（机械设计及理论专业论文）铣刨机自功率控制系统的研究.pdf

摘要本文从铣刨机的动力学模型入手，分析了行走系统与转子系统功率变化规律与影响因素，并提出了铣刨机的自功率控制概念和内涵。分析了p l c 应用于铣刨机自功率控制系统的可行性，建立了自功率控制系统的数学模型。结合自功率控制系统的的功能要求及p l c 的特点，完成了控制系统的硬件与软件设计，并编写了p i d 控制与分段控制两套控制方案，最后对这两种控制方案进行了室内模拟试验，初步验证了控制系统设计的可行性与合理性。关键词：铣刨机自功率控制可编程控制器( p l c ) p i d 控制分段控制a b s t r a c ti nt h i sp a p e r , w i t ht h ed y n a m i c a lm o d e lo fm i l l i n gm a c h i n e ，t h ep o w e rc h a n g er e g u l a ra n di n f l u e n c ef a c t o rb e t w e e nt r a v e ls y s t e ma n dc u t t e rs y s t e mo ft h i sm a c h i n ei sa n a l y z e d ，a n dan e wc o n c e p tn a m e da d a p t i v ep o w e rc o n t r o li sp u tf o r w a r d a tt h es a n et i m e , t h ef e a s i n l i t ) ，o fa p p l ) i i n gp l co na d a p t i v ep o w e rc o n t r o ls y s t e mo fm i l l i n gm a c h i n ei sa n a l y z e d ，a n dam a t h e m a t i c a lm o d e la b o u ta d a p t i v ep o w e rc o n t r o ls y s t e mi ss e tu p a n dt h eh a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g na c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t so f a d a p t i v ep o w e rc o n t r o ls y s t e ma n dt h ef e a t u r e so f p l ca r ea c c o m p l i s h e d m o r e o v e r , t w oc o n t r o lp r o g r a m s ，t h ep i dc o n t r o la n dt h es u b s e c t i o nc o n t r o l ，a r ed r a w nu p a tl a s t , a c c o r d i n gt ot h et w oc o n t r o lp r o g r a m s ai n d o o ms i m u l a t i v et e s ti sc a r r i e do u t ，w h i c ht e s t i f i e st h ef e a s i b i l i t ya n dr e a s o n a b l e n e s so ft h ed e s i g n e dc o n t r o ls y s t e m k e y w o r d s ：m i l l i n gm a c h i n ep i dc o n t r o la d a p t i v ep o w e rc o n t r o lp l cs u b s e c t i o nc o n t r o i第一章绪论1 1 选题背景与研究目的随着我国公路建设的飞速发展，公路建设里程也以超常规的速度增长。在短短的十几年内，我国高速公路的总长度已排名世界第二。这些日益增多的公路路面在行车车辆载荷的长期作用以及酷暑严寒、风霜雨雪等自然因素的影响下，会逐渐发生变形、裂缝甚至破坏。如果不及时对公路进行养护和维修，日积月累，小孔变大穴，细缝变坑槽，最后路面将会被完全破坏，从而严重影响交通运输的畅通和安全。因此，公路养护是公路事业的一项重要内容。可以说，公路兴建和改建是公路事业发展的基础，而养护则是公路事业发展的保证，它们彼此有互为一体的联系。在此形势下，铣刨机作为公路养护的重要工具，越来越受到了人们的重视。对一条待养护的公路而言，虽然其路面材料的特性较一致，但是由于其损坏情形( 龟裂、坑槽、老化、车辙磨损、局部泛油等) 不同，其集料之间粘结层的粘结力往往在所不同；其次，因路面破损程度和养护要求不同，被铣削面层的厚度也有所不同；另外，铣削刀具的磨损程度，行走驱动系统的变化等，都会影响路面铣刨机械的传动系统的功率变化。为了进一步提高机器的使用生产率和机器效率，就有必要探讨一下铣刨机行走系统与转子系统之间功率的自动匹配问题。在铣刨作业时，如果转子因外界负荷增加，以致按给定作业速度无法工作时，为了保证铣刨的质量，系统就应自动减慢铣刨机的行走速度。