（农业电气化与自动化专业论文）基于模糊控制的剪切控制系统的研究.pdf

摘要 随着科学技术的进步，我国电力变压器行业有了很大的发展。矽钢片剪切是 电力变压器生产的关键工艺，其剪切质量的好坏直接影响到变压器的转换效率 目前，在国内普遍存在着剪切设备老化，自动化水平不高，效率低、剪切误差大 的情况，急需改造和更新换代。而引进国外的生产线，则费用昂贵。为此，结合 目前的实际情况，采用模糊控制理论的最新研究成果，开发研制了矽钢片剪切控 制系统。 文章首先提出了剪切线控制的多种方式，在系统中选用的是三段降速式的走 停送料；其次提出了剪切系统的控制原理，本系统以三菱f x 2 n 系列p l c 作为主 控单元，并通过定位模块、伺服放大器与智能对象三菱m r j 2 系列伺服电机相连， 在电机本身所固有的转矩特性下，利用其所具有的位置控制和多段速度控制的特 点，用表定位方法操作定位模块从而实现对电机的精确定位，并推导出位置、速 度双重控制的最优方案，既提高了剪切精度又使该系统达到了理想的剪切速度。 然后为使矽钢片剪切精度和剪切效率得到进一步提高，文章重点介绍了模糊控制 原理在剪切线控制系统中的应用。本系统将模糊控制方法与传统p i d 控制技术相 结合，设计了模糊自适应p i d 控制器。使其在控制过程中，可以根据实际情况， 不断对参数进行在线修改，以获得最佳的控制效果。 仿真结果表明：本系统的剪切效率和剪切速度都得到了更大的提高。最后介 绍了选用的三菱触摸屏和可编程控制器在本系统中的应用，并设计了实现各种功 能的程序。 本剪切线系统投入使用以来运行正常，系统实现了变尺剪切，并可进行成组 剪切以达到特种变压器的装配要求，最终使变尺剪切机的剪切精度完全满足工艺 精度的要求( 0 0 0 5 m m ) ，并使整条生产线的工作效率得到了极大的提高。本系 统所采用的方法不仅可以应用在矽钢片的剪切，还可应用于其他板材生产领域当 中，具备较强的通用性，有着广泛的应用前景和市场价值。 关键词：变尺剪切；多段速度控制；模糊控制；模糊p i d 控制器；自适应 t h er e s e a r c hf o rc u t t i n gp r o d u c t i o nc o n t r o ls y s t e m b a s e do rf u z z yc o n t r o l a m h o r c h e n gm a n s 1 叩e 州s o cz l u m g 轴u g u a n g m 面a g r i c u l t u r a je l e c u 彘a t i o na n da u t o m a t i z a t i o n a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yp r o g r e s s i n g , p o w e rt r a n s f o r m e r i n d u s t r yi no u rc o u n t r yh a sg o tg r e a td e v e l o p m e n t t h es n i c o ns t e e lp l a t ei su s e di n c u t t i n gt h em a g n e t i ce n r em a t e r i a lo ft h es p e c i a lt r a n s f o r m e ri nt h et r a n s f o r m e r p r o d u c t i o nd e p a r t m e n t ，a n ds i l i c o ns t e e lp l a t ec u r i n gi st h ec r i t i c a lp r o c e s s i n gi nt h e p o w e ru a n s f o r m e rp r o d u c t i o n t h ec u t t i n gq u a l i t yi n f l u e n c e sd i r e c t l yt h ec o n v e r s i o n e f f i c i e n c yo ft h et r a n s f o r m e r u pt on o w , t h e r ea r c 璺d l n ep r o b l e m ss u c ha sa g e i n g e q u i p m e n t , i n e f f i c i e n c y , l o wa u t o m a t i o nl e v e la n db i ge f m rs h e a r i n gi nc h i n a s o t r a n s f o r m a t i o na n dr e p l a c i n gt h eo l d e rg e n e r a t i o na 北e m e r g e n tn e e d b u tt h ec o s to f i m p o r t i n go v e r s 锄p r o d u c t i o nl i n ei sv e r yh i g h t h e r e f o r e , c o m b i n i n gw i t ht h e p r a c t i c a ls i t u a t i o na n da d o p t i n gc u r r e n tr e s e a r c hf i n d i n g so ff u z z yc o n t r o lt h e o r y , t h e c u r i n gc o n t r o ls y s t e mo fs i l i c o ns t e e lp l a t ei sd e v e l o p e d f i r s to fa l l ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e s 翱o r f l ew a yo fc u t t i n gl i n ec o n t r 0 1 i nt h es y s t e m , w ec h o o s eg o p a u s ef e e d i n go f t l e e - s t a g ed e c e l e r a t i o n ；s e c o n d l y , t h i sp a p e rp r e s e n t s s y s t e m i cd o m i n a t i o np r i n c i p l e t h es e r i e so ff x 2 np l cw s st h em a s t e rc o n t r o lu n i t i nt h es y s t e m , a n di tc o n n e c t s 丽t l it h es e r i e so fm r - j 2 1 v om o t o rt h r o u g h o r i e n t a t i o nu n i ta n ds e n r oa m p l i f i e r t h et r a i to fp o s i t i o n a lc o n t r o la n dm u l t i s t a g e v e l o c i t yc o n t r o la r eu s e du n d e rt h ei n h e r e n ts p e c i a l t yo f m o t o rt o r s i o n t h em o t o rw a s c o n t r o l l e da c c u r a t e l yt h r o u g hak i n do f m e t h o dn a m e df o r ma d d r e s so r i e n t a t i o n , a n d t h eo p t i m i z a t i o np r o j e c ta b o u td u a lc o n t r o lo fp o s i t i o na n dv e l o c i t yw a sd e d u c e d t h u s ，t h ep r e c i s i o na n dt h es p e e do ft h es y s t e mc o u l dw o r ka tt h es t a t u so f o p t i m i z a t i o n a n dt h e n , t h i sa r t i c l ee m p h a s i z e st h ea p p l y i n go ff u z z yd o m i n a t i o n p r i n c i p l ei nc u t t i n gl i n ec o n t r o ls y s t e m t h es y s t e mc o m b i n e sf u z z yc o n t r o lm e t h o d w i t ht r a d i t i o n a lc o n t r o lt e c h n o l o g y , a n dd e s i g n sf u z z yp i da d a p t i v ec o n t r o l l e r a c c o r d i n gt ot h er e a ls i t u a t i o n , t h ep a r a m e t e r sa g er e v i s e dc o n t i n u o u s l yi nc o n t r o l p r o c e s s e s s ot h ec u t t i n gp r e c i s i o na n dc u t t i n ge f f i c i e n c y8 f eg a i n e df u r t h e re n h a n c e t h er e s u l t so ft h es i m u l a t i o ns h o wt h ev a l i d a t i o no ft h ep r o p o s e dm e t h o d f i n a l l y t h ea p p l i c a t i o no ft h et o u c hs