(陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 數(shù)控工程學(xué)院，西安 710300)

機(jī)械變速壓力機(jī)電液伺服自動控制系統(tǒng)設(shè)計

潘冬

(陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院數(shù)控工程學(xué)院，西安710300)

針對當(dāng)前機(jī)械變速壓力機(jī)運(yùn)行效率偏低、抗干擾能力較差等問題，提出一種基于TMS320LF2407A的機(jī)械變速壓力機(jī)電液伺服自動控制系統(tǒng)設(shè)計方法;對于系統(tǒng)的硬件部分，PLC對壓力信號進(jìn)行采集，電源模塊采用穩(wěn)壓器完成12～5 V的DC/DC轉(zhuǎn)化;利用晶振當(dāng)作振蕩源與閉合回路結(jié)合完成時鐘模塊的設(shè)計;系統(tǒng)的軟件部分根據(jù)位置式的PID控制算法對機(jī)械變速壓力機(jī)執(zhí)行元件進(jìn)行控制，完成軟件的設(shè)計;實(shí)驗(yàn)證明，所設(shè)計的控制系統(tǒng)穩(wěn)定性好，具有很好的抗干擾能力。

壓力機(jī)；電液伺服；自動控制系統(tǒng)

0 引言

隨著時間的推移，液壓技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，已經(jīng)發(fā)展到了可成熟運(yùn)用的程度[1]。液壓技術(shù)的迅速發(fā)展使其很快地應(yīng)用至鍛壓設(shè)備、農(nóng)用機(jī)械、航空航天等領(lǐng)域中[2]。近些年來，隨著計算機(jī)的不斷發(fā)展，尤其是液壓伺服自動控制技術(shù)，它已經(jīng)成為了現(xiàn)代控制技術(shù)中必不可少的手段，其連接起了微電子技術(shù)和大型控制對象，達(dá)到了對對象進(jìn)行控制的目的[3]。

當(dāng)前，我國液壓工業(yè)的起步比較晚，20世紀(jì)的60年代我國引進(jìn)了一批液壓元件，并對其進(jìn)行了研制，又自行設(shè)計和生產(chǎn)了低壓和高壓等多個液壓系列[4]。80年代至90年代，我國大刀闊斧實(shí)現(xiàn)了液壓行業(yè)的改造，并擴(kuò)大了與發(fā)達(dá)國家在技術(shù)上的交流，引進(jìn)了大量國外先進(jìn)液壓產(chǎn)品與技術(shù)。

機(jī)械變速壓力機(jī)是根據(jù)曲柄連桿或者肘桿機(jī)構(gòu)等構(gòu)成的傳動鍛壓機(jī)械，其工作平穩(wěn)、操作條件好、自動化，比較適用于自動生產(chǎn)線[5]。為了提高機(jī)械變速壓力機(jī)的工作效率，需要對其控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。當(dāng)前機(jī)械變速壓力機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計方法無法對其進(jìn)行穩(wěn)定高效地設(shè)計。而電液伺服技術(shù)為基于液壓傳動技術(shù)和自動控制技術(shù)的新興技術(shù)，利用了其中的關(guān)鍵元件，就是電液伺服閥，實(shí)現(xiàn)了電、液之間的轉(zhuǎn)換，這使小功率電信號可對大功率液壓元件進(jìn)行控制[6]。電液伺服系統(tǒng)尺寸小，反映速度比較快，而且抗負(fù)載剛度也比較大，能夠快速精確地重復(fù)輸入規(guī)律。隨著電液伺服控制技術(shù)的不斷發(fā)展，電液伺服閥元件批量化生產(chǎn)，降低了電液伺服控制系統(tǒng)成本。綜上所述，利用電液伺服技術(shù)可對機(jī)械變速壓力機(jī)的自動控制系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定可靠地設(shè)計。

