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机械工业类论文 基于PID控制的等离子弧压调高控制器的研究

2018-11-27 16:47:49来源:组稿人论文网作者:婷婷

  摘要

  本次研究以仿真实验为主,所以根据编制的程序和现场实际情况对硬件电路进行搭建,并根据实验程序进行仿真。为模拟现场弧压反馈,采用滑动变阻器来控制输入电压,电压控制范围为0~5V,控制仿真未采用伺服系统进行仿真,但采用输出控制电压为0~10V来控制伺服系统转速。

  关键词:数控等离子,弧压调高,单片机,PID,仿真

  第一章 绪论

  第一章 绪论

  1.1 课题的目的和意义

  在公司的生产活动中需要对大块钢板进行切割下料,公司现有的切割下料方式有氧气乙炔切割下料、激光切割下料、等离子切割下料。其中氧气乙炔下料与等离子切割下料相比,氧气乙炔下料可实现50mm以内板厚零件下料,但其下料后需进行二次加工,而等离子切割下料可以实现对大部分的导电金属材料的切割,同时可实现批量生产、切割精度好,对简单零件可直接使用等优点。等离子切割下料与激光切割下料相比,切割质量不如激光切割,但其能够切割比激光更厚的材料,同时精细等离子切割技术在对板材加工时其加工质量可以媲美激光切割下料的加工质量,但其动能及辅材的投入小于激光,公司对简单零件、较厚板材的下料工艺仍然采用等离子切割下料。

  空气等离子切割机的工作原理类似于氧气乙炔切割,但其切割的热源不是燃烧的乙炔而是以电能转化而来的具有较高温度的等离子切割弧,该切割弧作用于被切割金属板材时造成局部金属熔化,同时压缩空气通过割枪喷出后形成的高速气流将已经熔化的金属带走,形成切割缝隙,最终实现金属分离。等离子切割机由于采用电能转换切割热能,所以出现切割正负极之分,其性质与焊接相似,故无法实现绝缘材料的切割,仅能切割熔点较低的金属材料。等离子切割机其切割效率高,同时能量密集,热影响范围较小,工件变形量小,一般采用逆变技术,其能耗明显低于氧气乙炔切割。所以数控等离子切割技术一问世即得到了迅速的发展。

  数控等离子切割技术实际是采用数控技术实现等离子的自动切割,是伴随着数控技术发展而形成的切割技术,属于数控机床的一种。数控技术应用于等离子切割技术在结合了数控技术的高精度、高柔性化、高效率的等优点的同时实现了切割技术的自动化,极大的提高了等离子切割的加工精度,而套料软件的应用可以更加合理的利用被加工板材,数控技术的应用让操作人员仅需上下料即可高效的完成批量零件生产。这些优点使数控等离子切割技术替代手工等离子切割和半自动切割技术成为可能,并将持续发展,最终形成数控机床的一个强大分支。数控等离子切割技术融合了数控技术、电子控制技术和焊接电源技术,其高度发展必将推动学科技术的进步。

  随着公司对产品品质要求、费用控制的不断提高,其对零件下料提出更高的精度控制要求的同时对费用控制也进一步提高。因此减少手工等离子、氧气乙炔下料、控制激光下料的范围,扩大数控等离子切割机的应用范围。采用动能辅材消耗较小、加工精度可满足工艺要求,同时可以实现快速产品切换、柔性加工的自动化切割设备以满足生产需求,数控等离子切割机成为公司生产机具的不二之选。

  数控等离子切割过程中等离子切割枪与工件的高度影响到设备耗材使用的寿命、切割零件的切割质量及切割电源电流、电压的变化等方面,所以对数控等离子切割枪的高度控制是设备参数的一个重要因素。目前设备使用的调高控制器多为模拟量控制,采用PWM控制电机进行高度控制,模拟量控制器的电路设计简单,制造成本不高,使用维护成本较低,但模拟量控制采用模拟量作为控制基本参数,其无法实现控制参数细分,所以其控制精度较低,导致其控制的割枪调整范围波动较大。操作人员劳动强度大,为改善调高控制器的调整精度与响应速度,本课题准备利用单片机采用增量式PID控制方式并结合伺服控制系统进行调高控制器的研究。

  1.2 数控等离子切割机系统原理

  数控等离子切割机属于数控设备,在数控等离子加工前需要进行程序的编写,然后进行转换、输入形成可以执行的命令。因此需要将需切割的零件在编程软件上进行套料操作,以提高板材利用率,然后利用套料软件对程序进行装换并通过工控机I/O口输入工控机。经过工控机计算和变换后发出相应的信息和指令来控制切割装置的运动,从而割出来一定形状的零件,它是生产效率和自动化程度较高的一种切割设备,其基本构成如图1.1所示:

  图1.1 数控等离子切割机构成图

  数控等离子切割机主要组成部分为切割平台(包含除尘设备)、数控系统、伺服系统、供气系统、等离子电源、调高系统。

  数字控制简称为数控,是一种自动控制技术,是用数字化的信号对控制对象加以控制的一种方法[1]。将采集到的信号进行模数转化后通过处理数字信号并形成控制的系统为数字控制系统,而不进行模数转化并处理模拟信号的控制系统为模拟控制系统。数控等离子使用的数控系统是系统厂家根据数控等离子特性生产的控制单元,一般是以WINDOWS、DOC等操作系统为基础开发的融合多轴联动控制程序,外形插补控制程序,能够实现在设备输入套料程序后执行其运动控制指令,从而实现零件外形切割轨迹的控制。同时实现机床运行时各参数状态的收集、反馈与协作。

