（机械制造及其自动化专业论文）板片冲压柔性生产线的控制系统的设计与研究.pdf

摘要 摘要 本文主要介绍了冲压生产线的控制系统的研究。通过单片机+ p l c 与工控机 + 数据采集卡两种控制方案的比较，最终采用了第二个控制方案。在本文中采用 了工控机作为主控机，通过数据采集卡以及p i d 控制器和伺服驱动器实现了工 控机与现场设备之间的通信。 在生产的过程中，送料精度直接影响产品的质量。因此，本文着重研究了 送料系统的控制。送料系统采用了由p i d 控制器、伺服驱动器、光电编码器、 测速发电机共同构成的速度环和位置环的双环闭环控制系统。将光电编码器和 测速发电机反馈回来的信号送入工控机，通过工控机的计算，再将调整后的数 据传送给p i d ，利用改变p i d 控制器中的比例、积分、微分各环节的系数来改 变p w m 脉冲的频率和宽度以改变电机的转速和定位。送料系统的纠偏采用的是 宽光束对中传感器，通过它的检测并将信号放大后，利用执行机构将板料的中 心连续地控制在一定的位置上。 第四、五、六章分别介绍了送料系统采用的改进型p i d 的控制算法，控制 系统的软件设计和基于s i f l j l i n k 的控制系统仿真。根据仿真结果进行分析，最 终肯定了改进型p i d 控制算法在送料系统中的应用。 关键词：p i d 控制器：伺服驱动器：p w m ；闭环控制：s i m u l i n k ：速度环；位置 环 a b s t r a c t a b s t r a c t t h i sp a p e rd i s c u s s e st h es t u d y i n gs c h e m eo ft h ec o n t r o ls y s t e mo fp r e s s i n g p r o d u c t i o nl i n em a i n l y i tt a k e st h ec o n t r o ls c h e m ew h i c ht a k e st h ei p ca st h em a i n c o n t r o l l i n gc o m p u t e ra n da c h i e v e st h ei p ct oc o m m u n i c a t ew i t ht h el o c a l eb yd a t a c o l l e c t i o nc a r da n dn u m e r i c a li n t e l l e c t i v es e r v od r i v e r s i td e s c r i b e st h ec o n t r o l l i n g p r o c e s so f t h ep r o d u c t i o nl i n ei nd e t a i li nt h ep a p e r i nt h ep r o d u c i n gp r o c e s s ，t h et r a n s f e rp r e c i s i o na f f e c t st h ep r o d u c t i o n sq u a l i t y d i r e c t l y t h e r e f o r e ，t h ep a p e rs t u d i e st h ec o n t r o lo ft h et r a n s f e rs y s t e mm a i n l y t h e t r a n s f e rs y s t e mt a k e st h ec l o s e dl o o pc o n t r o l l i n gw h o s es p e e dl o o pa n dl o c a t i o n l o o pa r ec o m p o s e do ft h ep i dc o n t r o l l e r ，t h es e r v od r i v e r ，p h o t o e l e c t r i cc o d e ra n d t h es p e e dg e n e r a t o r i tp u t st h ef e e d b a c ks i g n a lo ft h ep h o t o e l e c t r i cc o d e ra n dt h e s p e e dg e n e r a t o ri n t ot h ei p c ，t h e nt r a n s f e rt h ea d j u s t e dd a t ab yt h ec a l c u l a t i o no ft h e i p ct ot h ep i dc o n t r o l l e r i tc h a n g e st h ef r e q u e n c ya n dw i d t ho ft h ep w m p u l s et o c h a n g et h er o t a t es p e e do ft h em o t o ri nt e r mo fc h a n g i n gt h ec o e f f i c i e n to ft h e p r o p o r t