c t e i e i ia n dp l ci nt h es y s t e mi si n t r o d u c e d a n dt h e ni t h a sb e e nr e a l i z e db yp r o g r a m m i n g t h ec u t t i n gl i n es y s t e mi sr u n n i n gr o f l l i a is i n c ei th a dp u ti n t oo p e r a t i o n v a r i a b l e s c a l ea n dg r o u pc u t t i n gw a sc o m et r u e a n dt h e ya d a p tt ot h er e q u i r e m e n to fs p e c i a l t r a n s f o r m e r e x p e r i m e n ti n d i c a t e dt h el e n g t ho ft h ec u t t i n gs h e e tc o u l db es a t i s f i e d w i t ht h et e e i m o l o g i ep r e c i s i o n ( 士o 0 0 5 r a m ) c o m p l e t e l y a n dt h eo p e r a t i n ge f f i c i e n c y o ft h ec o m p l e t ep r o d u e t i l i n ei se n h a n c e di n f i n i t e l y t h em e t h o di nt h es y s t e mn o t o n l ya p p l i e st os h e a rt h es i l i c o ns t e e lp l a t e b u ta l s oi tc a nb ea p p l i e di no t h e rp l a t e a l e no f p r o d u c t i o n s ot h em e t h o dh a st h ef e a t u r e so f b r o a du s a g e k e yw o r d s ：v a r i a b l es c a l ec u t t i n g ；m u l t i s t a g ev e l o c i t yc o n t r o l ；f u z z yc o n t r o l ；f h 盈= y p i dc o n t r o l l e r ；s e l f - a d a p t i v e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得塑韭盔些盘堂或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 私之 签字日期： 加一年月，j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塑韭盔些盘茎有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查 阅和借阅。本人授权塑韭壅些盘堂可以将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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：和受 签字日期：砷年石月彦日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：河北农业大学 通讯地址：河北农业大学机电院电气系 导师签名： 弘彩 签字日期：阳年月侈日 电话：1 3 9 0 3 2 2 4 7 2 1 邮编：0 7 1 0 0 1 基于模糊控制的剪切控制系统的研究 1 1 课题的背景和意义 1 弓i 言 随着我国工业技术的蓬勃发展，钢材的需求量日益增大，特别是造船、汽车、 建筑、变压器等行业的快速发展，对钢材的精加工也提出了更高的要求。在变压器 厂的钢板剪切加工中，最常用的板材是硅钢片和矽钢片。而对于特种变压器，磁芯 材料采用的是经过生产部门专门剪切的矽钢片。所以矽钢片剪切就成为电力变压器 生产的关键工艺，其剪切质量的好坏直接影响到变压器的转换效率。 剪切生产线是钢材精加工的必需设备，随着工业发展对板材的需求的增加，其 技术亦不断的发展。在国外，已经开发生产出一系列高性能的生产线。比较具有代 表性的是德国乔格公司l l 】的剪切线采用微机控制，自动定位，在国际上处于领先地 位。在国内，对板材加工技术的研究也在不断的深入，已有众多厂家在研制相关产 品。在工艺技术的成熟性、可靠性上，已达到先进水平。不仅可以提供整条生产线， 亦可以提供对老设备的改造技术。而且相对与进口设备，具有不可比拟的价格优势。 但总体上来说，与国外还有较大的差距。 目前，引进国外的生产线的投资较高，每条剪切生产线需要1 0 0 万美元左右1 1 1 。 这对大型变压器厂来说，因其年产量高，相对来说能够承受。