  伺服系统是数控等离子切割机主要的运动执行系统,主要功能是接受来之数控系统的控制指令,并忠实的执行该指令,同时根据伺服电机随配置的旋转编码器感知运动系统的变化,在输入指令和感知位置信号中进行数字运算,从而实现实时位置控制,最终实现准确的跟随输入指令来控制机床各被控制轴的运动变化。伺服系统能够稳定的实现在较短时间内高精度的位置控制,同时其抗干扰能力很强不易产生误动作。

  供气系统是稳定的、连续的向割炬供给工作的压缩气体,主要用于冷却割炬,吹离切割熔渣形成切缝等。

  等离子电源用来产生切割钢板的等离子切割弧,等离子电源一般采用恒流控制,根据控制输出电弧电压的高低以保障输出电流的恒定。在割炬在运行过程中由于钢板变形导致割炬与钢板距离变大时输出电阻增大,等离子切割弧压需要相应升高以保证输出电流恒定,反之,需要降低输出电压,这就为通过电弧电压控制调高系统提供了可能性。

  调高系统是控制割炬高低以保证切割需求,根据不同的控制信号通过控制电机运行控制割炬与钢板之间的距离,从而实现等离子切割时割炬能够适应钢板的起伏,降低撞枪风险。同时能够控制割炬与钢板的适当距离减少切割飞溅及熔渣,提高产品质量及消耗品的使用寿命。

  1.3 国内外数控等离子切割技术的发展现状

  数控等离子切割技术在经过近70年的发展,原来作为先进的切割技术主要有欧美等发达国家生产制造,但随着国内数控技术的发展国内已经有很多厂家掌握了数控等离子的制造技术并实现了量产。由于基础材料、制造工艺等方面因素的限制进口数控等离子仍然以其高控制性能、低故障率等优点深受使用企业欢迎。国内数控等离子生产企业为提高其设备稳定性主要以集成制造为主,其生产的数控等离子切割机主要部件如:伺服控制器、伺服电机、数控系统、主要控制电磁阀等以购买进口产品,然后进行整机生产,从而提高了数控等离子切割机的稳定性。随着机器人技术的发展,各数控等离子切割机生产厂家开始配备机器人进行数控切割设备生产,从而实现了数控等离子切割从平面切割向三维切割的发展,扩展了数控等离子切割技术的应用范围。随着国内设备制造企业对激光切割技术的不断引进和使用,激光切割机的制造成本逐步降低,各设备制造厂家开始生产激光切割设备,导致数控等离子切割设备发展速度降低。数控等离子技术由于其制造、使用和维护成本较低,其需求量仍然会维持一个较高的水平。

  公司在2007年引进由上海金凤焊割有限公司生产的AG-400型数控等离子(图1.2)切割机进行切割作业。由于设备工作环境中大量切割粉尘的影响,设备运行状态不稳定,出现切割质量、切割效率出现下降现象,并且使用维护成本不断提高,需要对其进行改造以提升设备性能。

  图1.2 公司使用的AG-400数控等离子切割机

  1.4 调高控制器的发展状况

  数控等离子切割机在切割过程中等离子割炬与被切割钢板的高度控制不但影响零件切割质量,同时还会造成切割耗材的不正常损坏。一个好的调高控制器可以再节省投入的同时实现切割质量的提升,所以在数控等离子推广开始厂家就没有停止对调高控制器的研究。

  调高控制器作为数控等离子主要控制装置其生产厂家很多,国外调高控制器生产厂家主要生产的调高控制器为弧压式和电容式调高控制器。由于其生产时间较长所以其生产的调高控制器能够实现较高的精度控制,但其使用和维护成本较高。如BONY公司的ARC300电容式自动调高系统,Hypertherm(海宝)公司的Sensor THC弧压式自动调高系统[2]。

  国内生产的调高控制器在对国外生产的控制器学习后其生产的控制器主要是弧压调高和电容调高两种,电容式调高控制器由于其制造成本较低、制造技术成熟,在前期国产控制器中使用较多,但由于其容易被切割电弧干扰导致控制精度下降,现在使用量很小。在数字技术发展迅猛的今天国内也有较多厂家进行弧压式控制器的生产,但为降低生产制造成本,多采用简单的门电路或者模拟电路进行运动控制,且调高电机使用直流电机,故此种控制器响应速度差,多出现滞后控制。

  下面对Hypertherm(海宝)公司的Sensor THC弧压式自动调高系统(如图1.3所示)和北京君一凯博数控设备有限公司生产的THC-100电容调高器进行介绍。

  SENSERTMTHC 是功能齐全的割矩高度控制模块,专为Hypertherm自动化 EDGE 而设计。SENSERTMTHC 采用了集成系统的最新技术,具有高度的硬件可靠性。内置的 SoftMotion 和闭环伺服控制。

  安装与设置特征:

  1、内置的检测系统,使布线、检测、设置更简单。

  2 内置的用户可编程控制参数用于初始化高度传感器、等离子弧电压、割矩高度取消以及自动交叉切缝检测。

  3完全的伺服环调节,包括速度、比例、积分、微分以及前馈增益调节。

  4、 弧电压范围宽:50---300VDC,以 0.5V 幅度增加。

  5、手动或全自动高度控制。

  6、可编程的回缩距离。

  硬件规格

  1、100W 伺服驱动器,额定电压交流220V,额定工作电流4.5A。

  2、采用12位的模数转换器,数据转换速率达1000Hz。

  3、+/-10VDC 的光电隔离驱动输出以及可增加的编码器输入。

  4、12 英寸(300mm)的割矩升降行程。

  5、升降体尺寸:长* 宽* 高:774mm*184mm*63mm 。

  6、升降体重量:20 磅(9.07Kg) 。

  图1.3 Sensor THC弧压式自动调高系统

  THC-100 电容式调高系统(如图1.4)是一个数控等离子自动调高系统,主要是利用一个安装自割炬上的电容检测环实现对割炬由于高度变化而产生的电容值的变化,从而进行数据计算产生控制变化的电容式调高控制器。

