（航空宇航制造工程专业论文）基于模糊控制算法的变压边力控制系统的实现.pdf

西北：l 业大学硕士学位论文 摘要 摘要 压边力的大小是影响拉深成形质量的关键因素，本文先简单介绍 了国内外变压边力技术的发展现状，以及各种现代控制理论在变压边 力技术上的应用。 其次，本文以现有的八点可变压边力分区控制系统为基础，以盒形 件拉深的压边力控制做为控制系统的研究对象，采用在近几年来在液 压控制系统上比较常用的模糊控制做为核心控制算法，通过研究和设 计相应的控制规则库以及推理单元完成了模糊算法的设计并在v b 环 境下完成了基于a c c e s s 数据库的模糊控制算法的程序开发。最后通过 对系统仿真结果的研究，确定了控制算法数学模型的输入输出参数， 验证了控制算法的可行性以及控制系统的稳定陛、快速性、准确性。 此外本论文还完成了此套压边力控制系统部分功能模块的设计与 实现，其中包括：基于v b 技术开发的上位机控制软件、采用多任务分 时扫描结构的p l c 执行软件、以及p l c 部分的电气设计与实现。并且 本文还完成了上位机控制软件、p l c 执行软件及电气系统之间的联合 调试。文章最后以控制系统的联合调试为目的进行了盒形件拉深实验， 验证了现阶段系统所实现的功能，发现并提出所存在的问题，为后续的 工作打下基础。 关键词：变压边力，可编程控制器，模糊控制，v b ，串口通讯 街北 业大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h eb l a n k - h o l d e rf o r c ei sak e yf a c t o ri ns h e e tf o r m i n gf i r s t l y , t h e p a p e ri n t r o d u c e dt h ed e v e l o p m e n to ft h ev a r i a b l eb l a n k h o l d e rf o r c ea n d t h ea p p l i c a t i o n so f m o d e mc o n t r o lt h e o r yi nb l a n k h o l d e rf o r c ec o n t r o l ， b a s e do nt h eh a r d w a r ec o n f i g u r a t i o no ft h ee i g h t p o i n tb l a n kh o l d i n g f o r c ec o n t r o ls y s t e m ，t h i sp a p e rt o o kt h eb l a n k h o l d e rf o r c ec o n t r o li n r e c t a n g u l a rb o xd r a w i n ga s r e s e a r c ho b j e c ta n du s e dt h ef u z z yc o n t r o l a l g o r i t h mw h i c hq u i t ec o m m o n l yu s e do nt h eh y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e mi n l a s tf e wy e a r st ot a k et h ec o r ec o n t r o la l g o r i t h m b e s i d e s ，t h i sp a p e r f i n i s h e dt h ed e s i g no ft h ea l g o r i t h mo ft h ef u z z yc o n t r o lb ym a k i n g r e s e a r c hd e s i g no ft h ef u z z yc o n t r o lr u l eb a s ea n dt h er o a s o n i n gu n i t a n d i th a d em a d ei tp r a c t i a b l et oc o d et h et h ea l g o r i t h mo ft h ef u z z yc o n t r o li n v bl a n g u a g e a tl a s tt h r o u g ht ot h es y s t e ms i m u l a t i o nr e s u l tr e s e a r c h ，t h e i n p u ta n do u t p u tp a r a m e t e r so fc o n t r o la l g o r i t h mm a t h e m a t i c a lm o d e lh a d d e t e r m i n e da n dt h ec o n t r o la l g o r i t h mf e a s i b i l i t ya sw e l la st h ec o n t r o l s y s t e ms t a b i