為了提高多工位壓力機(jī)的生產(chǎn)線自動化生產(chǎn)水平，王延年[7]等人提出了利用運(yùn)動控制器對送料機(jī)械手的控制系統(tǒng)設(shè)計策略。對送料機(jī)械手整體的結(jié)構(gòu)、工作流程以及伺服系統(tǒng)進(jìn)行研究與分析，描述了控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，介紹了運(yùn)動控制器軟件功能，并根據(jù)電子凸輪完成機(jī)械手于X、Y、Z三個方向和8個伺服軸聯(lián)動。該方法下的自動控制系統(tǒng)較為簡單，但是并不完善。為了減少人力和物力，同時給設(shè)計以及對曲柄伺服壓力機(jī)進(jìn)行優(yōu)化的一系列系統(tǒng)組件，提供可行性參考，魯文其[8]等人利用Simulink研發(fā)了曲柄伺服壓力機(jī)數(shù)字化集成仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)根據(jù)運(yùn)動控制、電驅(qū)動、傳動機(jī)構(gòu)幾部分組建。運(yùn)動控制模塊設(shè)計了恒速以及變速驅(qū)動工作形式，電驅(qū)動模塊引入了電子飛輪中的永磁交流伺服以及電機(jī)組合，永磁交流伺服利用了速度外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)兩個控制結(jié)構(gòu)矢量控制方案，加入變參數(shù)積分分離中的PI調(diào)節(jié)器，而機(jī)械轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)根據(jù)的是曲柄連桿機(jī)構(gòu)。該方法提高了壓力機(jī)的工作效率，但不夠穩(wěn)定。為實(shí)現(xiàn)壓力機(jī)在特定條件下精確控制，洪瑞[9]等人提出利用牛頓迭代法實(shí)現(xiàn)壓力機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計。該方法根據(jù)幾何法組建曲柄轉(zhuǎn)角滑塊位移數(shù)學(xué)方程式，獲得運(yùn)動學(xué)的方程式，依據(jù)仿真擬合出曲柄轉(zhuǎn)角滑塊位移數(shù)學(xué)公式，通過MATLAB軟件對目標(biāo)工藝曲線進(jìn)行擬合，利用牛頓迭代算法完成了通過滑塊位移對轉(zhuǎn)角多點(diǎn)一次性求解，通過計算結(jié)果以擬合曲柄轉(zhuǎn)角時間函數(shù)，采用STM32完成輸出目標(biāo)脈沖。該方法具有一定的穩(wěn)定性，但運(yùn)行效率較低[10]。

1 機(jī)械變速壓力機(jī)電液伺服自動控制系統(tǒng)設(shè)計

在機(jī)械變速壓力機(jī)電液伺服自動控制系統(tǒng)設(shè)計中，以TMS320LF2407A作為控制系統(tǒng)核心，以高性能的PLC控制模塊為輔助，再根據(jù)CTM1050完成機(jī)械變速壓力機(jī)電液伺服自動控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計，具體的系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 壓力機(jī)電液伺服自動控制系統(tǒng)參數(shù)

1.1 機(jī)械變速壓力機(jī)電液伺服自動控制系統(tǒng)整體框架

機(jī)械變速壓力機(jī)電液伺服自動控制系統(tǒng)的整體框架中，將傳感器收集到的信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，利用控制算法實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號的處理，并輸出一組信號完成對電液伺服閥的控制。該系統(tǒng)包括電源電路、A/D與D/A轉(zhuǎn)換、存儲器模塊、接口電路、時鐘和復(fù)位電路與串口模塊。

