（控制科学与工程专业论文）基于计算机调压铸造的综合测试系统设计.pdf

西北工业大学硕士论文 摘要 摘要 为提高调压铸造技术的工艺精度，降低实验人员的劳动强度，提高生产效率， 本文针对调压铸造控制系统开展了研究工作。 论文在调压铸造工艺流程以及技术要求的基础上，根据合作方要求的气路结 构图，提出了采用计算机对t y - 2 型调压铸造系统进行控制的设计方案。整个系统 由上位测试机和下位控制机组成。上位机负责数据的采集、显示，并发送控制命 令给下位机：下位机根据上位机的指令对系统中的各执行元件进行控制。根据铸 造过程的工作原理，设定了调压铸造过程的控制步骤。文中详细讨论了分布式计 算机控制系统中上位测试计算机系统采用组态软件l a b v i e w 实现的上位机应用程 序，包括压力传感器标定程序、曲线输入程序、数据采集程序、串行通讯程序等。 通过调试，各个程序能够正常运行，实现所需要的功能。研究了软件方面采取的 防止误操作的措施，保证系统运行的安全性与可靠性。文章还根据系统需要实现 的功能进行了硬件结构的设计，介绍了上位测试机中各种板卡的选择，连接及测 试方法，以及硬件方面的抗干扰措施。 论文通过机理分析方法确定了系统各个部分模型的结构，得到了广义被控对 象的模型。利用系统辨识方法，设计了辨识的输入信号和相关的辨识方案，进一 步确定了模型的参数。在原p i d 控制律的基础上，针对系统中输入压力有扰动及 耦合的情况，作者利用现代控制理论的方法设计了基于状态空间的全状态反馈线 性二次型控制器，从仿真结果来看，上下腔压力均可准确的跟踪期望压力，满足 系统要求。由于该模型中的压力变化速率不能实测，采用了状态观测器，并构成 了补偿机制，仿真表明这种方法能够满足系统的指标要求。 论文探讨了传感器故障检测及诊断的重要意义及方法，分析了调压铸造控制 系统的主要故障形式，并在此基础上提出了容错控制的思路和方法。 关键词：调压铸造，状态空闻，线性二次型，极点配置，故障检测与诊断， 容错控制 西北工业大学硕士论文 a b d t a c t a b s t r a c t o nt h eb a s i so fb r i e fi n t r o d u c t i o na b o u tt h et e c h n i c a lp r o c e d l j a n dr e q u i r e m e n t so f a d j u s t a b l ep r e s s u r ec a s t i n g ，t h i sp a p e rp u t sf o r w a r d sas c h e m eo nt y - 2a d j u s t a b l e p r e s s u r ec a s t i n gc o n t r o ls y s t e m i nt h es y s t e m ，t h ep r o c e s so fa d j u s t a b l ec a s t i n gi s c o n t r o l l e db yu s i n ga u t o m a t i cc o n t r o lm o d e t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ec o n t r o lp r o c e s so f t h ea d j u s t a b l ep r e s s u r ec a s t i n gs y s t e mi nd e t a i l w i t hr e g a r dt ot h ed i s t r i b u t e dc o m p u t e r c o n t r o ls y s t e m ，t h ep a p e rd e v e l o p st h es o f t w a r eo ft h em e a s u r i n gc o m p u t e rw h i c hi s p r o g r a m m e d w i t hag r a p h i c a lp r o g r a m m i n gl a n g u a g ek n o w na sl a b v i e w t h e s o f t w a r ec o n s i s t so f d a t aa c q u i s i t i o np r o g r a m c u r v ei n p u tp r o g r a m , a s y n c h r o n o n ss e r i a l c o m m u n i c a t i o np r o g r a m ，p r e s s u 把s e n s o rc a l i b r a t i n gp r o g r a me t c a l lt h ef u n c t i o n so f t h es o f t w a r en l nw e l l t h es o f t w a r ea l s oc o n s i d e r st h ef a u l to p e r a t i o n st og u a r