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带多点调压液压垫单动拉深压边机控制系统的研究 摘 要 本文构建了一种带多点调压液压垫单动拉伸压边机的计算机控 制系统在控制系统的方式上采用 plc 和工控机联合协调控制 其中压边力和主缸冲压速度等模拟量的控制由工控机完成plc 则 控制按钮开关选择开关等输入输出开关量和电磁阀的动作在控 制器的设计上设计模糊 pid 控制器进行压边机压边压力的闭环控 制在计算机控制系统的硬件设计上输入输出均采用光电隔离 提高了抗干扰能力在软件设计上把程序分为上下两部分上位 程序实现人机交互的功能,下位程序采用了 vxd 技术和定时中断技 术实现了系统要求的功能在控制系统的执行系统液压系统 的构建上根据设定的性能指标主要是采用电液比例控制技术 进行系统的设计和分析 本文在计算机控制系统和执行系统的构建中分析综合采 用了多种比较先进的技术提供了一种可以对压边机进行实时快 速稳定的控制的新方法相信对于国内外压边机控制领域的研究 和技术的发展将会起到促进作用 关键词 压边机 控制系统 控制器 电液比例控制技术 research of computer control system of single action drawing press with multi- point-control hydraulic blankholder abstract the paper design a kind of computer control system of single action drawing press with multi-point-control hydraulic blankholder.the control way of the system is a combination of plc and industrial pc.blankedrholder force and main gang pressing speed are controlled by industrial pc,and button switchs,choice switchs and actions of electromagnetism values are controlled by plc.the controller is designed as a fuzzy pid controller to control blankholder force of every blankerholder gang.the hardware design of the computer control system adopt photoelectricity insulation to input and output,which increase the capability of undisturb to great extent;the design of control system software devide the whole system to two parts:the above part take the intercommunication between man and machine ,the below part adopt vxd technology and timing intermit technology to meet the require of the design.in the design of hydrulic system,adopting electro-hydraulic proportional control technology to meet the requirement of design ,and make the system analysis. the paper analyse,integrate and adopt a lot of very advanced technology during designing the blankholder manchine computer system, and offer a kind of new method to control the machine quickly ,stably and in real time. it may be helpful to promote the research in the field of blankerholder machine control system . key words: blankholder machine, control system, cotroller, electro-hydraulic proportional control technology 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明弓lj t 的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 