业控制机控制方式的液压 机产品，这种先进的控制方式使系统或整机的控制性能，生产效率都有很大提高，能 够形成数控加工中心或柔性自动化生产线产品。如美国m u l t i p r e s s 、丹麦s t e n h q j 和加拿大b r o w nb o g g s 等公司，而国内很少有该类产品，除了济南铸造研究所、合肥 锻压机床股份有限公司及佛山康思达公司等个别产品外。 1 1 3 液压机控制技术发展趋势 ( 1 ) 高效化、低能耗 通过选择高效液压泵和高效液压执行器可提高系统效率。另外，在工作过程中使 液压泵的输出压力、输出流量在工作循环的各个阶段均能趋近负载压力、负载流量， 以减小压力过剩和流量过剩，实现泵的输出功率与负载功率相匹配，匹配程度越高， 系统效率越高，节能效果越显著，从而提高液压机的工作效率，降低生产成本。如在 径向柱塞泵和变量叶片泵加入电子控制后，泵的调节时间更短，中档的压力应用范围 可达到很好的性能价格比，而且有效地减少了噪声污染，达到节能高效。 采用可逆回转式径向柱塞变量泵作为主控单元的泵直接传动式液压机，由于是 容积控制方式，能量损失小，效率高，同时系统结构紧凑，使用维护方便，又由于 4 华中科技大学硕士学位论文 丰摔泵变帚机构的摔制环节构造特殊，具有高的动态响应特性，因而其控制特性好， 运行平稳，工作速度快，在每分钟工作次数高达1 2 0 次以上时，也能与操作机自动 联动，位置精度为ir n r n 。同时，该系统与其它类型的系统截然不同，加压速度随 泵排量的变化而变化，而加压和回程的方向变换可由泵自身的转换来实现。因此， 没有其它液压系统采用的充液阀和换向阀，加压速度、方向及定位等控制仅需控制 液压泵即可。 随着电机变频技术和a c 伺服电机的成熟及成本的降低，近年来出现了所谓的无 阀电液伺服系统【8 1 ，为液压驱动效率提供了有效的措施。这类系统由交流伺服电机带 动双向定量泵直接驱动液压缸，液压缸的运动速度、正反向、伺服定位等完全由交流 伺服电机束控制，反馈联系可通过位移传感器从液压缸取得位置反馈信号，或在电机 轴上装角位移传感器取得角度信号进行闭环反馈。通过变频电机或a c 伺服电机与液 压泵的组合而成的电液复合驱动方式具有如下优点：效率的大幅度提高；发热的减少； 噪声的降低：配管空间和安装工作量的减少；维护简便化。以注塑机上的应用为例， 与现有的负载敏感型液压驱动相比，一个循环后的消费电力只要5 9 。但此驱动方式 的成本和高响应等问题还待进一步探讨。 ( 2 ) 机电液一体化 由于微电子技术的不断进步，微处理器、电子功率放大器、传感器与液压控制单 几相互集成，形成了机械电子一体化产品，通过标准的现场总线、无线传输与上位机 艾行数7 交互形成智能化数字控制液压控制系统，不但提高了系统的静动态控制精 度，而且提高了系统的智能化程度、可靠性和鲁棒性，提高了系统对负载、环境以及 自身变化的自适应能力。如r e x r o t h 公司的2 轴数字控制器h n c l 0 0 ，融合了现代数字 控制技术及多种现场总线接口，为两坐标液压系统的闭环控制提供了新的选择空间， 并在其控制精度和动态特性上有了很大的提高。另外，大量的计算机辅助设计，或控 制软件在流体传动行业内的应用，极大地改善和提高了流体传动从元件到系统的设计 能力和元件、系统的功能和应用，智能化的微处理控制器也越来越多地应用到了产品 华中科技大学硕士学位论文 中，如s m c 、小金井等公司的产品中均可以看到，而且在m o o g 公司还可以看到类似于 伺服阀检测仪的产品，使微处理控制器的应用范围得到了拓宽i l “。 ( 3 ) 高速化、自动化、智能化 微电子技术的高速发展为液压机的自动化和智能化提供了充分的条件。