a n t e et h e s a f e t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h es y s t e m i na d d i t i o n , h a r d w a r cs t r u c t u r e i s d e s i g n e d a c c o r d i n gt ot h ee x p e c t e ds y s t e mf u n c t i o n s t h ep a p e ra l s oi n t r o d u c e st h ea p p r o a c h e s o nh o wt os e l e c t ，c o n n e c ta n dt e s tt h ed a t ab o a r d s a f t e ra c q u i r i n gt h er o u g hm o d e lo f t h es y s t e mb ya n a l y z i n gt h ew o r kp r i n c i p l e ，t h e s y s t e mg i v e st h ea c c u r a t em a t h e m a t i c a lm o d e l so ft h eu p p e ra n dl o w e rs y s t e m sb y i d e n t i f i c a t i o nm e t h o d - 一l e a s ts q u a r e se s t i m a t i o n b a s e do nt h ee x i s t i n gp i dc o n t r o l l e r , t o d e a lw i t ht h ed i s t u r b a n c eo ft h ei n p u tp r e s s u r e sa n dt h ec o u p l i n gp r o b l e m ，al i n e a r q u a d r a t i cc o n t r o l l e ri sd e s i g n e d s i n c et h ec h a n g i n gr a t eo ft h ep r e s s u r e sc o u l dn o tb e m e a s u r e d ，as t a t eo b s e r v e ri sd e s i g n e da n dt h ec o m p e n s a t o ri sc o n s t r u c t e d s i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h eo u t p u t st r a c kt h ee x p e c t i n gi n p u tw e l l t h es y s t e mm a t c h e st h e r e q u i r e m e n t s i nt h el a s tc h a p t e r , t h ep r o b l e mo ft h ef a u l td e t e c t i o na n dd i a g n o s i sf o rs e n s o r f a i l u r e si ss t u d i e d t h ef a u l tt o l e r a n tc o n t r o im e t h o d sa r ea l s oi n v e s t i g a t e d k e y w o r d s ：a d j u s t a b l ep r e s s u r ec a s t i n g , s t a t es p a c e ，l i n e a rq u a d r a t i c ，p o l e a s s i g n m e n t ，f a u l td e t e c t i o na n dd i a g n o s i s ，f a u l tt o l e r a n tc o n t r o l i l 西北工业大学硕士论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题来源、背景及研究意义 本课题来源于某单位的合作项目：设计并研制t y 0 2 型调压铸造计算机控制系 统。 调压铸造又名压差铸造，其工艺是指在一定的压力作用下，使熔解的金属液 体注入铸造模具，凝固成型。该工艺可以根据铸件形状、工艺要求和铸型特点， 调整型腔内的压力，控制金属液的流动速度，并在不改变铸型受力状态的条件下， 使铸件在较高的压力下凝固，生产出用其他成型方法难以浇注的复杂、薄壁的整 形铸件。它作为一种新型的铸造工艺，在航天、航空、电子、兵器等国防工业中 有重要的应用价值。在压力铸造机上生产受投影面积或壁厚限制的铸件均可用压 差铸造法生产。压差铸造技术还可以应用到注塑机上生产泡沫塑料结构件，通过 发泡剂的加入量和压力控制生产出不同厚度的表面致密层。 