l i t y , r a p i d i t ya sw e l la sa c c u r a c yh a dc o n f i r m e d b e s i d em e n t i o n e da b o v e ，t h i sp a p e ra l s of i n i s h e dt h ed e s i g na n dt h e r e a l i z a t i o ns o m ef u n c t i o nb l o c k so ft h ee i 曲t p o i n tb l a n kh o l d i n gf o r c e c o n t r o ls y s t e mi n c l u d i n gt h ep cm o n i t o r i n g c o n t r o ls o f t w a r e ，t h ep l c c o n t r o ls o f t w a r ea n dt h eh a r d w a r ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h ep a r t i a l e l e c t r i c a l s y s t e m a l s o i tf i n i s h e dt h ej o i n t d e b u g g i n g o ft h ep c m o n i t o r i n g - c o n t r o ls o f t w a r e ，t h ep l cc o n t r o ls o f t w a r ea n dt h ee l e c t r i c a l s y s t e m a tt h ee n do ft h ep a p e rar e c t a n g u l a rb o xd e e pd r a w i n ge x p e r i m e n t w a sc a r r i e do u ti no r d e rt oc a r r y i n go nt h es y s t e m i cd e b u g g i n ga n d v e r i f y i n gt h es y s t e m i c f u n c t i o na t p r e s e n t i ns y s t e md e b u g g i n g ，t h e e x i s t e d q u e s t i o n sw e r e d i s c o v e r e d a n d p r o p o s e d s oi th a sb u i l tt h e f o u n d a t i o nf o rt h ef o l l o w i n gw o r k k e yw o r d s ：v a r i a b l eb l a n k h o l d e rf o r c e ，p l c ，f u z z y c o n t r o l ，v b r s 2 3 2 c o m m u n i c a t i o n i i 两北工业大学硕士学位论文 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工业大学。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：盍a 碴指导教师签名 撕( 年争月零日知“年 岁月 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：所呈 交的学位论文，是本人在导师的指导下迸行研究工作所取得的成果。 尽我所知，除文中已经注明引用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己经公开发表或撰写过的研究成果，不包含本 人或他人已申请学位或其它用途使用过的成果。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标踢。 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。 学位论文作者签名：刻三叠 岫6 年参月孝日 西北f 业大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 板材成形是金属塑性加工领域的一大分支，压边力贝b 是影响板材成形非常 重要的因素。随着现代化工业特别是汽车，飞机等大型制造业的飞速发展，对 制造工艺技术要求越来越高，特别是对于一些大型覆盖件的加工，传统恒定压 边力的加载方式很难符合要求，大量理论和实践研究表明：采用变压边力的加 载方式能够显著提升材料的拉深性能与成形质量，能够有效的减少拉深过程出 现的起皱、破裂、扭曲等现象。因此，如何合理控制拉深过程中压边力的大小， 始终是板料成形过程中的一个技术难点和研究重点。 控制压边力的大小的实质是控制拉深过程中材料的流动，一般来说在材料 的成形过程中，压边力既不能过大也不能过小，过大会增加毛坯与凹模之间的 摩擦系数而使工件拉破；过小则无法有效的控制材料的流动，会使材料出现失 稳而导致起皱。