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 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：知寥 日期：2 u v 弓年月；9 日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校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，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位 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。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密囱。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：杠嘉 日期：9 ；年月2 - 口e t 矿投 镑，日 ， 口 抄 w 厨 伺 名 手 雠 姆 教 ： 氍 期 上海交通大学硕士学位论文 第一章绪论 - 1 - 第一章 绪论 1 . 1 压边机简介 本论文介绍的压边机指的是一种带多点调压液压垫的单动拉伸冲压设备 它的含义包括以下两个方面 (1) 它是单动压力机只有一个冲压滑块压边滑块由设在工作台内强力 液压拉深垫代替 (2) 液压垫采用工控机控制可以实施多点调压又可以随行程调压 以上两点中第一点是目前绝大多数新研制的压力机都采用的方式而第 二点则是一个比较新兴的发展方向国内外的压边机研制单位都在致力于在提 高对液压垫的控制上 根据冲压设备的分类这种压边机属于开式压力机的一种顾名思义这 种压边机主要用来加工生产汽车车身覆盖件等薄型需要拉深成形的冲压件 产品 1 . 1 . 1 压边机结构 作为一种典型的机电液设备本文介绍的这种压边机的组成一般包括机械 部分电控部分和液压部分 其外形大体如下图所示 图 1-1 一种压边机的外形图 fig1-1 the profile of a kind of blankholder machine 内部结构如下图所示 上海交通大学硕士学位论文 第一章绪论 - 2 - 图 1-2 压边机内部结构图 fig1-2 the internal frame of blankholder machine 1机械部分 压机分上下两部分上半部分由工作台滑块上梁及四根立柱组成一 个坚固的机架上梁安装有主油缸,滑块上模等部件由油缸带动在立柱的导 向下做上下运动压机下半部分(即工作台下面)是带多缸的液压垫它由 10 个小油缸组成在压边板四周布置能产生一个压边力分布每个小油缸上面 是它的顶杆此顶杆穿过工作台后再与模具压边板相连上述 10 个小油缸及位 于中心的顶出缸安装在压机工作台下面的托架上 2电控部分 (1) 机床设置一台固定的电气控制按钮站设置调整手动和半自动操作 方式电气控制采用 plc 程控器可以和工控机联合控制 (2) 液压垫控制采用工业控制计算机直接操作液压垫的动作 (3) 压边缸采用电液比例阀和压力传感器构成控制系统每个压边缸可以 随行程调压又可以实施多点调压调压根据冲压工艺设定的曲线采用微机闭 环比例控制 (4) 顶出缸采用电液比例压力阀和压力传感器构成控制系统在作为压垫 时能按行程调节压力 (5) 主缸配有压力传感器位移传感器和工作行程时进行调速的比例流量 阀主缸运动的工作速度以位置曲线或数表的形式给出 上海交通大学硕士学位论文 第一章绪论 - 3 - (6) 主缸压边缸提升缸的力位移参数均可在工控机显示屏上显示 保存打印以备用户调用和进一步处理 3液压部分 (1) 主缸压边缸顶出缸的液压系统采用同一油源系统设有过滤器 安全阀支承阀等 (2) 主缸配有压力传感器位移传感器和比例流量阀控制 (3) 压边缸顶出缸配有比例阀和压力传感器控制 (4) 系统在安全性上有可靠的保护措施设有安全阀以限制最高压力 设有支撑阀以防止下落滑块上限位置设有锁紧装置 1 . 1 . 2 压边机的技术参数 这种液压机的主要技术参数如下 (1) 公称压力: 1200kn (2) 液压垫压力: 600 kn (3) 打料力: 50kn (4) 液体最大工作压力: 25mpa (5) 滑块下平面距工作台最大距离 660mm (6) 滑块最大行程: 410mm (7) 液压垫最大行程: 180mm (8) 打料缸最大行程: 180mm (9) 提升缸最大行程: 180mm (10) 滑块速度 空下: 80mm/s 工作: 230mm/s 回程: 120mm/s (11) 液压垫回程速度: 10mm/s (12) 工作台有效尺寸: 左右: 1000mm 前后: 800mm 上海交通大学硕士学位论文 第一章绪论 - 4 - 1 . 1 . 