我们设想转子系统和行走系统若能随转子负荷的变化自动实现功率的分配调节，将会充分利用发动机功率，并保证铣刨质量。以前，由于受技术条件的限制，很难实现这一设想，但现在，现代控制技术的发展，特别是微机控制技术、传感器技术和电液控制技术的发展则为铣刨机的自功率问题提供了理论和技术基础。本文研究的课题就是在发动机额定工况下，如何来实现铣刨机铣刨功率和行走功率随外负载的变化而达到自动匹配这一问题。课题的研究将有助于充分发挥机器的能力，最大限度地提高生产率，防止机器过载，给机器过载时提供软保护，提高机器寿命、可靠性及经济性。同时，对其他工程机械自功率控制具有推广应用价值和辐射作用，对液压牵引车辆性能参数匹配具有理论意义。1 2 国内外历史、现状及发展趋势在国外，有关自功率调节的理论发展较早，因此技术也比较成熟。国外的许多工程机械厂家为了进一步提高机器的技术性能，满足机械作业过程中因工况变化，其传动系统之间需要重新分配功率和保证机器安全可靠的作业要求，很早就在这方面进行了研究。如德国的维特根( w i r t g e n ) 、宝马( b o m a g ) 、美国的卡特彼勒( c a t ) 等都在研制技术上朝着机电液一体化的高新技术方向发展。德国维特根生产的w 2 2 0 0 型铣刨机就具有自动功率控制功能，它能根据发动机的负荷而对铣刨机的功率自动进行调节。宝马公司也研制有自己的功率自动匹配装置( a p a - a u t o m a t i c p o w e r a p p o r t i o n i n g ) 。美国的c a t 公司的稳定土拌和机的行走系统中采用了美国s 公司生产的闭式静液传动系统，它使用电动排量控制( e d c e l e c t r i c a ld i s p l a c e m e n tc o n t r 0 1 ) 和压力过载保护装置( p o r - p r e s s u r eo v e r r i d e ) 分别调节行走泵排量和对系统工作压力过载时进行保护。而在我国，由于工程机械的开发生产起步较晚，产品品种和技术性能与国外机型有一定差距。但有关功率匹配的理论在我国也有较快的发展，有些工程机械也采用了相关的技术，在一些铲土运输机械中运用了液力变矩器作为底盘动力传动中的无级变速元件，这可以使主机具有一定的自动适应性能，然面目前使用的大多是大扭矩比的液力变矩器，因此作业效率和使用经济性明显较低。近几年来，不少学者在功率匹配方面进行了不同侧重点的研究。浙江大学的彭天好在工程机械泵与发动机的匹配研究中提出了根据负载情况和作业需求来设定最佳工作点的观点，探讨了泵与发动机的匹配机理及采用转速感应控制来实现其匹配。长安大学的姚怀新对稳定土拌和机液压驱动系统电液控制的功率分配方法进行了研究，探讨了控制原理，并分析了电液控制方式、转速控制方式、压力控制方式以及手动伺服变量控制方式等几种常用的拌和机液压系统控制方式。同济大学的郭晓方则对液压挖掘机发动机一泵的联合控制系统进行了研究，提出了液压挖掘机的发动机和油泵联合控制方案，综合了发动机的转速控制、油泵控制以及自动怠速控制等功能，侧重论述了挖掘机各工况控制的机理。武汉钢铁学院的李玉峰进行了功率匹配控制液压源系统的研究，提出用区域控制方法对液压2挖掘机整机进行功率匹配。上述这些专家学者的研究成果为本项研究工作的开展，从不同侧面提供了重要的参考价值。总的来说，目前我国的工程机械都面临着新的挑战，进行着新的技术革命。工程机械要实现高效节能，需对发动机和传动系进行控制，合理分配功率，保持在最佳工况；为了减轻司机劳动，实现省力化，就需自动控制；提高作业精度和完成高技能作业需要智能化。工程机械当前的主要问题之一是操纵与控制，长期以来工程机械把人当作机械的操纵和控制部分来使用，但人的生理和心理能力( 体能、感觉器官和头脑分析能力) 是有限度的，最好是使机械具有信息处理能力，有感觉和认识功能，能自我适应，向着自动化和智能化方向发展。要解决控制问题，仅从机械和液压和角度来动脑筋，很难使产品性能有质的飞跃，必须引进具有良好控制性能和信息处理能力的电子技术来履行工程机械，使它成为有头脑( 微机) ，有感觉( 传感器) ，全身布满神经( 电线或光导纤维) ，有血液( 液压) 和有手足骨骼( 机构和结构) 的机电一体化系统。工程机械电子化、自动化是工程机械产品更新换代的发展方向，是不可抗拒的技术潮流。1 3 研究内容本文所涉及的研究内容有：1 从铣刨机动力学模型入手，分析行走系统和转子系统功率变化规律、影响因素及其功率的自适应调节。2 针对铣刨机功率系统的动态特性，确定技术方案。3 对控制系统进行具体的设计和室内试验。4 对自功率控制系统应用于铣刨机性能试验。5 对试验结果进行分析与讨论。第二章自功率控制系统的开发方案2 1铣刨机的动力学模型如图2 1 所示为铣刨机动力学模型图。图2 1铣刨机动力学模型图中转子旋转方向与驱动轮旋转方向相反，为反转方式；且本机为前轮驱动。其中吐是轮胎旋转角速度，c o 。是转子旋转角速度；m 和2 是地面作用在两轮上的支持力；r 为驱动轮提供的切线牵引力；g 为整机质量；一是滚动摩擦阻力：对带有多把刀具的铣刨鼓雨言，受到地面给予的切削合力f r , 并将按水平x方向和垂直y 方向分解为功和f p 。