而对小企业、对加工 中心来说，它面对的是市场，面对的是大量零散的、需求量小的、品种规格多样的 用户，它所需要的剪切生产线应该是价格相对便宜，又能保证矫直效果、剪切质量 和剪切精度，控制水平高，操作简单、方便、灵活，适合中国国情的生产线。为促 进变压器产品的发展，节约外汇开支，我们开发研制了矽钢片剪切控制系统，完全 适应了目前的市场需求。 1 2 剪切控制系统概述 1 2 1 剪切技术概述 过去传统的剪切机自动化程度不够高，成品的剪切长度需要人工的配合测量， 剪切过程也由人工控制，整个生产过程中人工干预太多，剪切速度缓慢，成品精度 不高，生产效率非常低下，严重制约了板材生产领域的发展。 随着市场经济的飞速发展，人们对生产效率以及成品质量的要求越来越高，同 时微机控制技术发展趋于成熟，各种自动化程度很高的高性能剪切机迅速发展起 来。比如卷筒料( 纸、铝带等) 高速横切机、凹板横切机、玻璃切割机、钢卷整平剪 切机等，基本都具备了微机控制、定长设置、块数设置、速度实时监测、交直流调 速、自动计数等功能，剪切的速度与精度达到了比较高的水平，扩展功能如声光报 警、自动装卸等也都比较齐全。 2 1 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 作为板材领域重要的生产设备，剪切机的剪切精度、剪切速度、自动化程度直 接影响到生产效率和产品的质量，因此对其技术的要求非常高。它里面融合了计算 机自动控制、精密机械传动、电机调速、人机工程等多种技术，有着较深的理论价 值。针对剪切机的自动控制，一般采用传统的电气控制线路与p l c 结合控制，采用 这种控制方案，系统具有可靠性高、故障率低、便于维修等优点。 针对不同的板材，剪切机组采用的切割方式不尽相同。如对于硬度不高的纸板， 剪刀一般采用普通旋转式切刀进行定长剪切：而对于硬度非常高的钢质板材，对剪 刀硬度又有非常高的要求，一般是板材达到定长后，停止运行，然后下刀剪切；对 于大部分普通硬度( 如铝板) 板材，一般都是进行随动剪切，即在板材运动中，进行 下刀剪切，以满足剪切速度的更高要求。 此外，剪切机组采用的电气传动方式也因切割对象而各异。随着交流调速技术 的迅猛发展，越来越多的厂家开始采用高性能交流调速系统，但在要求高控制性能 的工业场合，仍有很多采用直流传动装置进行直流调速以满足高控制要求。 1 2 2 剪切控制的发展现状 定长剪切控制是工业应用中常见的问题，特别是在造纸、包装、板材制造等 行业。原料的定长切割作为生产线所必需的一道工序，其自动化程度和切割精度对 整条生产线的产量和成品质量以及原料的利用率都起着不可忽视的作用。因此作为 生产线的一部分，剪切机的全自动化、高速化、高精度化是国内同类传统设备的发 展方向，同时也是整条生产线的发展方向。 目前的定长切割控制系统最常见的实现方案是用p l c 模块搭建系统，这种设 计方案简单，硬件可选范围广，并且软件编程容易，直接通过梯形图编程即可完成 相应功能，调试一般也不会出现太大问题。但是这种方案也有一些无法避免的缺点： 首先，系统造价高，在成本要求严格的场合很难考虑；其次，灵活性差，针对某个 具体应用场合，很难选择出一套完全与应用吻合的系统，往往造成系统资源浪费， 并且在某些特殊应用的情况下，有些技术细节很难实现；最后，这种定尺剪切方式 只能够剪切设定的长度，对于复杂的剪切工艺和现实需要中，往往需要剪切的长度 可以变化。比如说变压器厂制作特种变压器，由于变压器是由多个钢片叠成梯形组 合而成，它就需要剪切的长度任意改变。所以这种方案一般用在比较大型的流水线 生产设备上。在简单的定长剪切控制系统，特别是在中小型生产线中，很少采用这 种方案。而基于模糊控制的变尺剪切控制系统正好能满足这些中小型生产线的需 求，它具有高灵活性、高性价比、高实时性、运算控制高精度等特点。州 自二十世纪九十年代开始，德国乔格公司在剪切加工方面做了较多的工作。 其研究内容涉及各种材料的剪切加工或冲裁，包括棒材、管材、薄板、厚板树脂复 合板及其它材料等，但大部分还是针对金属板材的。其它国家的科技工作者在这方 面也做了一些工作。近几十年来，出现了各种新的加工方法，如电火花加工、等离 子弧加工、激光加工和超高压水射流加工等，这些新的加工方法在许多场合取得了 2 基于模糊控制的剪切控制系统的研究 很好的应用。电火花线切割、等离子弧切割、激光切割和超高压水射流切割f 5 1 也已 用在下料行业，但若想实现剪切的高效精密，新的剪切方法也面临各种各样的问题。 目前，剪切技术又与模糊控制p i d 技术相结合，使剪切技术得到了更大的发展， 在剪切效率和剪切精度上都有大幅度的提高。 1 3 课题研究的主要内容 钢材剪切是钢板精加工的第一道工序，根据市场的需求，以现有的设备为基础， 应用先进的技术，采用模糊控制技术和高性能的进口器件，结合p l c 技术以及先进 的检测技术，设计出自动化水平高、高效率、低损耗的变尺剪切控制系统。据此， 本课题涉及到以下主要内容： ( 1 ) 对剪切控制系统剪切方式的改进。 根据实际的需要，以变尺剪切送料的剪切方式取代定尺剪切送料的剪切方式， 使剪切长度不再只是一个固定的长度，从而大大提高生产线的生产效率。系统实现 成组剪切的方式，并且每组剪切的长度成递减变化，从而使该系统可进行成组剪切 的同时也可以实现定尺剪切的方式，以达到特种变压器的装配要求。 ( 2 ) 利用模糊控制算法，将模糊控制与传统p d 相结合，设计模糊自适应p i d 调节器，实现p i d 控制参数的自整定，以此来提高变尺剪切的精度和剪切效率。 变尺剪切要求系统快速跟踪给定，停车位置准确，响应时间短，超调小。根据 这些要求，要求设计出模糊自适应控制的p i d 调节器，使其能够利用模糊控制的方 法在线调节p i d 参数，能很好的满足以上要求，并且极大的增强系统的鲁棒性，使 之适应对不同板材精确加工。 ( 3 ) 寻求对伺服电动机的位置、速度双重控制的最优方案，进而解决剪切精度 和速度的矛盾。 选用主控对象为三菱m r - j 2 系列伺服电机并通过定位模块、伺服放大器与其相 连，在电机本身所固有的转矩特性下，利用其所具有的位置控制和多段速度控制的 特点，用表定位方法对定位模块操作从而实现对电机的精确定位，并推导出位置、 速度双重控制的最优方案。使该系统既提高了剪切精度又达到了理想的剪切速度。 从而使变尺剪切机的剪切精度完全满足工艺精度的要求( 0 0 0 5 m ) 。 ( 4 ) 构建基于可编程逻辑控制器( p l c ) 的剪切控制系统，编写可编程逻辑控制 ( p l c ) 器的程序，从而实现生产全过程的自动控制。 剪切控制系统的软件包括p l c 的控制程序和触摸屏操作终端的监控系统。前者 执行实时控制任务，后者实现人机交互功能。p l c 采用三菱f x 2 系列作为主控单元， 工具软件有p l c 的梯形图编辑软件g x d e v e l o p e r ，主要实现手动剪切、自动剪切、 精度校验、长板补偿以及用p l c 编程实现模糊控制的程序设计。生产线的参数设定 主要操作通过人机界面( 删i ) 完成。其型号为三菱f 9 4 0 g o t 的触摸屏，使用f x - p c s d u w i n c 软件进行画面编辑、上下载数据，利用r s 2 3 2 接口和p l c 进行通信。主 要显示矽钢片的剪切参数设定、工作状态、校验等，而上面的按钮可产生相应的开 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 4 关信息或数值输入、字符通过p l c 进行交换，从而实现相应的动作来控制设备及系 统。 ( 5 ) 仿真和现场调试。 设计出的基于模糊控制的剪切系统到工厂进行现场调试，最终可以投入使用。 并将模糊自适应p i d 控制器和传统p i d 控制器对给定位置曲线的跟踪结果进行仿真 分析，确定采用模糊自适应p i d 控制器符合系统的要求，能更好的提高剪切系统的 剪切精度和效率。 基于模糊控制的剪切控制系统的研究 2 剪切控制系统 2 1 剪切控制系统的生产方式的选择 2 1 1 剪切系统中常见送料方式的介绍 送料系统普遍采用两类送料方式：一类是采用油缸一齿条一离合器滚筒送料 方式，即液压系统结合机械传动系统，由于此方式中存在离合器打滑、油缸冲击力 无法受控等原因，使得送料频率低、精度偏差较大；另一类是采用电动机驱动送料 方式：其中又包括步进式、伺服式等。此送料控制方式实现技术成熟，送料精度高， 有一定应用价值。d 栅 另外，滚式送料装置是目前各种送料装置中使用最广泛的一种，它主要应用于 卷料，亦可应用于条料，有单边和双边之分。对于单边滚式送料装置，多数是推式的 这种推料式的装置，其材料厚度t 不应小于o 5 ；少数是用拉料式的。对于厚度t 小 于0 5 的薄料适用于拉料式，如果模具上装有定距侧刃，可简化滚轴附加结构，也能 连续进行拉料。 t j 2 1 2 剪切系统中常见剪切方式的介绍 在剪切系统中剪切主要分为纵切和横切两种类型。纵切是从纵向对带钢进行剪 切，将带钢分条。横切是横向对带钢进行剪切，将带钢剪成用户所需要的长度。 另外，按照刀片形状与配置及轧件的不同，剪切机可分为圆盘式剪切机、平行 刀片剪切机、斜刀片剪切机和飞剪机。圆盘式剪切机的刀片加工成圆盘状，用于纵 向剪切运动着的板材和带钢的侧边，或将宽带钢纵向分条。平行刀片剪切机一般用 于对钢坯进行横向剪切。斜刀片剪切机的两个剪刃互成一角度，因此剪切力比刀片 平行时的小，主要用于横向剪切钢板及带钢，有时也用于剪切成束的小型钢材及管 坯。 1 1 从机械角度来看，按照剪切刀座的设计方式来定义，定长剪切系统可分为以下 三大类： ( 1 ) 走停送料、静态剪切。 ( 2 ) 连续送料、往复式同步动态剪切。 ( 3 ) 连续送料、旋转式同步动态剪切。 上述三种定长剪切系统的基本差异见下表l ： 5 n ：i k 农业大学硕士学位( 毕业) 论文 毫1 三类剪切系统的基本差异 t a b 1b a s i c v a l a n c e o f t l u e e k i n d s o f c u i n g c o n t r o l 走停送料型的刀座是固定不动的，因此待切材料在剪切加工的那一瞬间，材料 必须完全停止，故称为静态剪切。而连续送料型不论是往复式或旋转式，在剪切加 工的瞬间刀具与材料是同步运行的，因此称为动态剪切，一般也泛称“飞剪”。 飞剪机用于横向剪切运动着的轧件，在剪切过程中，刀片随轧件移动的同时将 轧件切断。飞剪机一般用于连轧线或钢板横切机组作业线上，用来剪切轧件头、尾 部及将轧件剪切成所需要的长度。 