  主要技术指标如下:

  工作电压:交流24V±10%,50Hz/60Hz。

  升降电机:DC24V 直流电机。

  输出电流:1A~4A 。

  工作温度:调高器-10~60℃,高频同轴电缆:-10~200℃,探头组件:-10~350℃。

  精度:±0.2mm。

  精度内的调节范围:距工件表面 5mm ~20mm 。

  最大输出功率:100W。

  高频电缆长度:500mm~15000m 。

  外形尺寸:长 * 宽* 高:150mm*106mm*55mm。

  图1.4 THC-100 电容式调高系统

  1.5 论文的主要内容

  在分析弧压调高原理的基础之上,结合公司设备实际状态对实际生产用的弧压调高控制器进行研究。论文的主要内容如下:

  (1)分析公司设备实际控制状态及存在的问题,制定符合公司设备改造需求的弧压调高控制方案。

  (2)在对弧压控制器控制原理分析的基础上,制定仿真实验电路方案。

  (3)编制用于仿真实验的仿真程序,采用增量式PID算法为算法主体进行程序编制。

  (4)弧压控制系统的仿真实验。

  第二章 弧压调高系统整体结构设计

  公司自2007年使用数控等离子后一直采用由设备公司配套的弧压调高控制系统(图2.1),该控制系统在使用初期能够适应设备工作状态,但随着使用时间增长,调高性能下降,导致切割质量和效率下降,耗材使用量增加。多次更换控制电路板后仍然无法提升其性能,需要需求新的控制系统予以替换以提升设备加工能力。

  图2.1 AG-400数控等离子弧压调高系统

  2.1 利用弧压调高的数控等离子整体结构方案

  利用弧压调高的数控等离子示意图如图2.2,主要有工控机单元、轴控制及PLC控制单元弧压调高单元和等离子电源单元组成。各单元的具体功能如下:

  工控机

  轴驱动及PLC控制单元

  弧压调高控制单元

  等离子电源单元

  图2.2 弧压调高系统框图

  工控机单元:一般是以WINDOWS、DOC等操作系统为基础开发的融合多轴联动控制程序,外形插补控制程序,能够实现在设备输入套料程序后执行其运动控制指令,从而实现零件外形切割轨迹的控制。同时实现机床运行时各参数状态的收集、反馈与协作。该控制单元通过I/O口可以完成对设备运行状态的监控和记录。

  轴驱动及PLC控制单元:该单元主要是接收工控机控制信号并转化、执行,最终形成对数控等离子动作的控制。同时该单元采集数控等离子各运行状态信号并传输给工控机单元形成信号反馈。

  等离子电源单元:等离子电源接收来自各控制单元信号,用来产生切割钢板的等离子切割弧,等离子电源一般采用恒流控制,根据控制输出电弧电压的高低以保障输出电流的恒定。同时等离子电源在切割弧建立后形成各反馈信号给各控制单元,从而协调各单元在切割时进行动作形成零件。

  弧压调高控制单元:调高系统是控制割炬高低以保证切割需求,根据不同的控制信号通过控制电机运行控制割炬与钢板之间的距离,从而实现等离子切割时割炬能够适应钢板的起伏,降低撞枪风险。同时能够控制割炬与钢板的适当距离减少切割飞溅及熔渣,提高产品质量及消耗品的使用寿命。弧压调高控制单元应包含控制电路和执行机构,可以根据弧压及时对割炬进行调整。

  2.2 弧压调高控制系统设计及硬件构成

  2.2.1 控制系统设计

  本课题的控制系统有两种,分别介绍如下:

  1 、多单片机协同控制系统

  如图2.3所示,整个控制系统多个单片机组成的复杂控制系统,其中键盘输入及液晶显示的管理等功能由其中一块单片机负责处理,另外直流电机的和与上游控制系统通讯由另外一块单片机负责处理。

  等离子电源及数控系统信号输入

  主单片机

  从单片机

  LCD显示

  指示灯

  键盘

  电机驱动电路

  电机

  传感器

  图2.3 多单片机协同控制原理框图

  2、单片机集中控制系统

  如图2.4所示,由一块单片机实现对信号输入、输出、电机驱动、显示处理等全部功能的控制系统。由于本课题是对现有设备的优化改造,若采用多单片机单片机协同设计,系统设计过于复杂,且调试时间要求较长。同时为简化输入、输出保障系统的稳定性,决定采用单片机集中系统。

  等离子电源及数控系统信号输入

  单片机

  LCD显示

  伺服电机驱动电路

  伺服电机

  伺服反馈

  图2.4 单片机集中控制原理框图

  2.2.2 伺服驱动系统

  调高系统的伺服驱动机构主要有伺服驱动器、伺服电机和导轨组成。现在数控等离子提高系统多采用直流电机或者步进电机进行系统设计,此种设计系统为实现闭环控制需要增加对电机的检测装置,外围元件较多,容易受到环境干扰从而影响控制精度。为提高设备控制精度,并减少外围元件故在此方案中采用伺服控制系统,利用伺服控制系统的高控制性能提升控制精度。其控制原理图如图2.5所示:

  工控机控制单元

  调高控制单片机单元

  伺服电机

  直线导轨(带动割枪)

  弧压反馈

  图2.5 伺服控制原理框图

  弧压调离控制原理如下: 设备操作人员在利用数控系统输入设备操作指令后,设备根据轨迹规划开始进行等离子电源控制,数控系统接收到等离子电源产生的切割弧建立信号后,通知调高控制系统进行工作,提高控制系统在对信号处理后发出伺服运行指令控制伺服系统进行伺服电机运行,然后伺服电机带动直线导轨工作,直线导轨带动割枪上升、下降,实现割据对需加工材料的切割。在整个切割过程中,等离子电源产生的0-300V交流弧压信号经过降压处理为0-5V的直流弧压信号,并将该信号传送至弧压调高控制器,弧压提高控制器根据实际反馈信号与给定信号进行控制运算,然后带动伺服电机进行正反转工作,从而实现割炬的上下运行,最终实现割炬与钢板的距离不变,保证切割质量。弧压控制器最终控制的为伺服运功系统,如果采用模拟量进行控制其控制精度不如采用数字量控制,由于本次研究决定采用单片机控制,所以实现数字信号处理难度不大,从而实现较高控制精度。

  2.2.3 单片机介绍

  单片机诞生于 20 世纪 70 年代,是一种采用超大规模技术把能够处理数据的微处理器、能够存储数据的随机数据存储器、只读存储器、输入输出端口、通讯端口及各种数据处理端口集成到一起的集成电路芯片。通过搭建不同的硬件电路并结合不同的控制程序,通过单片机能够实现不同的控制需求。单片机在没有进行电路搭建时它仅仅是一块集成芯片,它的使用离不开设计人员对设计任务的理解与规划,而一旦其控制软件和控制电路完成设计它就是一个功能强大的控制系统。由于单片机属于芯片级应用所以其应用无处不在,小到儿童玩具,大到航空航天,几乎应用于我们日常生产、生活的各个方面。单片机的应用属于工业控制元件的最底层系统开发,工业生产中使用的PLC其功能主要是基于单片机的开发和利用上,所以如果需要使用单片机需要对需使用的单片机进行深入的研究和学习。

  2..2.4 AT89C51简介

  AT89C51是美国ATMEL公司生产的工作电压为直流5V的8位单片机,由8951、89C51发展而来,该单片机使用4KB的可擦写存储器和128B 的随机存储器。该单片机是ATMEL公司使用大规模集成技术生产的兼容性好的8位微处理器单片机。AT89C51提供32个可编程输入输出口,可以灵活使用编程指令实现各输入输出口的输入输出定义。提供2个16位定时/计数器,通过该定时/计数器可以实现时间和脉冲信号控制。提供的6个中断源可满足多种条件转换需求。

  2..2.5 伺服驱动器、伺服电机及直线导轨

  伺服驱动器又称为“伺服放大器”,是伺服电机的指令处理部分,与伺服电机配合使用,主要应用于需要精度较高的运动系统,力矩控制系统和速度控制系统,属于伺服系统的一部分,一般是通过位置、速度和力矩三种方式对伺服马达进行控制,实现高精度的传动系统定位[3]。目前比较广泛的应用于各类传动控制领域,由于伺服驱动器丰富的通讯接口,通过伺服驱动器可以实现公司生产中的数字、网络、智能化需求。伺服驱动器的主要功率器件和变频器基本上相同,都经历了晶闸管、场效应管和智能功率模块这样的发展过程。其强电主回路主要是实现对电源的整流、逆变过程,最终实现输出可以控制幅度和频率的交流电,从而实现对交流伺服电机的精准控制。功率驱动单元的整个过程可以简单的说就是AC-DC-AC的过程[4]。本次研究采用富士smart系列伺服驱动系统,该系统采用全数字正弦波PWM控制方式,能够实现高速、高精度定位,其频率响应为1500HZ,可实现控制电机最高旋转速度为6000r/min,支持高分辨率编码器最高可达262144脉冲。

  伺服电机(servo motor)是伺服运动系统中最终的执行单元,伺服电机直接带动机械机构从而实现位置移动。由于伺服电机可以实现速度的无级别调整,所以无需使用机械减速机构,从而可以简化机械机构设计,降低设备整体尺寸。伺服电机所配置的旋转编码器可以快速感知伺服电机运动位置,在一些精度要求不高的情况下由其构成的半闭环控制机构即可实现控制精度要求。现在常用的伺服电机一般为直流伺服电机和交流伺服电机,这两种电机具有当信号电压为零时无自转现象,转速随着转矩的增加而匀速下降[5]的特点。本次研究采用富士GYS401伺服电机,该伺服电机额定输出功率为400W,额定输出转矩为1.27N.M,最大输出转矩为3.2N/M,额定旋转速度为3000r/min,最大旋转速度为6000r/min,额定电流为2.7A,最大电流为8.1A,安装方式为IMB5法兰式安装方式,能够满足本次研究需求。

  直线导轨可分为:滚轮直线导轨,圆柱直线导轨,滚珠直线导轨三种,是用来支撑和引导运动部件,按给定的方向做往复直线运动 6]。直线导轨主要是用在精度要求比较高的机械结构上,直线导轨不使用面接触而使用滚球接触,可以减少摩擦,实现快速移动。本次研究采用HIWIN公司的KK4001P直线导轨,该导轨总行程为100mm,可以满足本次研究需求,且该导轨可直接与伺服电机结合,无需减速机构介入,结构简单,传动效率较高。