检测传感 技术的不断发展，模糊控制理论、人工神经网络理论的成功应用使得国内外都在积极 研究具有自学习、自适应功能的液压机，实现对执行机构的无冲击起停以及高速化， 智能化控制，使得系统的特性如压力和速度，会随着负荷、物料性质和操作条件改变 而改变，即为了达到系统的最优控制，随时改变控制结构与参数，以适应变化了的工 况，保持给定的控制指标。 自动化不仅仅体现在加工，应能够实现对系统的自动诊断和调整，具有故障预 处理的功能。目前来说，液压故障诊断领域主要有以下三个研究分支：一是将专家 系统引入液压故障诊断；二是人工神经网络理论在故障诊断方面的应用【1 2 】；三是用模 糊控制理论来研究液压故障问题。将专家系统应用在液压故障诊断领域，会使诊断工 作更加科学化，提高解决问题的准确率和效率，但是迄今为止开发的液压诊断专家系 统的数量还很少，主要是它的应用问题未解决好，而且不具备学习功能和联想、记忆、 识别和类比等方式进行推理。人工神经网络的应用，可以模仿人类专家的直觉、联想、 记忆等能力，能较好地解决知识不完全或不确定情况下的故障诊断问题，但存在一些 缺陷，如训练时间长，并要求有足够的训练数据。由于不能事先枚举出所有的故障， 当出现一种新故障会造成误诊断等。模糊理论克服了传统故障判别的非此即彼的绝对 性，使推理过程和客观实际更加吻合，同时有利于综合考虑各种因素的影响，有利于 用人工智能来辅助诊断液压设备和故障。三者在研究方法、理论上各有侧重，但如果 能将它们结合为一体，将会使液压系统故障诊断上升到一个新的高度。 ( 4 ) 液压元件集成化、标准化和数字化 集成的液压系统减少了管路连接，有效地防止泄漏和污染。标准化的元件为机器 的维修带来了方便。此外出现了些新型的液压控制元器件，如电液数字阀口i 。电液 华中科技大学硕士学位论文 数字阀直接与计算机接口，不需要d a 转换，实现开环控制或闭环控制，与伺服阀、 比例阀相比，具有结构简单、抗污染、工作稳定、重复精度高、价廉等优点。常用的 数字阀有增量式数字阀和脉宽调制式数字阀。增量式数字阀采用步进电机作为电一机 械转换器，步进电机接受脉冲信号而输出一定的步距角。每个采样周期的步数可在前 一采样周期步数的基础上增加或减少一些步数，从而达到控制阀步数的目的。输入步 进电机脉冲数与阀步数成比例，阀步数与其输入压力、流量的大小成比例，从而控制 了执行机构的推力( 力矩) 和速度( 转角) 。近年来，还出现了数字控制液压缸和数 字控制直线流体马达等新型元器件，它们将控制元件与执行元件结合为一体，可实现 高精度直线位移控制。 ( 5 ) 控制系统的信息化、网络化 二十一世纪i t 技术将继续突飞猛进，i c 将继续遵循m o o r 定律以每十八个月容量 扩增一倍，价格下降一半的速度发展，将使网络带宽扩增至1 0 0 0 g b i t e 以上的等级， i c 与宽带成本将可以忽略。这将使得液压机控制系统的实时监控变得更为现实和可 靠，使用户可以通过国际互联网、企业内部网或局域网，对工厂的生产过程进行监视 和操作吲。 控制系统的信息化、网络化为实现控制与管理相结合奠定了基础，实现企业综合 自动化系统，从而实现从最高决策层到最底设备层的综合管理与控制，形成一个完整 的系统。如现场总线技术使自控系统与设备加入到信息网络的行列，成为企业信息网 络的底层，使企业信息沟通的覆盖范围一直延伸到生产现场，使变送器、传感器、执 行机构、控制装置等工厂底层设备，通过它相互间或与监控设备间进行双向多参数全 数字通信。 1 2 课题来源及研究目的 本研究课题为佛山康思达液压机械有限公司的y z 2 8 g 高速智能液压拉深机的子项 目，总项目已被列入一九九九年广东省重点新产品计划、佛山市2 0 0 0 年重点科技 华中科技大学硕士学位论文 基金项目、广东2 0 0 0 年“火矩计划”。 