i o n ，i n t e g r a l ，d i f f e r e n t i a lc o e f f i c i e n tt a c h e s t h er e c t i f yad e v i a t i o no f t h e t r a n s f e r r i n gs y s t e mt a k e st h eb e a ms e n s o r i tm a k e st h es i g n a lw h i c ht h es e n s o r c h e c k u pm a g n i f y ，h a st h ez e r oo ft h ea r m o rp l a t et ol o c a t eo nt h ed e f i n i t el o c a t i o n b yu s i n gt h ea d m i n i s t e rf r a m e w o r k t h ef o n h f i f t ha n ds i x t hc h a r t e r sd i s c u s sr e s p e c t i v e l yt h a tt h et r a n s f e rs y s t e m t a k e st h ec h a n g i n gp i dc o n t r o l l i n ga r i t h m e t i c ，t h es o f td e s i g n i n go ft h ec o n t r o l s y s t e ma n dt h ef a n g z h e no ft h ec o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h es i m u l i n k i nt e r mo f t h ef a n g z h e nf i n d i n g s ，i ta f f i r m st h ea p p l i c a t i o no ft h ec h a n g i n gp i dc o n t r o l l i n g a r i t h m e t i ci nt h et r a n s f e rs y s t e m k e yw o r d s ：p i d ；s e r v od r i v e r s ；p w m ；c l o s e dl o o pc o n t r o l l i n g ；s i m u l i n k ；s p e e d l o o p ；l o c a t i o nl o o p 学位论文版权使用授权书 本人完全了解北京机械工业学院关于收集、保存、使用学位论文 的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和 电子版本：学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、 缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以 及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向 国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目 的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活 动。 学位论文作者签名：嚏艳：诠 副彩年弓月2 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月日 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人刨作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：氲籼 ：z , 0 4 年弓月 1e t 第1 章引言 1 1 选题的背景 第1 章引言 在我国，金属板材冲压成形行业大而分散，其中，大规模的冲压生产企业 又大多集中在汽车生产领域。国内的换热器生产大多数还都没有实现自动化， 绝大多数厂家的生产还是依靠人工操作，不仅生产效率低下，换热器的质量还 很难保证。而换热器在我国的工业生产领域应用十分广泛，有着很大的发展前 景。其实板式换热器不仅应用于化工，还应用于供暖、空调、给排水、食品、 造纸，船舶等行业，凡涉及液一液热交换、可凝汽一液体热交换的工艺场合均可 使用。 目前我国的换热器生产线仍以机械电器控制为主，相当于发达国家2 0 世纪 7 0 年代水平；一部分采用微机控制的生产线虽然实现了自动化，但是只能适应 一种型号的换热器，不能满足各个行业对换热器的巨大需求；大型的、高质量 的换热器为国外所垄断，也使换热器的使用企业支付过高的成本，国内换热器 企业因生产效率和质量问题无法与其竞争，同时国外先进的换热器生产厂家也 对国内实行技术保密以垄断高额利润。为了解决这种问题，在北京市教委的支 持下，联合北京海淀永大机电设备有限公司对柔性化、智能化的换热器片自动 化生产线进行了研究。 