调压铸造工艺中，一般作用于金属上的压力在2 0 m p a 2 0 0 m p a 范围，充型的 初始速度为1 5 m s 7 0 m s ，充型时问仅为0 0 1 s 0 2 s 。正是由于压力铸造过程的这 种特殊充型方式及凝固方式，使这种方式具有自身独特的一些特点： 1 可以得到薄壁、形状复杂但轮廓清晰的铸件。通常铸件的壁厚在1 6 m m 范 围，局部最小壁厚可达0 2 5 r a m ，并且轮廓清晰； 2 铸件精度高、尺寸稳定、一致性好、加工余量少、表面光洁。加工余量一般 在0 2 m m 0 5 m m 范围，表面粗糙度在r a 3 2 口m 以下，最低达0 4 。因此。调压 铸件可不经过机械加工或对个别表面进行少量加工后即可使用。这样，既提高了 金属利用率，又可节省大量机械加工工时和相应的加工设备的投资【l 】。 3 铸件组织致密、具有较好的力学性能。因为液体金属在压模内迅速冷却，同 时又在压力下结晶，所以在铸件上靠近表面的一层金属晶体较细，使表面硬度提 高。 然而，目前国内完全实现由计算机控制的调压铸造系统并不多。此单位原有 的调压铸造设备是由手动控制调节压力，其全部气路、阀门都由实验人员手工进 行操作。手动控制时，一方面，由于操作者熟练程度不同，可能会人为地造成比 较大的压力控制误差，工艺精度难以保证，使得操作效果因个人经验而异；另一 方面，不断地观察记录数据使得试验人员劳动强度很大，易疲劳，生产效率无法 进一步提高。用计算机自动控制技术代替手工经验操作、控制的铸造过程，使铸 造工艺精度得到了有效的保证。从根本上解决了原来手动系统设备老化、控制方 西北工业大学硕士论文第一章绪论 式陈旧、不适合现代工业发展需求的状况，使得改造后的计算机控制系统设备操 作简便、直观，控制方式合理，控制精度提高。 1 2 调压铸造控制系统的发展现状 调压铸造工艺自二十世纪问世以来，由于上下压力罐容积大、压力高，在金 属液面加压控制上至今还存在着没有解决的难题： 由于气动薄膜调节阀存在着严重的不平衡力，在工程上不得不用大刚度 的弹簧去平衡，造成该类执行器有较大的惯性及滞后效应，尤其是在大 口径的阀上表现得更为严重。 由于常规的控制系统都是把气压信号变成电信号，经过运算后输出控 制信号，而执行器还需要把电信号变成气压信号才能识别执行，在这种 气电之间的反复变换当中，既增加滞后更带来误差。 p i d 调节虽然从理论上来说能对它进行补偿，但由于在铸造的过程中，坩 埚内空间容积在生产中不断的变化，合理的升液充型速度也随着条件的 不同在改变，再加上随机出现的各种泄露，使p i d 调节的控制参数实际 上是随时间、环境条件、应用状态有所变化的。 鉴于上述三个原因，国内外的调压铸造控制系统均存在下列问题： 保压超调比较严重。 由于采用上排气控制法，只能排气，控制系统没有自动补气的功能，故 升液、充型过程一旦出现超调，控制系统无法调节。 因被控对象的惯性大，执行器的惯性也大，所以控制系统的快速性 比较差。 1 3 计算机控制理论及其发展 计算机控制技术以自动控制理论和计算机技术为基础，它的发展与计算机技 术的发展是密切相关的。 在过去的几十年当中，计算机技术经历了一个飞速发展的过程。与此相随， 计算机的高速发展也带动了控制学科的飞速发展。计算机控制理论是目前研究的 热门方向之一，它结合了计算机技术和控制系统理论，并利用计算机的高速运算 性能完成控制理论算法的实现。同时，控制理论也有大的发展，在四五十年代发 展的经典控制理论被成功地应用到单输入一单输出定常系统的设计当中；到六十 年代初，首先由航天技术发展起来的现代控制理论得到了广泛的使用，扩展到了 多输入一多输出、定常或时变系统的分析和设计领域，所讨论的问题也更加复杂 2 西北工业大学硕士论文第一章绪论 和深入，促进了控制理论的进一步深入发展。这当中，计算机发挥着重要的作用【2 】。 由于计算机具有大量存储信息的能力、强大的逻辑判断能力及快速的运算本 领，为计算机控制系统的设计与实现提供了优越的条件。其主要优点表现在： 可以实现复杂的控制规律，提高控制质量 常规的模拟调节器只能实现单一的调节规律，计算机控制不仅具有p i d 调 节功能，还能实现复杂的控制规律。尤其是智能控制理论的发展，使得人 工智能、运筹学和控制理论合为一体，可以使控制指标进一步得到提高。 控制规律改动方便 模拟调节器要改变控制规律必须对硬件装置进行改动或拆换。而数字控制 只要改动或补充程序就可以很快地适应新的控制要求。 计算机控制投资少，见效快 采用计算机控制既节省原材料又节省劳动力，还可以为企业的大规模集成 化控制和上层决策提供信息。 按照结构形式，计算机控制系统可分成如下两种类型： 集中型计算机控制系统。 它将所有控制功能均集中于一台计算机来完成，包括有很多回路的d d c 控制以及监督管理控制。早期的计算机控制系统通常都采用这种方式。然 而集中型计算机控制系统存在不少问题。首先它的可靠性较差，旦计算 机发生故障，将造成整个工厂或整个系统全面停工；其次，由于台计算 机需要控制生产过程的许多物理量，从而给整个生产过程的操作、启动及 停机都带来不便。 分布式计算机控制系统。 分布式计算机控制系统也称为集散控制系统( d c s ) ，它是7 0 年代发展起来 的一种新型数字控制系统，是计算机、控制、通讯和图形显示等技术有机 结合的产物。