（控制科学与工程专业论文）基于模糊pid的模锻液压机控制系统研究.pdf

摘要 重型液压机是关系到国家安全、经济发展的战略性、基础性设备。 我国现有的重型液压机自动化程度低，功能也不完善。3 1 5 0 k n 模锻 液压机是为重型模锻液压机设计的试验测试性专机。研究3 1 5 0 k n 模 锻液压机的p l c 控制系统为设计及改造重型模锻液压机的控制系统 提供了重要参考。 本文首先归纳总结了国内外液压机的发展现状及趋势，分析了 31 5 0 k n 模锻液压机及其液压系统的工作原理。从液压系统的控制要 求出发，确定了其p l c 控制系统的总体设计方案和软、硬件结构。 以工业控制计算机为上位机，西门子s 7 3 0 0 系列可编程控制器为下 位机，结合p l c 和电液比例控制技术对液压机电气控制系统进行自 动控制。 重点研究了液压同步系统及其软硬件实现。针对液压同步系统存 在复杂高阶非线性、难以建立精确数学模型的问题，设计了模糊白适 应p i d 控制器。在p l c 原有的p i d 控制功能的基础上，增加模糊控 制算法，实现输入量的模糊化、模糊控制表的查询、输出量去模糊化， 再对p i d 参数进行调整。运用结构化编程的方法，兼顾软件代码的可 重用性和可读性，完成了液压机控制系统的p l c 软件编程。 实验结果表明，所设计的系统算法简单易实现，控制效果好。论 文最后对所做工作进行了总结，并提出了有待进一步研究的问题。 关键词液压机，p l c ，同步控制，p i d ，模糊控制 a bs t r a c t h e a v y - d u t yh y d r a u l i cp r e s si sr e l a t e dt on a t i o n a ls e c u r i t y , e c o n o m i c d e v e l o p m e n t ，s t r a t e g i c a n db a s i ce q u i p m e n t o u re x i s t i n g h e a v y - d u t y h y d r a u l i cm a c h i n e sh a v eal o wd e g r e eo fa u t o m a t i o nw i t hu n p e r f e c t f u n c t i o n s 315 0 k nf o r g i n gh y d r a u l i cp r e s si st h et e s t i n gm a c h i n eu s e df o r e x p e r i m e n t a lp u r p o s e sf o rt h ed e s i g no fh e a v yf o r g i n g h y d r a u l i cp r e s s f i r s to fa l l ，i nt h et h e s i s ，t h ec u r r e n ts t a t u sa n d d e v e l o p m e n t t e n d e n c yo ff o r g ep r e s si nd o m e s t i ca n da b r o a da r ei n v e s t i g a t e d t h e w o r kp r i n c i p l eo f315 0 k nf o r g i n gh y d r a u l i cp r e s sa n di t s h y d r a u l i c s y s t e m a r es t u d i e da n d d e v e l o p e d t h e s o f t w a r ea n dh a r d w a r e a r c h i t e c t u r eo ft h ec o n t r o ls y s t e m ，a sw e l la st h e i rd e s i g np r o g r a m ，a r e i d e n t i f i e d ，b a s e do nt h er e q u i r e m e n t so fp r o c e s sc o n t r o lo ft h eh y d r a u li c s y s t e m t h e i n d u s t r i a lc o n t r o l c o m p u t e rw o r k sf o rm o n i t o r i n ga n d m a n a g e m e n to ft h e e n t i r es y s t e m s i m a t i cs 7 - 3 0 0p l ci ss e l e c t e da s c o n t r o l l e rf o rc o m p l e t i n gt h ea u t o m a t i cc o n t r o lo ft h eh y d r a u l i cp r e s sb y t h ep l cc o n t r o la n dc o m p u t e rc o n t r o lt e c h n o l o g