因此，为了避免以上两种趋势，合理控制材料在模具和压边圈 之间的流动是至关重要的，即需要在拉深成形的过程中，对压边力的大小进行 实时调整，使压边力的数值保持在能够使毛坯顺利成形的范围值内。 1 2 压边力的国内外研究现状 目前国内多数是采用单动压力机的弹性压边圈和双动液压机的钢性压边圈 来旌加压边过程中所需要的压边力。弹性压边圈最常见的是橡胶、弹簧和气垫 压边圈。在采用弹性压边的拉深过程中，其压边力是随着压边行程变化的，一 般随着拉深行程的增加，压边力增加，与所需的压边力变化相反，一般用于形 状简单的浅拉深件的拉深成形。此外，气动压边和液压压边装置因为提供的压 边力的大小与压力机的吨位有关因此提供的压边力较稳定，大小基本不变， 可以拉深形状复杂、深度范围较大的成形零件。 国内的一些厂家，通过对单动液压机进行简单的改造，将压力控制阀安装 在相应的回路中，简单地调整拉深过程中压边力的大小，可以获得相对较好的 成形效果。 上海交通大学设计和实现了一套多点调压单动拉深压边机控制系统，并 进行了相关的变压边力拉深试验。 在变压边力控制的研究方面，国内一般采用具有弹性的压边装置来提供拉 深过程中的变压边力，而国外的工作丌展的深入而丰富，已经丌始从控制各种 现代控制理出发来进行变压边力的研究，大致可以包括以下几种研究方法： 1 神经网络方法( a n n ) 和模糊理论及模糊控制：a 压边力对板料制品成形 j 曲北l ：业大学硕士学位论文第章绪论 性能的影响。b 研究考虑压边力影响的板坯选材智能系统建立。 2 ，粗糙集理论r o u g h s e t s 1 川5 】：这一理论从新的视角对知识进行了定义， 把知识看作是关于论域的划分，因此粗糙集理论( 隶属度的方法) 用于 压边力同工艺参数和材料参数之间的相关性分析。 3 神经网络控制算法( b p 网络) ：人工神经网络是一种分布式并行处理系 统，其处理结果以权值形式分布存储在矩阵中，它具有自组织、自学习、 自适应和非线性动态处理等特性，因此神经网络控制理论可以做为核 心控制算法，构建可变压边力控制系统，完成对拉深过程中的变压边 力控制。 在可变压边力控制设各的研制上： h a r d e r 等人“”设计了控制设备得到的压边力，可以使压边力始终被保持 在不起皱的最小值上以防止破裂。h a r d e t 通过p i 控制器来控制伺服阀给压边 圈旌加压边力，完成冷轧钢板的杯形件的成彤。 1 9 8 5 年a s a i e t a l ”发明了压边力控制系统，其原理就是分别独立控制外滑 块四个液压缸的液体压力，让四个外滑块四个角部压力在拉深过程可以变化。 1 3 本论文主要研究内容 此套可变压边力控制系统的液压系统，模具系统，以及部分电气系统已经 基本实现。本文主要完成了控制算法的设计与实现，p l c 部分的电气设计与软 件编写，上位机控制软件的开发，以及整个系统电气部分与软件部分的联调工 作。研究工作的思路是以现有的控制系统为基础，根据控制系统的动作和工艺 流程，丌发相应的p l c 控制软件，并在此基础上设计和丌发一套控制算法和上 位机控制软件，并根据控制系统的仿真结果验证控制算法的可行性以及控制系 统的稳定性、准确性、快速性。 其关键技术包括以下几个方面： 1p l c 控制软件的设计与开发。必须保证所有工艺动作的f 确输出：可 以提供上位机软件操作以及控制面板操作两种并行的操作模式；完成 互斥动作软件上的互锁，并且通过程序设计完成各个任务之间的分时 扫描，减小p l c 的执行周期，提高控制系统的执行效率。 2上位机控制软件的设计与开发。上位机控制软件需要完成对现场工艺 动作的正确控制；能够方便的提供各种变压边力的加载模式，并能够 精确输出控制算法计算出的控制变量。此外，控制软件还需要对每次 拉深事件中各个分区压边力大小的检测数据进行精确计算，为控制参 数的进一步修正打下良好基础。 2 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 3 拉深成形系统控制算法的研究。通过研究和设计相应的控制规则库以 及推理单元建立了模糊控制算法的数学模型。其中，控制参数的选择 是算法设计的关键，如何选择合适的输入输出参数，在保证控制系统 稳定性的同时，提高控制系统的快速响应特性，并有效的减小控制系 统的超调，使控制系统在鲁棒陛，动态特性上都具有较好的品质。 本论文主要按照如下几个部分安排章节： 第一章：前言 简要介绍了本文的研究内容、研究背景、及作者的主要工作。 第二章：可变压边力控制系统的介绍； 对现有的控制系统进行简单的介绍，包括液压系统，电气系统。 第三章：p l c 控制程序的研究与开发 p l c 控制软件的设计思路，控制系统的动作流程，以及p l c 软件的开发。 第四章：控制算法的研究与设计 采用模糊控制机理分析的方法来建立控制算法的数学模型，在此基础上， 在第五章介绍了算法的实现过程。 第五章：上位机软件的设计思路与开发 控制软件的设计思路与实现方法以及所实现的功能。 第六章：盒形件拉深实验 以系统联合调试为目的进行的盒形件拉深试验，验证了现阶段控制系统所 实现的功能以及控制系统运行的可靠性，并为控制系统的进一步调试工作打下 基础。 