分布式计算机控制系统能够更好地适应工业生产规模的日趋 庞大，工艺过程变的更加复杂，管理高度集中，但生产过程却相对比较分 散的生产条件的需求，它出现便显示了强大的生命力。 西北工业大学硕士论文 第一章绪论 c r t 操作台管理计算机 ： iii i 鬻产i 1 嚣ll 燃口i iii 生产过程 图1 一1 分布式计算机控制系统图 图1 1 给出了分布式计算机控制系统的典型功能框图。各部分的功能和组成如 下： 基本控制单元 由分散的微处理机系统组成，主要用于生产过程的直接数字控制。 操作员接口 它是人和机器进行联系、操作生产过程、监视运行状态的设备，通常包括 数据通讯接口、c r t 显示器、键盘、打印机等设备。 i 幻接口单元 主要用于数据的采集及变换处理。 管理计算机 执行高一级的控制功能。 数据总线 依靠它在各个单元之间进行数据通讯。 分布式计算机控制系统具有以下特点： 它是由多个分布的计算机的物理资源和逻辑资源通过互连网形成的一个整 体系统，其中各个单元既相对独立，又相互联系，使系统具备整体控制的 条件，同时还能实现资源共享。 由于各个物理资源在物理上和空间上是独立的，因此必须通过通讯网 络将它们连接起来，并按一定的通讯协议进行信息交换。 有一个高级操作系统对整个系统进行统一管理。 系统的各个资源的操作既是相互合作又是高度自治的。 由于采用了分散化控制结构，每台微处理机只控制一个局部过程，从而 使系统功能分散，负载分散，进而使危险分散，可以提高系统的可靠性。 4 西北工业大学硕士论文第一章绪论 由于系统硬件采用了标准的模块结构，因此扩展容易、使用方便灵活。 1 4 作者承担的主要任务 作者承担的研究工作主要分为以下几个部分： 1 系统总体分析设计工作 根据合作单位对技术指标以及气路图的要求，分析了系统中软件部分和硬件 部分所要实现的具体功能，对电路板的型号进行了选择。 2 硬件工作 在掌握系统工作原理和确定方案的基础上，采用工控板组建系统，实现系统 功能要求，并对工控板的功能进行了测试。系统组织中包括线型选择和现场线路 的搭建、连接和铺设工作。 3 软件设计工作 系统主要采用工业控制计算机结构实现，作者主要负责上位机应用软件的设 计与实现。具体工作如下； ( 1 ) 人机界面 这是系统与用户交互的唯一通道。考虑到实际用户对控制系统了解并不多， 在设计时始终遵循“操作方便，一目了然”的原则。为保证系统的使用安全，控 制开始时要求输入操作者姓名及密码，若输入信息与系统存储的信息不相符，则 不允许进行下一步操作。所有的检测数据尽可能采用简单直观的方式显示，比如 曲线图、工艺流程图、表盘等：考虑到操作入员计算机基础酱遍欠佳有些甚至 没有学过英语，所有界面文字均采用中文说明，并在操作错误时弹出提示框。 ( 2 ) 图板输入及显示 图板输入是系统在自动控制方式下工作时，获取控制参数的途径。用户在输 入图板界面上可以很方便的输入调压铸造的工艺参数指标，系统根据相应参数形 成控制图板；用户确定控制曲线符合要求后，系统将其发送给下位机，同时在主 界面上显示，以便与控制时产生的实际曲线对比。 ( 3 ) 上、下位机通讯 系统运行后，上位机将压力曲线和各种控制命令发送给下位机，下位机将自 身状态、所采集的数据传送给上位机，上位机还要定时查询下位机是否提交故障 信息。两个子系统由此协同工作，所以要制定上、下位机通讯协议，编程实现发 送及接收数据和命令。 ( 4 ) 数据采集、显示及保存 数据采集是整个综合测试系统的关键部分。该系统的检测量多且复杂，既有 模拟量也有数字量，而且各个量所要求的采集速率也不一样，电压量要求反映出 西北工业大学硕士论文 第一章绪论 1 0 秒内的快速变化趋势。所以数据采集过程要求软件与硬件紧密配合，以便准确、 及时地反映出被检测量的变化。 在数据采集的过程中，最主要的是压力信号的采集，把采到的电信号根据插 值表进行计算得到实际的压力值，之后将此压力值实时的显示在屏幕上，绘出实 际铸造曲线，以便操作入员观察铸造流程，及时发现闯题并做相应的处理。铸造 结束后还要将这些数据保存在数据文件中，方便以后进行数据分析和处理。 上位机除了要保存自身采集的数据之外，实验结束后还要将下位机传送上来 的备份数据进行保存，以实现数据采集的双重冗余度。 4 理论工作 由于系统中存在某些不确定因素，所以用枧理分析法只能 寻到近似的模型。 作者在用机理分析法建立模型的基础上，根据现场获得的数据，进行了辨识，准 确确立了系统的模型。通过仿真，用状态空间方法设计了控制器的参数，取得了 满意的控制效果。另外，为了进一步提高铸造精度，考虑了上腔子系统和下腔子 系统输入压力存在耦合的情况，利用现代控制理论的方法设计了基于状态空间的 全状态反馈线性二次型控制器。由于该模型中的压力变化速率不能实测，作者进 一步设计了状态观测器，并构成了补偿系统。最后探讨了传感器故障检测及诊断 的重要意义及方法，分析了调压铸造控制系统的主要故障形式，并在此基础上提 出了容错控制的思路和方法。 5 调试工作 作者多次深入现场进行了一个多月的调试工作。实际系统和理论设计还是有 很大的差别，在调试过程中出现了很多意想不到的问题。