由图2 一l 可列出机器牵引力平衡条件：v x ：0即即f x f f t f x = 0y = 0g + z = m + n 24( 2 1 )2 2行走和转子系统功率变化规律及影响因素2 2 1 行走系统功率变化规律及影响因素行走系统消耗的发动机功率f k 主要取决于理论行走速度v 和行走系统驱动力矩肘x ：气= m x v l o , m r ) ( 2 - 2 )式中：k 车轮动力半径聃行走系统传动总效率而m f2 r ( 2 3 )将式( 2 - - 3 ) 代入式( 2 - - 2 ) 得：e = f x y 阳t( 2 q从上式看出，只主要受疋和y 的影响，而b 则是一个关于速度y 的变量。当矿上升，则e 上升；当矿下降，则e 下降；当矿为0 ，则e 也为0 。故行走功率f k 是一个随作业速度y 的变化而变化的函数。图2 - - 2与v 曲线此时，根据式( 2 4 ) 可作出行走系统消耗功率j f k 与行走速度矿的关系曲线，如图2 2 所示。2 2 2 转子系统功率变化规律及影响因素转子系统消耗发动机功率b 主要取决于转子驱动力矩m z 和转子转速p x = m x o , , 1 x( 2 - 5 )式中：转子系统传动总效率从图2 1 铣刨机动力学模型中将转子单独分离出来，把转子切削阻力的合力p 沿转鼓径向和切向进行分解，得f ，和b 。将各力对转子中心o 取矩，写出转子力矩平衡式：m x2 c r( 2 6 )式中：f 。转子瞬时工作阻力，其大小随切削条件而变；斤一转子半径。将式( 2 6 ) 代入式( 2 5 ) ，得：b2 c r ( 2 7 )图2 - - 3最一c 曲线当转子转速一定时，由上式可以看出，尸k 与f ，成线性关系，如图2 3所示为| p ：x 与f ，关系曲线。转子作业过程中的工作阻力f 。可分解为三个部分：静态切削阻力f 。动态切削阻力f 。以及路面材料举升和摩擦阻力，。在刀具因素、路面材料因素一定的情况下，工作阻力，与作业速度矿及切削线速度圪= 。斤有关，当k 一定时( 即转子转速m 一定时) ，工作阻力f ，随旷增大而增大，随矿的减小而减小。6在刀具因素、运动学参数矿和k 一定的情况下，工作阻力f ，取决于路面材料物理力学性质，路面材料越硬、越密实，工作阻力，越大。72 3行走和转子系统的功率自适应调节对于某一台铣刨机来说，其刀具因素一定。当机器运动学参数矿和一定时，由前面分析可知，转子工作阻力f ，取决于路面材料物理学性质。当转子工作阻力，因较硬、较密实路面材料而增加时，转子系统功率b 将增大( 图2 3 ) ，对于发动机来说，外界系统的负荷扭矩增加了。当发动机所提供的扭矩不足以克服外界负荷扭矩时，发动机进入非调速段工作，它的转速将会降低，以提高输出扭矩，从而导致发动机功率利用率降低，燃油消耗率增加。此时，若降低行走速度n 则由式( 2 - - 4 ) 可知，行走系统功率，k 将会降低，从而使转子系统功率最得到补偿，也使发动机重新回到额定转速附近工作，发动机转速回复到额定工况附近。这一过程，保证了铣刨质量，实现了行走系统功率只。与转子系统功率b之间的合理分配。反之，当转子工作阻力下降时，转子系统消耗的功率乓将减小，此时发动机所提供的功率将有一定的富余，这将会致使发动机转速升高。为提高功率利用率，这时可适当提高铣刨机的行驶速度n 使行走系统功率珞上升，从而使富余的那部分功率转移到行走功率和转子铣削功率中来，即加快了作业速度，又提高了工作效率。铣刨机的行走液压系统具有无级调速的特点且特性硬，对于任何路面状况、任一铣刨深度，总可以找到一个合适的行走速度与之适应。因此，若能根据转子负荷的变化，自动实现行走速度矿的调节，便可实现行走和转子系统功率自动适应，使发动机动力得到充分发挥而又不超载，并能保证铣刨质量。功率自动适应调节的目的在于使铣刨质量得到保证，并使机器使用总功率只维持在发动机额定功率p 。附近。这是功率自适应调节特性的设计主导思想。铣刨机铣刨工况消耗总功率只为：只2 匕+ 最+ 名( 2 8 )式中：巳r 一机器行走系统消耗功率：尸r 一机器转子系统消耗功率：p 。辅助功率。8随转子负荷的不断变化，p i 不断变化，通过功率自适应调节，改变行走速度v ，只r 随之变化，因此，只不断变化，写为：b 。( 名只j + ( b a x ) + 0( 2 9 1式中：4 皿r 一行走系统功率变化，转子负荷增加时取“一”，反之取“+ ”。4p r 一转子系统功率变化，转子负荷增加时取“+ ”，反之取“一”。根据功率自适应调节特性设计主导思想，有：只r 2 1 0 )将式( 2 9 ) 代入上式，有：p e n ( 峨) + ( b + a x ) + ( 2 1 1 )因此，在进行功率自动适应调节特性设计中，应使铣刨过程中发动机始终在额定工况附近工作，并保证p 扫匕，则发动机转速n 。将保持在额定转速n e h附近，视为定值。据2 2 1 的分析知道，在一定的铣刨条件下，铣刨机行驶阻力随行走速度v的增减而增减，对于行走系统采用静液驱动的铣刨机，其行走系统行驶工作压力仇则随行驶阻力的增减而增减，而其行走系统流量g 也随行走速度矿的增大而增加。转子系统采用静液传动的铣刨机，其转子系统工作压力段将因转子负荷的增大而增大，当转子负荷过大时，转子系统溢流阀溢流，限制了转子的极限负荷。