3 压边的意义 冲压是靠压力机和模具对板材带材管材和型材等施加外力使之产生 塑性变形或分离从而获得所需形状和尺寸的工件(冲压件)的成形加工方法 全世界的钢材中有 6070%是板材其中大部分是经过冲压制成成品汽 车的车身底盘油箱散热器片锅炉的汽包容器的壳体电机电器的 铁芯硅钢片等都是冲压加工的仪器仪表家用电器自行车办公机械生 活器皿等产品中也有大量冲压件 冲压主要是按工艺分类可分为分离工序和成形工序两大类成形工序的 目标是使板料在不破坯的条件下发生塑性变形制成所需形状和尺寸的工件 本论文研究的这种压边机主要用于薄型板材的拉深成形对于拉深成形冲 压产品影响质量较大的因素主要包括以下几个方面 (1) 冲压用板料的表面和内在性能要求冲压材料厚度精确均匀表面 光洁无斑无疤无擦伤无表面裂纹等屈服强度均匀无明显方向性 均匀延伸率高屈强比低加工硬化性低 (2) 模具的精度和结构直接影响冲压件的成形和精度模具制造成本和寿 命则是影响冲压件成本和质量的重要因素模具设计和制造需要较多的时间 这就延长了新冲压件的生产准备时间 (3) 冲压设备本身的设计,制造水平和工作原理冲压设备本身的结构设计 的原理冲压设备制造的精度对冲压件的质量具有决定性的影响 由以上分析可知在前两个方面条件相同的情况下设备本身的结构设计 采用的控制原理和制造水平在很大程度上决定了加工件的质量 所以对于拉深成形压力机而言如何在设备的结构设计控制原理和制 造水平上有所突破努力提高压边的质量具有重大的意义 本论文研究的这种压边机在结构上采用液压垫代替外滑块来进行压边的 功能在控制上进行一些研究和设计对如何提高对液压垫的控制进行了一些 有意的探索旨在提高压边的质量从而提高加工件的质量 1 . 2 压边机的发展 1 . 2 . 1 压边机的结构 随着该领域的新技术新工艺发展压边机设备大体上经历了以下几个发 展阶段 上海交通大学硕士学位论文 第一章绪论 - 5 - 1. 双动压力机阶段 该阶段的压力机采用内外两个滑块双动配合来完成一次冲压过程内滑 块主要进行拉深动作过程外滑块主要的功能是进行压边动作这种压力机结 构比较复杂设备投资较高在实际生产中已逐渐被淘汰 2. 单动压力机阶段 该阶段的压力机床是在前一个阶段设备的基础上进行了突破性的改进以 设在工作台内的拉深垫代替压边滑块外滑块从而以单动压力机代替了双动 压力机大大简化了压力机的结构降低了设备投资提高了劳动生产率并 且协助提高了拉深件的质量这对汽车覆盖件及其他拉深件的生产具有重大的 意义在此阶段科研人员持续对压边垫进行了深入的研究根据控制系统驱 动原理的不同形成了几种不同的压边垫主要包括 (1) 气动压边垫 纯气式气垫曾在机械压力机上广为应用但由于自身结构的限制它有着 许多不可避免的缺陷如当滑块撞击气垫时由于气垫始终被高压气体向上顶 起而不能对滑块的快速下行产生缓冲动作从而引起强烈的振动这样就使 被拉伸工件周边所受压边力不规则变化在这种条件下工件的拉伸质量就会 受到影响容易出现褶皱等现象所以造成纯气式气垫在下行初始的一段行程 内是不能进行拉伸工件的只有经过一段行程后冲击减弱时方可进行工件 的拉伸这样就使气垫的有效拉伸行程减小再有纯气式气垫的压边力不可调 根据拉伸工艺的需要压边力应随着气垫拉伸行程的逐渐增加而相应减小这 样工件在拉伸时就不易被拉断而纯气式气垫的压边力随气缸内气压的上升而 上升力的变化与拉抻工艺需要正好相反从而使得工件在深拉伸时容易出 现被拉断的情况 (2) 液压压边垫 上世纪 80 年代末以来l.schuler 公司首先开发初多工位压力机使用的液 压拉伸装置当时的液缸数只有 4 个用作拉伸工位的压边其压边力可以达 到气垫或气液垫无法企及的压力值满足了 250mm 以内拉延深度压边工艺的要 求省去了拉延工位的双动压力机 该液压拉伸装置的基本特点是 1) 压边力平稳滑块接触工件的瞬间不会立即满载压力而是当拉伸垫 柱塞开始运动时通过油液控制才充分发挥压边力避免了与速度有关的振动 2) 在拉伸过程中四角压边力可在其 25100范围内分别调控能适 应不同形状工件的拉伸需求 3) 拉伸终了回程时间可控制即可以随滑块回程立即生起或延时后再 上海交通大学硕士学位论文 第一章绪论 - 6 - 上升接近终点时先缓冲后停止上死点停止柔和无振动 把液压垫技术和微机控制技术结合起来能够实现优化的控制调节因而 它不仅优于采用气垫的单动拉伸而且其工件质量可以和双动压力机相媲美 1 . 2 . 2 压边机的控制系统 压力机装置发展的同时压力机控制系统也在不停的向前发展目前主要 有以下两种主要的控制形式 1. plc 组成的控制系统 可编程控制器programmable controller是计算机家族中的一员是为工 业控制应用而设计制造的早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器 programmable logic controller简称 plc它主要用来代替继电器实现逻辑 控制随着技术的发展这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围因 此今天这种装置称作可编程控制器简称 pc但是为了避免与个人计算机 personal computer的简称混淆所以将可编程控制器简称 plc 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应用而设 计的它采用一类可编程的存储器用于其内部存储程序执行逻辑运算,顺序 控制定时计数与算术操作等面向用户的指令并通过数字或模拟式输入/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部设备都按易 于与工业控制系统联成一个整体易于扩充其功能的原则设计” plc 控制系统主要具有以下几个特点 1) 高可靠性 2) 丰富的 i/o 接口模块 3) 采用模块化结构 4) 编程简单易学 5) 安装简单维修方便 可编程控制器是一台计算机它是专为工业环境应用而设计制造的计算 机它具有丰富的输入/输出接口并且具有较强的驱动能力但可编程控制器 产品并不针对某一具体工业应用在实际应用时其硬件需根据实际需要进行 选用配置其软件需根据控制要求进行设计编制 2. 