3 西j k - k l 业大学硕士学位论文第二章可变压边力控制系统的介绍 第二章：可变压边力控制系统的介绍 2 1 系统的工作原理 整套控制设备的工作原理如下：在开始阶段，8 条压边油缸带动压边圈上 行，压边圈的位置由位移传感器将位移信息反馈到上位机的控制软件中，在达 到预先设定的压边力零位后，上位机发控制指令将上行阀门断电，使压边圈在 预定位置就位。在压边圈就位之后，将板料放置到压迈圈与凹模之问，上位机 控制软件发控制指令使拉深滑块下行，拉深动作丌始。在拉深成形阶段位移传 感器将拉深位移值通过计数卡反馈给上位机，直至拉深结束。在整个拉深成形 的过程中，控制系统中的上位机将控制算法计算出的各个分区压边力控制量， 通过p l c 的d a 模块实时传送给比例放大板，比例放大板将控制电压信号转化 为电流信号来控制比例溢流阀开启量大小，实时控制各个区域的压边力，使各 个分区的压边力按照预先设定的曲线进行变化。 控制过程中压边油缸的下腔压力通过压边活塞杆经由压力传感器传递到压 边块，从而在各个分区压边块与凹模之间的毛坯上形成了独立控制的压边力。 如图2 1 所示： 图2 1 拉深装置原理图 2 2 液压系统的介绍 2 2 1 控制原理的简介 控制系统液压部分的设计采用背压控制原理，在整个液压系统的工作过程 中压力油通过油泵抽出，经8 个换向阀进入上行回路，通过单向阀以及调速阀 后，最后供入压边油缸下腔，使得8 条压边油缸的活塞杆顶出，完成压边圈上 4 西北工业大学硕士学位论文 第二章可变压边力控制系统的介绍 行动作。在拉深的全过程中，8 压边油缸受到主滑块拉深下行的压力而使活塞 杆下行，压边油缸的下腔产生溢流，压力油从下腔流出后，由于单向阀的单向 控制，使压力油流向比例溢流阀，此时通过实时调节比例溢流阀的p 口压力即 可调整各个分区的压边力的大小。在这里需要指明的是，由于活塞杆的下行， 8 条压边油缸的上腔会存在定的负压，因此，从比例阀流出的压力油，一部分 通过每个对应方向阀的中位流回油箱，另一部分进入各条压边油缸的上腔来弥 补液压系统所产生的负压，从而使各个分区的压边力可以更好的加载。 图2 2 液压系统原理图 22 2 液压系统的结构 整套液压子系统是由液压泵、液压控制阀、方向阀、流量阀、压边油缸等 组成。液压油泵采用柱塞泵。液压控制阀采用比例溢流阀、方向阀包括( 电磁 换向阀、电液换向阀、单向阀等) 。流量阀采用的是节流阀。压边油缸采用的是 活塞式液压油缸。其中比例溢流阀的主要作用是完成压边力的实时调整；方向 阀的主要作用是控制油路的上行和下行；流量阀的主要作用是控制压边圈的上 行或者下行的速度。其系统原理图如图22 所示： 在拉深准备开始阶段，先要完成压边圈的上行动作。首先启动压边油泵， 在工作刚开始的时候首先让压力油通过旁路电磁阀2 2 进行压力卸荷，使得整个 液压系统无负载启动，保证液压系统的良好运行。 5 前北j f ：业大学硕士学位论文第二二章可变压边力控制系统的介绷 然后控制电磁阀2 0 上行加电( y v l 7 加电) ，方向阀9 1 6 上行加电( y v l ， w 3 ，y v 5 ，y v 7 ，y v 9 ，y v l l ，y v l 3 ，y v l 5 加电) ，压力油就由油路单向阀1 i 9 经电 磁阀2 0 ，方向阀9 1 6 进入上行回路，在经过每个并行回路的单向控制阀i l 1 8 以及节流阀j l j 8 进行速度调节，进入每条压边油缸的无卡t 腔，完成压边圈的 顶出。在压边圈达到预定位置以后，电磁阀2 0 去电，压边圈停止就位。 在压边圈就位，放置毛坯后，即可开始拉深动作。在丌始动作开始之前， 首先将电磁阀切换到右端，进行压力卸荷，然后，根据工艺流程，将方向阀9 r 6 去电，使每个并行回路的电磁阀置于中位。通过操作，使拉深设备的主缸下行。 在拉深成形的过程中，各个分区压边油缸的活塞杆受到主缸的压力而下行，压 力油通过压边油缸的无杆腔流出，此时，在每个回路单向阀的作用下，使流出 的压力油流向比例阀，在比例阀的控制下实时调整压边油缸下腔油压，即加载 到各个分区的压边力的大小。此外，通过比例阀流出的压力油，一部分流入压 边油缸的上腔，弥补系统所产生的负压，另一部分通过方向阀9 - - - 1 6 的中位位置， 流回油箱。 在完成拉深过程后，通过硬件操作或者上位机控制软件操作使主缸回程就 位。在完成主缸回程就位后，方向阀9 1 6 下行加电( y v 2 ， w 4 ，y v 6 ，y v 8 ，y v l 0 ，y v l 2 ，y v l 4 ，y v l 6 加电) ，然后接通电磁阀2 0 ( y v l 7 加 电) ，此时液压油通过下行回路流入压边油缸的有杆腔，使得活塞杼带动压边圈 下行就位，整套工艺流程完成。 2 3 电气系统的介绍 23 ，1 供电线路 本系统的供电线路提供3 8 0 a c ，2 2 0 a c ，以及2 4 v d c 三种电压，三相交 流电通过滑线引入电气拒中，其中3 8 0 v a c 供绘压边系缆油泵；2 2 0 v a c 分别 提供给工控机、交流继电器( 电磁阀，电机回路) 回路，2 4 v d c 提供给比例放 大板，直流继电器以及p l c 输入输出模块，结构如图2 4 所示： 6 两- i l f - 业大学硕士学位论文第二章可变压边力控制系统的介绍 图2 3 供电回路 2 3 2 电机启动电路 基于保护电机的考虑，电机启动回路采用了星形转三角形的接法，如图2 ，5 所示。