1 2 研究的目的和意义 随着社会生产力的发展，生产制造业的发展呈现出三种明显的趋势。 一、自动化水平越来越高。生产设备从手工到机械，直到自动化。生产率大大 提高，生产节奏加快。 二、柔性化水平也越来越高。随着市场竞争的需要，多品种、小批量产品日益 增多。在欧美和日本的制造业中，中小批量生产的产品在数量上约占8 5 ，在产 值上约占6 0 - 7 0 。 三、生产规模不断扩大，专业分工越来越细。 第1 章引言 板片冲压自动化生产线的实现对提高我国冲压行业的生产技术水平，改变 生产的落后局面具有重要意义。随着我国冲压技术水平的不断提高，各种冲压 自动化装置在实际生产中的应用越来越普遍，与传统手工冲压相比，自动化冲 压具有安全、高效、节材等优点，是板材加工技术的发展方向。随着计算机技 术和控制技术的发展，特别是数字化加工技术的飞速发展，传统的机械加工设 备的控制方法e 在以计算机控制为核心的新技术所代替，快速丌发计算机控制 系统就成为了计算机控制系统设计的重要问题。 由于工控机具有可靠性高、实时性好、环境适应性强、系统通信功能强等 特点，因此利用工控机控制的自动化生产充分利用了计算机、自动化、控制和 通讯方面新出现的先进技术对提高换热器生产的技术水平具有重要的理论意义 和应用价值，特别是利用先进的计算机、控制等最新技术达到降低生产成本， 使生产和企业管理运营融合，提高企业与国外企业的竞争能力。 1 3 国内外的研究现状 制造自动化控制技术是当前制造技术发展的趋势之一，特别是自动化的控 制与通讯是研究的重点，先进的控制方法和顺畅的通讯既可以实现大型工厂的 联网自动化协作生产，又可以通过通讯把管理、生产和销售连为一体：目前， 无论是广泛应用的集散控制系统还是发展前景广阔的现场总线系统都充分利用 了串行通讯或总线通讯，提高了通讯速率，增强了系统的数据实时处理能力。 美国是制造自动化控制技术思想的发源地之一。柔性化、智能化的制造自动化 是未来制造业自动化的发展方向，所以美国政府将制造自动化技术视为2 l 世纪 占领世界制造技术领先地位的基石之一，把实现柔性化、智能化的控制与通讯 作为发展的关键。同时，其他发达国家，象英国、日本、德国、瑞典、甚至加 拿大、澳大利亚也不甘落后，先后进行了制造自动化的控制与通讯的研究，尤 其是美国的研究最富成果。 目前，国内关键冲压设备的技术水平与上世纪9 0 年代相比有了长足进步， 如具有大吨位、大行程、大台面，具有大吨位气垫、滑块气垫，具有机械手上 下料系统，具有高速度、高精度，具有全自动换模技术，具有功能完善的触摸 屏监控技术，等等。目前对冲压自动化问题的研究主要涉及模具结构、工件上 下料、毛坯开垛上料、工件码垛和安全问题五个方面。工件上下料主要用上下 第l 章引言 料机器人。1 9 8 3 年工业控制计算机列入国家计算机系列型普及发展规划，在国 家的大力支持下，经过全国工业控制计算机行业的共同努力，我国工业控制计 算机( 包括工业控制计算机系统，分散型工业控制计算机系统，工业控制功能 模板系列，自动测试系统和数控，程控装置五大系列) 技术、产业、应用都有 了大的发展。国家8 6 3 计划c i m s 主题专门设置了“制造自动化”技术专题，每 年均设置了一定数量的研究课题；全国高校中建立了“全国高等学校制造自动 化研究会”，每两年一次学术大会，围绕制造自动化主题作了大量研究，如浙 江浙大中自集成控制股份有限公司的t d c s 9 2 0 0 集散控制系统、大连爱克新仪器 有限公司a 1 0 5 2 5 0 0 系统、浙江威盛自动化公司的f b 一2 0 0 0d c s 系统及台湾省研 华公司的现场总线控制系统都已进入到了实用阶段。 在大量生产中，实现冲压生产自动化对于提高冲压生产率和保证操作安全 具有重要意义，同时对于一个公司的发展也有很重要的作用。通过调研发现在 市场流行以下几种自动化生产线： s - t 4 4 系列生产线：主要由开卷线、校平机、中间输送架、剪板机、机动 送料架、落料台、电气控制柜等七大部分组成。它能有效地控制卷的跑偏，定 长尺寸准确，生产效率高，料头送入校平机后，能自动地完成金属卷板的开卷、 校平、剪切、落料的全过程。 b s t 4 4 系列半自动型生产线：主要由上料车、开卷机、校平机、中间输送 架、简易测量定长控制装置、剪板机、带式输送机、垛料台等组成。 z s t k 4 4 系列自动型生产线：主要由钢卷入料台车、开卷机、开卷机械手、 铲板引料机、校平机、引渡架、n c 电脑控制送料机、剪板机、带式输送机垛料 台等设备组成。通过数控、光控、液控实现精确的分时动作，全自动地将卷筒 钢板开卷一剪切一落料。此生产线获得二项国家专利。 b s t 4 4 4x1 8 0 0 系列自动型生产线：该系列生产线由开卷机，校平机，中 间输送架，剪板机，机动送料架，落料台，电气控制柜等七大部分组成。它能 有效地控制板料的跑偏，定长尺寸准确，料头进入校平历后，能自动地完成金 属卷板的开卷、校平、剪切、落料的全过程。除此之外，还可根据用户的要求 改变校平和送料的宽度。 目前，国外己研制成功多种类型的上下料机器人，可实现闭环控制，并能 够与压力机以及辅助设备实现联动。夹钳及工件的运动路线可采用键盘数字编 程，或示教模拟编程。此外，控制系统还具有动作监视盒故障诊断功能。除夹 第l 章引言 钳以外，上下料机器人还可以用真空吸盘和电磁吸盘来运送工件。 