工控机与 plc 联合控制系统 上海交通大学硕士学位论文 第一章绪论 - 7 - 目前国内同类型的压边机控制系统基本上还是采用单纯由 plc 构成的控 制系统单纯由 pl c 构成的控制系统虽然灵活简单易于操作但是无法完 成对压边机的工作状态进行实时检测更谈不上实时控制压边力因而造成了 产品无法满足用户日益增长的对质量的要求另外这种控制系统还存在着不 能在线检测调整主缸压制速度和各个压边缸的压力人机界面不够友好等问 题 而采用工控机与 plc 联合控制后则可以解决以上提出的采用单纯由 plc 构成的控制系统的所有的不足这种新型的控制系统具有以下一些突出的优点 (1) 在压制的过程中工控机可以实时检测和调整主缸速度每个压边缸的 压力这极大地提高了压边机的压制质量 (2) 良好的图形界面给操作参数调整图型显示和打印带来了极大的方 便 (3) 生产效率大大提高 1 . 3 压边机控制系统的实现技术电液比例控制技术简介 20世纪 60年代末期 ,随着微电子集成技术和计算机技术的迅速发展 ,诞生 了一种新型的电液控制技术电液比例控制技术它能较好地解决传统的 电液开关控制系统精度低电液伺服控制系统价格昂贵维护费用高等不足 , 因此而得到迅速发展 ,并在 2 0世纪 80年代逐步走向成熟目前 ,电液比例控 制技术已在机床工业冶金工业工程机械等领域得到了广泛应用 1 . 3 . 1 电液比例控制系统的构成 电液比例控制系统可分为开环控制和闭环控制开环电液比例控制系统目 前应用较为广泛控制器 (微型计算机可编程序控制器 )给出控制信号 (通常 是电压信号 ,也可为电流信号 ),经比例放大器 (或称电放大器 )处理放大为输出 电流信号,将输入到电液比例阀的比例电磁铁 ,电磁铁再将按比例转换成 电磁力, 通过弹性元件作用在液压阀的阀芯上 ,使之位移 ,从而控制液 流的流量压力和方向 ,通过执行元件 (液压缸液压马达 )使负载获得与输入 信号成比例的力(扭矩)速度(角度 )或位移开环控制的精度较低并 且没有跟踪功能. 上海交通大学硕士学位论文 第一章绪论 - 8 - 如果系统要求较高的精度且具有跟踪纠正功能 ,那么 ,就要对开环系统的输 出量进行监测并反馈到控制器 ,使之与指令信号进行比较 (相减 )得到差值 =1 -去控制电液比例阀 1 . 3 . 2 电液比例控制阀的类型 电液比例控制阀 ,简称电液比例阀或比例阀 ,是一种介于普通液压阀和电液 伺服阀之间的液压阀 ,是机电一体化的基础元件它可接受电信号的指令 ,连续 地控制液压系统的压力流量和方向等参数 ,使之与输入电信号成比例地变化 它即可以用于开环系统中实现对系统参数的遥控 ,也可以作为信号转换与放大 元件用于闭环系统中与传统的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精度比例阀按其组成和发展过程分为两类 :一类是 由电液伺服阀简化结构降低精度发展起来的 ;另一类是以比例电磁铁取代普 通液压阀的手调装置或普通电磁铁发展起来的后者是当今比例阀的主流 ,与 普通液压阀可以互换根据用途和工作特点的不同 ,比例阀可分为比例压力阀 (如比例溢流阀比例减压阀 )比例流量阀 (如比例调速阀 )比例方向阀 (如 比例换向阀 )和比例复合阀 4大类其中前两类为单参数控制 ,只控制压力或流 量 ;后两类为多参数控制 ,不仅能控制液流方向 ,而且能控制流量或压力与流 量此外 ,按控制方式的不同 ,比例阀可分为电磁式 (或直动式 )比例阀电动 式比例阀电液式 (或先导式 )比例阀等下文的系统实例分析将介绍电磁比例 换向阀和电液比例换向阀 (其先导阀为比例减压阀 )的工作原理 1 . 3 . 3 比例电磁铁与比例放大器的类型 比例电磁铁是由比例放大器输出的电流信号来控制的 ,其外形与普通电磁 铁相似 ,但功能却不同 ,比例电磁铁的吸引力与通过其线圈的直流电流强度成正 比比例电磁铁按工作形式可分为力控制型和行程控制型力控制型比例电磁 铁不带内置位移传感器 ,由于常用于开环系统 ,它使用的是不带实际值反馈的比 例放大器行程控制型比例电磁铁带有内置位移传感器 (或称差动变压器 ),构 成小闭环回路工作时 ,位移传感器准确地测定比例电磁铁的行程 ,并向比例放 上海交通大学硕士学位论文 第一章绪论 - 8 - 如果系统要求较高的精度且具有跟踪纠正功能 ,那么 ,就要对开环系统的输 出量进行监测并反馈到控制器 ,使之与指令信号进行比较 (相减 )得到差值 =1 -去控制电液比例阀 1 . 3 . 