在系统启动按钮被按下后k m i 与k m 3 线圈同时加电，这时电机j 0 1 的 两组绕组按照星形接法接入，电机使用线电流启动，电流冲击较小。在电机转 速稳定后，由于时间延迟接触器的作用，k m 3 线圈断电，k m 2 线圈加电，使 得电机绕组按照三角形接法接入，此时开始采用相电流工作，因为电机转速稳 定，负载较小，因此对电网冲击小。电机至此启动完毕，进入j 下常工作状态。 2 3 3p k 0 部分的电气设计 p l c 硬件可靠性设计要求如下 图2 4 电机启动电路 7 西北 ：业大学硕士学位论文 第二章可变压边力控制系统的介绍 ( 1 ) 系统的硬件结构和网络要简明丽清晰 硬件结构不要追求繁琐，在组成i o 机箱配套的模板时，建议型号简单，力 求一致，模板密度不宜过大。使用的接线点不宣过多。 ( 2 ) 硬件系统应该具有一定的抗干扰性 本系统的电气系统较为简单，所选用的输入，输出模块均具有光电耦合的功 能，具有一定的抗干扰性，系统的电磁干扰主要来自电气柜的强电干扰和采用长 输入线的开关量信号，在此套系统中，采用以下措施抑制这些干扰作用： ( 1 ) 采用l ：1 隔离变压器给p l c 供电。( 2 ) 输入信号电源直接由p l c 内的2 4 v 电源提 供。( 3 ) 采用小型继电器防止输出信号的误动作。( 4 ) 采用完善的接地系统，尽量 避免多点接地。( 5 ) 电机启动部分所采用的动力电缆为高压大电流线路，因此在 进行硬件设计时，将p i c 的输入输出线与动力电缆线尽可能的分离，防止高压交 流电对p l c 的输入信号产生串扰，造成p l c 的错误输出。 本系统的p l c 控制部分共有3 4 个i o 点，均为数字量。其中输入点8 个，输出点2 6 个，全部采用直流晶体管输入输出。其中数字量主要完成对现 场的动作控制，模拟量主要完成对现场检测信号的输入以及控制信号的输出。 此外，在阀门开关控制以及主缸拉深的电路设计中，对互斥动作完成了硬件上 的互锁，保证了系统的安全性。电气设计与实物图如图2 5 ，图2 6 ，图2 7 ，所 示： j 鬻旷等喵 瓣 。籽 。黼 汜h x h # 捌m ：卜 墓 瓣喜罐 竺n 睹亲 丑 罐 蕤 羹 卫 ：1 “ 二：r _ 。三r 驯f 童卫。 * o * w 图2 5i o 模块的接口电路 8 幽北1 ：业大学硕士学位论文 第一二章可变压边力控制系统的介绍 图2 6d a 模块的接口电路 图2 7p l c 部分电路实物图 2 4 本章小结 本章主要简单介绍了现有可变压边力分区控制系统的硬件结构以及工作原 理，此套硬件系统在设计上具有很大的灵活性，可以根据工艺要求针对不同的 拉深模具进行调整。在液压系统的设计上采用背压控制技术，控制回路结构简 单，有利于系统的稳定性，以p l c 为核心的电气控制系统可以提供硬件操作和 q 堕! 堕：、业查堂堡主堂堡堡墨整= 三主里銮堡丝立鳖型墨竺堕坌型 上位机软件操作的两种操作模式，提高了系统的灵活性。此外，通过互斥动作 硬件上的互锁，进一步提高了系统的安全性，保证了所有工艺动作的正确输出。 l o 阿北。f 业大学硕士学位论文 第二章p l c 软件的漫计与实现 第三章p l c 软件的设计与实现 可编程控制器是一种储存程序控制器，支配控制系统工作的程序存放在存 储器中，利用程序来实现控制逻辑，完成控制任务，在可编程控制器构成的控 制系统中，要实现一个控制任务，首先要针对具体的被控对象，分析它对控制 系统的要求，然后编制出相应的控制程序。系统运行时，p l c 对程序的内容加 以解释和执行，根据输入设备的状态和其他的相关的工作状态，将执行结果输 出给相应的输出设备，控制被控对象工作。p l c 是利用软件实现控制逻辑的， 能够适应不同控制任务的需要，通用、灵活且可靠性高。在硬件配置上，p l c 具有丰富的i 0 模块，能够针对现场不同的控制与检测器件( 例如；按钮，行 程开关，传感器，放大板等) 进行直接的硬件连接，所有的i 0 模块均采用光 电隔离，使工业现场的外电路与p l c 的内部电路进行良好的隔离。此外，现代 p l c 还具有很强的联网通讯能力，不但可以与上位机之间完成多种接口的通讯， 还可以通过专门的通讯模块完成与p l c 之间的道讯，大大提高了整个控制系统 的数据交互能力。 本系统采用o m r o n 公司的c j l gc p u 4 2 hp l c 作为数据采集、控制回路、 自动顺序操作的核心，通过相应的l y o 功能模块，完成检测信号的输入，数字 信号的输出，以及分区压边力控制信号的输出。在p l c 软件中，完成互斥动作 的互锁保护，以及整个系统的急停保护，使整套控制设备能够安全良好地运转。 3 ，1p l o 软件设计要求 1在软件编制时，要估计用户软件对计算机资源的需要与用量，尤其对中间 继电器，计数器定时器的使用，要留有余地。 2 在软件的设计中，应根据控制要求将工艺流程图转换为梯形图，在程序设 计的时候建议将使用的软继电器( 内部继电器、定时器、计数器等) 列表， 标明用途以便于程序设计、调试和系统运行维护，检修时候查阅。 