为了使转子转速在，i 上升时不致下降，应保证转子系统流量q k 保持一定( 忽略f x 增大时引起转子马达漏损的增加) 。对全液压铣刨机，将行走系统消耗发动机功率睐、转子系统消耗发动机功率& 表达成液压系统流量q 和压力p 的乘积形式，分别为：珞2 p “q a r l h xf 2 1 2 )式中：p 吖一行走系统工作压力；g r 一行走系统流量；日树一行走系统液压传动总效率。b2 p x 级，7 hf 2 1 3 )式中：p x 堞子系统工作压力；9k 转子系统流量叩w 转子系统液压传动总效率。根据上面功率自动适应调节过程分析，写出4 和4 乓的表达式，分别为：哦2 卸x q x | q “( 2 - 1 4 )式中：4 卢! r 一转子系统工作压力的变化。峨x = t 厶p 。k - a q 。k + 卸e k q e k + p a q e x 、细h kq 。1 5 )式中：却。行走系统压力的变化；4 醌r 一行走系统流量的变化。将式( 2 1 2 ) 、式( 2 1 3 ) 、式( 2 1 4 ) 和式( 2 1 5 ) 代入( 2 - 1 1 ) ，得到：丝丝些塾些挝坐d 区竺趔+ p x q x + - a p x? 慷q i i x丝+ 只( 2 - 1 6 )上式可改写为：亟型型丝+ 垫苎丝世翅型+ 只( 2 - 1 7 )r h xr h x对于行走系统采用液压传动，而转子系统采用机械传动的铣刨机，调节过程的功率分析与全液压铣刨机基本相似，行走系统的所消耗发动机功率仍如式( 2 1 2 ) 所示，而转子系统的消耗发动机功率则如式( 2 7 ) 所示。根据功率自动适应调节过程分析，写出写出4 露和a p x 的表达式，分别为：f k = ( 凸p 坼q 龌+ 凸p 瞒q 鲋+ p e x 1 2 k ) ，7 脒世x = f t r o j 叩x ( 2 - - 1 8 )式中：b 转子工作阻力的变化。将相关表达式代入式( 2 1 1 ) 可得到：丝丝型监丝吐纽吐丝业+ f , r e o a f , r o 。+ 只ilhk|x( 2 1 9 )1 0亦即岛蛾型鳖墼型，7 q x( 2 2 0 )2 4控制方案的提出如前所述，由于铣刨机作业时铣刨功率，即转子系统消耗功率 会随铣刨深度、路面材料、环境温度等的不同而发生很大变化，由式( 2 8 ) ，在其它系统消耗功率只不变的情况下，本文研究的主要问题就是如何改变牵引功率即行走系统消耗功率p 瞒而使系统消耗总功率r 维持在额定功率附近，从而达到发动机在最佳工况下运行的目的。下面我们将对所要提出的控制方案作一下探讨。2 4 1 手动伺服变量控制方式目前，国内的很多相关机械都采用的是变量泵排量手动伺服调节系统( 图3- 4 ) ，该系统可以将机械信号转变为液压信号从而控制泵的斜盘角，进而控制泵的排量。当排量控制手柄有一位移输入石时，经杠杆变换到排量控制阀一三位四通伺服滑阀，得到阀芯位移，接通一侧控制油缸进油口，此时，控制油流经伺服阀流入斜盘某一侧伺服油缸，推动斜盘绕转轴顺时针旋转某一角度卢，另一侧伺服控制油缸运动副上有一机械反馈，将油缸运动信息反馈到伺服阀芯上，使阀芯回到中间位置，这样就实现了斜盘倾斜角度的一次调节过程。xx vq ix pb图2 4变量泵排量手动伺服调节系统斜盘倾角p 由液压缸位移与决定，而耳则通过机械反馈建立的闭环位置系统控制，最终使泵斜盘倾角卢随排量控制手柄输入位移而从而实现手动随动调节。伺服调节系统的采用，提高了机器的操纵性能，但此调节系统没有引入转子负荷信息，变量泵排量无法根据转子负荷的变化进行自动调节，也即不能实现在发动机额定工况下，行走速度矿随转子负荷变化的自动调节，不能实现行走功率与铣刨功率之间的自适应调节。1 22 4 2d a 控制方式也有些机械采用的是转速控制方式( d a 控制) ，这种控制方式是借助于转速的变化来控制行走泵排量，达到调整行走速度矿的目的。图2 5带有d a 控制的手动变量泵工作原理图1 一补油泵：2 一主泵；3 变量油缸：4 一节流孔：5 一调节阀：6 一手动变量阀图2 5 是d a 控制工作原理图，控制油来自补油泵( 或增压泵) ，其流量与发动机转速成正比，进入调节阀后，经节流孔产生压降p ，此压降将调节阀的阀口打开，在操纵管路内建立起控制压力只，经手动变量阀后推动变量油缸控制主泵排量。只又是调节阀的反馈压力，它将调节阀的阀口关闭。结果使主泵排量随发动机转速变化而变化。d a 控制方式可以在行走系统和转子系统同时采用，使行走和转子速度得到较好配合，发动机功率得到充分利用且满足铣刨质量要求，然而它需要人为调节，控制精度较低。这种行走系统采用d a 控制的转速控制方式对转子系统采用机械传动的铣刨机同样有效，只要转子系统有安全销保护避免产生意外突然超载即可。2 4 3 功率自适应调节方式其实这种控制方式的基本原理与上述的d a 控制方式基本相同，它们都是以发动机转速为信号控制行走速度，达到调节载荷之目的。其区别是功率自适应调节方式不是将发动机转速变化转换为变量泵伺服控制压力，而是将其转换为成比例的电压或电流，以此来控制电液泵的排量。对于发动机转速信号的采集通常可分为模拟式和数字式两种，模拟式采用测速发电机为检测元件，得到的信号是电压量。由发动机皮带驱动的交流发电机的转速在不计皮带打滑时是与发动机转速以一定比例同步的，发电机的输出电压与被测转速成正比，因而可通过测速发电机的输出电压进而求得发动机的转速。