另外一个研究的重点就是自动化生产线各自动化装置之间动作协调的一致 性，因为各种自动化装置通常是以生产线的方式和电机、压力机等组合在一起 使用。目前主要使用计算机和微控制器实现这个功能。 1 4 过程控制的研究现状0 1 从五十年代开始，随着工业的发展与控制要求的提高，除了简单的控制系 统以外，各种复杂控制系统业发展起来了；到六十年代，现代控制理论迅猛发 展，数字计算机出现并迅速在过程控制中得到了广泛应用。从七十年代开始， 微处理器出现了，以微处理器为主要构成单元的微计算机也出现了，把微计算 机应用到过程控制，使过程控制取得了长足的发展。 现在工业装置的规模很大，被测变量和控制回路数目很多；同时，自动化 的要求也越来越高，除了控制和检测以外，需要把管理职能也结合起来，而且 除了连续过程以外，也需要考虑间歇( 批量) 过程。在这种情况下，用若干台微 计算机来控制，显然比用一台集中的小型或中型微计算机灵活、方便和可靠得 多。于是，各种总体分散控制装置就发展起来，在大规模生产装置上得到日益 广泛的应用。今天已发展到信息时代，用微计算机网络或用总体分散控制装置 来控制生产已成为现实，成为趋势。 1 5 研究方法 通过工控机+ 数据采集卡的方案与单片机+ p l c 的方案进行比较，本文最终确 定了采用工控机+ 数据采集卡的控制方案。通过数据采集卡p c l - 8 1 2 p g 和p c l 一8 3 6 实现工控机和开卷机、校平机、冲压机以及剪切机之间的通信。送料系统则采 用了由测速发电机、光电编码器魄及p i d 控制器构成的闭环控制系统。由测速 发电机和光电编码器分别对伺服电机的转速和位置进行反馈，通过工控机的计 算，输出指令调整p i d 参数，实现伺服电机的转速和位置的校正。为了提高系 统得控制精度，提高相应速度，本文又采用了综合可积分分离和带死区的p i d 的控制算法，在工控机上能较好地实现。最后通过s i m u l i n k 对系统进行了仿真， 检验了研究方法的正确性。 第2 章生产线的组成及控制方案 第2 章生产线的组成及控制方案 2 1 生产线的组成 整条生产线由开卷、涂油、校平、冲压、剪断、下料等几部分组成。生产 线的工艺流程图如图2 1 所示。图2 2 为生产线的俯视图和正视图。 摩嗽庸 曰司目乙广 h l 叫 j luu目 h 野li广 i h 图2 1 生产线工艺流程图 图2 2 生产线局部图 1 开卷机初始上料部分。在开卷机中有一个直流电机，其作用是当生产 任务结束时，电机反转将还存留在生产线上的剩余板料放在开卷机上。 2 校平机满足板料加工的平整性。在校平机中有一个直流电机，主要是 用它来带动板料进入储料仓，并通过调整它的转速来调整储料仓中的剩余 料情况。 3 送料机构在本设计中采用的是单边辊式送料装置。送料机构中有一个 直流伺服电机，通过工控机、驱动器和p i d 控制器共同控制电机直接驱动 第2 章生产线的组成及控制方案 送料机构。 4 冲压机床采用数控冲压机床。 5 剪切机剪切板料成型。 2 2 生产线控制方案的确定 方案一是主控机采用p l c 和单片机的控制，通过可编程控制器可对其进行 程序的编写操作，单片机控制系统作为主控机的辅助控制系统。生产线中的多 数开关量信号采集电路采集，送入p l c 之中。经p l c 处理后，输出开关量经过 开关量输出驱动电路输出，并控制生产线各个控制单元。单片机控制系统主要 完成产品参数的数据采集，以及工作状态的显示输出，同时其还可以完成步进 电动机工作状态的驱动信号输出。 方案二是主控机采用工控机，这是一个计算机控制方案，用工控机作中央 处理单元。控制系统可根据所选定的产品类型自动协调控制由开卷机开始的生 产线，通过对相关生产工序的有关参数的检测和反馈控制，以保证产品的尺寸 精度和质量的稳定性：通过程序的智能化处理以保证在非正常情况下的正常工 作，并达到最大程度的节约。 具体的操作是通过数据采集卡与现场的设备进行通信。通过模拟量的数据 采集卡将设备的工作状态数据送入工控机中，然后工控机进行分析调整，再将 调整后的数据通过输出端送回设备中指导设备进行下一步的工作。送料系统则 是由工控机和伺服控制来共同完成的。 工控机有它自身的优点，主要表现在以下几方面嘲： ( 1 ) 可靠性高。工控机通常用于控制不问断的生产过程，所以他有许多提 高安全可靠性的措施，以确保平均无故障工作时间( m t 8 f ) 达到几万小时，同 时能缩短故障修复时间，能达到很高的运行效率。 ( 2 ) 实时性好。工控机对生产过程进行实时控制与监测，它能实时地响应 控制对象各种参数的变化。当过程参数出现偏差或故障时，工控机能及时响应， 并能实时地进行报警和处理。 ( 3 ) 环境适应性强。工控机具有很强的环境适应能力，如对温度湿度变 化范围比较大；具有防尘、防腐蚀、防振动冲击的能力；具有较好的电磁兼容 性和高抗干扰能力以及高共模抑制的能力。 6 第2 章生产线的组成及控制方案 ( 4 ) 过程输入和输出配套较好。工控机具有丰富的多种功能的过程输入和 输出配套模板，如模拟量、开关量、脉冲量、频率量等输入输出模板。具有多 种类型的信号调理功能。 ( 5 ) 系统扩充性好。工控机具有灵活的扩充性。 ( 6 ) 系统开放性。在主机接口、网络通信、软件兼容及升级等方面遵守开 放性原则。 ( 7 ) 控制软件包功能强。工控软件包具备人机交互方便、画面丰富、实时 性好等性能。 ( 8 ) 系统通信功能强。具有串行通信、网络通信功能。 由于工控机的以上几个特点，本文采用了方案二。基于工控机的自动化生 产线控制系统最大程度的利用了工控机的控制能力与可靠性和超强的数据处理 能力，更好地实现了系统的控制精度。 2 3 系统的控制过程 首先是人工初始上料，然后通过p c l 一8 1 2 p g 板卡起动校平机中的直流电机。 当送料机构中的传感器检测到板料时，工控机通过板卡向送料机构中的锁紧机 构发送信号将板料锁紧。然后给伺服电机一个信号起动电机，带动板料前进： 当板料被送到第一次冲压的位置时，锁存寄存器，停止伺服电机转动；工控机 发出信号，控制冲压机中的模具移动到冲压的位置，然后进行第一次冲压：当 冲压完成后模具抬起，由冲压机给工控机发送一个信号，工控机打开寄存器控 制伺服电机继续送料到第二次冲压的位置，冲压的控制过程与第一次相同：当 板料二次冲压成型后，继续送料，然后工控机给剪切机发出信号剪切成型。在 整个冲压的过程中，数据采集卡p c l 一8 1 2 p g 通过l m s 中断程序定期控制光电传 感器和宽光束对中传感器。光电传感器检测储料仓中的剩余料情况，实时控制 校平机中的直流电机的转速来控制料仓中的板料：宽光束对中传感器实时检测 板料是否发生偏移，通过执行机构将板料连续地控制在传送轨道的中心。 当系统中的某个工序发生故障时，将发出报警通知维修人员，并停止一切 加工工序。 第2 章生产线的组成及控制方案 2 4 小结 在本章中主要介绍了冲压生产线的组成、控制方案的确定以及控制系统的 控制过程。通过比较最终确定了基于工控机的控制方案，基于工控机的控制系 统能够充分利用工控机的可靠性高、实时性好和系统通信功能强等特点，更好 地实现系统的控制精度。在控制系统的控制过程部分详细阐述了整个系统的工 作流程。 第3 章控制系统的设计 第3 章控制系统的设计 3 1 l p c 控制系统的硬件组成 冲压生产线控制系统的硬件主要由工控机、数据采集卡和一些传感器构成 它们之间的通信关系如图3 1 所示。 3 1 1 板卡的介绍嘲 图3 1 控制系统框图 p c l 一8 1 2 p g 是由研华公司生产的多功能模拟及数字i o 板，是i s a 数据总 线上的插板，板上具有1 6 路1 2 位单端模拟输入，输入范围i o v 、+ 5 v 、+ 2 v 、 l v 选择，2 路1 2 位模拟输出，1 6 路d i 及1 6 路o o ，可编程定时计数器。 9 第3 章控制系统的设计 在本设计中通过它的计数器来控制直流电机的转速。 p c l 一8 3 6 是一款i s a 插槽的计数器定时器和数字量i o 卡它带有1 6 路数 字量输出和1 6 路数字量输入 3 2 储料仓的控制 3 2 1 光电传感器的选择 在校平机和送料机构中间有一个储料仓，在储料仓上安装三组遮光式光电 传感器。光电传感器是通过光通量对光电元件的作用来实现非接触式的检测和 控制的。遮光式光电传感器的原理是恒光源发射到光电元件上的光通量让被测 物给遮挡了一部分，因此改变了照射到光电元件上的光通量。 本文中采用了由上海迈迪液压机电有限公司生产的r s l 5 光电传感器。 图3 2r s l 5 光电传感器 其原理框图如图3 3 所示，红外光源( 1 ) 发出高频光脉冲，通过半透镜( 2 ) 透镜( 3 ) 射出一束平行光，经定向反光板( 5 ) 反射后沿原路返回到传感器内， 由红外光敏接收管( 6 ) 接收并经过信号放大器( 9 ) 转变成电脉冲信号。当光 路上有带材( 4 ) 遮挡时，光信号的强弱便发生变化，这个变化经同步介调和放 大后，变成电压电流标准信号输出。 1 0 第3 章控制系统的设计 4 、带材5 、定向反光板 3 2 2 储料仓的检测 图3 3 原理框图 出 在校平机和送料机构中间有一个储料仓，在储料仓上安装三组遮光式光电 传感器。他们分别位于不同的位置用来检测储料仓中的料的情况。如图( a ) 所示， 当低位检测不到信号时，说明料仓中的料己足够，这时调整校平机中的电机， 降低送料速度。如图( b ) 所示，当低位能检测到信号而中位检测不到信号时，说 明料适中，可以让电机继续以这样的速度送料。如图( c ) 所示，当只有高位检测 第3 章控制系统的设计 不到信号时，说明料仓中的料有点少，调整电机，加快送料速度。如图( d ) 所示， 当高位也能检测到信号时，说明料仓中的料已经太少了。这时由板卡发出报警。 在整个加工阶段，储料仓的检测是通过i m s 中断程序来定时完成的。每隔 i m s 的时间，工控机就通过数据采集卡p c l 一8 1 2 p g 和r s l 5 光电传感器来检测 料仓中的剩余料情况，保证送料系统的正常进行。 校平机送料机构 高虚 高位 中垃中位 卢 低位低位 ( 曲 校平机送料机构 高位么高位 中位中应 低使低位 3 3 送料系统的控制 梭平机送料祝构 高位 卢 高位 中位 - k j 中位 低位低位 校乎机送料机构 高位 高位 中位中位 低位低位 图3 4 储料仓检测框图 3 3 1 送料系统的控制框图 对于生产线的控制系统来说，最主要的是生产线的送料系统的控制，它的 送料精度直接影响产品的质量。