采用IBM-PC工業(yè)控制計算機和PLC實現(xiàn)兩輥式軋機控制系統(tǒng)的設計

介紹兩輥式汽車變截面板簧軋機計算機控制系統(tǒng)的主要硬件結(jié)構(gòu)?設計方法，以及多模態(tài)智能控制算法在液壓伺服系統(tǒng)中的應用?該控制系統(tǒng)設計合理，運行穩(wěn)定，控制精度高?

變截面軋機是生產(chǎn)汽車變截面板簧的關鍵設備?它將加熱到950℃的等截面彈簧鋼板通過轉(zhuǎn)動的軋輥壓縮及拉拔機構(gòu)拉拔，使其橫斷面按照設計的變形曲線改變?目前國內(nèi)鋼板彈簧生產(chǎn)企業(yè)或者采用進口軋機如英國西爾公司?德國波克公司的某些產(chǎn)品，或者采用國產(chǎn)的仿西爾公司的三輥軋機及一些簡易軋機?簡易軋機生產(chǎn)的產(chǎn)品精度低?展寬大，國產(chǎn)三輥軋機能耗?設備的體積較大?

兩輥式變截面軋機是目前國內(nèi)開發(fā)出的技術含量較高的軋機產(chǎn)品?該軋機機械液壓結(jié)構(gòu)設計緊湊，能耗低，機械結(jié)構(gòu)中無側(cè)輥限制板簧在軋制過程中的寬展，通過計算機控制軋制中的壓下量和拉力及軋輥磨擦力的平衡及壓下拉拔裝置的位置伺服控制，保證軋制后板簧的展寬在1%以內(nèi)?

本文介紹兩輥式軋機的計算機控制系統(tǒng)設計?該軋機由液壓伺服系統(tǒng)驅(qū)動，采用IBM-PC工業(yè)控制計算機及可編程控制器控制?

1 軋機結(jié)構(gòu)及主要技術指標

1.1 軋機結(jié)構(gòu)

圖1為兩輥式變截面軋機示意圖?軋機的機械結(jié)構(gòu)由一個鋼制構(gòu)架支撐和軋輥驅(qū)動機構(gòu)及拉拔機構(gòu)組成，軋輥由液壓馬達驅(qū)動，上軋輥由伺服油缸控制上下運動，拉拔機構(gòu)由導柱和液壓夾緊裝置構(gòu)成，由水平伺服油缸控制做水平方向運動?由液壓蓄能器穩(wěn)定壓下的壓力，液壓馬達輸出的扭矩由一比例減壓閥控制?由兩個旋轉(zhuǎn)編碼器檢測X?Y方向的位移和速度?

1.2 軋機的主要性能指標

? 最大軋制長度：1200mm

? 最小軋制長度：300mm

? 板坯最大厚度：50mm

? 板坯最大寬度：160mm

? 最大軋制力：760kN

? 最大拉拔力：200kN

? 最大軋制速度：30m/min

? 產(chǎn)品厚度公差：±0.1mm

? 產(chǎn)品寬度公差：板寬≤100mm ±1mm，板寬》100mm ±1%

2 計算機控制系統(tǒng)設計

2.1 總體設計

軋機控制系統(tǒng)的被控量可分為模擬量部分和開關量部分?模擬量部分由四路組成，分別控制液壓系統(tǒng)的輸出流量?液壓馬達的輸出扭矩?拉拔油缸運動速度?壓下油缸的運動速度?模擬量部分由一臺IBM-PC 486DX2-66工控機控制?開關量部分由一臺MASTERK200可編程控制器（PLC）控制，這些控制包括液壓站的油溫控制?軋輥的冷卻?操作按鈕站?拉拔方向的制動限位?軋輥及液壓系統(tǒng)的潤滑控制?軋機的狀態(tài)檢測及故障報警?各相關部分間的互鎖控制等?工控機與PLC間通過開關量接口進行通訊?這樣即減輕IBM-PC的運算量，縮短了控制周期;避免控制集中造成的控制風險集中，提高了系統(tǒng)的可靠性?無論IBM-PC或PLC那一部分出現(xiàn)異常，系統(tǒng)均能采取必要的保護措施?

2.2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

軋機的計算機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，由計算機?四路12位光隔D/A接口?64路光隔開關量輸入輸出接口（DI/DO）?可編程控制器（PLC）組成?計算機通過DI/DO接口及RS232接口與PLC進行通訊?采用兩個12位絕對式光電編碼器檢測X?Y方向的位置和速度?油溫控制部分的作用是控制液壓站的油溫在允許范圍內(nèi);軋輥冷卻部分控制軋輥的冷卻;按扭站用來輸入控制命令;制動限位部分在軋機的拉拔機構(gòu)超過停車范圍時自動停車;潤滑控制部分根據(jù)拉拔機構(gòu)的運行次數(shù)控制潤滑油缸自動向各潤滑點加注潤滑油;狀態(tài)指示部分顯示軋機的運行狀態(tài);故障報警部分在軋機出現(xiàn)異常時進行聲光報警?