这是一种调幅式转速传感器，其优点是测试电路比较简单，然而，测速发电机的输出电压信号容易受磁场的干扰，而且受电机参数及测量回路阻抗变化的影响，故难以实现高精度的转速测量。而数字式的则通常采用接近开关、光电编码器、圆光栅、霍尔元件等为检测元件，得到的信号是脉冲信号，可以与p l c 直接接口。这些传感器都是利用发动机中转速与频率之间的固定关系，因此也叫调频式转速传感器。它们可以克服上述调幅式转速传感器的缺点，提高转速的测量精度。比较而言，采用调频式的转速传感器相对来说要好。在本文的研究中，我们可以取数字式传感器输出的脉冲波作为控制信号，对其计数，然后通过专门的放大和转换电路，就会输出与发动机转速成正比的电信号。我们可以用如图2 6 所示的控制系统来引入转子负荷信息，以发动机的转速为信号，将其变化转换为成比例的电流，以此来控制电液泵的排量，进而达到使行走速度矿随转子负荷变化而自动调节的目的。图2 - - 6引入转子负荷信息的自功率调节系统在图2 6 中，行走速度的控制靠行走泵伺服线圈供电电流，大小来调节，供电电流由自功率调节器提供，当调节器处于自动控制时，由p l c 控制的自功率控制器能输出0 ，范围的电流值。0 ，范围内的值取决于发动机是否在最佳匹1 4配上，若此时转子工作负荷增加，则发动机转速低于设定转速，p l c 输出小于线圈处于额定工况时的电流值，从而减小泵的斜盘角度，降低泵排量，最终达到降低机器行走速度的目的。反之，当转子工作负荷减小时，发动机转速高于额定转速，从而使控制电流增大斜盘角度，增加泵排量，提高机器行走速度。该系统的引入，可以实现发动机在额定工况下，行走速度矿随转子负荷变化的自动调节，即能充分利用了发动机功率，又能有效地防止过载熄火，发动机液压系统的机械性能可以达到良好状态，动力性、经济性指标将会得到明显提高。2 5 控制器的选取目前数字化技术越来广泛，工业领域中以单片机、工控机和p l c 的应用最多。但是它们在性能上也存在着较大的差异，因此对于控制系统来说，选择恰当的控制器将对系统设计起着至关重要的作用。下面将分析它们三者各自的技术特点，最后选出我们需要的适合于本课题的控制器。2 5 1 单片机的技术特点在目前的应用研究中，最易于实现数字控制的方案是使用单片机来实现其功能，尤其是新型的8 位、1 6 位单片机具有模数和数模转换功能，就更有利于在数字控制器中得到应用。针对铣刨机自功率控制系统，利用单片机具有如下特点：1 ) 成本低，开发容易因为单片机的价格下降，而其技术含量却不断提高，这为开发廉价的控制器提供了可能；另外，单片机的应用已相当广泛，有许多可以借鉴的成功应用范例与大量的公用程序，在开发上就显得比较容易些。2 ) 尺寸小，结构上容易布置由于单片机及其外围接口电路可以紧凑地放在一块印刷电路板上，这就为控制器的面板设计带来方便，面板开关与大小都可以在一定程度上随意设计。3 ) 易于实现各种控制策略对于一些比较复杂的控制策略，其计算量往往很大，这样，计算速度将直接影响控制精度。对于单片机来说，由于通常采用汇编语言，程序运行速度很快，可以实现一些比较复杂系统的实时控制。4 ) 易于受到各种外界干扰的影响单片机系统属于微电系统，比较容易受到强电、磁场、电脉冲、电压脉动等因素的影响，甚至也容易受恶劣工作环境的影响，所以必须将大量精力放在抗干扰措施上。因此，这对于处在恶劣工作环境中的铣刨机来说，就限制了它的应用。2 5 2 可编程控制器( p l c ) 的技术特点可编程控制器( p l c ) 是专门为顺序生产过程而设计的控制器，它替代传统的继电控制，具有很强的时序性。1 ) 高可靠性因为p l c 是专门用于工业现场环境的，设计者在设计p l c 时，充分考虑到1 6它的工作环境是比较恶劣的工业现场，所以整机采取了不少强化措施，但单片机不具有这样的强化措施，除非采取特殊的保护措施，否则很难可靠地应用于工业现场。这点铣刨机自功率控制系统来说很重要，因为铣刨机的工作环境很恶劣，附近往往会有强电场、强脉冲干扰，再加上工作温度高、灰尘多、振动和噪声大等原因，都给控制器提出了严格要求。因此将p l c 应用于铣刨机自功率控制系统是具有很大的优势的。2 ) 丰富的y o 接口模块p l c 具有良好的接口性能，p l c 除了和单片机、工控机一样通过模数、数模转换器处理模拟输入、输出信号之外，还可以通过开关量输出组件输出电平信号直接驱动电磁阀、电磁继电器和电磁开关等。而单片机不具有这样的功能，它若想驱动电磁阀、电磁继电器等，除非通过开关式功率放大器将其数字信号放大。这对于铣刨机来说，应用p l c 可以大量节省外围驱动电路，使得电液控制系统变得简洁。3 ) 编程简单易学p l c 的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图语言，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。而单片机则采用的是较低级的汇编语言，这对于没有经过专门计算机技术训练的现场施工人员来讲，不能不算是一大障碍，而若采用普遍熟悉的类似继电器控制系统的梯形图来编程，在工程中容易推广应用。4 ) 功能强大，利于二次开发p l c 的输入输出不仅可以是数字量，也可以是模拟量，而且还带有各种智能i o 模板如p i d 调节模拟控制模板、高速计数模板等。