作者花了大量时间进行 现场软件和硬件的调试工作，一一解决了系统运行中出现的各种问题，进行了实 际铸造，收到了满意的效果。 1 5 本文的结构安排 本文分为六章，各章内容安排如下： 第一章：绪论 简要说明此研究工作的课题来源，相关背景以及研究意义，并在此基础上介 绍作者的主要工作内容。 第二章：系统总体结构分析与设计 介绍了调压铸造的工艺过程及技术指标，以及调压铸造系统的控制过程。对 控制系统方案的设计也做了简单的叙述。 第三章：上位机的软件设计与优化 6 西北工业大学硕士论文第一章绪论 在简要介绍l a b v i e w 语言的基础上，主要说明了调压铸造控制系统上位机用 户软件的构成、设计与实现，并根据软件与硬件综合调试时出现的问题，对 系统程序进行了优化。 第四章：上位机的硬件结构设计与实现 主要介绍了上位机所使用的各种工控板的性能及连接方式。阐明如何使用工 控板实现各种控制过程。 第五章：系统建模与控制方法研究 主要介绍了如何采用机理分析方法和辨识方法相结合来建立系统的数学模 型。针对系统中输入压力有扰动及祸合的情况，设计了基于状态空间的全状 态反馈线性二次型控制器。由于该模型中的压力变化速率不能实测，进一步 设计了状态观测器，并构成了补偿系统。 第六章：系统的故障检测诊断与容错控制理论研究 介绍了故障检测与诊断以及容错控制的基本理论和方法，分析了调压铸造控 制系统的故障形式以及解决方法。 7 西北工业大学硕士论文第二二蕈系统总体结构分析及设计 第二章系统总体结构分析及设计 2 1概述 2 1 1 调压铸造工艺简介 调压铸造是在高压作用下，将液态金属以极高的速度充填入型腔并在压力下 凝固，从而形成铸件的铸造工艺。 图2 - 1 调压铸造工艺示意图 压缔空气 为了叙述上的方便，本文中将放置型腔的上密封罩内部称为上压腔，而把放 置保温炉、坩埚的下密封罩内部称为下压腔。工艺示意图如图2 - 1 所示。 常规调压铸造的工艺流程为： 压缩空气经阀e 、阀a 和阀b 分别同时进入互通的上、下压腔，当达到铸 造工艺所需要的工作压力时，上下压腔内压力平衡，坩埚内金属液处于静 止状态。 此时，关断互通阀d ，使上下压力腔相互隔绝。然后关闭阀a ，使压缩空 气继续经阀b 进入下压腔，下压腔内的压力继续增加，并使上下压腔间产 s 西北工业大学硕士论文第一二章系统总体结构分析及设计 生一个压力差a p 。 在a p 的作用下，坩埚内金属液通过升液管，经浇口进入铸型中进行充型。 充型结束后，保压一段时问，使铸件在高压下凝固。 待凝固完毕后，打开互通阀d 和阀c 使上下压腔同时放气，结束铸造过程。 对薄壁铸件或复杂的大型铸件，上述的铸造工艺往往难以满足技术要求，因 为调压铸件难以避免的缺陷是内部气孔和疏松，产生的原因在于充型时，型腔内 的气体没有完全排出，且在铸件凝固收缩时也得不到补缩，这对调压铸件的性能 和扩大其应用范围都有不利的影响【”。一种改进的方法就是在浇注l j i 先将型腔和上 下压腔中的气体抽出，形成真空，再进行浇注。这种铸造工艺的特点是：可消 除或减少调压铸件内部的气孔，提高铸件的力学性能和表面质量，改善铸件的镀 覆性能；真空压铸时大大减少了型腔的反压力；可以提高浇注速度，同时不 会产生氧化夹杂物和气孔等缺陷。本文中所讨论的t y 一2 型调压铸造即采用这种 改进的工艺。 另外一种改进的调压铸造的方法是加氧压铸。加氧压铸是在铝合金液充 填型腔前，用氧气充填压力罐和型腔而取代其中的空气f 3 1 。充填时，氧气一方面通 过排气槽排出，另一方面由喷射的铝液与没有排出的氧气发生化学反应而产生氧 化铝微粒，分散在铸件内部，使铸件内不产生气孔。加氧压铸的特点是：消除 或减少气孔，提高了铸件质量。其中提高机械强度达1 0 ，延伸率为1 5 2 倍。 因压铸件内无气孔，可经热处理从而使强度进一步提高，屈服极限增加，冲击性 能也显著提高；压铸件可在2 9 0 3 0 0 摄氏度的环境中工作；结构简单，操作 方便。 总体而言，调压铸造具有如下一系列优点： 可获得最佳的充型速度； 可获得最优质的充型金属液，可避免外来夹杂物进入型腔内： 可获 ：导致密的铸件； 可获得无针孔或少针孔的铸件； 铸件尺寸精度与表面质量改善，不会引起铸型的变形或使铸件表面机械粘 砂； 可提高铸件抗拉强度、伸长率等力学性能； 能用气体作为合金元素，高压下能提高气体溶解度，故可往一些合金( 如 钢) 中溶入n ，提高合金强度和耐磨性能。 2 1 2t y 一2 型调压铸造控制系统的技术要求 根据t y 一2 型调压铸造的工艺要求，上下压腔期望压力控制曲线如图2 2 所 西北工业大学硕士论文第二章系统总体结构分析及设计 示。在图2 - 2 中，曲线l 为下压腔期望压力控制曲线，曲线2 为上压腔期望压力 控制曲线。从图中可以看出，t y 一2 型调压铸造共可分为如下几个阶段： 第一阶段( o ) ：上下压腔抽真空 第二阶段( f ：) ：升液充型 第三阶段( ， 厶) ：保压 第四阶段( t 3 t 4 ) ：卸压 第五阶段( t 4 ，) ：放气并结束铸造 压力( 1 e a ) 。j 一、 、么 时问( 分钟， 图2 _ 2 秆一2 型调压铸造期望压力控制曲线 根据调压铸造的工艺原理，在设计相应的计算机控制系统时，必须考虑如下 四个要素：充型前型腔内的初始压力、上下腔压差、调压速度和保压时间。