  2.3本章小结

  本章对控制系统的多单片机协同控制和单片机集中控制进行了分析,从而制定了控制系统的总体方案,对调高控制器的原理图进行了分析,最终确定了弧压调高控制系统的控制方案。本章除了对方案中的各组成部分的功能进行了分析和说明外,还分析了弧压调高的控制原理,最后,论文阐述了系统硬件的构成。

  第三章 数控等离子提高控制系统仿真技术和PID控制算法的研究

  第三章 数控等离子调高控制系统仿真技术和PID控制算法的研究

  3.1 系统仿真技术

  3.1.1 仿真技术的定义

  仿真技术技术就是在需要研究的对象难以进行实验、没有实验对象或者需要进行大量的重复数据的采集更新的情况下,通过对实验要求进行总结分析,从而搭建实验模型,通过研究实验模型从而得到实现数据或者规律的实验技术。

  3.1.2 仿真的分类和基本步骤

  仿真技术按照所建模型性质和仿真技术手段可以分为以下两种:

  第一,根据所建立的模型性质可进行物理仿真、数学仿真和混合仿真三种仿真技术。使用与研究对象相似的几何、环境条件建立的仿真模型进行仿真的情况为物理仿真。使用与研究对象相似的性能、环境及数学关系建立的仿真模型进行仿真的情况叫做数学仿真。而同时使用两种关系建立的仿真模型叫做混合仿真。

  第二,根据仿真时使用的仿真技术手段不同可以进行模拟仿真、数字仿真和混合仿真三种仿真技术。模拟仿真使用的仿真技术手段主要研究连续信号量,相当于实际把研究对象的各物理量电压化,采用连续变化量进行研究。数字仿真技术主要是把实际研究对象的连续输入输出量先进行离散化,形成不连续的运算数据,从而提高计算精度。混合仿真主要是结合了模拟和数字仿真技术的优点,具备对连续和离散信号研究的能力。

  仿真一般有以下几个步骤:

  (1)建立描述系统的仿真模型;(2)将仿真模型转换为数字模型;(3)编写仿真程序;(4)验证确认模型;(5)仿真试验,记录并分析试验结果[7]。

  3.1.3 PID仿真器件

  由比例、积分、微分控制共同组成的控制系统被简称为PID控制,被广泛应用于实际工程控制之中。此类控制手段主要应用于研究对象无法精确掌握,其控制参数和模型结构需要根据经验和频繁进行现场调试来确定的场合。

  3.1 模拟PID控制器框图

  利用简单结构即可实现对控制对象的稳定控制并且其参数调整机器方便等其他控制器不具备的优点,所以在进行工业控制系统设计时设计人员优先考虑使用PID控制。微分、积分、比例三个可方便调整参数的结合形成了最终的PID控制系统,而实际使用中可能存在仅两个、甚至一个参数即可实现控制需求的情况,这样实际也是PID控制,但其控制参数存在为零的情况。PID控制器其控制的主要参数来源为系统输入与实际反馈的误差值,利用了负反馈系统的稳定性进行控制量的形成。图3.1中也给出了一个模拟PID控制器的方框图, PID控制输入输出之间的关系在时域中可表示如下: (1)

  式中e(t)表示控制偏差,m(t)是控制器的输出,Kp为比例常数、为积分常数、为微分常数。(1)式通过拉普拉斯变换又可表示为:

  (2)

  由于实际计算量极大,一般仿真实验借助计算机进行,为了能够进行计算机仿真实验,需要对模拟量进行离散化,即需对式(1)进行离散化处理,这样PID控制器的传递函数可由式(2)可得到,然后利用计算机对所建模型进行仿真。

  3.1.4 仿真模型建立

  在使用计算机进行模型仿真时如果对模拟信号进行处理在单位时间内数据采集量很大,如果采用对模拟信号中的几个点进行信号的采集以减少数据量提高数据处理效率,这样采集的信号叫做采样信号,这种控制的特点是各采样点在采样时刻的时间函数各自无关。为提高仿真效率利用计算机进行仿真,决定采用采样控制系统进行系统建模。图(3.2)是离散后的采样控制系统原理框图,D(Z)为控制器的传递函数,(s)为零阶保持器的传递函数,Go(s)是被控对象的传递函数。对零阶保持器的传递函数使用给定值,而控制对象的传递函数一般由于其控制的稳定性而使用稳定的传递函数。这样在仿真实验时仅需对控制系统的传递函数参数进行调整即可实现实验需求。

  图3.2 典型采样控制系统框图

  3.1.5 PID控制器各单元的作用

  PID控制器包括P(比例)、I(积分)、D(微分)三个控制系数,各个控制系数在控制器中的作用不尽相同。其中各控制系数的作用如下:

  (1)比例系数:该系数是在控制系统接收到负反馈信号时按照预先设置的比例系数进行偏差调整,但比例系数与其调节速度成正比例同升共涨,可过快的调节速度容易出现系统稳定性的被破坏的隐患。

  (2)积分系数:该系数主要作用于消除系统的稳态误差,该系数其实是控制系统调节时间的一个时间值,其系数值的大小影响系统动态响应的快慢程度。

  (3)微分系数:该系数的调节作用具有预见性,能够在产生误差超调前进行控制,反映控制系统的抗干扰能力,该系统是控制系统变化率的表现,故无法单独使用,需要配合另外两种参数使用。

  3.1.6仿真实验软件选择

  这次仿真主要采用Matlab6.5、Proteus ISIS7.6、Keil C51 uVision3.0版本进行整个研究。

  Matlab软件是由美国Mathwork公司推出的仿真实验软件,一般应用于计算机仿真实验当中。“Matlab”是矩阵实验室“Matrix Laboratory”的缩写,最初应用于数学学习与授课,但随着其功能的不断增加及内容的丰富,在工程技术开发领域不断被使用。