y t h i st h e s i sf o c u s e so nt h ed e s i g no ft h es o f t w a r ea n dh a r d w a r e c o n t r o ls y s t e mo ft h eh y d r a u l i cs y n c h r o n i z a t i o ns y s t e m a n daf u z z y s e l f - a d a p t i v ep i dc o n t r o l l e ri sd e s i g n e d ，d u et ot h ep r o b l e m ，t h a tt h e h y d r a u l i cs y n c h r o n i z a t i o ns y s t e mw i t hc o m p l e xh i g h - o r d e rn o n l i n e a r , i s d i f f i c u l tt oe s t a b l i s ha p r e c i s em a t h e m a t i c a lm o d e l o nt h i sb a s i so ft h e p i dc o n t r o lf u n c t i o ni ns i m a t i cp l c ，i ti si n c r e a s e di no ft h ef u z z y c o n t r o la l g o r i t h m ，w h i c hc a nr e a l i z et h ef u z z yc o n v e r s i o no fi n p u t ，t h e q u e r yo ff u z z yc o n t r o lt a b l ea n dt h et h ea n t i f u z z yo fo u t p u tf o rr e g u l a t i o n o fp i dc o n t r o lp a r a m e t e r s b yt h eu s eo fs t r u c t u r e dp r o g r a m m i n g m e t h o d s ，t h eh y d r a u l i cp r e s sc o n t r o ls y s t e mo ft h ep l cp r o g r a mi s c o m p l e t e dw i t ht a k i n gi n t o a c c o u n tt h es o f t w a r ec o d er e u s a b i l i t ya n d r e a d a b i l i t y t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h i sa l g o r i t h mi ss i m p l ea n de a s y t oa c h i e v e ，a n dc a ng e tag o o dc o n t r o le f f e c t f i n a l l y , t h i sp a p e rm a k e s s o m ec o n c l u s i o n s ，a n dp r e s e n t ss o m ei s s u e sf o rf u t u r er e s e a r c h k e yw o r d sh y d r a u l i cp r e s s ，p l c ，s y n c h r o n o u sc o n t r o l ，p i d ，f u z z y c o n t r o l 原创性声明 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。尽我所知，除了论文中特另, l j j t l 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 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：晔 日期：丑年月工日 学位论文版权使用授权书 本入了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 硕i ? 学位论文第一审绪论 第一章绪论 液压机是工业生产中必不可少的设备，在国民经济各部门获得了广泛的应 用，是制品成型生产中应用最广的设备之一。吨位在1 0 0 m n 以上，通常用于锻 造大型模锻件，对工件进行整体变形压制的液压机称为重型模锻液压丰几【。重型 模锻液压机主要用于铝合金、钛合金、高温合金、粉末合金等难变形材料进行热 模锻和等温超塑性成形。随着我国航空工业的发展，以及国防现代化的要求，在 设计和制造上将越来越多的采用大型整体模锻件，因此研究重型模锻液压机的电 气控制技术对提高制造业水平具有重大意义【2 ，3 】。 1 1 课题来源及研究意义 本课题来源于中南大学机电工程学院冶金机械研究所的“数字化制造基础研 究项目，是国家重点基础研究计划( “9 7 3 ”计划) 的子项目。 