p i d 控制模板是一种通过软件实现的闭环控制模板，它通过反馈比较得出与设定值的误差信号，通过各种调节算法使误差为零，因此具有较高的控制精度，使闭环控制系统动态性能大大提高，这为铣刨机自功率系统的精度控制提供了条件。高速计数模板配有高速输入点，这些高速输入点直接与p l c 内部高速计数器相连。高速计数器不受扫描时间的影响，其响应频率可达数千赫兹，这对于铣刨机测速脉冲的计数可达到十分精确的地步，它可以大大提高自功率控制系统的精度和响应速度。采用p l c 作为控制器时，可以因驱动系统或操作环境的经常变化而对其进1 7行重新设置控制参数或在线编程操作，而且从系统开发的长远考虑，采用p l c作为控制器也可以为配合后续整机控制系统的开发奠定基础，相对于单片机来说，p l c 具有二次开发的优点。2 5 3 工业控制机的技术特点工控机相对于单片机和p l c 来说功能灵活、结构复杂，它集单片机与p l c优点于一体，具有很强的控制功能。1 ) 工控机成本高，系统结构复杂如果只针对铣刨机自功率控制系统，使用工控机就显得有点小题大做了。但若和其它控制系统联合使用工控机，不仅会降低成本，而且会协调控制系统的工作，采用先进的控制模式，实现整个铣刨机控制的智能化。2 ) 编程容易，接口简单可以采用高级语言编程，设计友好的工作界面，利用计算机强大的计算功能，编制复杂的软件；另外，其接口都是标准接口，易于与各系统之间进行通讯与连接。3 ) 控制精度与响应速度低由于工控机采用的是高级语言编程，其系统程序很大，对于一些需要高速响应的实时控制场合将显得比较吃力，这将严重影响控制精度。4 ) 适合形成网络控制系统的上位机工控机在网络控制系统中，应利用其强大的计算与管理功能，收集下位机传递的数据，并进行处理，以直观的形式显示或打印出来，并且可以存贮起来供进一步研究使用。2 5 4 控制器的选取针对以上三种在工业领域中常用的控制器，再结合铣刨机的使用特点，即在铣刨机的使用中要考虑其抗干扰性、抗恶劣环境性能，同时又要小巧、灵活，及其可重新设置参数、可在线编程、有利于二次开发等诸多优点，因此，我们决定在控制器方案的选择上，采用可编程控制器( p l c ) 来进行铣刨机的自功率控制。第三章自功率控制系统建模3 1概述在控制系统中，对被控对象施加输入u ，就可以产生输出y ，这个j ，代表了对象或过程的实测输出响应。控制设计的任务就是选择输出u ，以便使输出响应y 满足某个给定的性能指标，对象的过程常常比较复杂，这就使得要选出恰如其分的输入u 就不那么直观和容易了。一般来说，对于被控对象的机理与特性研究得越深入，就越有利于控制器的设计，以便选出合适的输入作用u 。被控对象的数学模型可以采用各种不同的表达形式，在控制系统的设计中，所需的被控对象数学模型在表达方式上是因情况而变的，但各种控制算法几乎都要求过程模型以某种特定的形式表达出来。在本文研究的自功率控制系统( 如图2 6 ) 中，电液泵是执行机构，其控制效果将直接影响着对转速的控制，因此本章将首先对电液泵进行重点分析与建模，最后得出整个控制系统的数学模型。1 93 2电液伺服泵的数学模型3 2 1电液伺服泵变量机构原理电液伺服泵的电排量控制是通过电液压力控制先导阀来控制先导压力，压力控制先导阀将的电信号转变为液压信号来操纵一个三位四通阀一液动排量控制阀。该阀将控制压力通向一个双作用伺服活塞，伺服活塞的移动可以改变斜盘角度，进而改变泵的排量。其原理如图3 1 所示。图3 1电液伺服泵变量机构原理图电液伺服泵的变量机构实际上是由两部分组合而成，即一级电液压力控制先导阀和二级液动排量控制阀。下面我们将分别对这两部分进行具体分析。3 2 2 电液压力控制先导阀的数学模型电液压力控制先导阀实质上是一个比例减压阀，它由一个比例电磁铁和三通插件构成。3 2 2 1 比例放大器和比例电磁铁的数学模型比例电磁铁控制线圈的端电压增量方程为：血。乩罢郴。枷+ 屯等( 3 - 1 )其中：l 为线圈电感o、r d 为线圈和放大器内阻；l ( e 为线圈感应反电势系数。若只考虑衔铁组件的质量，而不考虑作用于这些零件上的液压力、干扰力的影响，则可得出下列运动方程：研娶+。立+尼扩(3-2dtd t)2j 。“7其中：m 为衔铁质量；d 为阻尼系数；k 。为衔铁的弹簧刚度。在工作区内，电磁力f 。可以线性表达为：= k l i + k y y( 3 3 )其中：k ，；里睾比例电磁铁电流力增益；q = 等+ k , y 比例电磁铁的位移力增益和调零弹簧刚度之和。合并( 3 - - 2 ) 、( 3 - - 3 ) 并进行拉氏变换得：，脑2 + 协+ t + 蠡，= t( 3 4 )由( 3 - - 1 ) ( 3 - - 4 ) 再加上放大器环节得出比例放大器和比例电磁铁部分传递函数框图如图3 - - 2 所示。图3 2比例放大器和比例电磁铁部分传递函数其中：k 为放大器电压放大倍数：k n 为电流反馈系数；2 1w m = 生去生为衔铁组件弹簧质量系统的固有频率六= 丢d 小i 而为衔铁组件的阻尼比；w 。= 墨 生为控制线圈的转折频率。3 2 2 2减压阀数学模型减压阀的液压工作原理抽象成如图3 - - 3 所示：由图3 - - 3 可得流量和力的方程为：q 0 也= 苦eq = k 。