  Matlab具备函数库丰富,计算功能强大,仿真功能实用,同时由于其开放的编程接口等优良特点,受到了广大科研工作者的厚爱。Matlab是控制系统的一种分析和仿真工具。利用它可以非常方便地对控制系统进行仿真[8]。

  Proteus ISIS 是英国 Labcenter 公司开发的应用于单片机设计的仿真软件,可以实现无需搭建实际电路即可看到设计结果的单片机设计软件,利用该软件可以以较小的资金投入实现单片机应用系统的开发。该软件通过在其设计层面进行电路的设计与绘制可以实现对模拟、数字电路的仿真实验。通过软件提供的各类虚拟测量器件可以实现对电路各点的测量可以快速掌握并查找故障点,节约开发时间。该软件支持基本全部的主流单片机,无需进行其他元器件包的下载。通过软件提供的调试工具可以实现全部、单步、断点等调试功能,方便查找程序错误点。同时该软件提供PCB制作功能,可以讲电气线路转换为电气线路板,减少元件制作周期。

  Keil C51 是美国 Keil Software 公司针对51系列单片机开发的单片机编程软件。该软件可以运行在个人计算机上面,通过面向对象的C语言开发软件,可以方便的对单片机控制软件程序进行编写,通过其提供的编译功能,可以将C语言编译成单片可识别的汇编语言,方便单片机执行,同时该软件也支持汇编语言对单片机程序的开发,利用该软件可以方便、快捷的实现单片机控制程序的开发。

  3.2 弧压调高控制系统PID控制器算法研究

  PID控制可以控制无法得到精确数学模型的控制对象,并且可以根据实际系统需求在基本PID控制基础之上进行结构改变,从而实现对控制对象的完美控制。由于本次研究的弧压调高控制系统来源于公司设备改造,属于工业控制对象,加之现场工作环境复杂,所以该控制对象无法建立确切的控制模型,故采用相对灵活的PID控制系统进行控制算法研究。由于需要采用计算机通过MATLAB进行系统参数设置,本次研究采用数字PID控制系统进行控制算法研究。由于数字PID控制系统属于离散的控制系统,采用在一段时间内进行信号采集,然后进行控制信号转换,最后参与控制系统调节,形成控制量,所以其控制系统为断续控制,但若采用较小的时间间隔则可实现控制量的快速形成。数字PID控制器同样有三个基本控制参数组成,各个参数的调节功能在前面已经进行了分析,三个参数的正确配置能够得到一个比较完美的控制效果,如果参数设计部合理会造成控制系统的不稳定,甚至是出现震荡或者过量调节,这些错误的产生在实际工业控制中会造成控制效果不佳,切割质量下降甚至是频繁撞枪等故障。为了避免实际应用故障的发生,需要对控制算法进行分析、研究并进行仿真实验以确立最佳控制参数。

  3.2.1 弧压调高控制系统PID控制实现的控制算法的选择

  实现PID控制主要有以下几类:

  (1)通过控制模拟量进行控制:直接从实际电路采集模拟信号,然后利用电子电路进行信号调节,采用给定值减去实际采集的信号形成误差信号的方式作为PID电路输入信号,通过PID模拟运算后直接将控制量输送到执行机构,从而实现PID调节。

  (2)通过计算机进行数字控制:在采集模拟信号后进行离散处理形成数字信号,从而通过数字计算的方式形成控制量,然后在进行模拟转换从而控制执行机构。

  由于本课题主要是利用计算机上进行仿真实验,所以采用数字PID控制算法。

  数字PID控制算法为实现计算机快速计算通常采用以求和和微分的方法进行数据计算,从而出现以数值逼近的方法实现PID控制。一般可采用位置式PID控制算法和增量式PID控制算法进行PID控制。两者的优缺点如下:

  (1)位置式PID控制算法需要对整个控制误差进行求和,随着时间的增加运算量增大,而增量式PID控制算法仅与本次控制误差有关形成控制量的运算量小。

  (2)位置式PID控制算法以系统全部状态为研究对象,故其容易被干扰,形成误差积累,导致系统崩溃,从而导致设备“飞车”。而增量式PID控制算法只关注当前增量的变化,与以前和未来无关,控制系统稳定性强。

  (3)位置式PID控制算法在系统进行切换时所有状态参数均会恢复为原始值方可进行切换,否则会出现冲击,切换效率较低。而增量式PID控制算法与系统原始状态无关,故切换时无需更改参数,所以切换效率较高。

  根据上述优缺点可以看出在系统的稳定性、切换效率及控制量形成速度上增量式PID控制算法更适合工业控制的现场实际应用。此次设计以伺服控制系统为控制对象,实际应用中伺服系统可直接接受数学信号作为控制信号,为了提高定位的精确性和手动自动切换的灵活性,本次弧压提高控制系统决定采用增量式PID控制算法并结合伺服电机进行仿真研究。

  3.2.2 弧压控制系统PID增量式算法的实现

  最基本的连续系统控制器中,PID运算公式如下:

  u(t)=k[e(t)+T] (3)

  式中:u(t)---PID控制量输出信号

  e(t)----给定值与实际值得偏差信号

  ---比例系数

  T---积分系数

  T---微分系数

  该式为连续系统公式,在实际计算机仿真试验中无法进行直接计算,需要将该式进行离散化处理形成差分方程方可进行仿真实验。离散化处理需要将连续时间分成不连续的采样时间,采用累加替换积分,差分替换微分的方式对(3)进行离散化处理后得到:

  u(k)=K{e(k)++[e(k)-e(k-1)]} (4)