3 由于各种工业噪声以及电噪声的影响，会引起传感器信号的误差，导致检 测信号不准。因此，在p l c 设置时采用了输入信号的均值化，即将4 次采 样信号的均值进行输出，减少误差对传感器检测信号的影响。 3 2p l o 程序的设计与实现 3 21 输入输出信号的地址分配 整个p l c 控制需要完成以下的功能： l p l c 的数字量模块应为主电机启动、压边上行、压边下行、主缸上行及 主缸下行动作提供相应的数字量输入地址，用于完成这些动作的硬件 1 1 西北：e 业大学硕士学位论文 第三章p l c 软件的设计与实现 操作。如表3 1 所示： 2 为每条压边油缸的上行，下行提供单独的输出地址，用于实现压边油 缸的独立控制。如表3 2 所示： 3 p l c 内部寄存器提供2 到3 个字的地址用于存放现场设备的工作状态， 用于完成上位机软件的监视与控制。 4 完成压边力检测信号的输入及压边力控制信号的输出。相应的地址安 排如表3 3 ，表3 4 所示 表3 1 数字量输入模块的地址分配 输入信号输入信号地址 主电机启动c 1 0 0 0 0 0 0 0 压边上行 c 1 0 0 0 0 0 0l 压边下行c 0 0 0 0 0 0 3 主缸下行 c 1 0 0 0 0 0 0 5 主缸上行c 1 0 0 0 0 0 0 6 主缸上行限位 c 0 0 0 0 0 0 7 压边下行限位 c 0 0 0 0 0 0 8 表3 2 数字量输出模块的地址分配 输出动作输出信号地址 主电机启动 c 1 0 0 0 0 2 0 0 主缸下行 c 1 0 0 0 0 2 0l 主缸上行 c 1 0 0 0 0 2 0 2 主阀上行加电 c 1 0 0 0 0 2 0 3 主阀下行加电 c 1 0 0 0 0 2 0 4 缸1 上行加电 c 1 0 0 0 0 2 0 5 l缸b 下行加电 c 1 0 0 0 0 2 0 6 缸2 上行加电 c 1 0 0 0 0 2 0 7 缸2 下行加电 c 1 0 0 0 0 2 0 8 缸3 上行加电 c 1 0 0 0 0 2 0 9 缸3 下行加电 c 1 0 0 0 0 2 1 0 缸4 上行加电 c 1 0 0 0 0 2 1l 缸4 下行加电 c 0 0 0 0 2 1 2 缸5 上行加电 c 1 0 0 0 0 2 1 3 1 2 西北工业大学硕士学位论文第三章p l c 软件的设计与实现 缸5 下行加电 c 1 0 0 0 0 21 4 缸6 上行加电 c 1 0 0 0 0 2 1 5 缸6 下行加电 c 1 0 0 0 0 3 0 0 缸7 上行加电 c 1 0 0 0 0 3 0 l 缸7 下行加电 c 1 0 0 0 0 3 0 2 缸8 上行加电 c 1 0 0 0 0 3 0 3 缸8 下行加电 c 1 0 0 0 0 3 0 4 快转慢操作 c 0 0 0 0 3 0 5 ” 系统急停 c 1 0 0 0 0 3 0 6 表3 3 模拟量输入地址分配 输入信号输入信号地址 压边力信号( 边1 ) c 1 0 2 0 0 l 压边力信号( 边2 ) c 1 0 2 0 0 2 l 压边力信号( 边3 ) c 1 0 2 0 0 3 压边力信号( 边4 ) c 0 2 0 0 4 压边力信号( 角1 ) c 1 0 2 0 0 5 压边力信号( 角2 ) c 1 0 2 0 0 6 压边力信号( 角3 ) c 1 0 2 0 0 7 压边力信号( 角4 ) c 1 0 2 0 0 8 主缸拉深力信号 c 1 0 2 0 1 1 表3 4 模拟量输出地址分配 控制信号输出输出信号地址 控制信号( 边1 ) c 1 0 2 0 2 l 控制信号( 边2 ) c 1 0 2 0 2 2 控制信号( 边3 ) c 0 2 0 2 3 控制信号( 边4 ) c 1 0 2 0 2 4 控制信号( 角1 ) c 1 0 2 0 3 1 控制信号( 角2 ) c 1 0 2 0 3 2 控制信号( 角3 ) c 1 0 2 0 3 3 控制信号( 角4 ) c 1 0 2 0 3 4 堕：坚l ：些查望堡主堂垡笙塞 3 22 程序的设计思路 第三章p l c 软件的设计与实现 此套系统p l c 软件的编写是采用多任务的编写方式，将整个工艺流程分解 为多个控制任务，并为每个任务设爱相应的执彳亍条件，由c p u 循环扫描每个 任务的执行条件，选择条件成立的任务执行，如图3 1 所示： 图3 1p l c 多任务示意图 采用这种方法编写p l c 程序可以很大程度提高p l c 的执行效率，由于多个控制任 务的分时执行，p l c 的扫描周期被缩短，系统的响应变快。此外，采用多任务的编 程方式，使程序的结构更加的简单明了，提高了程序的修改和调试效率，维护起 来也更加方便。 