重型模锻液压机是一个国家的国防工业、机械制造工业的综合生产能力及技 术发展水平的标志，具有明确的战略意义。传统的模锻液压机技术比较落后，部 分还是手工操作，劳动生产率低，锻件精度不高，能源损耗大。自五十年代术期 西方发达国家就丌始进行模锻液压机现代化的研究。随着液压控制技术和计算机 技术的发展，液压机的控制水平也提升到了一个新的高度，模锻液压机工作丌始 由集成的控制设备完成，这使得操作人员大大减少，劳动生产率及锻件精度得以 很大提高。 同时，我国现有的重型模锻液压机都是六、七十年代制造的，已经运行多年， 受当时技术水平和其它条件的限制，其控制系统与机电液操作的设计存在诸多不 合理性，而且装备水平低，功能也不完掣4 ，5 1 。因此，设计和研究重型模锻液压 机的电气控制系统具有现实的意义。 本课题研究的3 1 5 0 k n 模锻液压机是根据中南大学机电工程学院冶金机械研 究所的“数字化制造基础研究”项目的要求专门设计制造的试验测试性专机。其 技术要求、动作运行状态等均按重型液压机的参照比例设计制造。同样以此设计 制造了液压机驱动液压站和同步液压站。研究3 1 5 0 k n 模锻液压机的p l c 控制系 统为设计及改造重型模锻液压机的电气控制系统提供了重要参考。 1 2 液压机及其电气t , 7 5 1 j 技术的发展与研究现状 液压机是利用帕斯卡原理，采用液压传动，泵站将电能转变为液体压力能， 通过液压缸和活动横梁完成锻造工艺的设备。液压机按传递压强的液体种类来 硕一i ：学位论文 第一章绪论 分，有油压机和水压机两大类。其主机结构型式主要有三种：梁柱组合式、单臂 式和框架式。按用途不同，液压机可分为手动液压机、锻造液压机、冲压液压机、 一般用途液压机、层压液压机、挤压液压机、专用液压机等类型6 1 。其中锻造液 压机是指按照给定锻造工艺，完成对给定材料锻造的机器，即在液压机压力的作 用下，使钢锭或坯料产生塑形变形，以获得所需形状和尺寸的锻件1 7 8 j 。锻造液 压机又分为模锻液压机和自由锻液压机两种。模锻液压机要用模具，而自由锻液 压机不用模具。 1 2 1 国内外液压机发展与现状 自十七世纪中叶法国科学家帕斯卡提出了著名的静压传递原理之后，液压机 开始出现，并且发展迅速。1 7 7 5 年英国b r a m a h 造出了第一台水压机，1 8 6 2 年 g l e d h i l l 第一次用液压机锻造钢材，结束了手工锻造的传统方法，丌始了机器锻 造的时代。1 8 8 4 年在英国曼彻斯特制造了第一台蒸汽锻造水压机【9 】。2 0 世纪之后， 随着航空工业和军事工业发展，液压机吨位不断提高，应用越来越广。德国在2 0 世纪三、四十年代，丌始研发并建造了三台1 5 0 m n 和一台3 0 0 m n 的模锻液压机； 2 0 0 5 年德国的s i e m p e l k a m p 公司建造了l 台4 0 0 m n 模锻液压机。美国在1 9 5 5 年左 右，先后制造了两台3 1 5 m n 和两台4 5 0 m n 大型模锻水压机；2 0 0 0 年，美国又建 造了一台4 0 0 m n 的模锻液压机【l0 1 。同本2 0 世纪8 0 年代术期热模锻压力机有3 5 0 台，其中带自动传送装置的压力机为6 0 台，最大吨位1 6 0 m n 。而自仃苏联则在1 9 5 5 年到1 9 6 0 年之间，先后制造了四台3 0 0 m n 和两台7 0 0 m n 大型模锻水压机；前苏 联还为法国制造了一台6 5 0 m n 模锻液压机。 目日订，欧、美、同等发达国家所拥有的重型模锻压机在主辅机装备及电液控 制方面均处于领先地位。其中俄罗斯、美国、欧洲均拥有设计制造上的优势，德 国在控制系统和辅助设备方面居明显的领先地位。这些国家的大型模锻件产品质 量和生产效率都明显高于世界平均水平。 我国液压机发展起步较晚，但自解放后发展迅速。1 9 5 7 1 9 6 2 年间，我国已 开始自行设计、自行制造各种锻造液压设备，初步建立了一支设计和制造液压机 的技术队伍。六、七十年代，我国先后成套设计了三台上力吨的模锻液压机，分 别为安装在东北轻合金加工厂的i o o m n 模锻水压机、安装在西南铝加工厂的 i o o m n 多向模锻水压机和3 0 0 m n 模锻水压机。八十年代以后，我国的液压机又 有了一些新的发展，如设计自制了一批较为先进的6 0 m n 以下的模锻水压机，并 已向国外出口i l i i 我国现今拥有的重型模锻液压机就其能力而言，仅相当于上 世纪德国4 0 年代和美国、俄罗斯、法国5 0 年代所拥有的锻压设备能力1 1 2 】。 为了满足我国航空、航天、核能和动力工业发展的需要，2 0 0 4 年中南大学和 硕l 学位论文第一章绪论 西南铝加工厂在经过充分调查和反复协商、论证的基础上，提出了将3 0 0 m n 模锻 水压机增压改造至4 0 0 m n 的计划。同时，我国正在研制8 0 0 m n 特大型模锻液压 机，它是由国家批准建造的、中国第二重型机械集团公司为主体设计建造的巨型、 现代化模锻液压机。 1 2 2 液压机电气控制技术的发展与现状 液压机通常采用液压、电气共同控制的方法。随着电子技术和液压技术的发 展，综合利用计算机技术、自动控制和精密测量方面的先进技术，选用合适的电 气控制系统，可以大大提高液压机的自动化程度。