y k e e兄o = k ，l ( y y 1 )其中：v 为容腔容积；l 为油液体积弹性模量。图3 - 3减压阀的液压工作原理其中：f 为作用力；q o 、p o 为初始流量、压力；q l 、p l 为工作流量、压力；y l 为初始位移。( 3 5 )( 3 6 )( 3 - 7 )由于此阀是一个流量仅有几升的小阀，而且管路较短，因此省去容腔的压缩因素，将式( 3 5 ) ( 3 7 ) 整理得如下传递函数框图，如图3 4 所示。图3 4减压阀部分传递函数3 2 3液动排量控制阀的数学模型液动排量控制阀是一个位移一力反馈式排量调节型结构( 如图3 1 所示) 。方程式主要由先导阀力平衡式方程、流量方程、变量活塞的力平衡方程组成。先导阀上力平衡方程为：f o = a ，只= k ， + y 2 )( 3 8 )若只考虑弹簧力和控制压力，忽略质量和摩擦力，则流量方程经拉氏变换为：yk q y y 2 + k m p c + f v2 a x x - 毒只p ( 3 - 9 )变量活塞的力平衡方程为：艘一4 只+ e = ( m s 2 + d s ) x( 3 1 0 )将式( 3 8 ) ( 3 1 0 ) 整理得传递函数框图如图3 5 示。图3 5液动排量控制阀部分传递函数其中：a 一= 为变量活塞面积比；m 、d 为折算到变量活塞上运动部件的质量和阻尼系数；f ，为液压泵变量力；k y 、砩q 为变量阀流量增益和流量压力系数：p 为泵出口压力；暇= 等；耻等；既= 鲁；x 为变量活塞位移；y 为先导阀开度。控制腔的液压弹簧刚度k h 为1 0 4 数量级，故w h 为一很高的自振频率，此二阶环节可以略去【9 i 刚简化后的佶讳甬麴框图如图3 6 所示。图3 6简化后的传递函数3 2 4活塞斜盘倾角数学模型在泵控系统中，轴向变量柱塞泵及其回转轴承是作为变量泵变量机构的排量调节机构的。活塞位移与泵斜盘倾角之间的几何关系是：工= l s i n y其中：卜变量活塞油缸施力点与斜盘绞接点间的距离：y 一变量泵斜盘倾角。由于y 的变化量很小，故近似为s i n y “y 。于是式( 3 1 1 ) 可化为：x = l ，( 3 1 1 )( 3 - 1 2 )所以删= z 1 工( s ) ( 3 - 1 3 )由此可得到活塞斜盘倾角回路的传递函数框图，如图3 - - 7 所示。图3 7 活塞一斜盘倾角传递函数框图3 3控制系统数学模型在整个自功率系统中，电液伺服泵作为控制系统的执行机构，其重要的作用与意义是不言自明的，它的控制好坏也对整个控制系统有着很大的影响。在上一节中，我们已经对电液伺服泵进行了具体分析，并得出了其数学模型。下面，我们将在上述分析的基础上，对整个泵一发动机构成的控制系统进行分析与建模。变量泵的排量方程为：q 。= k p 。y( 3 1 4 )其中：q r 一泵的弧度排量；k p 一泵的排量梯度。液压泵的理论流量方程：绯= n p q ，( 3 1 5 )其中：q 。一泵的输出流量；n b _ 一泵的转速。行走系统功率方程为：其中：只一行走系统功率：p 一行走系统压力。发动机的转矩方程：其中：m 。一发动机的输出扭矩只= g 。p( 3 - 1 6 )肼。：兰咒( 3 1 7 )只一为发动机功率。在某一工作点上，发动机的输出转矩等于整个系统克服负载所需的转矩，转矩平衡方程为：m 。= m 。= m i + m x( 3 - 1 8 )若行走系统功率最减小，n m 。减小，整个系统克服负载所需的转矩m 。减2 6小。在功率一定时( 额定功率附近) ，发动机的输出转矩m 。与转速n 成反比，于是可近似认为在控制过程中，行走系统功率只与发动机转速n 成反比，反比系数设为去a综上所述得控制系统的传递函数框图如图3 8 所示。糕圆卿啦g螺垛幕辑i n 匦第四章控制系统硬件设计4 1p l c 控制器模块的组成及p l c 的选型4 1 1 控制器模块的组成p l c 控制器结构如图4 1 所示，主要包括p l c 基本系统、电源、输入输出接口及驱动电路等部分。从硬件结构上说，p l c 控制器就是一台小型的计算机。压巍一一一一一。一一一一一+ 。接电t 一囊示玎电稿雅图4 1p l c 控制器模块的组成4 1 2p l c 的选择选择能满足控制要求的适当型号的p l c 是硬件设计中至关重要的一步。自从美国的数字设备公司( d e c 公司) 1 9 6 9 年研制出世界上第一台可编程控制器( 简称p l c ) p d p 1 4 以来，p l c 就得到了迅猛的发展。许多著名的公司相继推出推出了自己的最新产品。如富士公司的n 8 0 型、n 8 2 型及n j 系列，三菱公司的f x 系列、a 1 s 、a 2 s 及a 3 a 系列，欧姆龙公司的c 2 0 0 h 、c 2 0 0 0 h 、s p l 0 及c w c v m l 等，西门子公司的$ 7 2 0 0 系列、$ 7 3 0 0 系列、$ 7 4 0 0 系列等。目前，国内外p l c 生产厂家生产的p l c 品种己达数百个，其性能各有待点。所以，机型选择的基本原则是应在功能满足要求的情况下，保证系统的可靠性、维护使用方便以及最佳的性能价格比。具体要考虑到以下几个方面：1 ) 合理的结构由于p l c 是专门为工业环境应用而设计的，为了便于现场安装和接线，其结构形式与一般计算机有很大的区别。