  离散后的数字PID控制算法基本上与位置式PID算法相同,其控制量输出与系统过去相关,计算机处理时耗费时间并占用大量内存,故利用递推公式进行简化。第k-1次采样时:u(k-1)=K{e(k-1)+ +[e(k-1)-e(k-2)]} (5)

  (4)、(5)两式相减并整理后得到:

  u(k)=u(k-1)+K(1++)e(k)-K(1+)e(k-1)+Ke(k-2)(6)

  令A= K(1++) B= K(1+) C= K

  上式化简为u(k)=u(k-1)+Ae(k)-Be(k-1)+Ce(k-2)即:u(k)=Ae(k)-Be(k-1)+Ce(k-2)

  最终得到一个相对简化的增量式PID控制算法的算式,式中A、B、C三个系数可以进行单独调节,这三个系数仅仅反映每次偏差量对控制的影响并不直接反映三个控制系数对控制的影响。

  3.2.4 弧压调高系统增量式PID控制算法对不良影响的抑制

  增量式PID控制算法虽然只考虑控制增量出现超调和震荡的可能性较小,但在给定值发生突然变化是也存在出现震荡现象的发生,对该现象的抑制需要对控制变化量预设最大值,当误差值超过最大值时就将超出部分积累起来,等饱和现象改善后再对这些积累的误差值进行补偿,从而防止控制系统崩溃。

  在增量式PID控制算法的调节过程中,当误差值较小时和微分参数不合适时会出现较大的控制量波动,这就是所谓的干扰影响。对于抑制此类干扰需要对控制算法进行改进,例如加入滤波控制,甚至是改进微分项,采用不完全微分算法进行抑制。软件的控制改变同时需要配合硬件方面的抗干扰措施,例如采用低通滤波器,强弱电分开,增加控制接地等方式,这样才能保证控制系统的稳定性。

  数字增量式PID控制器采用数字量进行计算控制,如果其采样周期足够短则其控制与连续控制相似,由于公司实际使用的弧压式调高控制器实际使用环境恶劣,即使采用了对不良影响的抑制方法,但由于其数学模型无法建立,现场使用中状态的改变,都将影响设备的正常、稳定运行,所以其参数整定过程较复杂。而借助计算机通过实验试凑的方式获取效果较好的控制参数是节省实验时间的较好方法。。

  3.2.6 弧压调高控制系统PID参数的实验试凑方法

  通过对数字增量式PID控制算法进行编写Matlab实验程序,然后调整各控制参数并观察控制系统的响应曲线状态,从而摸清控制规律,然后根据规律反复改变实验参数,直至出现较好控制状态,则可求取较好的控制参数。为提高参数整定效率可对参数先比例,再积分,最后微分的整定步骤[9]。

  3.3 本章小结

  本章首先介绍了仿真技术,形成了对控制对象建立模型的方法,然后利用数学计算的方法推导了PID控制算法,在比较两个控制算法优劣后根据此次研究的特点确定采用增量式PID控制算法,最后根据弧压调高的控制特性进行了PID控制模型建立的研究确立了控制模型。本章还针对弧压控制器的软件防干扰策略进行了阐述,为确立最优控制参数在比较了多种PID参数确定方法后决定采用试验试凑法。

  第四章 弧压调高控制器单片机仿真硬件电路设计

  第四章 弧压调高控制器单片机仿真硬件电路设计

  4.1 弧压调高控制器PROTEUS仿真电路

  本次研究以仿真实验为主,所以根据编制的程序和现场实际情况对硬件电路进行搭建,并根据实验程序进行仿真。为模拟现场弧压反馈,采用滑动变阻器来控制输入电压,电压控制范围为0~5V,控制仿真未采用伺服系统进行仿真,但采用输出控制电压为0~10V来控制伺服系统转速。其PROTEUS仿真电路如图4.1所示:

  图4.1 PROTEUS仿真电路

  4.2 弧压调高控制器KEIL仿真软件

  为保证参数更改方便需要进行PROTEUS、KEIL连机调试,在调试中单片机控制程序需要不断的进行修改,同时为了提高仿真实验的准确性和效率,于是需要进行KEIL软件的编程调试。其调试页面如图4.2所示。

  图4.2 KEIL软件界面

  4.3 伺服系统控制电路及参数设置

  为保证系统的正常运行需要将单片机控制系统与伺服系统连接并设相关控制电路,而该控制系统的执行部件为伺服控制系统,而伺服控制系统的使用需要对其输入、输出端口进行定义并设置相关参数,从而实现好的控制效果。具体连接电路如图4.3所示:

  图4.3 伺服系统连接电路

  其接口定义如下:

  CN1-1:指令输入端公共端。

  CN1-2:正转指令输入。设置参数PA3-01为2。

  CN1-3:反转指令输入。设置参数PA3-03为3。

  CN1-4:控制模式切换指令。设置参数PA3-04为36。其中指令为on时为速度控制模式,指令为off是为位置控制模式。

  CN1-5:伺服使能信号。设置参数PA3-05为1。

  CN1-13:模拟电压输入公共端。

  CN1-22:±10V模拟电压输入。

  PA1-01:设定值为3,控制模式为位置和速度控制模式,主要为提高伺服电机定位精度。

  其余参数采用设备默认参数。

  4.4 本章小结

  本章对论文的仿真实验电路进行搭建,采用单片机仿真软件PROTEUS、KEIL连机调试减少了费用投入,并且易于更改试验参数,节省试验时间。并对伺服控制系统进行电路设计和参数设置,保障了控制性能,为设备的最终调试做好了理论支持。