2 电液比例控制阀的类型 电液比例控制阀 ,简称电液比例阀或比例阀 ,是一种介于普通液压阀和电液 伺服阀之间的液压阀 ,是机电一体化的基础元件它可接受电信号的指令 ,连续 地控制液压系统的压力流量和方向等参数 ,使之与输入电信号成比例地变化 它即可以用于开环系统中实现对系统参数的遥控 ,也可以作为信号转换与放大 元件用于闭环系统中与传统的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精度比例阀按其组成和发展过程分为两类 :一类是 由电液伺服阀简化结构降低精度发展起来的 ;另一类是以比例电磁铁取代普 通液压阀的手调装置或普通电磁铁发展起来的后者是当今比例阀的主流 ,与 普通液压阀可以互换根据用途和工作特点的不同 ,比例阀可分为比例压力阀 (如比例溢流阀比例减压阀 )比例流量阀 (如比例调速阀 )比例方向阀 (如 比例换向阀 )和比例复合阀 4大类其中前两类为单参数控制 ,只控制压力或流 量 ;后两类为多参数控制 ,不仅能控制液流方向 ,而且能控制流量或压力与流 量此外 ,按控制方式的不同 ,比例阀可分为电磁式 (或直动式 )比例阀电动 式比例阀电液式 (或先导式 )比例阀等下文的系统实例分析将介绍电磁比例 换向阀和电液比例换向阀 (其先导阀为比例减压阀 )的工作原理 1 . 3 . 3 比例电磁铁与比例放大器的类型 比例电磁铁是由比例放大器输出的电流信号来控制的 ,其外形与普通电磁 铁相似 ,但功能却不同 ,比例电磁铁的吸引力与通过其线圈的直流电流强度成正 比比例电磁铁按工作形式可分为力控制型和行程控制型力控制型比例电磁 铁不带内置位移传感器 ,由于常用于开环系统 ,它使用的是不带实际值反馈的比 例放大器行程控制型比例电磁铁带有内置位移传感器 (或称差动变压器 ),构 成小闭环回路工作时 ,位移传感器准确地测定比例电磁铁的行程 ,并向比例放 上海交通大学硕士学位论文 第一章绪论 - 9 - 大器发出电反馈信号比例放大器将输入信号 (给定值 )与反馈信号 (实际值 ) 加以比较 ,再向电磁铁发出纠正信号以补偿误差这样便能消除液动力等干扰 因素 ,保证准确的阀芯位置或节流口面积 比例放大器对输入信号进行处理和放大后按比例地输出电流信号比例放 大器多制成插装式装置与比例阀配套供应 ,其形式有模块式与电子卡式两种 根据比例电磁铁有无内置位移传感器 ,比例放大器可分为带电动位移反馈和不 带电动位移反馈两种类型比例放大器还可与比例阀集成在一起 ,以提高响应 速度 ,如公司1 50 0 -0 3型压机上使用的电液比例换向阀 1 8(力士乐公司产品 ) 1 . 3 . 4 电液比例控制技术的特点 (1) 可明显地简化液压系统 ,实现复杂程序控制 ,降低费用 ,提高了可靠性 , 可在电控制器中预设斜坡函数 ,实现精确而无冲击的加速或减速 ,不但改善了控 制过程品质 ,还可缩短工作循环时间 (2) 利用电信号便于实现远距离控制或遥控将阀布置在最合适的位置 ,提 高主机的设计柔性 (3) 利用反馈提高控制精度或实现特定的控制目标 (4) 能按比例控制液流的流量压力 ,从而对执行器件实现方向速度和力 的连续控制 ,并易实现无级调速 1 . 4 本课题提出背景和意义 本论文所研究的压边机控制系统主要是应用于汽车车身覆盖件及相关零 部件的拉深加工设备在该领域内作为一种传统的冲压设备压力机已经有 了很多年的使用历史自从上世纪 80 年代以来随着汽车工业的飞速发展对 于冲压件的要求也越来越高过去的冲压件以不皱不裂为目标现在的尤其是 对车身覆盖件的要求除了刚度和强度周期和成本外冲压件的尺寸公差型 面光顺都有严格的技术检验条件必须有精确的模具和精确的压力控制系统予 上海交通大学硕士学位论文 第一章绪论 - 10 - 以保证 近十多年以来国际冲压机床研究和应用领域致力于提高压边机的压边的 质量的研究其中一个很重要的方面就是提高压边垫的灵活程度采用计算机 控制后 ,良好的图形界面给操作和维修带来了极大的方便 ,同时生产效率也大大 提高 目前国内的压力机控制系统大部分还处在使用由 plc 组成的控制系统阶 段由 pl c 构成的控制系统在对设备实行实时检测和实时控制上不如工控机 方便同时还存在成品率低维修不方便能源浪费等问题 工作台内带液压垫单动拉深液压机的开发是现代汽车工业冲压工艺和设备 的重大发展在这方面一场国际性的激烈竞争正在展开我国目前在这段方 面的开发还是空白仅停留在期刊文献资料报道和介绍阶段 本论文对这种压边机控制系统的研究和开发在国内具有一定的先进性同 时随着国内汽车工业的飞速发展以车身覆盖件为代表的汽车冲压件的市场 将会前景广阔本课题的研究也就具有了很强的使用价值 1 . 5 本论文所要完成的工作 本论文来源于上海交通大学机械学院和湖州机床厂联合开发的带多点调 压液压垫单动压边机项目该压边机项目的开发从系统的角度看主要包括 机械部分和计算机控制部分的开发计算机控制系统主要包括执行系统和数据 采集处理系统本论文的重点在于对压边机控制系统的应用研究 本论文主要完成以下工作 (1) 根据实际情况对控制系统整体方案进行分析由此得出压边机控制系 统的整体方案确定整个压边机的控制结构 (2) 对控制系统的执行系统主要是电液比例系统进行设计和分析根据 设定的性能指标设计电液比例控制系统并对系统性能进行试验分析 (3) 该控制系统各项功能的实现讨论了系统的硬件结构和软件功能 ,介 上海交通大学硕士学位论文 第一章绪论 - 11 - 绍了构成控制系统的硬件对系统的软件设计做了介绍和说明 上海交通大学硕士论文第二章 压边机计算机控制系统 12- 第二章 压边机计算机控制系统分析 2 . 