32 3 系统任务的划分 通过对工艺流程的分解，可将整套工艺流程划分为6 个控制任务分别为： 1 电机启动 2 压边动作 3 主缸动作 4 压边力控制 5 ，系统急停输入 输入条件可以表述为：主电机启动状态压边圈就位状态主缸下行 状态拉深开始状态拉深结束状态常通状态，则每个任务的执行条件可 用以下条件的组合进行描述： 任务l ：电机启动输入条件：( 非) a n d ( 非o r ) 任务2 ：压边动作输入条件：a n d ( 非o r ) 任务3 ：主缸动作输入条件：a n d 任务4 ：压边力控制输入条件：a n d a n d a n d 任务5 ：系统急停输入条件： 1 4 砖北工业大学硕士学1 1 【7 ：论文第三章p l c 软件的设计与实现 其中任务l 和任务2 具有关联性，在整个工艺过程中，只需要在压边圈出现 动作的时候才需要被执行。任务3 和任务4 和整个工艺流程的核心部分，也最耗 时，因此在执行时，任务l 和任务2 将被挂起。任务5 是控制系统的保护，在系 统出现状态异常的时候切断工作电源终止工艺流程，所以在程序执行过程中始 终处于扫描状态。这样分配工作任务，可以在保障系统安全工作的同时，最大限 度提高控制系统的工作效率。 3 2 4 程序流程 整个p l c 程序的程序流程可用图3 2 进行描述： 图3 2p l c 程序流程图 32 、5 程序的设计方法与功能 3 2 5 1 电机启动程序 电机启动程序的主要作用是完成对压边电机的启动，选定电机的启动命令 位( c 1 0 0 0 0 0 0 0 ) 和上位机的启动命令位( c 1 0 0 0 0 7 0 0 ) 做为控制输入，这样做可 以方便地实现双启动。此外，软件设计采用了输出状态的自保持方式，即在产 生相应的动作之后，将相应的控制命令位清零，由输出信号的自身状态做为下个 扫描周期的输入，采用这种方法处理的召的在于：自保持输出是p l c 最稳定的 输出方式，采用自保持输出，可以最大限度的保持输出的稳定性。由于在完成 15 m 北工业人学硕士学位论文 第三章p l c 软4 1 的设计与实现 相应的输出后，命令位都已经被清零，为执行下一次输出动作做好了准备，很 好的保证了程序的逻辑正确性。在这部分程序设计中，还留有两个p l c 位地址， 用于表示电机所处的状态( 启动或者停止) ，方便上位机软件的监视与检测。 3 2 5 2 压边动作程序 压边动作程序的主要功能是完成对压边圈上行，下行，以及停止动作的控 制，是通过控制8 个并行回路的电磁换向阀( 方向阀9 一方向阀1 6 ) 的上下行切 换以及液压回路总换向阀( 方向阀2 0 ) 的开关来实现的。在产生压边动作前， 通过上位机发出指令，预先设定好8 条压边油缸阀门的上下行状态，最后通过 控制总闽的开关来实现对压边圈的上下行控制。为了方便系统的电气实现，在 这部分的电气设计中没有对每个阀门上下行提供单独的硬件操作，因此在p i 。c 程序设计中需要为每个阀门的上下行输出设定相应的命令控制位，通过上位机 发指令完成对每个阀门的上下行控制。值缛注意的是，同一个阀门的上行与下 行属于互斥动作，除了完成他们在硬件上的互锁外，在p l c 程序也完成了控制 命令位的互锁。此外，为了预防阀门的液压冲击，程序中对同一个阀门的上下 行切换进行了延迟设计，通过对p l c 定时器的使用，可以方便的设置每个阀门 上下行动作切换的延迟时间，从而保证阀门的稳定输出。同时，程序的设计中， 也为每个阀门的工作状念编排了p l c 位地址，用于表示每条压边油缸所处的动 作状态，同上所述。 3 2 5 3 主缸动作 主缸动作程序的主要功能是完成整个工艺流程中的拉深动作属于原双动 液压枧本身具有的功能，在原来的操作平台上& 1 可完成这一操作。基于这种考 虑，在p l c 软件的设计中只需要考虑是如何通过上位机软件控制主缸动作，在 设计方法上我们延用上述两部分程序所采用的方法。值得一提的是：原有的控 制平台为主缸动作提供了快转慢的工作模式，在新系统中，由于模具尺寸的原 因，要求整个工艺流程中主缸都处于慢速工作状态，因此在p l c 程序设计中， 需要为主缸快转慢动作设置相应的输出地址，以此柬驱动原控制系统的p l c 快 转慢输入，完成对主缸的全程慢速控制。 3 2 5 4 压边力控制 压边力控制程序是整个p l c 软件的核心部分，这部分的主要功能是完成现 场与上位机的数据交互，其中包括将传感器的检测数据传送到上位机控制软件， 并将控制软件计算出的控制量传送到现场的执行机构，由于o m r o n 系列的p l c 在数据传送上具有十分优越的功能，因此，只需要为每个控制信号与检测信号 设置好相应的通道，采用块传送指令即可( b s e t ) 。这部分程序的设计的重点是： 1 6 西北工业大学硕士学位论文第三章p l c 软件的设计与实现 ( 1 ) 对输出信号的判定：为了避免外界噪声对控制信号产生干扰，在部分的程 序设计时，需要将p l c 设置成输出保持状态，同时设定每一个步长内控制信号 的最大输出范围，实时判定每个控制信号是否符合要求，如果不符合输出要求， 则p l c 的模拟量输出模块将保持这个周期的输出信号，等待下一个周期的控制 信号。采用这种方法设计程序，可以较好的预防外接干扰对拉深过程的影响， 保证了控制信号的丁e 确输出。( 2 ) 检测信号的误差优化：在设计中采用了压边 力输入信号的均值化处理，将连续4 次的采样信号进行均值，减少了检测误差 对传感器信号的影响。 