按飞剪剪切轧件的部位的不同，可分为切头飞剪和定尺飞剪两类。切头飞剪用 来剪切轧件的头部和尾部，通常直接装在轧制线上。定尺飞剪除可剪切轧件的头尾 外，还能将轧件分段剪成一定的长度，一般安装在专门的剪切机组中。目前应用较 广泛的有：滚筒式飞剪、曲柄回转式飞剪和摆式飞剪。 因为本剪切系统是变尺剪切，飞剪主要用于带钢、板带运行中进行横向剪切， 使轧钢生产连续化，大大提高生产率。由于飞剪是在轧件运行过程中实现剪切，它 比静止剪切多一套运动控制系统，因而飞剪的结构、控制与调整比一般的剪切机要 复杂。这样只会大大降低剪切系统的精度，使其很难达到工艺的要求。而静止剪切 设备和工艺相对来说比较简单，所以本论文中只涉及了走停送料、静态剪切控制模 式，下面只介绍此种基本模式。 2 1 3 走停送料、静态剪切系统 走停送料、静态剪切系统是工业中最普遍的定长剪切方式之一。当主电机运转 时，材料靠夹轮送出；当送出长度到达预设值时，送料电机停止送料，等材料确实 静止之后，剪刀动作将材料分切成一片片大小相同的成品。 目前应用比较多的是两级式降速走停送料，本系统用的是三级降速式走停送 料，下面具体介绍： ( 1 ) 两级降速式走停送料 6 基于模糊控制的剪切控制系统的研究 v ( m s ) v l v 2 田1 两级降建式走停送料速度曲线 f i g iv e l o c i t yp r o f i l em m g h l o ws p e e df e e d - t o - i 。n g t hc o n u o l 最简易的剪切控制是用定长计数器( l e n g t hc o u n t e r ) 或行程开关作反馈单元。触 发开始后，电机以高速运行：接近目标时，则以低速运行直到目标到达，待目标到 达立即刹车停止，完成两级降速走停送料。这种方式需要以低速寻找目标，效率较 低；刹车后又存在微滑行( 亦称爬行) ，故剪切精确度较差。实际电机运行速度曲线 如上图1 所示。 ( 2 ) 三段降速式走停送料 图2 三级降速式停车的速度厦行程囤 f i g 2v e l o c i t y 删j m n e yc l i 盯to f a m p e r a g ed e c e l e r m i o n 本系统采取t - - 级降速方式，即在送料过程中采用高速，在将要制动时电机低 速运行。其速度控制曲线与行程图如图2 所示。图中五是第一级减速点，五是第 二级减速点，五，置之间的差值s 应保证大于系统送料速度由v i 稳定到屹，电机 的转速由一稳定到的时间内送过的料长。同样五，墨之间的差值马，也应能保证 7 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 送料速度由吃变化到b 所走过的位移。置，置之间的差值岛是停车准备和刹车段。 墨的计算公式为： 墨= 生2 , 其中： 墨矽钢板第三级降速点的位移； v l i 矽钢板运行的速度； 6 矽钢板的减速度 ( 3 ) 自动定长式走停送料 在这种送料方式中定长由操作工人直接输入控制器，触发开始后，系统直接以 预设的定长长度、最高速度、直线加速或s 曲线加速等为基本参数，计算出最佳化 的运转速度曲线，直接驱动电机自动运转至指定位置，因为不需要低速滑行，因此 速度较快。 2 2 系统的整体设计 2 2 1 系统的组成 本剪切控制系统中剪切部分设计的矽钢片剪切机是为变压器的生产部门专门 制作的一部用于剪切变压器磁芯原料( 矽钢片) 的机器。整个系统的结构框图如图 3 所示它主要可分为两大部分，机械部分和控制部分。机械部分主要由导轨区、 碾送区、剪切区三部分组成，其中碾送辊直径d - - 9 0 r a m 。伺服电机到碾送辊的减速 器减速比i = l ：4 0 ；控制部分由p l c 、定位模块、伺服放大器组成。 8 气压式剪切系 统 挤压轮 碾送轮 减速器 带编码器 的f u j 臌也争【 控制气门 l 触摸屏i j 萎纛 i 定位模块 订 垦望 ：一放人器 执仃一 田3 系统的结构框图 f i g 3t h ef l a m ew o r ko f 岫s y s t e m 基于模糊控制的剪切控制系统的研究 系统选用三菱f x 2 n 系列p l c 进行控制。剪切参数的设定主要是通过触摸屏 ( t g t i ) 完成的，触摸屏采用三菱f 9 4 0 g o t ，界面友好，操作简单方便。变频调速器 选用的是三菱f r e 5 0 0 。在本系统设计中选用三菱h c k f s 系列( 低惯量、小功率) 伺服电机，型号为7 3 ( b ) 。整个剪切系统以p l c 作为主控单元，并通过定位模块、 伺服放大器与主控对象三菱m r j 2 系列伺服电机相连，在电机本身所固有的转矩特 性下，利用其所具有的位置控制和多段速度控制的特点，用表定位方法对定位模块 操作从而实现对电机的精确定位，并推导出位置、速度双重控制的最优方案，使剪 切系统的剪切精度和剪切速度达到技术要求。 2 2 2 系统的性能指标 本论文所做的工作是研制一套能够准确变尺剪切、快速高效且具有可再开发能 力的控制系统，本系统性能指标如下： ( 1 ) 最小剪切长度尺寸：1 0 m g ( 2 ) 最大剪切尺寸：3 0 0 m m ( 3 ) 剪切误差：o 0 0 5 m m ( 4 ) 最大剪切速度：2 1 2 0 肌m m i n 2 2 3 剪切系统各部分设备介绍 ( 一) 触摸屏 本系统选用型号为f 9 4 0 g - o t 的三菱触摸屏来实现剪切系统的人机交互。 