圖1 壓力機(jī)電液伺服自動控制系統(tǒng)整體框架

1.2 機(jī)械變速壓力機(jī)電液伺服自動控制模塊

在圖2中，機(jī)械變速壓力機(jī)電液伺服自動控制模塊程序主要包含，自編全浮點(diǎn)的運(yùn)算和變參數(shù)PID程序，內(nèi)置PID指令的輸出范圍受限，無法進(jìn)行實(shí)時控制的問題得以解決。光柵尺把壓力機(jī)下壓盤的位移變換成AB兩相脈沖，而PLC根據(jù)中斷的方式接受脈沖，完成計數(shù)功能，然后經(jīng)軟件四倍頻，提高位移的測量精度以及分辨率，調(diào)理轉(zhuǎn)換為提高加載力的測量與控制精度的重點(diǎn)。壓力機(jī)電液伺服自動控制系統(tǒng)利用了高分辨率和高精度的壓力傳感器，與調(diào)理轉(zhuǎn)換模塊。該壓力傳感器滿量程精度是±0.1%，調(diào)理轉(zhuǎn)換將壓力傳感器應(yīng)變信號放大，歷經(jīng)24位A/D轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，且編碼為浮點(diǎn)數(shù)，利用其總線輸出，最終PLC根據(jù)通信的形式采集壓力信號。上圖中力的控制為半閉環(huán)，是依據(jù)控制液壓缸的壓力間接所控制的，不過經(jīng)過0.3級的標(biāo)準(zhǔn)測力儀進(jìn)行標(biāo)定后，對壓力機(jī)的控制完全可以達(dá)到誤差為±1%的要求。

圖2 壓力機(jī)電液伺服自動控制模塊

1.3 機(jī)械變速壓力機(jī)電液伺服自動控制系統(tǒng)電源電路

在圖3壓力機(jī)電液伺服自動控制系統(tǒng)電源電路中，為了提高電壓的穩(wěn)定性以及精度，采用了LM2575系列的穩(wěn)壓器完成12～5 V的DC/DC轉(zhuǎn)化。LM2575系列的穩(wěn)壓器具有使用簡單的特點(diǎn)，內(nèi)部設(shè)置頻率補(bǔ)償，并集成了固定振蕩器，具有比較完善的電流限制保護(hù)、熱關(guān)斷，僅需添加少量的外圍元件就能夠組建高效的穩(wěn)壓電路，其中的特性參數(shù)是：最大的輸入電壓為45 V，輸出電壓為5 V，固定的震蕩頻率為54 kHz，輸出的穩(wěn)壓容差為4%，轉(zhuǎn)換的效率為75%～88%，工作的溫度為-40～125℃，只需4個外圍元件。

圖3 壓力機(jī)電液伺服自動控制系統(tǒng)電源電路

1.4 機(jī)械變速壓力機(jī)電液伺服自動控制系統(tǒng)時鐘電路

在壓力機(jī)電液伺服自動控制系統(tǒng)時鐘電路中，利用16 MHz晶振當(dāng)作振蕩源，其中的兩個引腳和X1與X2引腳連接形成閉合回路，并配合內(nèi)部的震蕩工期生成控制系統(tǒng)的時鐘信號。另外，需在晶振兩個引腳位置，接入兩個20 pf匹配電容和一個1 M匹配電阻。由此可提高機(jī)械變速壓力機(jī)電液伺服自動控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖4 壓力機(jī)電液伺服自動控制系統(tǒng)時鐘電路

1.5 機(jī)械變速壓力機(jī)電液伺服自動控制系統(tǒng)復(fù)位電路

該復(fù)位電路是在TMS320LF2407A進(jìn)行初始化，和運(yùn)行過程中出現(xiàn)故障時，使壓力機(jī)恢復(fù)至原始狀態(tài)的關(guān)鍵手段。壓力機(jī)電液伺服自動控制系統(tǒng)復(fù)位電路分為：電源上的電復(fù)位與手動復(fù)位。為了調(diào)試方便，這里采用手動復(fù)位形式，在控制系統(tǒng)運(yùn)行時，僅需按復(fù)位按鈕，就可以實(shí)現(xiàn)TMS320LF2407A的復(fù)位。