2.3 多變量處理

在軋制過程中除了對拉拔?壓下機構(gòu)進行位置伺服控制外，還要保證液壓系統(tǒng)的流量及液壓馬達的輸出扭矩保持恒定?軋機的控制系統(tǒng)為一多變量控制系統(tǒng)?

液壓系統(tǒng)采用的伺服閥內(nèi)部具有閥芯位置的閉環(huán)控制環(huán)節(jié)，可看作一比例環(huán)節(jié)?為了簡化控制器結(jié)構(gòu)，根據(jù)設計要求，拉拔機構(gòu)?液壓系統(tǒng)的流量?液壓馬達的輸出扭矩分別采用開環(huán)控制，系統(tǒng)近似為單變量系統(tǒng)?由于產(chǎn)品的截面變形曲線的斜率較小，即壓下裝置的運動速度遠小于拉拔機構(gòu)的運動速度?所以即使拉拔方向采取開環(huán)控制，也可獲得期望的控制效果?

2.4 控制算法

采用智能控制算法對電液伺服系統(tǒng)已有成功的報道［1］，對軋機這類具有雙坐標的電液伺服系統(tǒng)，也選擇了多模態(tài)仿人智能控制算法?軋機的液壓伺服系統(tǒng)具有大流量?高壓力且拉拔方向運動的最高速度為30m/min，控制對象有一定的非線性?時變性?在設計有效的控制算法時，首先應考慮控制系統(tǒng)的實時性，這要求控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不應該很復雜的，其決策和推理應是快速的?

多模態(tài)控制就是在控制過程中根據(jù)系統(tǒng)不同的特征狀態(tài)，控制器采用不同的控制策略和控制模式的一種控制算法?特征狀態(tài)是指一些反映系統(tǒng)特性?特征變化以及所處狀態(tài)的特征量的集合，用Gi表示?所有的特征狀態(tài)構(gòu)成一個特征狀態(tài)集，用G表示?則有

G=

其中 Gi=（Gi1，Gi2，…，Gih） （i=1，2，…，m）

控制模式用Ai表示，所有的控制模式構(gòu)成了多模態(tài)控制器的控制模式集，用A表示?

A=

其中 Ai=U=f（Gij） （i=1，2，…，m;j=1，2，…，h）

控制的實現(xiàn)就是由G到A推理過程的實現(xiàn)?可由產(chǎn)生式規(guī)則IF G THEN A來表達?

（1） G1：（|E|≤b1）∩（||≤b2）

A1：（U（n）=U（n1））

（2） G2：（EE≥0）∩［（|E|》b）1∪（|E|》b2）） ？

A2:U（n）=U0+Kp（E+KdTdE+Ei / TiEiT

（3） G3：（EE《0）∩［（|E|》b1）∪（|E|》b2）］

A3:U（n）=U0+KKp（Em（1）+EI+KdTdE）

為了獲得良好的實時性，同時也考慮控制精度的要求，應盡可能選擇較少的特征狀態(tài)?考慮控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，選取誤差及其一階導數(shù)為基本特征量，經(jīng)過這樣的處理及大量的人-機在線學習的基礎上，總結(jié)出下列三種基本的特征狀態(tài)和相應的控制模式?

其中U（n）為控制量的第n次輸出值;U0為控制量在誤差過零時的保持值;b1，b2為常數(shù);Kp和K分別為比例增益及抑制系數(shù);Kd，Ki，Td，Ti分別為微分和積分抑制系數(shù)及時間常數(shù);T為采樣間隔;Em（1）為第一次誤差峰值;EI為G2狀態(tài)下的區(qū)間積分值?

文獻［3］給出了控制對象的模型及仿人智能控制算法的仿真實驗結(jié)果及與PID算法控制效果比較，從實驗結(jié)果分析采用智能控制算法解決液壓伺服系統(tǒng)的實時控制問題，能取得比PID控制算法更好的控制效果;控制器的設計不依賴對象的數(shù)學模型，對液壓系統(tǒng)參數(shù)變化不敏感，魯棒性強;算法簡單，控制系統(tǒng)實時性好?

3 軟件設計

控制軟件在DOS操作系統(tǒng)下運行，采用C++語言模塊化設計，分系統(tǒng)設置?自動軋制?手動操作?零點調(diào)試?工藝文件編輯修改?文件操作?顯示?統(tǒng)計?打印等模塊?中文圖形界面，操作簡便，只須輸入軋制路徑即可生成工藝文件?軋機狀態(tài)及軋機運動曲線實時圖形顯示，通過修改系統(tǒng)中斷8實現(xiàn)對采樣?控制?顯示的多任務處理?

總之，對電液伺服系統(tǒng)的控制采用多模態(tài)智能控制算法可以取得較好的控制效果，具有控制策略靈活?算法簡單等優(yōu)點，不僅伺服跟蹤能力強，而且對系統(tǒng)參數(shù)變化不敏感，魯棒性強，控制效果好?軋機已于1997年12月試制成功，投入正式生產(chǎn)?軋機的軋制速度?精度?運行可靠性等均達到設計要求?

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