  第五章 调高控制器软件仿真实验验证

  第五章 调高控制器软件仿真实验验证

  增量式PID弧压调高控制系统各系统的正常运行离不开合理的硬件电路搭建,同时还要配合优秀的控制软件。这样才能有效且平稳的驱动伺服电机实现割据调高控制。为提高控制系统的稳定性在前面研究的基础上需要进行仿真实验以便确立最优控制参数。本次研究以仿真实验为主要研究手段,主要目的为寻求本次设计的P、I、D最佳参数。

  5.1 交流伺服系统传递函数的建立

  传递函数是指在零初始条件下,系统(元件)输出量的拉氏变换与输出量的拉氏变换之比,称之为系统(元件)的传递函数,有时也称为转移函数[10]。记为G(s),G(s)=Y(s)/X(s)。零初始条件的含义为:1.输入作用在t=0以后才加入,因此输入量及其各阶导数在t=0时均为0(与其本身无关)。2.输入作用加入前,系统是相对静止的,因此系统的输出量及其各阶导数在t=0时也全为0。传递函数的特性是传递函数是系统(元件)动态规律的固有描述,仅与其结构参数有关,不随输入量变化。

  位置伺服系统具有位置环、速度环和电流环三闭环结构,电流环和速度环作为系统的内环,位置环为系统外环[11]。位置环的设计采用变结构控制。滑模变结构控制可以提高系统的响应速度、实现定位无超调、改善对负载扰动的鲁棒性和对参数变化的鲁棒性。位置伺服系统传递函数的精确确立需要进行试验数据的收集与分析,由于现场缺少相应的试验、收集手段,所以本次研究按照低阶典型系统进行研究,把控制对象的传递函数近似确立为:。

  5.2 基于MATLAB的试验研究确立P、I、D控制参数

  根据上面所编写的MATLAB仿真程序按照本文第三章确定的实验凑试法对参数进行确定。先调整比例系数、然后再调整积分系数、然后对微分系数进行调整,最后根据响应曲线再进行微调,分别使用不同的参数然后观察响应曲线。

  图5.1-图5.5显示为整定比例控制参数环节,从响应曲线可以看出在Kp=15时出现反应快,超调小的响应曲线。然后按照减小到原来的80%时Kp=12,然后利用改变Ki参数来控制超调量,如图5.6-图5.9所示,最终在Ki=0.1时出现震荡时间较短的响应曲线。图5.9-图5.13所示为在不改变前期确定的控制参数时不断调整Kd参数来观察响应曲线,随着控制参数的增大,出现的响应曲线不符合本次研究的控制要求,最终确定Kp=12,Ki=0.1,Kd=1为最佳控制参数。

  5.3 单片机弧压控制器程序的编写

  本次研究采用单片机控制,需要实现控制高度预设、控制条件判断、手动/自动切换、伺服系统控制信号输出等功能,其中手动控制为定速度控制,采用点动控制,以限位开关作为运动终点,而自动控制根据设定值和弧压反馈值进行比较并进行PID控制,以获得良好的控制性能[28]。其中单片机控制程序以PID控制程序未中心展开,其单片机控制流程图如图5.14所示:

  图5.14 单片机控制流程图

  5.4 本章小结

  本章为仿真实验编写了MATLAB试验程序,并进行了仿真实验最终确定了最优PID控制参数。根据PID控制参数编写单片机控制程序并进行仿真实验,实现了论文最终控制目标。

  第六章 结论与展望

  在数控等离子实际使用中除了形成切割轨迹的运动控制系统,弧压调高控制系统也是数控等离子控制系统的一个重要组成部分,其控制性能的好坏影响零件切割质量、耗材使用情况以及生产效率。本文针对弧压调高控制器进行了如下研究:

  (1)根据公司实际应用的数控等离子调高系统存在的问题进行汇总分析,结合国内外数控等离子控制方法确定使用弧压调高对设备进行改进,并对弧压调高控制器的控制原理进行了研究,明确了数控等离子调高系统调高原理为:为保障切割高度,控制系统通过比较切割反馈弧压与设定高度的电压值,如果反馈弧压高于设定电压值则说明割枪与钢板距离过近,从而需要提高割枪以降低切割弧压,如果反馈弧压低于设定电压值则说明割枪与钢板距离过高,需要降低割枪以升高切割弧压,最后实现高度控制。这说明切割电弧电压与调高控制成正比例的控制关系。

  (2)根据公司实际情况及相关技术力量在比较不同的控制方案后决定采用单片机集中控制方案,根据研究弧压调高控制器控制原理进行了单片机控制程序的编写。

  (3)为实现控制系统的稳定和精确性确定使用富士伺服控制系统,从而减小设计难度和改造的可行性。在确立使用伺服控制系统后,对交流单相伺服控制系统进行研究,确立了该伺服控制系统的传递函数,通过仿真实现取得了较好的控制效果。

  (4)各环节控制系统进行数模建立,编写相应仿真程序,根据现场实际情况进行MATLAB,PROTEUS,KEIL软件的模拟仿真试验,验证了控制参数,确立最佳控制系统参数。

  本研究的不足和展望

  (1)采用一块单片机进行控制输入输出端口较少,外围控制电路复杂,解决办法是采用多单片机协同控制模式扩展控制性能,简化外围电路。

  (2)采用伺服控制系统,虽然控制精度提高但产品造价提高,需要寻找更加经济的执行元器件。

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