1 计算机控制系统组成 一般含有计算机并由计算机完成部分或全部控制功能地控制系统就可称 作计算机控制系统严格讲计算机控制系统是建立在计算机控制理论基础上 地一种以计算机为手段地控制系统计算机控制系统一般组成可由图 2-1 所示 的框图来说明 被控参数 图 2 - 1 计算机控制系统组成图 f i g 2 - 1 c o n s i s t c h a r t o f c o m p u t e r c o n t r o l s y s t e m 2 . 2 压边机计算机控制系统分析 2 . 2 . 1 压边机计算机控制系统需要检测的参数 压边机计算机控制系统需要检测的主要参数包括 (1) 主缸压力值位移值 (2) 提升缸压力值位移值 (3) 每个压边缸的压力值等 2 . 2 . 2 压边机计算机控制系统需要控制的动作 (1) 主缸系统的动作包括主缸快速下行主缸压制主缸快速回程 等 (2) 各压边缸系统的动作包括各压边缸上行下行等 (3) 提升缸系统的动作包括提升上行下行等 2 . 2 . 3 压边机控制系统要求 本课题所研制的是一种带强力液压垫的单动拉伸压边机的控制系统根据 计算机d/a执行机构被控对象 a/d反馈装置 上海交通大学硕士论文第二章 压边机计算机控制系统 13- 技术协议的规定并参考国外比较先进的压边机控制技术的发展该控制系统 具有以下一些要求 1. 主缸控制系统的要求 (1) 主缸控制系统主要控制主缸滑块的工作速度要求在工作行程时滑块 的速度能随行程调节调节的范围 230mm/秒达到的控制精度稳态或低 频时小于3幅值 (2) 主缸的压力可以在 5mp25mp 间调节 2. 压边缸系统的要求 压边缸控制系统要求每个压边缸可以随行程调压范围在 5mp25mp 间 又可以实施多点调压控制力的稳态精度不大于2幅值 3. 提升缸系统的要求 提升缸系统要求在作为压垫时能按行程调节压力范围在 5mp25mp 间 控制力的稳态精度不大于2幅值 4. 液压垫的控制要求 (1) 要求在拉伸过程中液压垫能发挥足够大的压边力并且能够很快地趋 于稳定从而有利于提高拉伸工艺和生产率 (2) 在拉伸的过程中压边力借助计算机可以平稳地控制调节实现拉伸过 程的优化特性 (3) 液压垫回程在比例阀作用下可以无振动地停止于上限位置 (4) 在计算机的控制下液压垫可以实现自动控制 5. 控制系统的整体要求 (1) 系统要具有半自动手动和调整三种工作方式 (2) 系统的安全性要可靠不仅要在硬件设计上有一些必要的预防装置 例如设置主缸安全阀以限制最高压力设有支撑阀以防止主缸滑块下落滑 块上限位置设有锁紧装置等在软件的设计上要适时检测主缸的压力随冲头 行程变化的情况如发现主缸压力有突然降低和升高超过一定的比例应终止 冲压过程等 (3) 操作界面上要求可以显示修改打印调用存储主缸压边缸 提升缸的力位移参数或曲线 2 . 3 压边机计算机控制系统设计的思路 从前一章的分析说明压边机控制系统需要对不同的工况进行控制同 上海交通大学硕士论文第二章 压边机计算机控制系统 14- 时还要对众多采集的信号包括控制信号和反馈信号进行计算处理这种系 统的控制方案多种多样本章根据具体情况对整体方案做近一步分析最后得 出控制方案和总体结构 2 . 4 典型的计算机控制系统形式 1. 直接数字控制系统 直接数字控制系统directly digital control是指由控制计算机取代常 规的模拟调节仪表而直接对生产过程进行控制由于计算机发出的信号为数字 量故得名 ddc 控制实际上受控的生产过程的控制部件,接受的控制信号可 以通过控制机的过程输入/输出通道中的数/模(d/a)转换器将计算机输出的数字 控制量中转换成模拟量输入的模拟量也要经控制机的过程输入/输出通道的模 /数(a/d)转换器转换成数字量进入计算机 ddc 控制系统中常使用小型计算机或微型机的分时系统来实现多个点的控 制功能实际上是属于用控制机离散采样实现离散多点控制这种 ddc 计 算机控制系统已成为当前计算机控制系统中主要控制形式之一 ddc 控制的优点是灵活性大集中可靠性高和价格便宜能用数字运算形 式对若干个回路甚至数十个回路的生产过程进行比例- 积分-微分(pid) 控制使工业受控对象的状态保持在给定值上偏差小且稳定而且只要改变 控制算法和应用程序便可实现较复杂的控制如前馈控制和最佳控制等一般 情况下ddc 级控制常作为更复杂的高级控制的执行级 2. 计算机监督控制系统 计算机监督控制系统ssc是针对某一种生产过程依据生产过程的各 种状态按生产过程的数学模型计算出生产设备应运行的最佳给定值并将最 佳值自动地或人工对 ddc 执行级的计算机或对模拟调节仪表进行调正或设定 控制的目标值由 ddc 或调节仪表对生产过程各个点(运行设备)行使控制 计算机监督控制系统的特点是能保证受控的生产过程始终处于最佳状态情 况下运行,因而获得最大效益.