液压拉深机是国内外金属制品压制和拉深加工行业广泛应用的通用机械设备。目 前国内液压拉深机产品大多停留在继电器控制或p l c 简单的逻辑控制水平上，控制 精度低、无变速控制和其他一些要求较高的工艺过程控制。y z 2 8 g 高速液压拉深机正 是为适应目前工艺过程控制复杂、精度要求高的高档金属制品冲压加工的需要而研制 的，主要应用于家电、不锈钢制品等行业。 本项目是属国家重点支持的机电液一体化类别，技术含量高。研究的目的是：通 过本项目的研究，可以改变我国液压拉深机的技术现状，充分发挥设备的自身潜能及 最大限度的利用材料的塑性变形能力；研究成果对传统拉深工艺的突破、拉深制品成 品率的提高及高新技术的推广应用有重要意义。 本项目研究的主要任务是： ( l ) 实现压边力一位移控制曲线、速度一位移控制曲线的编制； ( 2 ) 实现变压边力控制和变速控制的功能： ( 3 ) 实现p l c 和工控机的数据通讯： ( 4 ) 实现安全管理。 1 3 本文的研究内容 本文主要介绍了高速液压拉深机速度控制系统的设计方案、速度控制系统的控制 策略以及软件的设计技巧。 第一章是绪论，介绍液压拉深机控制系统的国内外发展概况和课题的来源、目的 和意义。 第二章从液压机的速度控制工艺要求出发，提出了不同的设计方案，在分析各方 案特点后，确定了控制系统的硬件结构和软件结构，并提出了研究过程中需要解决的 关键技术。 第三章给出了液压机速度控制液压回路简化模型，推导出拉深速度与电机转速之 华中科技大学硕士学位论文 间的传递函数，并对其进行p i d 控制的仿真，由该模型的阶跃响应曲线，明确了速度 控制系统的时域特性。 第四章为了提高p i d 的控制精度及鲁棒性，在p i d 控制仿真的基础上，进行了自 适应模糊p i d 控制器的设计，并进行了仿真研究。 第五章讨论了变频器的p l c 控制和p i d 控制的实现以及简要介绍了p l c 的输入 输出模块。 第六章是控制系统软件的设计，重点介绍了软件设计过程中涉及到的软件设计方 法。 第七章对全文进行了总结，并对课题进行了展望。 9 华中科技大学硕士学位论文 2 液压拉深机控制系统的总体设计 2 1 液压拉深机工作原理 拉深机在一个工作循环中主缸工况图，如图2 t 所示。 在一个工作循环中的动作顺序为：( 1 ) 主缸快速下行；( 2 ) 主缸慢速下行；( 3 ) 主 缸顶住压边缸后同压边缸一起慢速下行拉深；( 4 ) 主缸到位、保压；( 5 ) 主缸快速上行， 退料缸顶出工件；( 6 ) 压边缸上行：( 7 ) 主缸返回原位停止，退料缸停，压边缸回位停 止。 位移 压力 开始 快速下行 到位 懊惭拉深锣 r 时间 图2 1 液压拉深机主缸工况图 时间 2 2 高速拉深机的控制要求 ( 1 ) 实现拉深过程的变速、变压边力。具有高速运行，低噪音、振动小的特点，变速、 变压边力拉深为充分利用材料的最大许用延伸率去提高拉深效率提供可能； ( 2 ) 主缸在速度转换实现“软切换”，达到主动消震、降噪的目的； ( 3 ) 充分发挥定量油泵在结构上的潜力，使油泵的转速在许可的范围内达到最大值， 0 华中科技大学硕士学位论文 使得在空载或低载的情况下充分利用电机功率，速度达到最大。 ( 4 ) 拉深过程中压边力能按照给定的压力曲线变化m 2 o 2 3 控制方案的选择 由于被控对象不同和对控制性能的要求也千差万别，所以控制方案也不尽相同。 根据高速拉深机的控制要求，提出了以下三种控制方案。 