f 9 4 0 c a y r 是工业过程自动控制用f 9 4 0 g o t - b w d e 的缩写词，属于m t r s u t b i s h i 厂家产品。该触摸屏显示器外型小巧、美观。 ( 1 ) 硬件配置 c p u ：三菱c p u ，i ，0 模块；三菱触摸屏：f 9 4 0 g 0 r r b 1 r d e 。 ( 2 ) 编程环境及软件配置 设计工作电脑除了预装的中文w i n d o w s 系统软件外，我们还安装了一些工具软 件和组态软件。工具软件有p l c 的梯形图编辑软件g x - d e v e l o p e r ，通过r s 2 3 2 通讯 协议口与p l c 通讯、上下载程序及监控在线修改等；组态软件是使用f x - p c s d u w 玳c 软件进行画面编辑、上下载数据以及触摸屏的软件设计。 ( 3 ) 触摸屏与p l c 的通信 触摸屏与p l c 的之间的连接图如图4 所示：嗍 9 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 。 田4p l c 与p 9 4 0 6 0 f 接线圈 f i g 4l r l l ee k e t r i cw i r i n gd i n g r n mo f p l cg a dl 睁l o g o r 通过在触摸屏工艺编辑画面上设置参数，这样就可将数据传送给p l c ，p l c 通 过相应的程序采集有关数据在触摸屏显示出来。就可对有关数据和画面进行实时监 控，便于随时发现问题、解决问题和记录数据。 ( 二) p l c 的选择和配置 可编程逻辑控制器( 简称p l c ) 是在顺序控制和微机控制的基础上发展起来的 用于逻辑控制的专用计算机。专为在工业环境下运用而设计，它采用可编程序的存 贮器，用来在内部存储执行逻辑运算、顺序控制。定时、记数和算术运算等操作的 指令t 并通过数字式、模拟式的输入和输出控制各类机械和生产过程。【。i 可编程 控制器及其有关设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能 的原则来设计。根据控制工艺要求，综合输入输出点数，选择三菱公司的f x 2 n 系 列的p l c 作为整个系统的控制中心。它主要是由电源、c p u 、存储器和输出输入器 件组成的单元型可编程逻辑控制器。而且，a c 电源、d c 输入型的内装d c 2 4 v 电源 作为传感器的辅助电源。该机具有2 4 输入和2 4 输出，并且p l c 具有以下特点：1 1 2 1 ( 1 ) 能承受恶劣的工业环境，具有很强的抗干扰能力。 ( 2 ) 基本单元及扩展单元采用易于维修的装卸式端子台，系统配置简单，维修 和更换相当方便。 。 ( 3 ) p l c 可与工业现场信号直接输入输出相连接，针对不同的现场信号有相应 的i 0 模块。输入信号既可以是模拟量，又可以是开关量，且不必再考虑放大、a d 、 d 转换等问题。 ( 4 ) 具有较强的数学指令集，使用3 2 位处理浮点数。具有方根和三角几何指令， 满足数学功能要求较高的数据处理。并且有简便的应用指令群，编程简单且具有在 线编程能力。 ( 5 ) 可靠性强。p l c 平均无故障间隔在2 至5 万小时以上，并具有很强的自检、 监控、强制功能。 ( 6 ) 有丰富的输入输出扩展设备。 ( 三) 定位模块 由于在机械工作运行过程中工作的速度与精度往往存在矛盾，为提高机械效率 1 0 基于模糊控制的剪切控制系统的研究 而提高速度时，停车控制上便出现了问题。所以进行定位控制是十分必要的。定位 模块选用型号f ) ( 2 n - i o g m 进行操作，f x 2 n i o g m 为脉冲序列输出单元，它是单 轴定位单元，不仅能处理单速定位和中断定位，而且能处理复杂的控制。如多速操 作。f 】【2 n 一1 0 g m 最多可有8 个连接在f x 2 n 系列p l c 上最大输出脉冲为2 0 0 z 。 1 1 1 ( 四) 伺服放大器 在本系统设计中采用三菱通用交流伺服m e l s e r v o - j 2 s u p e r 系列，它是在 m e l s e r v o - j 2 系列的基础上开发的具有更高性能和更多功能的伺服系统。它与定 位模块、p l c 一起控制伺服电机，同时伺服电机也会给它反馈信息。控制模式有位 置控制，速度控制和转矩控制三种模式。还有位置速度控制、速度，转矩控制、转 矩，位置控制这些切换控制方式可供选择。 m e l s e r v o - j 2 s u p e r 系列的伺服电机编码器采用了分辨率为1 3 1 0 7 2 脉冲转 的绝对位置编码器，所以比m e l s e r v o j 2 系列具有更高精度控制的能力。只要在 伺服放大器上另加电池，就能构成绝对位置系统，这样在原点经过设置后，当电源 重新投入使用时或发生报警后，不需要再次原点复归也能继续工作。