圖5 壓力機(jī)電液伺服自動控制系統(tǒng)復(fù)位電路

1.6 機(jī)械變速壓力機(jī)電液伺服自動控制系統(tǒng)接口電路

在機(jī)械變速壓力機(jī)電液伺服自動控制過程中，可能會與壓力機(jī)自身其他部分控制單元數(shù)據(jù)交換，特別是和發(fā)動機(jī)進(jìn)行通信交換得到發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速信息時，需要和壓力機(jī)的CAN總線連接。在TMS320LF2407A內(nèi)部集成兩個32位CAN功能控制器，其符合CAN2.0B協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，這大大減少了各部分通信時CPU的開銷，僅需增加CAN收發(fā)器就可以完成CAN的通信功能，簡化了外圍電路。這里選取了CTM1050的CAN收發(fā)器所設(shè)計的CAN總線接口電路，CTM1050其實(shí)是一款面積不到3 cm2，內(nèi)部聚集了全部的CAN收發(fā)器件和CAN隔離高速CAN收發(fā)器芯片，不需要再增加光耦以及DC/DC隔離等其他的元器件，可以直接和CAN控制器進(jìn)行連接，這樣就實(shí)現(xiàn)了將CAN控制器邏輯電平變換為CAN總線中差分電平的功能。在上圖中的壓力機(jī)電液伺服自動控制系統(tǒng)總線接口電路中，TMS320LF2407A的CAN控制器發(fā)送端和接收端連至CTM1050芯片的TXD以及RXD引腳，然后經(jīng)CANH和CANL連至CAN總線上，為抑制機(jī)械變速壓力機(jī)信號在總線的傳輸畸變與地面反射，要在CANH與CANL之間接入匹配的電阻R1。

圖6 壓力機(jī)電液伺服自動控制系統(tǒng)接口電路

2 機(jī)械變速壓力機(jī)電液伺服自動控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

在以TMS320LF2407A為控制核心的機(jī)械變速壓力機(jī)電液伺服自動控制系統(tǒng)中，其穩(wěn)定性和系統(tǒng)響應(yīng)速度等均十分重要，由此需要利用某種方式對其進(jìn)行控制。PID控制算法具有簡單、易控、魯棒性好而且精度高的特點(diǎn)，PID控制算法是從模擬PID控制，發(fā)展到數(shù)字的PID控制器。PID控制規(guī)律是機(jī)械變速壓力機(jī)電液伺服自動控制系統(tǒng)中比較常見的控制規(guī)律，其結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

圖7 PID控制原理

依據(jù)圖7的控制算法原理，確定了PID為線性控制，其控制量為給定量r(t)與輸出量y(t)間的偏差e(t)，表達(dá)式為：

e(t)=r(t)-y(t)

(1)

進(jìn)而得到PID在機(jī)械變速壓力機(jī)電液伺服自動控制規(guī)律為：

(2)

式中，kp代表比例系數(shù)，TI代表積分時間常數(shù)，TD代表微分時間常數(shù)，k代表采樣序號，T代表采樣周期。根據(jù)式(2)可知，利用數(shù)字PID控制對機(jī)械變速壓力機(jī)電液伺服自動控制的軟件進(jìn)行設(shè)計時，一般根據(jù)的是位置式的PID控制算法與增量式的PID控制算法。但機(jī)械變速壓力機(jī)電液伺服自動控制系統(tǒng)是智能控制，所以連續(xù)PID控制算法無法直接使用，必須先進(jìn)行離散化。

位置式的PID控制算法根據(jù)一系列的采樣時刻點(diǎn)kT替換PID控制算法的連續(xù)時間量t，表達(dá)式為：

(3)

根據(jù)上式，可以獲得離散PID的表達(dá)式：

(4)

式中，e(k)代表k時刻和(k-1)時刻得到的偏差信號。通過上式可知，位置式的PID控制算法利用輸出量直接對機(jī)械變速壓力機(jī)執(zhí)行元件進(jìn)行控制，所輸出的值和執(zhí)行元件位置直接對應(yīng)。