2 3 1 可编程控制器( plc ) 控制系统 p l c 日益广泛地用于工业控制中，它不仅能实现复杂的逻辑控制，还能完成各种顺 序或定时的闭环控制功能，并且可靠性高，稳定性好，抗干扰能力强，在恶劣环境下也 能长时间连续运行，编程简单，且维修方便，还备有各种通信接口和模块，易于与计算 机相连，能解决控制、监测和通信等问题。但使用p l c 进行软件补偿时，软件编程应 选择合适的采样周期和补偿量，尽可能采集到反馈过程输出的真实值，从而避免造成 系统振荡的不良后果【1 。 2 3 2 高级微处理机( 或工业控制计算机) 控制系统 工业控制机的控制方式是在计算机控制技术成熟发展的基础上采用的一种高技 术含量的控制方式。这种控制方式以工业控制机或单片机单板机作为主控单元，通 过外围接口器件( 如a d ，d a 板等) 或直接应用数字阀实现对液压系统的控制，同 时利用各种传感器组成闭环回路式的控制系统，达到精确控制的目的。但是，由于工 业现场的条件恶劣，干扰信号多，在w i n d o w s 多任务操作系统环境下，一旦计算机程 序死机，将造成较严重的后果。 2 3 3 工业控制计算机及p l c 主从控制方式 p l c 与计算机结合，通过串行端口传输数据而构成的计算机数据采集系统，对于 传输距离比较近的现场控制，是一种性能价格比较优的数据采集解决方案。其优点是： ( l ) 充分利用了p l c 抗干扰能力强，适用于工业现场的特点，又利用了工控机数据处 华中科技大学硕士学位论文 i i i b i i 理和图形显示功能强的优势，两者结合，可提高系统的自动化程度，且可进行预测控 制、定时控制和应用复杂的智能控制策略【1 6 1 刀。 ( 2 ) 在现场级与p l c 配合完成各种功能的模块已经非常成熟，可以最大限度地利用现 有的资源，还可通过p l c 的通信接口和模块进行通信，这无疑为大规模定制生产提供 町能。 ( 3 ) 町以灵活构成高、低档次的控制系统，并可以采用一台高性能工控机带多台p l c 的羟i 邪目络。允分发挥设备性能f 1 ”。 在分析各种方案的优缺点后，决定采用工业控制计算机及p l c 主从控制方式。 2 4 软件平台的选择 2 4 1 应用组态软件 组态软件是一种专用的工控软件。它具有以下特点： ( 1 ) 当前的组态软件的组态环境与w i n d o w s n t 的风格一致，系统操作是在直观基 础上使用视窗标准，并且有多媒体自学软件，详细的在线帮助，独特的组态向导，对 象蚓肜j 车( 含自通用图形块，可用拖放方式放置在屏幕的任何位置) ，易于使用，可 以减少培训周期和设计时i 自j 。 ( 2 ) 在线组态能够在没有中断当前的过程控制和监控的条件下，实现现场组态。 ( 3 ) 全集成自动化提供了数据存储和通讯的一致性，与p l c 编程软件紧密结合， 可以缩短项目开发周期。 ( 4 ) 内含i t 的连接，是企业数据整体中的一个组成部分。不仅有自动化的过程， 而且还可通过标准的接口o d b c 、s q l 进行企业管理数据的准备( 差错恢复规程，e r p 企业资源计划等) 。 但是，对于简单系统或小规模控制系统来说，组态软件的开发版本和运行版本的 蚋火费j 将小容忽雠，并且软件的大部分功能未曾使用，造成功能浪费。 华中科技大学硕士学位论文 2 4 2 应用c + + 编程软件自主开发 使用c + + 编程软件自主开发，可以根据控制系统的要求，灵活实现相应的功能模 块，具有自主版权，并可以节约生产成本。但是，对开发者要求较高，开发时间较长。 由于本控制系统规模较小和成本的限制，通过比较以上方案，故选择应用c + + 编 程软件自主开发，以m i c r o s o f tv i s u a lc + + 结合p l c 编程软件s t e p 7 为编程平台。 