国内外液压机电气控制系统按 发展主要有三种类型【1 3 , 1 4 ：一种是以继电器为主控单元的传统控制系统；一种是 采用可编程控制器( p l c ) 的控制系统；第三种是应用工业计算机的控制系统。 三种类型功能各有差异，应用范围也不尽相同。目前，采用p l c 控制系统和计算 机控制系统的液压机得到了很大发展1 6 】。 l 、继电器控制方式 二十世纪以来，随着流水线生产、社会化大生产地蓬勃发展，继电器控制系 统以其电路结构简单、技术要求不高、成本较低的优点，已被广泛用于工业生产 各个领域l i 引。但其适应性不强，一般用于单机工作、加工产品精度要求不高的大 批量生产，也可组成简单的生产线。早期液压机电气控制系统便是以继电器控制 方式为主，由于其电路方面的限制，使用该控制方法的液压机工作稳定性、柔性 差。时至今同，使用继电器控制系统的液压机在工作可靠性及功能的多样性方面 已不能满足生产发展要求i l6 1 。我国现有的上力吨重型模锻液压机( 如安装在西南 铝加工厂的3 0 0 m n 模锻水压机) 在改造之前都是使用该控制方法。目前，国内还 有不少液压机厂家是以生产这种机型为主，而使用厂家多为生产民用产品的企 业。国外众多厂家只是保留了对这种机型的生产能力，而主要面向技术含量高的 机型组织生产1 1 7 j 。 2 、可编程控制器的控制方式 p l c 是一种工作可靠，编程简单，使用方便，功能完备的控制设备。它把自 动化技术、计算机技术、通信技术融为一体，有利于实现工厂自动化的集散控制。 因此，可编程控制器自诞生以来，得到了迅速发展，成为工业控制领域的主流。 随着p l c 的发展，些复杂的控制和先进的控制方法在p l c 中能够方便的实现。 p l c 不仅能进行逻辑控制，而且还具有数学运算、模拟量处理、p i d 运算、p w m 输出和联网通信等功能，使用p l c 控制液压比例系统具有较明显的优越性【1 8 1 9 】。 早在2 0 世纪七十年代p l c 的出现并逐步替代原有的继电器控制系统以后，p l c 被 广泛应用于液压机的电气控制系统中。随着工业结构的变化和自动控制技术的发 硕j ：学位论文第一章绪论 展，p l c 在各种液压机的电气控制系统中的应用已经居于主导地位。通过采用 p l c 控制使系统的控制性能和可靠性大大提高。目i j ，国内多数厂家采用p l c 控 制方式，如天津锻压机床厂大部分产品装有p l c 。国外厂家o h ) - j 麦的s t n h q j 公 司采用了西门子的p l c ，实现对压力和位移等的控制1 1 7 】。 3 、计算机控制方式 计算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科 技含量的控制方式，以工业控制机作为主控单元，p l c 作为现场控制中心，通 过外围接口器件( 女i 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，从而达到精确控制的目的1 2 。 另外结合现代电子技术的发展，从高可靠性、易维护性目的出发，可采用现场总 线控制系统体系结构，将控制系统按功能分散，由p l c 系统、监控计算机采用现 场总线组成现场控制网络，实现集中监控、分散管理、分散控带l j 2 1 , 2 2 1 。目前，国 外有众多液压机生产厂家生产工业计算机控制方式的液压机产品。在国内，工业 计算机在液压机中主要还是用作上位机的集中监控，如1 0 0 m n 多向模锻水压机便 是采用工业控制机作上位机，p l c 做下位机直接控制模锻过型2 3 j 。华中科技大学 和兰州兰石机械集团有限公司共同研制的1 6 m n 快短液压机是采用计算机控制方 式1 2 4 1 。 目前，国内外的主流是采用p l c 控制系统和计算机控制系统作为液压机电气 控制系统，也有以两者相结合的控制方法。同时六七十年代之前设计的液压机其 电控系统都是采用继电器控制方式，其电控系统效率不高，维护困难，为顺应生 产发展的要求，这些老式液压机控制方式的改造是必然的。 1 3 可编程控制器及其应用 p l c 技术在工业控制自动化领域得到广泛的应用，为各种各样的自动控制设 备提供高可靠性的控制系统解决方案。随着工业结构的变化和p l c 技术的发展， p l c 应用领域也越来越广泛。目前，在先进工业国家中p l c 已成为工业控制的 标准设备1 25 1 。p l c 在技术上紧随微电子技术、大规模集成电路技术、计算机技 术和通信技术等的发展，其功能越来越齐全。p l c 从初期逻辑运算到数值运算、 闭环调节；从逻辑控制渗透到生产过程控制、运动控制等各种工业控制中。同时， p l c 通信能力也大大加强，使用p l c 组成各种控制系统变得非常容易。因此p l c 在将来仍将继续占据工业控制的主导地位【2 6 1 。 1 3 1p l c 控制系统的特点 p l c 构成的控制系统的主要特剧2 7 , 2 8 1 口- 概括o n - f ： 4 硕i ：学位论文第一章绪论 ( 1 ) 可靠性高，抗干扰能力强。p l c 采用了大规模集成电路技术，内部电 路采用先进的抗干扰技术，生产工艺严格。此外，p l c 在硬件上带有故障自我检 测功能，软件上可以编入外围器件的故障自诊断程序。