其主要的控制 模式为：脚i ( 1 ) 位置控制模式 可通过最大5 0 0 k p p s 的高速脉冲串控制电机速度和方向。位置控制的分辨率为 1 3 1 0 7 2 脉冲转。此外还提供了位置斜坡功能，并可以根据机械状况从两种模式中 进行选择。当位置指令脉冲急剧变化时，该功能实现了平稳的启动和停止。 通过实时自调整，可以根据机械的情况自动地设置增益。急剧加减速或过载而 造成的电路过流会影响功率器件，因此伺服放大器中采用了嵌位电路以限制输出转 矩。转矩的限制可用模拟量输人或参数设置的方式调整。 ( 2 ) 速度控制模式 通过模拟速度指令( 0 - - + i o v d c ) 和参数设置的内部设定( 最大7 速) ，可对伺服电 机的速度和方向进行高精度地平稳控制。 另外，还具有用于速度指令的加速时间常数设定功能、停止时的伺服锁定功能 和用于模拟量速度指令的偏置自动调整功能。 ( 3 ) 转矩控制模式 通过模拟量转矩输人指令( 睢8 v d c ) 或参数设置的内部转矩指令可控制伺服 电机的输出转矩。为防止无负载时电机速度过高，可通过模拟量输入或参数设置来 设定速度控制。本功能可用于张力控制等场合。 ( 五) 伺服电机 伺服电机选用h c k f s 系列( 低惯量、小功率) 伺服电机，型号为7 3 ( b ) 。伺服 电机是运动的执行单元负责对外输出动力。 ( 六) 减速器 减速器的减速比i = 1 ：4 0 。碾送辊的转动惯量折算到电机轴上时，将被减少1 6 0 0 倍，即l i 2 的关系。另外，为了实现速度的进一步降低，在加减速器的同时又增加 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 了电子齿轮，根据系统的精度和速度的考虑，电子齿轮的比率选择为k = 1 0 ，具体 选择依据在下面控制原理中将作进一步的介绍。 ( 七) 碾送辊和挤压辊 ， 本剪切系统中采用的碾送辊的直径为9 0 r a m ，为了避免传统的橡胶碾送辊变形 较大和金属碾送辊打滑导致造成的精度误差，碾送辊和挤眶辊采用内金属外绝缘脂 的材料结构。 ( 八) 气压式剪切系统 根据工厂的实际设备情况，在不影响剪切效果的情况下，本系统采用气压式剪 切方式来控制剪切，剪切的驱动力来自高压气体。 2 2 4 影响剪切质量的主要因素 ( 1 ) 碾送辊材料的性质 若选用的碾送辊为金属材质，在剪切过程中会出现碾送辊的打滑，这样反馈到 伺服电机的脉冲数就会有一定误差。因此，碾送辊一般选用橡胶或者绝缘脂的。但 是它们在传送的过程中会将其挤压变形而使直径d 变小，使剪切存在误差，要是碾 送辊旋转一圈，那误差会扩大到万d 2 倍。在应用中，一般选用内金属外绝缘脂的材 料可有效的改善剪切质量。 ( 2 ) 剪切方式 在剪切过程中剪切方式的不同也会影响剪切质量。静态剪切相对来说对剪切质 量的影响比较少。但是“飞剪”由于其剪切刀片跟钢板一起运动，它们之间的速 度不同步会严重影响到剪切质量。另外，剪切方式中的旋转式，往复式虽然会大大 提高剪切速度但是都会比静态剪切对精度的影响高 ( 3 ) 剪切速率 一般的讲，剪切速率越高，断面质量越好。在温度保持一定的情况下，提高剪 切速率或加载速率对金属材料的弹性交形过程及与其有关的力学性能没有影响，但 相对速率超过一定的值后，会限制塑性变形发展，结果塑性变形抗力提高并使局部 高应力区形成裂纹，因而增加了金属材料的变脆倾向，金属更易发生臆性断裂，减 少了材料的几何畸变，在高应力和高剪切速率下，裂纹的扩展、会合就更迅速、更 加规则，断裂面也因此更加平整。这也是高速剪切能大幅提高剪切质量的主要原因。 试验证明：各种型号的钢材特别是含碳量较高的碳素钢在高速剪切时剪切质量 都有显著提高，对于一些硬铝和镍合金也是如此。但是对铜及其合金，锌，和一些 软铝进行高速剪切时尚未得到良好的效果。m ( 4 ) 剪切材料的形状 在剪切过程中，剪切材料形状的不同对剪切质量的影响也不同。对于本剪切系 统选用的矽钢板，由于其形状为片状，对剪切质量的影响并不大，只是会出现毛边 等现象。但对于棒材会因为轴向压力、轴向问隙、径向问隙和长径比等因素影响剪 切质量。l 删 1 2 基于模糊控制的剪切控制系统的研究 2 3 控制原理和精度误差分析 2 3 1 控制原理 本系统是变尺剪切系统，在本系统中采用成组剪切，剪切的组数为3 0 组，每 组剪切的长度呈递减排列，最长板长度为3 0 0 m m ，最长板剪切的片数为l o 片，递 减常数可以根据实际需要在触摸屏中设定。下面具体介绍剪切系统的原理： 在送料电动机的拖动下，送料机构拖动矽钢片作迸给运动。由于惯性和速度， 在运动过程中储存一定的动能，当发出停车命令时，一拖动系统在减速释放动能的同 时执行机构还要继续向前行走一段距离( 滑程) ，然后才能停止。因此为了准确停 止在给定位置，应在给定位置前提早发出减速制动的停车命令。经过一段减速过程 之后刚好停在给定位置上，达到精度要求。在理想情况下如矽钢片运行速度为v ， 减速度为6 ，则减速行程为l = v 2 2 b 。因此，只要在到达给定位置之前l 处发出停 车制动信号，系统将正好停在给定位置。 2 3 2 精度误差分析 在实际中由于各种原因，制动过程都会产生偏离标准情况的误差。开始制动点 的速度v ，制动过程的减速度b ，提前制动行程三都可能产生偏差，所以不能如理 想情况