2 5 控制系统的硬件设计 液压拉深机控制系统采用工业控制 计算机及p l c 联合控制方式。控制系统 原理图如图2 2 所示。硬件包括速度控 制子系统、压边力控制子系统和辅助设 的速度控制。压边力控制子系统通过比f ! 例溢流阀实现压边力控制。班：i l “* n # 橼a l 目 2 5 1 速度控制子系统 目前，液压系统流量调节的传统方式总的来讲有三种方式【1 9 - 2 1 ，一种是采用定量 泵与阀控结合的节流调速方式；其次是采用变量泵容积调速方式；另一种是泵控与阀 控结台的二次调速方式。但是，随着电机变频技术和a c 伺服电机应用技术的成熟及 成本的降低，近年来出现了所谓的无阀电液伺服系统，即由变频器对交流伺服电机进 行无级调速，从而带动双向定量泵直接驱动液压缸。 1 、定量泵与阀控结合的节流调速回路 节流调速的优点是液压系统简单，可在很大范围内实现无级调速，因而获得了广 震簪鞲 华中科技大学硕士学位论文 泛应用，特别是在低速、低载，助率不大的液压系统中。但是，由于节流调速不可避 免地存在能量损失，效率低，溢流会造成系统发热，影响系统调速性能 速度随负载的变化而变化也是使用一般节流阀调速系统的共同缺点，尤其旁路节 流调速回路更严重。 2 、变量泵容积调速回路 变量泵容积调速回路的工作效率高、发热少、速度负载特性也较好，但价格高， 液压系统也较复杂，同时还要增加辅助液压源。泵控容积调速也存在速度随负载的变 化而变化的特性，引起的原因是液压泵和液动机的容积效率随负载的增加而降低所造 成的，尤其是在低速时。 3 、疋毓泵加变频调速 定量泵采用变频调速后，给油流量的调节就可通过改变转速的方法来实现，使得 泵出口流量与负载流量相同，能够有效地减少功率损失，达到节能、降耗，而且控制 方式大大简化，这对液压系统来说是十分有前景的一种控制方式。随着变频调速技术 的日趋成熟，变频电机、变频器的价格也逐步降低，这使得在液压系统中应用变频调 速技术成为可能，并具有以下的优点： ( 1 ) 交流变频调速技术是电子技术、微电子技术与自动控制技术高度发展的产物， 它具有频率范围宽、动态响应快、工作效率高、输出特性好、使用方便等其他调速方 案所无法比拟的特点，加上交流电动机对环境适应性强、维修简单、价格低、容易实 现高速大容量的优势使得以前的直流电机占主要地位的调速传动领域，逐渐被交流 电机变频调速所代替。 ( 2 ) 控制系统由一套变频器交流伺服电机位置传感器构成闭环，由p l c 进行p i d 调节运算，程序控制进给量，加工精度高。另外，可靠性高的变频器加制动单元可以 实现无级变速、以提高定位精度及平稳性，提高设备档次 2 3 1 。 但是由于定量泵加变频调速是一种新的流量调节方式，其有关特性还需从理论和 实验两方面进行研究，如：流量控制的稳定性，以及变频调速能否适应执行机构( 如 4 华中科技大学硕士学位论文 液压机) 的高动态响应和稳态调速的要求等等。 在比较以上三种液压调速回路的特点后，为了利用定量泵结构简单、容积效率高、 总效率高，并且易于与计算机连接实现智能泵的特点，同时，也为了开发新一代高效、 节能的液压拉深机。因此选择定量泵加变频调速方案为速度控制子系统，图2 3 是速 度控制系统的组成框图。 图2 3 速度控制系统组成框图 采用变频调速与定量泵组合流量调节系统。控制系统由控制器、变频器、异步电 动机、定量泵、液压机主工作缸和位移传感器等组成，其中控制器由上位机和p l c 组成。工作时p l c 采集位移传感器检测到的工作缸行程位置信号并传给上位机， 上位机经过控制算法计算后给出相应指令，由p l c 控制变频器的输出信号频率直接 改变异步电动机的转速，也就直接改变了定量泵给工作缸的供油量，并当负载或系 统参数发生变化时能稳定马达转速，从而控制了工作缸的行程和速度。 