在抽 真空阶段，要求上下压腔的真空度接近一0 1 m p a ；在升液充型阶段，因为上下压 力腔之间的压力差a p 决定了调压铸造的铸件质量，所以要求a p 总的控制精度小 于l ，同时还要求上下压腔压力上升曲线的斜率保持不变，压力上升速度应能达 到0 0 2 m p a s ，并且升液充型的过程必须在1 0 秒钟内完成；在保压阶段，要求a 、 b 两点处的上下腔压力不能出现振荡，否则，将有可能使上下压腔内的压力出现反 相，无法保证a p ，更严重的是有可能使金属液倒流回下腔，给安全生产带来灾难 性的后果。因此，设计合理有效的控制规律，采取严密的保护措施，是成功设计 该控制系统的关键。 2 2 t y 一2 型调压铸造控制过程 在t y 一2 型调压铸造控制系统中，气路系统作为执行机构实现调压铸造过程 中上下压腔内的压力控制。控制系统通过改变4 个气动调节阎的开度控制气体流 1 0 3 2 i o i t 一 西北工业大学硕士论文 第二章系统总体结构分析及设计 量，进而控制上下压力腔内的气体压力。1 3 个电磁阀起到接通或断开所在气路的 作用，通过控制这1 3 个电磁阀完成相应的铸造步骤。开始工作前，所有的电磁阀 全部关闭。 气路系统的工作过程可以概括为： 开真空泵 合模，加温，关手动阀、开电磁阀、真空泵，同时将调节阀打开，开始 对真空罐抽真空，使真空罐压力接近- - 0 i m p a 。 开压力泵 打开压力泵，开始给压力罐加压，使压力罐压力接近0 6 m p a 。 上下压腔抽真空 开电磁阀，开始对上下压腔抽真空，当接近所需真空度时，保持一段时 间，等待下一步操作。 升液、充型、保压 打开电磁阀，开始升液充型，在此过程中，上腔入口调节阀和出口调节 阀协调动作控制上腔压力按照期望值变化；同时下腔入口调节阀和出口 调节阀协调动作控制下腔压力，并使上下压腔的压力差按照期望值变化。 卸压 充型结束进入保压过程，当保压时间结束后打开互通电磁阀，关闭调节 电磁阀，则上下压腔气体互通，开始卸压。 试验结束 打开电磁阀使压力罐、上下压腔内的压缩气体排入大气，结束试验。 驼3 t y 一2 型调压铸造控制系统方案 图2 3 所示为t 1 一2 型调压铸造计算机控制系统结构图。其中上位测试计算 机主要负责人机交互以及数据的采集与显示，下位控制计算机主要完成铸造过程 中上下压腔的压力控制。上位机与下位机之间的通讯靠r s - - 2 3 2 标准来实现。 西北工业大学硕士论文第二章系统总体结构分析及设计 引q j上位机 t 。 t 下位机 i， l 接口刖d 采集a d 呆集d i a 输出i o 接口 l 么 i i 输 压压 输输输 入 力力 出出入 端接接转端端 子 口口 化子子 板板 板板板板 广 - i r 78 4 调 1 3 磁 rj 路路 路节 路阔鼓； 图2 - 31 h y 一2 型调压铸造计算机控制系统结构图 计算机控制系统的工作过程为：将上腔和下腔实际压力通过压力传感器测量 回来并进行a d 采集，然后在计算机内将期望的上腔和下腔压力与实际测量值进 行比较，之后将偏差量作为数字控制器的输入信号，经过计算机控制算法运算， 然后通过d a 转换输出模拟控制量驱动执行机构以调节上腔压力和上下腔压差达 到期望值。上位机采用标准工控机，编程语言采用组态软件l a b v i e w ，使用l a b v i e w 有助于提高程序的可靠性和界面的美观性。上位机只进行a d 模拟量采集和d i 状 态量采集，并不具有输出功能，它通过向下位机发送相关命令来间接控制完成铸 造过程。下位机也采用标准工控机，编程语言为b o r l a n dc + + 3 1 。下位机进行 a d 模拟量采集和d i 状态量采集的同时还具有输出控制功能，包括模拟量和数字 量的输出。下位机主要以上下压腔期望的压力控制曲线为依据控制各进口、出口 调节阀的开度，从而控制进入上下压腔内的压缩气体的流量，以此达到控制上下 压腔气体压力的目的。 开始进行铸造时，首先由上位机通过串口将工艺参数传给下位机，当下位机 1 2 西北工业大学硕士论文第二章系统总体结构分析及设计 接收到上位机传送的工艺参数之后，为了保证铸造过程的准确性及安全性，可依 次执行标零、d a 调试、i o 调试等命令。标零程序对压力传感器的初始压力进行标 定；d a 调试对4 个压力调节阀进行阀开和阀闭的调试；i o 调试对电磁阀的功能进 行调试。确定各功能元件能够正常工作后，上位机再依次向下位机发送如下的控 制指令：开压力泵；开真空泵；抽取真空；升液铸造；卸去压力； 恢复初值等。下位机接受到这些指令后，控制相应的调压铸造工艺流程。上位机 可以向下位机发送命令和数据，下位机也可以向上位机发送压力采集数据及应答 信息等。 另外，如图2 3 所示，4 路气动调节阀作为执行机构控制上腔压力和上下腔 压差；1 3 路电磁阀用以控制气路系统不同节点处的接通与断开，以完成既定的铸 造工艺流程；8 路报警信号被采集到计算机内，使计算机能够完成报警处理。 铸造过程中，上位测试机与下位控制机共同采集、处理六路压力量。这六个 量来自六路压力传感器，它们分别是；压力罐内的气体压力；上下压腔入口 的气体压力；真空罐内的气体压力；上压腔内的气体压力；下压腔内的气 体压力；上下压腔的压力差。 