為了進(jìn)一步對機(jī)械變速壓力機(jī)電液伺服控制系統(tǒng)的軟件進(jìn)行高效設(shè)計，利用增量式的PID算法對壓力機(jī)進(jìn)行控制。增量式的PID控制算法輸出量為控制系統(tǒng)的增量Δu(k)，且根據(jù)遞推原理獲?。?/p>

Δu(k)=u(k)-u(k-1)

Δu(k)=kp[e(k)-e(k-1)+kie(k)+

kd(e(k)-2e(k-1)+e(k-2))]

(5)

通過上式可知，增量式的PID控制算法僅需知前三次的偏差，就能夠獲得增量。而在PID控制算法中，參數(shù)kp、ki、kd對機(jī)械變速壓力機(jī)電液伺服自動控制系統(tǒng)的性能有著決定性作用，下面分析它們對控制系統(tǒng)的影響。

首先分析的是比例系數(shù)kp，它是影響機(jī)械變速壓力機(jī)電液伺服自動控制系統(tǒng)響應(yīng)速動和控制精度的關(guān)鍵參數(shù)，kp越大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快。

其次是積分系數(shù)ki，它是影響機(jī)械變速壓力機(jī)電液伺服自動控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的重要參數(shù)，ki越大，系統(tǒng)積分速度越快，且穩(wěn)態(tài)誤差去除的也比較快。

最后是微分系數(shù)kd，它是影響機(jī)械變速壓力機(jī)電液伺服自動控制系統(tǒng)的動態(tài)性能的重要參數(shù)。PID控制微分環(huán)節(jié)所反映的偏差信號變化趨勢，和抑制偏差向多個方向的變化，能夠降低超調(diào)，進(jìn)而增加機(jī)械變速壓力機(jī)電液伺服自動控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

本文PID的控制參數(shù)利用試湊法獲?。簁p=5，kd=0.05，ki=0.1。上述的3個參數(shù)在PID控制算法對機(jī)械變速壓力機(jī)電液伺服自動控制系統(tǒng)軟件設(shè)計中，起著關(guān)鍵的作用，而PID算法可對以上3個參數(shù)進(jìn)行有效控制，達(dá)到最佳效益。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)步驟

1)通過對本文方法與文獻(xiàn)[7-8]方法進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，分析時間和輸出量之間的關(guān)系，將對不同方法伺服系統(tǒng)的階躍響應(yīng)進(jìn)行對比。

2)根據(jù)輸出量利用位置式的PID控制算法和增量式的PID算法對壓力機(jī)進(jìn)行控制效果的參數(shù)進(jìn)行對比，分析電液伺服自動控制系統(tǒng)控制效果。

3.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)與環(huán)境

實(shí)驗(yàn)過程中，機(jī)械變速壓力機(jī)中的參數(shù)：活塞內(nèi)直徑為45 cm，活塞行程為40 cm，閥阻尼比為0.7，質(zhì)量塊為250 kg，閥壓降為7 MPa，閥固有頻率為80 Hz，位移傳感器的增益為100，輸入電流為10 mA。將上述實(shí)驗(yàn)參數(shù)輸入至Matlab/Simulink平臺上，實(shí)驗(yàn)對象如圖8所示，將不同方法應(yīng)用至該試驗(yàn)對象，觀察不同方法的整體性能。

1)電液伺服自動控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)是判斷機(jī)械變速壓力機(jī)運(yùn)行效率的重要指標(biāo)，通過時間和輸出量之間的關(guān)系，圖9將對不同方法伺服系統(tǒng)的階躍響應(yīng)進(jìn)行對比。

2)在機(jī)械變速壓力機(jī)電液伺服自動控制系統(tǒng)中加入5 000 N的擾動，觀察不同方法擾動階躍響應(yīng)。

3)PID控制算法中的3個參數(shù)kp、ki和kd決定了控制系統(tǒng)的控制性能，如果它們的值選取得當(dāng)，可以獲得良好的控制效果。表2為本文方法迭代5次3個參數(shù)的變化。