直接影响 scc 效果优劣的首先是它的数学模型,为 此要经常在运行过程中改进数学模型,并相应修改控制算法和应用控制程序. 3多级控制系统 上海交通大学硕士论文第二章 压边机计算机控制系统 15- 在现代生产企业中不仅需要解决生产过程的在线控制问题而且还要求 解决生产管理问题每日生产品种数量的计划调度以及月季计划安排制定 长远规划预报销售前景等, 于是出现了多级控制系统 多级控制系统主要包括 ddc 级scc 级mis级等控制系统其中 ddc 级主要用于直接控制生产过程,进行 pid或前馈控制scc 级主要用于进行最佳 控制或自适应控制或自学习控制计算,并指挥 ddc 级控制同时向 mis级汇报情 况.ddc 级通常用微型计算机,scc级一般用小型计算机或高档微型计算机 车间管理 mis的主要功能是根据工厂级下达的生产品种数量命令和搜集 上来的生产过程的状态的信息,随时进行合理调度,实现最优控制,指挥 scc 级监 督控制 工厂管理级的 mis主要功能是接受公司下达的生产任务和本厂的实际情况, 进行最优化计算制订本厂生产计划和短期(旬或周或日)安排然后给车间级 下达生产任务 公司管理级的 mis主要功能是对市场需求预测计算,制订战略上的长期发展 规划,并对订货合同,原料供应情况和企业的生产状况,进行最优生产方案的比较 选择计算,制订出整个公司企业较长时间(月或旬)的生产计划销售计划,并向各 工厂管理级下达任务 mis级主要功能是实现信息实时处理,为各级决策者提供有用的信息,作出关 于生产计划调度和管理方案,使计划协调和经营管理处于最优状态这一级可 根据企业的规模和管理范围的大小分成若干级每级又依据要处理的信息量的 大小确定采用的计算机的类型一般情况车间级 mis用小型计算机或高档微型 计算机,工厂管理级的 mis用中型计算机,而公司管理级的 mis 则用大型计算机, 或者用超大型计算机 4. 分布式控制或分散控制系统 分布式控制系统dcs或在有些资料中称之为集散系统是相对于集 中式控制系统而言的一种新型计算机控制系统它是在集中式控制系统的基础 上发展演变而来的在系统功能方面dcs和集中式控制系统的区别不大 但在系统功能的实现方法上却完全不同 首先dcs的骨架系统网络它是 dcs的基础和核心由于网络对 于 dcs整个系统的实时性可靠性和扩充性起着决定性的作用因此各厂家 上海交通大学硕士论文第二章 压边机计算机控制系统 16- 都在这方面进行了精心的设计对于 dcs的系统网络来说它必须满足实时性 的要求即在确定的时间限度内完成信息的传送这里所说的确定的时间 限度是指在无论何种情况下信息传送都能在这个时间限度内完成而这个 时间限度则是根据被控制过程的实时性要求确定的因此衡量系统网络性能 的指标并不是网络的速率即通常所说的每秒比特数bps而是系统网络的 实时性即能在多长的时间内确保所需信息的传输完成系统网络还必须非常 可靠无论在任何情况下网络通信都不能中断因此多数厂家的 dcs均采用 双总线环形或双重星形的网络拓扑结构为了满足系统扩充性的要求系统 网络上可接入的最大节点数量应比实际使用的节点数量大若干倍这样一方 面可以随时增加新的节点另一方面也可以使系统网络运行于较轻的通信负荷 状态以确保系统的实时性和可靠性在系统实际运行过程中各个节点的上 网和下网是随时可能发生的特别是操作员站这样网络重构会经常进行 而这种操作绝对不能影响系统的正常运行因此系统网络应该具有很强在线 网络重构功能 其次这是一种完全对现场 i/o 处理并实现直接数字控制dos功能的 网络节点一般一套 dcs中要设置现场 i/o 控制站用以分担整个系统的 i/o 和控制功能这样既可以避免由于一个站点失效造成整个系统的失效提高系 统可靠性也可以使各站点分担数据采集和控制功能有利于提高整个系统的 性能dcs的操作员站是处理一切与运行操作有关的人机界面hmi-human machine interface或 operator interface功能的网络节点 系统网络是 dcs的工程师站它是对 dcs进行离线的配置组态工作和 在线的系统监督控制维护的网络节点其主要功能是提供对 dcs进行组态 配置工作的工具软件即组态软件并在 dcs在线运行时实时地监视 dcs 网络上各个节点的运行情况使系统工程师可以通过工程师站及时调整系统配 置及一些系统参数的设定使 dcs随时处在最佳的工作状态之下与集中式控 制系统不同所有的 dcs都要求有系统组态功能可以说没有系统组态功能 的系统就不能称其为 dcs dcs自 1975年问世以来已经经历了二十多年的发展历程在这二十多 年中dcs虽然在系统的体系结构上没有发生重大改变但是经过不断的发展 和完善其功能和性能都得到了巨大的提高总的来说dcs正在向着更加开 放更加标准化更加产品化的方向发展 作为生产过程自动化领域的计算机控制系统传统的 dcs仅仅是一个狭义 的概念如果以为 dcs只是生产过程的自动化系统那就会引出错误的结论 因为现在的计算机控制系统的含义已被大大扩展了它不仅包括过去 dcs中所 上海交通大学硕士论文第二章 压边机计算机控制系统 17- 包含的各种内容还向下深入到了现场的每台测量设备执行机构向上发展 到了生产管理企业经营的方方面面传统意义上的 dcs现在仅仅是指生产过 程控制这一部分的自动化而工业自动化系统的概念则应定位到企业全面解 决方案即 total solution 的层次只有从这个角度上提出问题并解决问题才 能使计算机自动化真正起到其应有的作用 进入九十年代以后计算机技术突飞猛进更多新的技术被应用到了 dcs 之中plc 是一种针对顺序逻辑控制发展起来的电子设备它主要用于代替不 灵活而且笨重的继电器逻辑现场总线技术在进入九十年代中期以后发展十分 迅猛以至于有些人已做出预测基于现场总线的 fcs将取代 dcs成为控制 系统的主角 分散控制或分布控制,是将控制系统分成若干个独立的局部控制子系统,用以 完成受控生产过程自动控制任务.