在本设计中送料系统的驱动元件是由直流伺服 电动机( 2 5 0 s x p _ m z 0 1 ) 、p 删直流伺服电机驱动器、p i d 控制器构成的。由光电 编码器和直流测速发电机构成送料系统的闭环控制。送料系统的控制框图如图 3 5 所示。 1 2 第3 章控制系统的设计 图3 5 送料系统的控制框图 在位置随动系统中，直流测速发电机作为反馈补偿元件，形成局部反馈回 路，可以改善系统的动态性能，并能明显减弱参数变化和非线性因素对系统性 能的影响。 3 3 2 光电编码器的选择 编码器俗称码盘，是一种先进的角位移、角速度测量元件，也可作为模数 转换器，将转角或角速度变换为数字量，广泛地用于数控机床、机器人、雷达、 航空、航海水文及各种精密测角中，具有精度高、结构紧凑、可靠性好等特点。 光电式增量编码器结构简单，工作寿命长，精度高，转速高，应用很广。 它的结构中最大的部分是一个圆盘，圆盘上刻有均匀分布的辐射状窄缝，窄缝 分布的周期称为节距。与圆盘对应的还有两组检测窄缝，它们的节距和圆盘上 的节距是相等的。当圆盘随着被测轴转动时，检测窄缝不动，光线透过圆盘窄 缝和检测窄缝照到光电转换器上。 光电编码器可分为两种：绝对式光电编码器和增量式光电编码器。绝对式 编码器具有固定的零点位置，一般用于雷达、指挥仪等军用系统中。增量式编 码器则广发用于速度闭环控制和位置增量控制系统中。 对于增量式编码器，一个脉冲对应的转角增量就是脉冲当量，同时它也表 示了码盘的分辨率和静态误差。所以分辨率o = 3 6 0 。每转脉冲数。编码器的 分辨率首先取决于码盘转一周所产生的脉冲数，所以码盘的精度一般用每转脉 第3 章控制系统的设计 冲数( p r ) 表示。脉冲数与圆盘刻的窄缝数成正比。码盘直径越大，窄缝越多， 产生的脉冲越多，码盘的分辨率和精度越高“1 。 目前国产圆光栅编码器的主要技术指标已达到国际同类产品的先进水平， y g m 型光电编码器被国家列为替代的产品。所以在本文中选用了y g m 型增量式光 电编码器，其技术性能参数见表“3 。 表3 1 y g i 型增量式光电编码器技术性能参数表 型号 y g m 5 0 6 频率响应 0 1 6 0 电源电压 5 5 ( k h z )( v ) 外形尺寸 西5 8 4 4 ( 4 8 )允许轴负荷 轴向1 0 ，径电源电流 s 2 0 5 ( i l l m ) ( n )向2 0 ( m a ) 轴伸( m i l l )西6 1 0工作温度0 7 0 或上升沿时间r 0 1 ( o c ) - 5 0 + 1 2 5 ( i s ) 重量( g ) 蔓3 0 0 贮藏温度- 3 0 8 5 或下降沿时间 ，0 1 ( 。c ) - 6 5 + 1 5 0 s ) 输出脉冲数 5 0 0 相对温度 8 0 输出形式 t t l ( 个r )( ) 极限速度 1 2 0 0 0 振动 s 1 0 0输出电流 2 0 相 ( r m i n ) ( m l s 2 ) ( m a ) 输出信号 冲击( 埘j 2 ) 1 0 0 0 3 3 3 电机及其驱动器的选择 目前，运动控制系统中大多采用步进电机或伺服电机作为执行电动机。虽 然两者在控制方式上相似( 脉冲串和方向信号) ，但在使用性能和应用场合上 存在着较大的差异。 步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能 有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作 原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。伺服电机运转非常 平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。伺服系统具有共振抑制功能，可涵 盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能( f f t ) ，可检测出机械的 第3 章控制系统的设计 共振点，便于系统调整。 步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转 的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理 好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器 反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步 或过冲的现象，控制性能更为可靠。 步进电机从静止加速到工作转速( 一般为每分钟几百转) 需要2 0 0 4 0 0 毫 秒。伺服系统的加速性能较好，从静止加速到其额定转速仅需几毫秒，可用于 要求快速启停的控制场合。 伺服电动机有直流伺服电动机和交流伺服电动机两大类。直流伺服电动机 输出功率范围比交流伺服电机的要广，而且直流伺服电机比交流伺服电机的启 动、停止特性要好。因此在本设计中采用的是上海瑞克科技发展有限公司生产 的直流伺服电机和与其相配套的驱动器。直流伺服电机的相关参数如表所示8 1 。 