采用比例方向阀，位移传感器构成主缸位置检测系统，检测液压机主滑块的位置 并传给控制器。 采用s i e m e n sm i c r o m a s t e rv e c t o r 去驱动电机。可通过软件灵活地控制电机， 实现系统的变速。其自带的通信接口可实现与p l c 或p c 机的通信，发挥p l c 或p c 机的数据处理能力、控制算法的计算能力，为白适应控制的变速控制系统的研究提供 软、硬件基础。 华中科技大学硕士学位论文 2 5 2 压边力控制子系统 通过电液比例压力控制系统，采用比例溢流阀对压边力进行连续调节，使拉深过 程中压边力依据一定的规律变化。这时，只需调节比例溢流阀的输入电流，即可改变 系统的压力。这样，不需要设置多个溢流阀和换向阀，就能方便的进行远距离控制或 程序控制，而且所用的元件少、油路简单、便于使用和维修，还可以连续地、按比例 进行压力调节，其压力转换过程平缓，压力冲击小。 2 5 3r s 4 8 5 通讯口光隔离保护器乜 p p i g 是为西门子$ 7 - 2 0 0 系列p l c 量身定做的r s 4 8 5 通讯口光隔离保护器，也可 用于任何r s 4 8 5 通讯口，具有光电隔离、防静电、抗雷击和延长通讯距离等功能。使 用它大大提高通讯系统特别是r s 4 8 5 网络系统的抗干扰能力、可靠性和安全性性能， 其电源取自p l c 的通讯口而无需外接电源，插头的型号与信号的引脚定义与西门子 s 7 系列p l c 的通讯口完全相同，从而保证了使用时不需改变通讯接线，即插即用。 2 5 4 人机接口一触摸屏的输入“刀 触摸屏输入技术是近年来发展起来的一种新技术。它是用户利用手指或其它介质 直接与屏幕接触，进行相应的信息选择，并向计算机输入信息的一种输入设备。系统 由触摸检测装置和触摸屏控制卡两部分组成。触摸屏控制卡上有自己的c p u 和固化的 监控程序，将触摸检测装置送来的位置信息转换成相关的坐标信息并传送给计算机， 接收和执行计算机指令。 具有以下特点： ( 1 ) 人机界面友好。在图形技术的支持下，可以设计出非常漂亮的触摸屏画面。与现 在工业控制系统中广泛使用的标准键盘和触摸式键盘相比，触摸屏根据操作人员输入 不同的信息，变换不同的控制信息界面，使人机对话更加明了和直接，更容易被操作 人员，尤其是未经培训的使用者所接受。 ( 2 ) 简化信息输入设备。目前在生产配料、生产流程控制方面大多使用键盘和控制台 华中科技大学硕士学位论文 i i 作为人机对话的工具。使用触摸屏可以简化设备输入设备，一个庞大的工业控制台， 经过适当的改造以后，仅用一台触摸屏即可代替。 ( 3 ) 便于系统维护和改造。对传统的计算机控制台方式来说，如需对系统进行某些功 能方面的改造，那么也需同时改造控制台。然而，触摸屏只需根据系统的改变进行相 虚的界面调整即可。 2 6 控制系统的软件模块 液压拉深机控制软件由上位机( 9 - 控机) 软件和下位机( p l c ) 软件组成。上位 机软件主要完成人机交互、控制数据的生成和管理以及数据处理；下位机软件主要完 成变频器的速度控制、压边力控制以及信号的输入输出。根据自定义的通讯协议实 现上、f 位机软件数据的交换。 软件主要特性： f 1 ) 具有良好的用户交互功能，并具有实时监控功能，图形显示： ( 2 ) 能方便的实现压边力控制参数、速度控制参数的编辑，作出控制曲线并取点，从 而取代控点数据的逐点输入： ( 3 ) 实现复杂智能控制策略； ( 4 ) 可实现故障自动诊断，记录并回放工作运行状态； ( 5 ) 具有不同的操作权限、用户登录管理功能，自动记忆上次的工作代号： ( 6 ) 实现触摸屏方式操作，实现工业现场的无键盘化，可适应现场恶劣的工作环境， 械少硬件没备产生故障的几率。 