由于微型计算机的出现与迅速发展,为实现分散 控制提供了物质和技术基础,近年来分散控制得以异乎寻常的发展,且已成为计算 机控制发展的重要趋势. 2 . 5 控制系统算法 2 . 5 . 1 控制算法概述 控制算法是控制器地核心从模拟控制系统开始到数模混合控制系统 及计算机控制系统地长期发展过程中形成并发展了许多行之有效地控制理论 和控制方法 2 . 5 . 2 常用的控制算法 1. 预测算法 预测控制是近年来发展起来的一类新型的计算机控制算法由于它采用 多步试滚动优化和反馈校正等控制策略因而控制效果好适用于控制不 易建立精确数字模型且比较复杂的工业生产过程所以它一出现就受到国内 外工程界的重视并已在石油化工电力冶金机械等工业部门的控制 系统得到了成功的应用 工业生产的过程是复杂的我们建立起来的模型也是不完善的就是理 论非常复杂的现代控制理论其控制的效果也往往不尽人意甚至在一些方 上海交通大学硕士论文第二章 压边机计算机控制系统 18- 面还不及传统的 pid控制70年代人们除了加强对生产过程的建模系统 辨识自适应控制等方面的研究外开始打破传统的控制思想的观念试图 面向工业开发出一种对各种模型要求低在线计算方便控制综合效果好的 新型算法 这样的背景下 预测控制的一种 也就是模型算法控制 mac-model algorithmic control首先在法国的工业控制中得到应用因此预测控制不是 某一种统一理论的产物而是工业实践中逐渐发展起来的同时计算机技 术的发展也为算法的实现提供了物质基础 现在比较流行的算法包括有模型算法控制mac动态矩阵控制 dmc广义预测控制gpc广义预测极点gpp控制内模控制 imc推理控制ic等等 下面以模型算法控制为例子来说明预测控制的基本原理 图 2 - 2 模型算法框图 f i g 2 - 2 m o d e l a r i t h m e t i c c h a r t 模型算法mac控制主要包括内部模型反馈校正滚动优化和参数 输入轨迹等几个部分它采用基于脉冲相应的非参数模型作为内部模型用 过去和未来的输入输出状态根据内部模型预测系统未来的输出状态经 过用模型输出误差进行反馈校正以后再与参考轨迹进行比较应用二次型 性能指标进行滚动优化然后再计算当前时刻加于系统的控制完成整个 动作循环 预测控制的基本特征包括有建立预测模型方便采用滚动优化策略 采用模型误差反馈校正这几个特征反映了预测控制的本质也正是这个控 制算法和其他算法的不同之处 预测控制伴随着工业的发展而来所以预测控制与工业生产有着紧密的 结合火电厂钢球磨煤机是一个多变量大滞后强耦合的控制对象其数学 模型很难准确建立而目前国内火电厂所装设的控制器大部分是 pid控制器 由于系统各变量耦合严重pid控制器很难适应致使钢球磨煤机不能投入自 动运行用 8051单片机加上 a/d8 路接口及其接口电路再加上控制键和显示 器组成了预测控制器在采用了 mac 算法之后就能够弥补 pid控制器的 上海交通大学硕士论文第二章 压边机计算机控制系统 19- 不足 由于预测控制具有适应复杂生产过程控制的特点所以预测控制具有强大 的生命力可以预言随着预测控制在理论和应用两方面的不断发展和完善 它必将在工业生产过程中发挥出越来越大的作用展现出广阔的应用的前景 2. 模糊控制 模糊控制是以模糊集合理论为基础的一种新兴的控制手段它是模糊系统理论 和模糊技术与自动控制技术相结合的产物自从这门科学诞生以来它产生了许多探 索性甚至是突破性的研究与应用成果同时这一方法也逐步成为了人们思考问题的 重要方法论 1965年美国的控制论专家 l. a. zadeh教授创立了模糊集合论从而为描述研 究和处理模糊性现象提供了一种新的工具一种利用模糊集合的理论来建立系统模 型设计控制器的新型方法模糊控制也随之问世了模糊控制的核心就是利用模 糊集合理论把人的控制策略的自然语言转化为计算机能够接受的算法语言所描述的 控制算法这种方法不仅能实现控制而且能模拟人的思维方式对一些无法构造数学 模型的被控对象进行有效的控制 我们都知道在现实生活中的一些概念是有着明确意义的比如说一个男 人货币等概念对于这些明确的概念在数学中常常用经典集合来表示但 是现实生活中不是每个概念都是很明确的比如我们说青年人这个概念你能在 年龄轴上划两条线 表明在两条线内的就是青年人 而在其外的就截然不是青年人吗 显然这样做是不行的因为人的生命是一个连续的过程一个人从少年走向青年是一 日一日积累的同样一个人从青年步入中年也是一个渐变的过程我们把这样的一 类概念