表3 2 直流伺服电机的参数表 型号功率转动额定转额定电 额定峰值 电枢电枢 惯量速压电流 转矩 电阻电感 ( 七w ) ( k g m 2 )( n m i n 一。) ( m ) ( 矿)口)( q )( m h ) 2 5 0 s x pm z4 8 0 11 5 3 0 0 01 6 01 l2 51 oo 3 9 l o - 4 在本设计中选用了美国h m c 公司生产的p 哪直流伺服驱动器。雷科赛公司 作为美国著名的t m c 公司的中港地区总代理，提供品种繁多的脉宽调制( p 删) 伺 服驱动器，可用来驱动0 2 k w 至4 0 k w 中的任何直流和交流伺服电机。与进口电 机或国产伺服电机配套时，可构成高性能低价格的有刷和无刷伺服系统，适合 各种精密调速和定位用途。这种驱动器具有以下几个特点。 ( i ) 小体积，大功率 ( 2 )低价格，高性能 ( 3 ) 1 0 v 模拟接口( 也可数字式接口) ( 4 ) 电流、电压、速度、位置模式任选 ( 5 )p w m 2 2 k h z ，效率达9 9 ( 6 ) 电流环带宽高达2 5 0 0 h z 第3 章控制系统的设计 ( 7 )过压、过流、短路保护 3 3 4p t d 控制器的选择 本文中采用了s a 2 0 3 0 伺服控制器。这种控制器在闭环系统中控制功率放大 器，驱动伺服阀带动执行机构( 油缸、马达) ，对位置、压力、速度进行控制。 指令输入信号与外部传感器变送的反馈信号( 实际位置、压力、及速度) 相比 较，产生的误差信号经p i d 处理放大后，通过摸拟开关综合输出。控制器可输入 不同类型模拟量信号( 电压或电流) 变送输出反馈传感器的测检信号。可接收 开环闭环、及手动外部控制信号，可输出显示系统工作状况，可输出锁停等有 关控制信号。其接线图如下图所示。 2 d v 电棵0 v 1 2 v 攮幸辘入： 闸柏 反饿辅入反相 检洲辅出 辅扭攮示 蚌古辅出 0 v w 1 ：反馈信号零位w4 ：检i 射增益w 7 ：微分增益 i y 2 ：反馈信号增益* 5 ：比例增益 冒3 ：梭溅零虚1 6 ：巷 努增益 图3 6p i d 控制器的接线图 3 3 5 控制系统的闭环控制 州坪椽示 停止掩乖 左害撩乖 右咎撩示 茌耕幢停 逆辑拉考i 州虾控制 静止拉帝i 主移投毒i 右# 拉审1 0 v 为了提高生产效率和加工质量，要求实现理想的启动，即在整个启动过程 中，使启动电流一直保持最大允许值，此时电动机以最大转矩启动，转速迅速 以直线规律上升，以缩短启动时间：启动结束后，电流从最大值迅速下降为负 载电流值且保持不变，转速维持给定转速不变。 闭环伺服系统通常是位置环和速度环2 环联合的反馈系统。为了实现理想 1 6 第3 章控制系统的设计 启动过程，工程上常采用转速、电流双闭环负反馈调速系统。启动时，让转速 外环饱和不起作用，电流内环起主要作用，调节启动电流保持最大值，使转速 线性变化，迅速达到给定值；稳态运行时，转速负反馈外环起主要作用，使转 速随转速给定电压的变化而变化，电流内环跟随转速外环调节电机的电枢电流 以平衡负载电流。 速度环的速度反馈信号取自测速发电机。测速发电机将电动机的转速反馈 回到驱动器中，再通过驱动器上的r s 2 3 2 串联通信接口送入到工控机中，工控 机将测得的速度值与给定的速度值进行比较，然后把根据改进型的p i d 控制算 法得到的新的计数值送到驱动器中，从而调节p w m 的脉冲宽度和频率以改变直 流伺服电机的转速。 位置环中的位置传感元件( 增量式光电编码器) 将运动机构实时的位移或 转角变化量以a 、b 相差分脉冲形式长线传输到工业p c 中进行编码器脉冲计数， 以获得数字化位置信息，形成位置外环的数字反馈。工业p c 计算位置设定与反 馈的偏差后，根据偏差范围采取相应的控制算法，然后将数字控制作用经d a 转换器变成模拟控制电压，再由低通滤波器完成信号滤波后，输出作为速度环 给定，从而最终调节电动机转速，完成目标的准确定位。 3 3 6 板片纠偏系统的设计 送料的过程中板材的中心位置直接影响冲压的质量，因此对板材的纠偏问 题的研究也很关键。为了克服板材在传送的过程中发生跑偏的现象，在传统的 冲压生产线中采用机械导向机构，如图3 7 所示。在本设计中采用了上海科星 自动化技术有限公司生产的g d 3 b 2 0 0 宽光束对中传感器。其产品如图3 8 所示。 g d 3 b 2 0 0 对中传感器由检测器和放大器两部分组成，主要用作各种带状材料的 中心位置检测，即使带材有较大宽度变化时，也不必每次改变检测器的位黄。 当其与系统配合使用时能把带材的中心连续地控制在一定的位置上。 幽37 纠偏导向机构 第3 章控制系统的设计 图3 8g d 3 b 一2 0 0 宽光束对中传感器 g d 3 b 一2 0 0 的工作原理为左右检测器分别检测出带状材料边缘偏离中心线的 数值，相应的偏差信号送到前置放大器，经处理后的信号送至主放大器，经放 大后送至执行机构从而推动执行机构作偏差位置修正，直至带材回到设定的中 心位置，前置放大器的输出减4 , n 零为止。 图3 8 为g d 3 b - 2 0 0 传感器的电气连接图。 3 4 小结 图3 9g d 3 b 一2 0 0 传感器的电气连接图 本章主要讲述了控制系统的设计，它主要包括三个方面的设计：i p c 测控系 统的硬件组成、储料仓的控制和送料系统的控制。 