这样整个控制系统的可靠 性、抗干扰能力得以全面提高。 ( 2 ) 配套齐全，功能完善，适应性强。目前，p l c 已经形成了各种规模的 系列化产品，可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能，p l c 大多 具有完善的数据运算能力，可以用于各种数字控制领域。各种各样的功能单元的 丌发促使p l c 渗透到位置控制、温度控制等各种工业控制中。随着p l c 通信能 力的增强，以及人机界面技术的发展，使用p l c 组成各种控制系统变得非常容 易。 ( 3 ) 采用模块化结构。为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型p l c 以外，绝大多数p l c 均采用模块化结构。p l c 的各个部件，包括c p u ，电源， i 0 等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能 可根据用户的需要自行组合。 ( 4 ) 编程简单易学，使用方便。p l c 的编程大多采用类似于继电器控制线 路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被 一般工程技术人员所理解和掌握。 ( 5 ) 安装简单，维修方便。p l c 不需要专门的机房，可以在各种工业环境 下直接运行。使用时只需将现场的各种设备与p l c 相应的i 0 端相连接，即可 投入运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找 故障。由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块 的方法，使系统迅速恢复运行。 1 3 2p l c 的工作原理及应用 p l c 上电工作时，首先进行模块的检查和初始化，接着c p u 连续执行用户 程序、任务的循环序列，这个过程称为扫描。扫描的工作过程一般分为三个阶段， 即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段： ( 1 ) 输入采样。即检查各输入的丌关状态，将这些状态数据存储起来为下 一阶段使用； ( 2 ) 执行程序。p l c 按用户程序中的指令逐条执行，同时把执行结果暂时 存储起来； ( 3 ) 刷新输出。按第l 阶段的输入状态在第2 阶段执行程序中所确定的结 果，在本阶段中对输出予以刷新。 完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，p l c 的c p u 以一 硕f ：学位论文第一章绪论 定的扫描速度重复执行上述三个阶段。p l c 对信号的输入、数据的处理和控制 信号的输出分别在一个扫描周期的不同时问进行的方式有助于排除系统中受到 的干扰。 p l c 的功能【2 9 】主要有：逻辑控制、定时控制、计数控制、步进( 顺序) 控 制、p i d 控制、数据控制( 数据处理能力) 、通信和联网。除此之外，p l c 还有 许多特殊功能模块，适用于各种特殊控制的要求，如：定位控制模块，c r t 模 块。 p l c 以其完善的功能，能够实现各种控制要求。同时，p l c 可以通过网络 与各种计算机、其他p l c 及智能设备通信，组成分布式控制系统。根据对控制 系统的不同要求，p l c 可以实现丌环过程控制和闭环过程控制。随着p l c 的性 能价格比不断提高，其应用范围也不断扩大。目前，p l c 已经广泛地应用在许多 工农业生产、交通运输等领域。p l c 在机械制造、石油化工、冶盒钢铁、汽车、 轻工业等领域的应用都得到了长足发展。 1 3 3p l c 控制与其它控制方式的比较 l 、p l c 控制与继电器控制方式的比较 最仞研制生产的p l c 主要用于代替传统的山继电器接触器构成的控制装置， 但这两者的运行方式是不相同的。继电器控制装置采用硬逻辑并行运行的方式， 即如果这个继电器的线圈通电或断电，该继电器所有的触点( 包括其常丌或常闭 触点) 在继电器控制线路的那个位置上都会立即同时动作。p l c 的c p u 则采用 顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断 开，该线圈的所有触点( 包括其常丌或常闭触点) 不会立即动作，必须等扫描到 该触点时爿会动作。 为了消除二者之间由于运行方式不同而造成的差异，考虑到继电器控制装置 各类触点的动作时间一般在1 0 0 m s 以上，而p l c 扫描用户程序的时间一般均小 于l o o m s ，因此，p l c 采用了种不同于一般微型计算机的运行方式扫描技 术。这样在对于i o 响应要求不高的场合，p l c 与继电器控制装置的处理结果上 就没有什么区别了。继电器顺序逻辑控制系统有大量的活动触点和元器件，只要 其中任一部件或触点故障，将造成系统的故障。另外，它的体积和重量较大，维 修的工作量也较大。p l c 除与必要的与外部物理世界的接口( 即i o 点) 外， 其它的逻辑功能均在其内部实现，即简化为内部的软件逻辑。