3 3 本章小结 可编程控制器( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r 简称p l c ) 是一种专为在 工业环境应用而设计的数字运算电子系统，它将计算机技术，自动控制技术和通 讯技术融为一体，成为了现代自动化设备的核心机制。它具有可靠性高，抗干 扰能力强，组合灵活，编程简单，维修方便等诸多优点。随着技术的进步，其控 制功能由简单的逻辑控制，顺序控制发展为复杂的连续控制和过程控制，成为现 代控割技术发展与应用的一大支柱。 本系统采用的0 m r o nc j l 系列的p l c ，属于o m r o n 系列的最新产品， 不但继承了原来o m r o n 以往产品的优势，而且在程序设计中提供了更多的指 令，可以方便的实现整个拉深工艺流程的动作控制，状态检测，压边力检测与 控制等功能。此外，采用多任务的软件结构，很大程度上缩短了p l c 软件的扫 描周期，在软件设计上完成了互斥动作的互锁，满足了系统可靠性、稳定性和 实时性的要求。 1 7 阳北业大学硕七学位论文第四章模糊控制算法的设计 第四章模糊控制算法的设计 在传统的液压伺服系统中大都采用p i d 控制技术，它具有结构简单、可靠、 稳定等优点，但不能有效克服负载、模型参数大范围变化等非线性因素的影响， 因而在高性能、高精度场台不能满足要求；自适应p i e ) 控制器结构复杂，计算量 大，实时性差，并且控制品质的好坏对控制系统数学模型的精确性有很大的依赖。 液压系统本身属于多变量、非线性时变系统，常因油温，负载等参数变化使输出 不稳定，而且许多非线性环节比如死区、摩擦和滞坏等又是未知和时变的，很难 建立精确的数学模型，因此基于p i d 控制算法的控制器很难获得满意的效果。 在算法设计上，采用了最近几年在大型液压系统上比较常用的模糊控制算 法，它不依赖于被控对象精确的数学模型，能够克服非线性因素的影响，对调节 对象的参数变化具有较强鲁棒性。此外，由于此套系统的液压子系统的设计原理 采用的是以比例溢流阀为执行元件的背压控制，控制系统的模型呈现出高阶，控 制过程呈现出非线性特性，而模糊控制器在非线性、时变、强耦合及时滞等复杂 系统中能表现出比传统控制算法更优的控制品质。通过对模糊控制规则库的动态 查询，可以直接褥到控制量的模糊值，在通过简单的反模糊化计算，即可得到实 际的控制信号，在线计算量很小，很好的弥补了传统的p i d 算法以及神经网络控 制算法在响应速度上的缺陷，使整套系统在快速性与超调性上得到了协调，缩短 系统的调整时| 1 白j ，在保证控制系统稳定性的同时，改善了系统的动态性能。 4 1 模糊控制算法的基本原理 模糊逻辑控制( f u z z yl o g i cc o n t r 0 1 ) 简称模糊控制( f u z z yc o n t r 0 1 ) ，是 以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制技 术。1 9 6 5 年，美国的l 、a z a d e h 创立了模糊集合论；1 9 7 3 年他给出了模糊逻辑 控制的定义和相关的定理。1 9 7 4 年，英国的e h m a m d a n i 首先用模糊控制语句 组成模糊控制器，并把它应用于锅炉和蒸汽机的控制，并获得了成功。 模糊控制的基本原理就是将入的经验总结成语言控制规则，运用模糊理论 模拟人的推理与决策，从而实现自动控制的控制系统。模糊推理系统的基本结 构由四个重要部件组成：知识库、推理机制、模糊化输入接口与去模糊化输出 接口。知识库又包含模糊i f - t h e n 规则库和数据库。规则库中的模糊规则定义和 体现了与领域问题有关的专家经验或知识，而数据库目憔i 义模糊规则中用到的 隶属函数。模糊规则的形式一般为i f a i sa t h e n b i sb ，其中a 与b 都是语言变 量而a 和b 则是由隶属函数映射到的语言值，在数据库中都有相应的隶属函数 加以定义。推理机制按照这些规则和所给的事实执行推理过程，求得合理的输 】8 西北r 业火学硕士学位论文 第四章模糊控制算法的垃计 出或结论。模糊输入接口，姆明确的输入转换为对应隶属函数的模糊语言值， 而去模糊输出接口则将模糊的计算结果转换为明确的输出。其结构可以用图4 1 进行描述： i江霉曩 垂旺! 一， l ! 。一l 一一一一j _ _ 一l 1 藉痧一：i 模糊化j l 反模糊化l 一孬i 百j输入l 模糊化； 。反模糊化： 输出 【 图4 1 模糊推理系统的基本结构 由图4 1 我们可以看到，模糊控制系统的建立分为三个步骤：一是挑选能 够反映系统工作机制的输入输出变量；二是挑选这些变量的模糊子集：三是用 模糊规则建立输出集与输入集的关系。而模糊系统f 用三个步骤将输入x 映射 到输出f ( x ) 。第一步是将输入x 并联地匹配到所有“如果部分”的模糊集合， 这一步依据输入x 属于每一个“如果部分”集合a 的程度来“激活”或“启动” 模糊规则。第二步是叠加所有按比例收缩的“则部分”集合，生成最终的输出 集合。第三步是去模糊化，系统计算出最终输出集的形心或重心作为输出f ( x ) ， 将模糊控制量转化为相应的实际输出的控制量进行输出控制。 4 2 模糊控制算法的特点 1 模糊控制是一种基于规则的控制，它直接采用语言型控制