在i p c 测控系统的硬件组成中采用了研华公司生产的p c l 一8 1 2 p g 和 p c l 一8 3 6 板卡采集现场数据，并将采集到的数据通过i s a 数据总线送入到工控机 第3 章控制系统的设计 中，并把工控机分析后的数据传送到现场进行控制。 储料仓的控制主要是通过r s l 5 光电传感器检测储料仓中料的剩余情况，工 控机根据传感器采集到的结果改变p w m 放大器的脉冲来控制校平机中电机的转 速，从而改变储料仓中剩余料的情况。 送料系统的控制主要是由工控机、p i d 控制器和直流伺服电机的驱动器来完 成的。主要是由工控机发出指令来改变驱动器中的p w m 放大器的脉冲宽度和频 率，从而改变伺服电机的转速。由光电编码器和直流测速发电机共同构成送料 系统的闭环控制。 在本文中还采用了g d 3 b 2 0 0 宽光束对中传感器来控制板材在运送过程中 的跑偏情况。 1 9 第4 章控制算法 第4 章控制算法 计算机控制系统与通常的连续控制系统得差别在于：控制规律是由计算机 来实现的。由于计算机具有很强的计算、比较及存储信息的能力，因此，它可 实现过去的连续控制难以实现的更为复杂的控制规律。 计算机控制系统中除了包含连续信号外，还包含有数字信号。由于数字信 号所固有的时间上离散、幅值上量化的效应，从而使得计算机控制系统与连续 控制系统在本质上由很多不相同的性质。设计计算机控制系统，主要是设计控 制器。 在最大控制量相同的情况下，采用数字控制可以获得更加满意的动态响应， 输出量经过两拍的时间即完全达到稳态，并无超调。而且p i d 控制器的结构简 单，参数易于调整，在长期应用中已积累了丰富的经验。特别是在工业过程控 制中，由于被控对象的精确的数学模型难以建立，系统的参数经常发生变化， 运用控制理论分析综合不仅要耗费很大代价，而且难以得到预期的控制效果。 在应用计算机实现控制的系统中，p i d 很容易通过贬值计算机语言实现。由于软 件系统的灵活性，p i d 算法可以得到修正和完善。 任何一种执行机构都存在一个线性工作区。在此线性区内，它可以线性地 跟踪控制信号，而当控制信号过大，超过这个线性区，就进入饱和区或截至区， 其特性将变成非线性特性。同时，执行机构还存在着一定的阻尼和惯性，对控 制信号的响应速度受到了限制。因此，执行机构的动态特性也存在一个线性工 作区。控制信号的变化率过大也会使执行机构进入非线性区。在标准p i d 位置 式算法中积分项控制作用过大将出现积分饱和，增量式算法中微分项和比例项 控制作用过大将出现微分饱和，都会使执行机构进入非线性区，从而使系统出 现过大的超调和持续振荡，动态品质变坏。为了克服以上两种饱和现象，避免 系统的过大超调，使系统具有较好的动态指标必须使p i d 控制器输出的控制信 号受到约束，即对标准的p i d 控制算法进行改进，并主要是对积分项和微分项 的改进。在本设计中采用了改进型p i d 控制算法，即综合采用了积分分离p i d 控制算法和带死区的p i d 控制算法，这种算法在工控机上能灵活实现”1 。 第4 章控制算法 4 1 积分分离p i d 控制算法 积分分离法是在开始时不进行积分，直至达到一定阈值后才进行积分累积。 这样一方面组织了一开始有过大的控制量，另一方面即使进入饱和，因积分累 积小，也能较快退出，减少了超调。 ( 1 ) 根据实际情况，人为设定阈值 e 时，也即偏差值ie ( k ) i 比较大时，采用p d 控制，可使超调量 最大幅度降低，又使系统有较快的响应速度。 ( 3 ) 当le ( k ) i e 时，也即偏差值ie ( k ) i 比较小时，采用p i d 控制，以消除系统 误差，可保证系统的控制系统的控制精度。 4 2 带死区的p f d 控制算法 实际系统要求机械装置运动到位后，控制作用不要频繁变动，以免机械磨 损。只在累积偏差超出一定范围后，才作调整，所以系统还要加上带死区的p i d 控制，相应的控制算法为 ( 1 ) 设定允许误差范围为e 。 ( 2 ) 当je ( k ) l i e 。l 时，不输出控制作用。 ( 3 ) 当l e ( k ) i ie 。i 时，输出控制作用为 u 。m)+；壹町)+-罨if(k)一e(k(k)=kpt e ( k - 1 ) 】 ( 4 1 ) u p ( 七) + e ( 卅 一 一1 ) 】 4 1 ) 4 3 控制算法流程图 综合以上两种改进算法后，得到如下所示的系统位置环数字p i d 控制算法 流程图。 2 1 蔓! 兰笙型墨鎏 4 4 参数调整方法旧 图4 1 控制算法流程图 参数的整定采用p i d 参数归一法。设p i d 的增量式为 孵砩 e ( k ) - e ( k - 1 ) 】专专附2 嘶叫州h ) 】 2 瞄 ( + 号+ - i e ( k ) - ( 1 + 2 等，e c ：一，+ 争e c 七一2 ， = k p k o p ( 七) + d l e ( k 1 ) + 口2 e ( k 一2 ) 】 ( 4 2 2 2 第4 章控制算法 式中 d ，：互 丁 为了减少选择参数个数，按扩充临界比例度法整定计算法“1 ( 如表4 1 所示) ， 在本设计中取控制度为1 0 5 ，它表示d d c 与模拟控制效果相当。取控制规律p i d ， 可得下式关系： t o 0 1