诸如中间继电器、 时间继电器等硬件逻辑所能达到的功能不仅可以取代，而且性能更为优越。由于 减少大量的元件和接线，故障率和维修时间都大大降低。 2 、p l c 控制与计算机控制方式的比较 6 硕i j 学位论文 第一章绪论 计算机控制系统通常具有精度高、速度快、存储容量大和有逻辑判断功能等 特点，因此可以实现高级复杂的控制方法，获得快速精密的控制效果。在p l c 发展的阶段中，单片处理器组成的计算机控制系统对顺序逻辑控制系统的发展发 挥了较大的作用。但p l c 对此进行了改造。它变通用为专用，降低了成本，缩 小了体积。采用扫描方式工作，有利于顺序逻辑控制的实施。功能分散、危险分 散，并适应恶劣工业应用环境。同时，p l c 在快速性方面越来越接近计算机。 作为计算机控制系统的个重要分支，集散控制系统( d c s ，d i s t r i b u t e d c o n t r o ls y s t e m ) 是专门为工业过程控制设计的过程控制装置。它主要应用场合 是连续量的模拟控制。而p l c 的主要应用场合是开关量的逻辑控制。p l c 是按 扫描方式工作的，而d c s 是按用户的程序指令工作的。在d c s 中，可有多级优 先级中断的设置，而p l c 通常不采用中断方式。在存储器的容量上，由于p l c 所需的运算多是逻辑运算，因此所需的容量较小，而d c s 需进行大量的数字运 算，所需容量较大。在可靠性方面，两者都是有较高要求的。 为了扩大应用的范围，p l c 正在向d c s 靠拢，扩展模拟量的控制功能。同 样，d c s 也正在扩展逻辑控制功能，出现综合集成趋势。 1 4 论文的主要研究内容及章节安排 本文主要针对31 5 0 k n 模锻液压机电气控制系统进行控制技术的研究，对主 机液压驱动回路和多缸液压同步回路进行了分析研究，从3 1 5 0 k n 模锻液压机的 控制要求出发，确定了其p l c 控制系统的软、硬件结构及其总体设计方案。本文 重点探讨3 1 5 0 k n 模锻液压机的液压同步控制的实现，根据多缸液压同步回路滞 后性、非线性的特点，基于p l c 设计了模糊自适应p i d 控制器。 论文分为六章，第一章简要概述液压机及其电气控制系统的发展及现状，介 绍了p l c 的应用，论文的内容意义；第二章主要分析液压机液压系统的工作机理 及其电液控制；第三章介绍液压机p l c 控制系统的总体方案及抗干扰措施；第四 章主要研究系统的控制要求和对p l c 软件的实现进行设计，论述了p l c 与工控 机的通讯实现；第五章研究了液压机同步纠偏控制在p l c 中的实现并设计了对 应的模糊自适应p i d 控制器：第六章对本文做了总结，并对后续工作进行展望。 硕i ：- q - ：位论文第- 二章模锻液胝机液胝系统的分析研究 第二章模锻液压机液压系统的分析研究 本章主要介绍3 1 5 0 k n 模锻液压机的工作原理以及组成结构，详细阐述了其 液压驱动系统和液压同步系统的运作机理，并介绍了通过p l c 实现该液压机电 液比例控制的基本原理。 2 1 模锻液压机概述 2 1 1 模锻液压机的工作原理 3 1 5 0 k n 模锻液压机是梁柱复合式机架结构的锻造液压机，其工作介质为液 压油。该液压机为传统的“三梁四柱上传动式结构。在液压机中，四柱式液压 机用得最 3 0 1 。从小型液压拉深机到重型金属模锻液压机都有用到四柱式机架。 其主机由上横梁、活动横梁、下横梁( 工作台) 、立柱、油箱、工作缸( 主缸) 、 回程缸以及同步缸等部件组成，其外观如图2 1 所示。 梁 活动横梁 同步缸 横梁 基座 图2 - 13 1 5 0 k n 模锻液压机的主机结构 上横梁、活动横梁、工作台均由高级铸铁制成。上横梁和工作台依靠四个立 柱作为主架。五支工作缸，有四支呈正方形分布，一支在中间，它们驱动活动横 梁从四立柱做上下运动，每个工作缸运动时驱动活动横梁下行压制，每支缸的压 8 硕i j 学位论文第_ 二帝模锻液胀机液压系统的分析研究 制公称力为6 3 0 k n ，总和则为3 1 5 0 k n 。活动横梁下行运动分为快速下行( 上限 位与慢降位之间) 、慢速下行( 慢降位与工进位之问) 和慢速压制( 工进位与下 限位之间，压制工作台上的锻件) 。当活动横梁未在原点位置时( 上限位) ，两个 回程缸可推动活动横梁复位到原点位置。压力机顶部的油箱为液压回路供油，底 部的基座起到支撑、稳固整个压力机的作用。 压机在慢速压制过程中，肯定存在偏离中一t l , 受力的现象，使得5 支工作缸位 置或速度不同步，这样就会造成活动横梁压制工作时下行不平衡，以致损坏工装 和产生不合格产品。并且在压制工作时，靠压力机自身的液压驱动回路来克服此 现象是很难实现的，特别是在重型液压机的液压回路上更难实现。为此该3 1 5 0 k n 模锻液压机四对角安装了四条同步油缸。以求实现压制过程中偏载时对活动横梁 运动实现纠偏。 3 1 5 0 k n 模锻液压机的主要技术参数如表2 1 所示。 