2 6 1 上位机软件 卜侮机摔制软件由以下模块组成及主要功能： ( 1 ) 运行模块：实现工作代号的输入，运行监控窗口，记录运行数据；回放运行记录 曲线。 ( 2 ) 系统控制参数设置模块：实现p l c 控制参数的输入、修改和保存：控制曲线的生 成、控制点的生成及保存：控制数据下载和上载到p l c 。 华中科技大学硕士学位论文 ( 3 ) 自检操作和用户管理模块： 实现系统的自诊断；用户权限的设定。 ( 4 ) 通信模块：实现运行w i n d o w s9 8 上位机与下位机p l c 的通信；通信参数的设定： 通信故障的诊断。 2 6 2 下位机plc 软件 下位机控制软件由以下模块组成及主要功能： ( i ) 仞始化模块：实现plc 运行和中断环境的初始化设定。 ( 2 ) 通信模块：通过中断响应接收和发送字符，实现plc 与上位机通信协议的打包 干【f 解包，完成通信。 ( 3 ) 运行模块：实现plc 对变频器和液压机的实时控制，完成各种机械动作。 2 7 本课题的关键技术 2 7 1 通信实现方案 ( 1 ) p l c 串行通信编程 i ，【。0 c i ，l 的舛j fj ：通信u 可由用，、程序控制，梯形图程序可以使用接收中断、发送 中断、发送指令( x m t ) 和接收指令( r c v ) 来控制通信操作。 自由【 通讯协议支持与德国西门子公司s m a t 【cs 7 2 0 0 系列p l c 之间的通讯。 采用自由口通信方式，梯形图程序通过接收中断和发送中断以及发送指令( x m t ) 控 制通信口的操作。 上位机可以通过查询提取方式，访问p l c 的输入、输出继电器和中间继电器的 状态( 只读) ，也可以访问数据寄存器、定时器、计数器的当前值，还可通过特殊格 式的命令字实现一些特殊功能，如控制p l c 的启动、停止，获取p l c 的版本信息等。 对坷i 同公司的产品，串行通信的主要区别在于端口设置不同和命令字串的格式不同。 f 1 1w in d n w s 9 r 串行通信编程 在w i n d o w s 9 8 中将串行口与文件的统一了起来，对它们的打开、读、写、关闭等 华中科技大学硕士学位论文 操作都使用相同的a p 函数，但是它们之间又有差别，譬如串行口不能象文件一样可 以被删除，这些差别体现在a p i 函数中部分参数的设置上。 串行通信会话以调用c r e a t e f i l e 0 函数打开串行口开始，接着设置串行口波特 率、数据位、校验位、停止位等参数以及超时参数，最后选择一种工作方式读、写串 行口。在w i n d o w s 9 8 中，串行通信有两种工作方式可供选择：查询方式和事件驱动方 式。这两种工作方式各有优缺点，用户可以根据应用程序的实际需要选择其中的一种 t 作方式f 2 7 。3 。 2 7 2 多线程的应用 由于串行通信速度慢而需要传送的数据较多，如果不采用多线程或多进程，整 个控制系统的响应速度将非常缓慢，会大大降低与用户的交互能力。采用多线程必须 解决各个线程之间的同步和通信队3 甜。 2 7 3 控制曲线的生成和离散化 控制曲线用鼠标作图，依据设定的控制点个数等分控制曲线得到控制点数据，生 成控制点数据表。 优点在于：避免了繁琐的逐点输入和控制点数较多时( 如：点数大于30 个点时) ， 易输入错误数据的缺点：可以使操作者更加明了控制趋势，易于分析控制数据；实现 榨静j 点数据的平滑处理。 2 7 4 变频器的响应速度和电液调速系统 变频调速与定量泵组合流量调节系统的动态特性理论与试验研究。通过变频电机 调整液压拉深机主缸工