它主要分为整体式和模块式两种结构形式。整体式结构的p l c 具有输入输出点数少，体积小等优点，适用于单体设备的自动控制和机电一体化产品的开发应用等场合。而模块式结构的p l c 具有输入输出点数多，模块组合灵活的特点，适用于复杂过程控制系统的应用场合。我们所要研究的自功率系统属于单体设备的自动控制，因此适合采用整体型结构的p l c 。2 ) 合理的功能对于开关量控制的系统，其控制速度无需考虑，一般选择低档机就能满足。而对于本论文所要研究的铣刨机自功率控制系统来说，由于要使用到闭环控制、p i d 运算、p w m 信号等功能，因此必须选用中、高档机才能满足要求。按照目前市场调研情况及价格性能比对照，决定选用s i e m e n s 公司1 9 9 5 年底推出的s 7 2 0 0 型系列可编程序控制器。这一系列产品可以满足各种自动化控制需要。由于具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格以及强大的指令，使得s 7 2 0 0 可以基本满足小规模的控制要求。此外，丰富的c p u 类型和电压等级( 交、直流2 4 v ，交、直流1 2 0 v ，还可以使用t t l 电平等) 使其在解决不同的工业自动化问题时，具有很强的适应性。在具体考虑c p u 型号时，主要以自功率系统的i o 点数及类型确定。根据对整个系统的考察，可知p l c 要提供3 个开关量输入点和1 个模拟量输入点；2个开关量输出点。同时考虑到要留有2 0 3 0 的余量，最后确定p l c 为：$ 7 - 2 0 0 系列c p u 2 2 2 型( 型号为6 e s 7 2 1 2 1 a b 2 2 ) 、一个模拟量扩展模块( 型号为e m 2 3 1 ) 。4 1 36 e s 72 1 2 1 a b 2 2p l c 简介6 e s 72 1 2 一l a b 2 2p l c 是s 7 2 0 0 家族中低成本的单元，能满足多种集成功能的需要，非常适合于小点数控制的微型控制器。其具体性能参数如下：1 ) 总体特性：( 1 ) 集成的2 4 v 负载电源，可直接连接到传感器和交送器( 执行器) ，c p u 具有1 8 0 m a 输出。本机集成8 输a j 6 输出共1 4 个数字量i o 点；( 2 ) 4 个高速计数器( 3 锄m z ) ，3 2 位，可作为加减计数器用，或将增量编码器的两个相互之问相移为9 0 度的脉冲序列连接到高速计数输入端，可编程使能和复位输入，在达到设定值时中断，计数器方向可反向；( 3 ) 4 k 字节程序和数据存储空间，位操作执行时间o 3 7 “s ；( 4 ) 可连接2 个扩展模块，最大扩展至7 8 路数字量i o 点或1 0 路模拟量i o点：( 5 ) 2 个高速输出( 2 0 k i - i z ) ，具有中断能力，脉冲宽度和频率可调：( 6 ) 1 个r s 4 8 5 通讯编程口，具有p p i 通讯协议、m p i 通讯协议和自由方式通讯能力；( 7 ) 可使用仿真器( 选件) 对本机输入信号进行仿真，用于调试用户程序；2 ) 输入点( 1 ) 输入电压额定值为2 4 v d c ，o n 状态范围为1 5 3 5 v d c ，o f f 状态范围为0 5 v d c ：( 2 ) 输入电流o n 状态时最大值为4 n 1 a ：( 3 ) 额定电压下所有标准输入的输入延迟为o 2 1 2 8 m s ，其范围可调节；中断输入( 1 0 o i o 3 ) 的延迟o 2 1 2 8 m s 范围可调节；高速计数器( 1 0 0 一1 0 5 )最大延迟为3 0 i ( 1 k ：3 ) 输出点( 1 ) 额定负载电压l + l 1 为2 4 v d c ，允许范围2 0 4 - - - 2 8 8 v d c ；( 2 ) 电压输出0 n 状态时最小为2 0 v d c ；( 3 ) 电流输出o n 状态时最大为o 7 5 a ，o f f 状态时为1 0 脚；( 4 ) 接通延时：标准输出( q o 2 q o 5 ) 最大为1 5 t s ，脉冲输出( q o o q o 1 )最大为2 坤( 5 ) 关断延时：标准输出( q o z - q o 5 ) 最大为l o o p s ，脉冲输出( q 0 q o 1 )最大为1 0 p s ( 6 ) 输出开关容量：阴性负载为o 7 5 a ，灯负载为5 w ；4 ) 电源( 1 ) 电源电压l + ，l 1 额定值为2 4 v d c ，允许范围2 0 4 2 8 8 v d c ；( 2 ) 输入电流：冲击电流典型值为1 0 a ，2 8 8 v ，电流消耗最大为7 0 6 0 0 1 1 1 a ：( 3 ) d c 传感器电源：额定值2 4 v d c ，电压范围为1 6 4 2 8 8 v d c ，输出电流额定值为1 8 0 m a ，短路保护6 0 0 m a 。4 2 系统硬件设计硬件设计是指对p l c 的外部设备进行设计，具体对于本控制系统来说，就是要完成输入输出设计及外部接线设计等几个主要任务。4 2 1 输入，输出设计1 ) 输入设计输入设计主要就是对发动机转速传感器的输出信号进行设计。在本文研究所参考的对象l x h l 0 0 0