表2 - 13 1 5 0 k n 模锻液压机技术参数 参数单位 数值 公称j r 力 k n 3 1 5 0 液体i ：作压力 m p a 2 5 滑块行程 m m8 0 0 最人开口高度 m m1 2 5 0 l ：作台尺寸m m1 2 0 0 1 2 0 0 空手￥卜行m m s1 2 0 滑块速度j ：作 m m s 1 4 2 6 同样m m s1 0 0 机床外形 m m 2 4 0 0 1 2 0 0 3 9 0 0 总重晕 t 1 8 数量条 5 一f ：作缸 公称压力 k n6 3 0 数鼙 条 4 同步缸 压力等级 , 、l p a3 1 5 2 1 2 模锻液压机系统组成结构 3 1 5 0 k n 模锻液压机主要由液压主机，驱动液压站、同步液压站、p l c 控制 系统、检测系统、工控机和操作台组成，如图2 2 所示。 液压机机身是压机的工作主机，是锻件铸造的执行机构。p l c 控制系统是整 个液压机系统的控制核心。控制系统工作时由操作手柄、按钮发出控制信号或者 分析检测系统发来的检测信号，通过p l c 控制驱动液压站或同步液压站的电磁 阀和比例阀驱动执行油缸，以实现控制操作。工控机在此监控整个液压机系统的 9 硕i j 学位论文第_ 二章模锻液压机液压系统的分析研究 运行，设定p l c 控制系统的控制参数，并显示、保存各种数据。 通 模作台 一”“l 触 操 工 摸 作 信 信 号 控 屏灯 机 可 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 z 一 u 缆l 、 p r o f i b u s 士 p l c 控制系统 竺竺t 竺竺兰一 控制信号 _ - i _ - h检测系统卜_ 驱动液爪站同步液爪站 3 1 5 0 k n 模锻 液慷管路 液爪机上机 液爪管路 图2 - 2 液压机系统的组成框图 2 2 模锻液压机液压系统原理 2 2 1 液压传动原理 总线 传动就是传递动力，也就是传递能量。采用机械元件( 机构) 传递动力的称 为机械传动，通过电器元件传递动能的称为电气传动，而用液体做介质利用其压 力能传递动力的就称为液压传动。液压传动在生产生活中随处可见，从民用到国 防，从一般传动到精度很高的控制系统都得到了广泛应用【3 。 图2 3 是一个基本的液压传动系统。图中液压泵是液压系统的动力元件，它 将机械能转换成液压能。而液压缸则是系统的一种执行元件，它可将液压能转换 成机械能，做直线往返运动。在液压系统中，液压控制阀也是重要组成部分，用 于控制油液的方向、压力和流量，从而控制执行机构按负载需要进行工作及实现 一定的性能要求。图中溢流阀和电磁换向阀都是液压控制阀。溢流阀在此作为安 全阀限制液压泵输出的油液压力过高。电磁换向阀是用来控制系统中油路的接通 切断或流向。图中的换向阀是一类三位四通换向阀。当电磁换向阀未得电时，液 压泵输出的油液直接流回了油箱；当其左位得电时油液流入液压缸左腔，液压缸 活塞杆向右移动，右腔回油；同理，当其右位得电时油液流入液压缸右腔，液压 缸活塞杆向左移动，左腔回油。如此，液压能便转换成了机械能。 l o 硕l ：学位论文 第二章模锻液压机液胜系统的分析研究 换向阀 溢流阀 图2 - 3 基本的液压传动系统 液压传动的特点如下【3 2 】： ( 1 ) 易于实现直线往复运动，并能输出较大的力； ( 2 ) 功率与质量之比大： ( 3 ) 液压执行元件的响应速度快； ( 4 ) 采用液压油作为工作介质，元件能自行润滑，延长了使用寿命； ( 5 ) 液压传动装置易于实现过载保护，并且能在很大范围内实现无级调速； ( 6 ) 液压传动装置的速度刚度较大，加上负载后的速度变化小。 2 2 2 液压系统组成 3 1 5 0 k n 模锻液压机液压系统可分为液压驱动系统和液压同步系统两部分， 如图2 4 所示。 液压驱动系统实现压机活动横梁主动作控制和节流型同步控制( 其控制原理 参见2 4 1 节) 。活动横梁的主动作可分为快降、慢降、工进、保压、卸荷和回程。 由于液压系统的非线性，时变性，多缸运动交叉耦合影响，以及加工零件的非对 称性导致的锻造偏心距，产生巨大的偏载作用在活动横梁上，活动横梁及框架不 可能具有绝对刚度，发生弹性形变，力流传递发生畸变等影响，很可能使五条工 作缸驱动活动横梁运行时不平衡，从而使活动横梁在加工过程中发生倾斜，影响 工件的加工精度。可以通过控制液压驱动系统中五条工作缸进油口处的比例流量 阀的开度实现五条工作缸的同步，达到活动横梁水平同步的目的。 但在活动横梁在加工过程中，靠液压机自身的驱动液压回路来克服不同步的 现象是比较难实现的，特别是在大公称压力的重型液压机的液压回路上更难实 现。为此，在压力机四对角安装四条同步油缸1 4 ，每个对角上的两同步缸为一 硕 ：学位论文 第二章模锻液k 机液k 系统的分析研究 组，分两组匹配对应的液压同步系统，实现压制过程中偏载时对活动横梁运动实 现同步纠偏控制。 厂 i i 液压同步系统 i _ j 步 液压 站l i - j 步 液胜 站2 液压驱动系统 ：涨机主机： lfl ： 幂篙i 旧慧2lp l cl 驱动控制器谁0 器i 伟0 器l 。4 1 ”o 。 图2 - 43 15 0 k n 模锻液压系统框图 当然，液压机的液压系统是整个液压机系统的传动装置，而系统的各项逻辑 处理和控制算法都是由p l c 实现的。 2 3 模锻液压机液压驱动系统 2 3 1 活动横梁的工作过程 位移 ：限位 慢降位 i ：进位 卜限位 时m 图2 - 5 液压机活动横梁工况图 液压机在一个工作循环中活动横梁的工作过程，如图2 5 所示。 