本章小结 本章首先简要介绍了调压铸造的基本概念及调压铸造的工艺流程及技术要 求，并详细的说明了系统的工作过程。在此基础上，阐述了t y 一2 型调压铸造控 制系统的设计方案。该方案能够有效地提高调压铸造过程的安全性和可靠性。 西北工业大学硕士论文第二章上位机的软件设计与优化 第三章上位机的软件设计与优化 对一个计算机测量控制系统来说，软件编程是整个系统设计中最重要的任务 之一。作者主要以工控组态软件l a b v i e w 实现t y 一2 型调压铸造系统上位机应用 软件的编写，完成人机界面、控制曲线输入、控制指令发送、实际压力曲线回显、 故障报警处理以及实时数据采集、存储和打印等功能。程序兼具人机界面友好、 操作步骤简单、保护措施严密等优点。本章在介绍l a b v i e w 语言的基础上，选择 介绍上位机的几个比较主要的应用程序。 3 1l a b v l e w 语言介绍 l a b v i e w 是美国国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ) 在1 9 8 6 年推出的一种 革命性的图形编程语言，开创了虚拟仪器的新纪元。使用者可以以一般的电脑搭 配经济的硬件设备来建立自己的仪器控制系统。l ab _ v i e w 是一个通用软件的开发 平台，在一般的数据管理、科学计算等方面，在l a b v i e w 环境下可以开发出优秀 的应用程序。但是l a b v i e w 最大的优势还在于测控系统的开发，因为它不仅提供 了几乎所有的经典的信号处理函数和大量现代的高级信号分析工具，而且 【盘b v i e w 程序还非常容易和各种数据采集硬件集成，可以和多种主流的工业现场 总线通讯以及大多数通用标准的实时数据库链接 4 1 。 l a b v i e w 是一种基于图形编程语言的开发环境。它功能强大、灵活方便，与 c 、p a s c a l 、b a s i c 等传统编程语言有着诸多相似之处。例如：相似的数据类型、数 据流控制结构、程序调试工具，以及模块化的编程特点等。但二者最大的区别在 于：传统编程语言使用文本语言编程；而l a b v i e w 使用图形化语言，即各种图标、 图形符号、连线等来进行编程。 l a b v i e w 语言具有如下特点； l a b v m w 使用“所见即所得”的可视化技术建立人机界面，并且是针对测试 测量过程控制领域的。l a b v i e w 提供了许多仪器面板中的控制对象，如：表头、 旋钮、开关、坐标图等。用户还可以通过控制编辑器将现有的控制对象修改为适 合自己工作领域的控制对象。 l a b v i e w 使用图标表示功能模块，使用图标之间的连线表示各模块间的数据 传递。因为使用为大多数工程师和科学家熟悉的数据流程图示的语言书写程序代 码，所以编程过程和思维过程非常相似。这样不仅使编写程序变得简单而且写出 来的程序更容易理解。 1 4 西北工业大学硕士论文第二章上位机的软件设计与优化 l a b v i e w 继承了高级编程语言的结构化和模块化的优点。它支持模块化、层 次化设计。在一个v i ( 在l a b v i e w 环境中开发的一个程序) 中可能包含了许多 子v i 。这种层次结构的设计增强了程序的可读性。 l a b v i e w 提供了多种程序调试方法。用户可以在源代码中设置断点；单步执 行源代码；在源代码中数据流连线上设计探针，观察程序运行过程中数据的变化。 因为可以直接显示数据的流动，所以l a b v i e w 的调试功能相对其他程序的调试更 加直观，更易于分析出程序中的错误。 l a b v i e w 采用编译方式运行3 2 位应用程序，解决了其他用解释方式运行程序 的图形化编程平台运行速度慢的问题。 l a b v i e w 支持多种操作系统平台，如：m a c i n t o s h 、p o w e rm a c i n t o s h 、h p u x 、s u ns p a r c 、w i n d o w s 3 x 、w i n d o w s 9 8 2 0 0 0 、w l n d o 、s n t 等。在以上任何 一个平台开发的l a b v i e w 应用程序都可以直接移植到其他平台上。 l a b v i e w 提供了大量的函数库供用户直接调用。从基本的数学函数、字符串 处理函数、数组运算函数和文件i o 函数到高级的数字信号处理函数和数值分析函 数。从底层的v 仪器、数据采集板和总线接口硬件的驱动程序到世界各大仪器 厂商的g p i b 仪器的驱动程序，l a b v i e w 都有现成的模块帮助用户方便迅速组建自 己的应用系统。 l a b v l 脚是一个开放的开发平台。l a b v i e w 提供了动态链接库( d l l ) 接口和 c l n 节点。这样用户可以使用其他软件平台的模块来完成l a b v i e w 本身无法实现 的功能。如为自己设计的板卡编写驱动程序模块。 利用d d e 技术，l a b v i e w 可以方便的调用其他应用程序提供的功能。