圖8 實(shí)驗(yàn)對象

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從圖9可以看出，文獻(xiàn)[7]方法與文獻(xiàn)[8]方法控制的響應(yīng)靜差都較小，而且控制的響應(yīng)速度緩慢且滯后，調(diào)整的時間較長。本文所提方法機(jī)械變速壓力機(jī)電液伺服自動控制模塊利用了自編全浮點(diǎn)的運(yùn)算和變參數(shù)PID程序，內(nèi)置PID指令的輸出范圍受限，解決了無法實(shí)時控制的問題，加快了響應(yīng)速度，調(diào)整的時間短，基本沒有超調(diào)，控制效果良好。

圖9 不同方法的伺服系統(tǒng)的階躍響應(yīng)對比

分析圖10可知，加入5 000 N的擾動之后，本文方法的階躍響應(yīng)速度已然很快，而文獻(xiàn)[7]方法提出了利用運(yùn)動控制器對送料機(jī)械手的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計的策略，其中并沒有設(shè)置合理的參數(shù)對其穩(wěn)定性進(jìn)行控制，但本文方法中分別利用了3個參數(shù)對控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，提高了擾動情況下系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度。

圖10 不同方法加入5000N擾動階躍響應(yīng)

迭代數(shù)量/次kpkikd150．20．05240．10．04350．10．05440．20．06560．10．05

根據(jù)表2可知，本文方法可對kp、ki和kd進(jìn)行很好地控制，本文方法利用位置式的PID控制算法根據(jù)輸出量直接對機(jī)械變速壓力機(jī)執(zhí)行元件進(jìn)行控制，并進(jìn)一步通過增量式的PID算法對壓力機(jī)進(jìn)行控制，由此可以很好地控制上述3個參數(shù)。

4 結(jié)束語

電液伺服自動控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用至軍事以及民用等各個方面，它具有響應(yīng)速度快、輸出功率大、控制精度高等特點(diǎn)，而在機(jī)械變速壓力機(jī)上的應(yīng)用也十分常見，本文利用軟硬件結(jié)合的方式對機(jī)械變速壓力機(jī)電液伺服自動控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，具有良好地控制性能。但依然需要對某些方面做進(jìn)一步提高：

1)對于系統(tǒng)中存在的多輸入及多輸出現(xiàn)象應(yīng)做進(jìn)一步研究；

2)應(yīng)對自動控制系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)的成本進(jìn)行控制，從而進(jìn)一步提高本文方法的整體性能；

3)隨著科技的日新月異，機(jī)械變速壓力機(jī)電液伺服自動控制系統(tǒng)也應(yīng)隨著時代的進(jìn)步而進(jìn)步，更好地服務(wù)大眾。

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MechanicalSpeedPressureElectromechanicalHydraulicServoAutomaticControlSystemDesign

Pan Dong

(Numerical Control Engineer Institute, ShaanXi Institute of Technology,Xi′an 710300, China)

In view of the low efficiency and poor anti-interference ability of the mechanical transmission press, a design method of electro hydraulic servo automatic control system for mechanical transmission pressure based on TMS320LF2407A is presented. For the hardware part of the system, PLC collects the pressure signal, and the power module adopts the voltage regulator to complete the DC/DC conversion of 12～5 V. The oscillator is used as the oscillation source and the closed loop is combined to complete the design of the clock module. The software part of the system controls the actuating element of the mechanical variable speed press according to the position type PID control algorithm, and completes the design of the software. The experimental results show that the designed control system has good stability and good anti-interference ability.

press;electro-hydraulic servo;automatic control system

2017-07-17；

2017-08-14。

潘 冬(1980-)，男，陜西城固人，碩士，副教授，主要從事機(jī)械工程數(shù)控技術(shù)方向的研究。

1671-4598(2017)10-0073-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.10.020

U463

A