活动横梁一个完整的工作循环中的动作顺序为： ( 1 ) 活动横梁快速下行； 1 2 硕i ：学位论义第二章模锻液- k ) 0 l 液压系统的分析研究 ( 2 ) 活动横梁慢速下行； ( 3 ) 活动横梁下平面接近锻件后按工艺进，缓慢压制锻件； ( 4 ) 锻件压制到一定厚度后活动横梁保持该状态一段时间； ( 5 ) 卸荷，使工作缸和回程缸内液压降下； ( 6 ) 活动横梁回位停止。 2 3 2 液压驱动系统油路分析 液压驱动系统整体的液压油路见图2 - 6 。 卜液压泵；2 一单向阀：3 一溢流阀；4 一三位四通换向阀； 5 一比例流量阀；6 一工作缸；7 - ；g - 动横梁；8 一回程缸；9 一逻辑阀； 10 - - - 位z 通换向阀：1 卜二位二通换向阀；1 2 一液控单向阀 图2 - 63 15 0 k n 模锻液压机液压驱动油路 前文已经讲过，液压机活动横梁的主动作可分为快降、慢降、工进、保压、 卸荷和回程。这五个顺序动作都是通过液压驱动系统油路中电磁铁1 y a - 1 4 y a 的 通断电实现的。表2 2 给出了各电磁铁状态所对应的压机动作情况。表2 2 中“+ 表示该电磁铁通电，“表示对应电磁铁断电。 活动横梁最初停留在原点位置。当电磁铁2 y a 、4 y a 、6 y a 、8 y a 和1 0 y a 通电时，五个三位四通换向阀的右位工作，液压泵输出的油液流向对应的工作缸。 出图2 4 可以看出，活动横梁的上下运动是通过五个工作缸和两个回程缸配合实 1 3 硕i ：学位论文第二章模锻液压机液压系统的分析研究 现的。当工作缸腔内进油时，通过控制回程缸的出油状态，来实现各种下行动作。 如在快降工况下，工作缸腔内进油的同时使电磁铁1 3 y a 和1 4 y a 通电，对应换 向阀处在工作位，在工作缸的驱动及活动横梁重力作用下，回程缸内油液直接流 入油箱，活动横梁快速下行。同理，在慢降工况下电磁铁1 2 y a 和1 4 y a 通电， 回程缸内油液需具有一定的压力( 约o 8 m p a ) 才可流入油箱，此时活动横梁下 行放缓。当活动横梁接近锻件时，压机须按工艺进( 工进) ，此时只使电磁铁1 4 y a 通电，回程缸内油液需具有较大压力( 约2 5 m p a ) 才可流入油箱，活动横梁下 行缓慢。由于工作缸有油液继续流入，接触到锻件后工作缸驱动的向下压力加大， 活动横梁缓慢压制锻件。当锻件压制到接近要求规格时，进入保压工况，保持下 压一段时问，此时电磁铁1 4 y a 也断电，封闭回程缸油液，活动横梁保持在当前 位置。为防止缸内液压过高损坏回程缸，在其出口设一安全阀。 表2 2 液压机动作顺序表 控制状态 步序 1 y a2 y a3 y a4 y a 5 y a6 y a7 y a 8 y a9 y a 1 0 y a 1 1 y a1 2 y a1 3 y a1 4 y a 原点 快降 + + + + + 慢降 + + l ：进 + + 保压 + 卸荷 + + 同程 + 原点 锻件压制完成后，电磁铁2 y a 、4 y a 、6 y a 、8 y a 和1 0 y a 断电，活动横梁 需重新回复到原点位置，完成一个工作循环。锻件压制完成后不能直接启动回程， 因为此时工作缸和回程缸腔内液压都很大，要先使其压力降下( 卸荷) 才能启动 回程操作。此时，电磁铁1 y a 和3 y a 通电，l y a 对应的换向阀处在工作位，3 y a 对应的换向阀左位工作。五个比例流量阀所在的油路截流，五个液控单向阀所在 油路导通，五工作缸内部油液在压差作用下流入压机顶端的油箱。同时，活动横 梁在回程缸液压作用下有少许上移。很快卸荷动作完成，工作缸和回程缸腔内液 压都己降下，然后只让电磁铁3 y a 、5 y a 、7 y a 、9 y a 和1 1 y a 通电。五个三位 四通换向阀左位工作，五液压泵输出的油液同时流入两回程缸，活动横梁快速上 移，工作缸出油至液压机顶端油箱。回程动作在活动横梁上平面到达原点位时完 成。由此，3 1 5 0 k n 模锻液压机实现了一个完整的工作循环。 1 4 硕i ：学位论文 第二章模锻液爪机液烁系统的分析研究 2 3 3 液压驱动系统的同步功能实现 上文已经提到过该压机的液压驱动系统对活动横梁还具有纠偏功能。由于五 支工作缸都是由各自的油路、电路和流量阀联结，而这些设备的参数差异，可能 会使得五支主缸的实际移动速度或位置不一致( 不同步) ，这将导致活动横梁不 是按理想的水平姿态上、下移动而发生偏移，如发生这种偏移就可能造成设备损 坏或者是产品报废。 图2 7 是液压机按对角线侧看的剖面简图，四个光栅尺分别安装在横梁的对 角线上，定尺用力向接手固定在上横梁上，动尺用支架固定在活动横梁上。把工 作缸编号为1 到5 ，则对应对角上动尺距定尺为x l 到x 4 ( 见图2 8 ) ，设上横梁 的几何中点与活动横梁的几何中点距离为x 5 。那么x 5 的大小其实就是x 1 、x 2 、 x 3 和x 4 的平均值。 上作缸、 上横梁一、 图2 7 工作缸分布剖面图 压机有5 支工作缸，由上往下看其分布如图2 8 所示。工作缸5 处在活动横 梁的几何中点，无论工作缸5 对应的设备参数或其内油液压力流速是否与其它工 作缸有差异，对活动横梁水平度的影响都不大。