同时利 用丰富的a c t i v e x 模块可以轻松的实现扩展功能。 l a b v i e w 运用了多线程技术改善了系统的运行速度和可靠性。 可用多种语言把l a b v i e w 作为服务器调用l a b v i e w 程序。 3 2 上位机系统软件设计及优化 3 2 1 上位机系统软件的整体介绍 在软件设计中，结构化的程序设计方法遵循自顶向下逐步细化的原则，使系 统软件易于调试、测试和维护。本系统中的上位机软件设计就采用了这样的方法。 如图3 - 1 所示，测试系统软件主要由人机界面模块，登陆确认模块，串口通 讯模块，数据处理模块，控制面板模块等组成。 西北工业大学硕士论文第二章上位机的软件设计与优化 图3 - 1 测试计算机软件结构图 根据调压铸造原理和系统的气路设计方案及硬件实现方案，设计上位机程序 流程图如图3 2 所示。 主程序一旦进入运行状态，为保证实时监控系统状态，8 1 2 模拟信号采集和 7 2 4 数字信号采集随即启动。随后6 路压力信号、1 3 个电磁阀信号、报警信号等 就处于实时监控状态，直到铸造结束，上下型腔卸压完成，数据采集程序才停止 运行。 程序运行时，首先要求用户通过身份验证，即输入有效的用户名和密码之后 才可以进行下面的操作，否则程序界面的按钮处于非使能状态，不合法用户不能 进行任何的操作。在对各个元件进行调试后，按下“发送图板”按钮，运行曲线 输入程序输入期望的压力曲线。输入“确定”后，上位机将曲线数据发送给下位 机。 1 6 西北工业大学硕士论文 第二章上位机的软件设计与优化 未通过 图3 - 2 上位机程序流程图 之后，用户进入控制面板程序，分别顺次按下“开压力罐”、“开真空罐”、“抽 真空”、“升液铸造”、“卸压”等按钮来控制铸造工艺流程。上位机实时采集存储 数据，并将上下型腔实际压力曲线在主界面上显示；铸造过程中，用户还可以按 下上位机主程序界面的“工艺流程”按钮来运行工艺流程程序以实时监控系统工 艺流程。在“控制面板”程序的主界面右上角有两个红绿信号灯，当软件检测到 报警信号时，信号灯交错闪烁示警，操作人员可以及时进行处理。必要时，可点 击界面的“紧急卸压”按钮将型腔内的压力卸掉，确保安全。当上下腔压力达到 所需的控制指标后，进入保压状态，程序开始计时。保压时间达到，系统会自动 卸压。最后，在控制面板上有一个“恢复初值”按钮，可将系统各个阀门置初值。 实验结束后，下位机将备份数据发送给上位机，与上位机采集的数据进行比 较。用户根据需要进行曲线回显、打印等处理工作。 1 7 西北工业大学硕士论文 第二章上位机的软件设计与优化 3 2 2 登陆确认模块的设计 在主程序运行后，用户需要进行的第一步操作是登陆，输入有效的用户名和 密码之后才有权进行下面的操作。图3 3 和图3 - 4 为登陆确认模块程序的后面板图。 图3 3 登陆确认模块的程序后面板图( 1 ) 这个程序的主要部分由一个选择结构c a s es t r u c t u r e ，顺序结构s e q u e n c e s t r u c t u r e 以及w 蛐e 循环构成。其中选择结构含有两个子框图，分别是“t r u e ”和 “f a l s e ”，每个子框图的一段程序代码对应一个c a s e 选项，程序运行时选择其中 一段执行。 在基于文本的编程语言中，程序是按语句的出现顺序执行的。而在数据流程 序中，只要一个节点所有需要输入的数据全部到达就开始执行。如果有时需要某 个节点先于其他节点执行，可以用顺序结构作为控制节点执行次序的一种方法。 西北工业大学硕士论文第二章上位机的软件设计与优化 图3 - 4 登陆确认模块的程序后面板图( 2 ) 3 2 3 压力传感器标定程序的设计 压力传感器在使用一段时间后，精度会发生变化，这是就需要重新标定。为 系统维护方便起见，设计了相应的标定程序。 标定程序是以标准传感器测得的标定值为依据，计算出其他电压值对应的压 力，即数学上的插值问题，程序采用的是线性插值算法。表3 1 和表3 - 2 分别为上 腔和下腔的压力传感器标定数据。 表3 1 上腔压力传感器标定数据 压力( m p a )电压( v )压力( m p a )电压( v ) 8 6 21 2 6 9 1 4 13 1 o3 4 6 8 6 2 5 7 0 61 5 6 3 5 2 53 5 43 5 4 6 8 2 6 6 1 2 7 4 1 5 5 33 9 o3 6 17 6 2 7 - 4 9 21 9 7 0 0 6 84 1 o3 6 5 6 9 3 4 - 4 0 52 1 2 8 2 7 14 5 13 7 3 1 8 3 6 3 0 5 2 3 1 8 6 0 44 7 9 3 7 8 6 4 7 5 - 2 0 42 5 0 7 1 7 85 1 93 8 5 9 5 2 1 1 0 42 6 9 6 1 3 95 6 63 9 4 5 9 9 6 o 12 8 9 0 7 7 l6 1 64 0 3 9 0 1 4 5 12 9 8 5 3 5 26 8 24 1 6 3 7 7 0 1 0 73 0 8 9 5 0 27 6 74 3 2 0 0 0 0 1 5 93 1 8 6 5 7 29 6 44 6 8 9 4 0 4 2 0 73 2