人-机闭环系统（精选4篇）
人-机闭环系统 篇1
0 引言
在机械加工的机床中可编程序控制器应用十分广泛,可编程序控制器简称PLC(programmable logical controller),它是高科技的结晶,在旧设备改造、新设备配套中越来越多地在使用它。本文介绍在设备改造中PLC如何与脉冲编码器配合进行高速记数,在闭环控制系统中实现变频调速。
1 课题的引入
一汽轿车股份公司第二发动机厂的凸轮轴淬火机是从澳大利亚引进的中频淬火机,其行程控制部分的故障率却居高不下,存在定位不准的问题,而定位的准确性正是影响淬火质量的关键因素,设备经常因凸轮轴定位不准而产生大量废品。该机床控制系统落后并且严重老化,已失去了维修的价值,严重影响生产的顺利进行,因此决定对其定位控制系统进行彻底改造。
2 原系统缺陷分析
1)该机床行程控制系统控制器是采用八十年代初的Z80单板机技术的专用控制装置,是极为落后的产品,它不但功能有限、控制不灵活,编程及参数设置非常复杂,故障率高,一旦损坏无同类替换产品,直接影响生产。
2)定位系统的执行机构为直流调速系统,直流调速系统在国内机床工业中虽然占据较大的份额,但由于它技术落后,并存在故障率高、稳定性差、控制不灵活等缺点,已经逐步被更为先进的交流调速系统所代替。该机床由一台直流伺服电机实现凸轮的定位控制,由于凸轮的运动方式是立式,并且由滚珠丝杠驱动(其本身没有自锁功能),同时,由于凸轮台架质量很大,其运行时产生的巨大的惯性仅仅靠直流电机电枢产生的微弱的电磁力来制动是远远不够的,制动力矩不足是导致凸轮轴定位不准的根本原因。
3)位置控制系统及直流调速系统均是淬火机公司自己研制开发的产品,由于产品的更新换代这个产品已淘汰,不再生产,因此无法购买到备件,如果单独定做价格极其昂贵,国外相应的此种控制模块需8万美元。这套系统既无原理图又无详细说明,维修极其困难。
3 改造设计方案
PLC及变频调速技术在国内已经得到了非常广泛的应用。在国内同行业中,应用PLC技术对各种机床包括大型自动线的改造的例子非常多,但对于像凸轮轴淬火机这样要求定位精度很高的设备应用变频调速技术结合PLC技术进行闭环调速系统改造的例子却很少。
1)采用位置闭环控制,能满足定位准确,达到定位精度的要求。利用机床中广泛采用的一种闭环位置检测装置-脉冲编码器进行位置控制。
2)由于PLC技术控制灵活简单、故障率低、功能强大、价格较低,目前已得到了广泛的应用。本次控制器改造采用的是日本OMRON公司的C60 PLC。
3)该机床行程控制系统的关键部件除控制器和编码器之外,还有驱动装置及执行机构。原驱动装置及执行机构分别是一块可控硅直流调速驱动板和一台直流伺服电机。本次改造方案定为:用YEJ系列自刹车交流电机替代原直流电机。用日本SANKEN电气株式会社的IHF系列变频器替代原控制板。
4 设计内容
4.1 程序设计
整个机床行程控制系统的工作过程如图1所示。
由上面的原理框图可见C60 PLC控制整个机床的动作。它首先把机床上下运动信号发给变频器,由变频器驱动自刹车电机运转,带动凸轮台架上下运动。在凸轮运行过程中通过Z脉冲及回零无触点开关使凸轮台架回零,同时通过对A、B项脉冲的精确计数,使每个凸轮轴的八个凸轮桃都能实现快速—减速—定位的过程。在凸轮定位后,由PLC控制淬火、空冷、喷淋、等全过程。
4.2 OMRON C60 PLC的地址分配
当使用高速计数器时,下列资源用于高速计数器,不能再做它用。
输入点0000(计数输入)
输入点0001(硬件置零)
内部辅助继电器1807(软件置零)
TIM/CNT47(当前计数值)
DMCH32到DMCH63(上限下限值)
如果电源掉电高速计数器保持掉电前的计数值。
高速记数器它有16个输出。外部的脉冲源通过0000点输入到CPU,作为高速计数器的输入信号,当输入信号从OFF到ON时计数一次。
4.3 零点设计
设计中最关键的就是零点位置的确定,零点的准确与否关系到8个凸轮桃子的定位精度。在数控机床找零点的控制启发下,设计中采用了用零点开关限定大体位置,移动时经过零点开关并不是真正的零点,因为普通开关的闭合时间每次都不同,那么取过零点开关后脉冲编码器的一转信号即Z脉冲信号当作真正的零点信号。脉冲编码器安装在电机轴上,它检测的行程位置是固定的,因此取它的一转信号,是与工件驱动保持一致的,这样保证了位置控制的准确性。将每个淬火位置存入存储区,可以进行位置的调整修改。
4.4 信号干扰的处理
由于有变频设备,对开关信号尤其是接近开关的信号产生干扰,使得PLC输入假信号,怎样对干扰进行滤波,得到真正的控制信号呢?只能在软件程序中处理,设计软件滤波程序,将干扰信号过滤掉。用此种方法处理干扰信号也是PLC编程应用的一个小技巧(如图2所示)。
从上面这条程序可以看出,开关信号通过一延时时间继电器,由于干扰是瞬间发生的,干扰信号消失时,延时未到,时间继电器无输出,但当真正开关信号接通时,通过延时后,确切检测到开关信号,通过延时对干扰信号进行了过滤。
5 改造后效果
5.1 提高定位精度
由于采用了脉冲编码器进行位置反馈,用变频器控制及自刹车交流电机,克服了直流调速和直流电机难维护的缺点,使凸轮轴的定位非常准确,彻底杜绝了凸轮定位不准的问题。同时为同类或近似机床的维修及改造积累了宝贵的经验。
5.2 减小累计误差
由于零点设计思路的改变,每个凸轮桃子位置的计算都是从零点位置算起,而不是第一个位置的计算从零点开关位置算起,第二个位置又从第一个位置算起,可以看出大大减小了累计误差,提高了定位精度,确保淬火位置的准确。
5.3 有效降成本
改造前,控制行程经常出现位置偏差,淬火不均匀,造成废品,一个凸轮轴就损失二百八十九元,每个月废品数平均将近三十多根。改造后,100%降低了废品率,平均每月节约废品费8.67千元,减少维修工时16小时。
5.4 解决备件问题
改造取代了进口特殊专利电器元件,采用的都是通用电器产品,可靠性高,采购方便,解决了长期无法解决的备件问题,节约备件费用11.6万元。
5.5 方便维修
由于采用了PLC机作为控制器,故障率低,使机床的操作简单灵活、参数输入方便、动作可靠。CRT显示方便了维修,更重要的是极大地降低了机床的废品率和故障率。
设备改造后,经近几年的运行,从凸轮淬火位置精度控制上来看,淬火质量得到了明显上的提高,有效地减少了废品,设备故障率大大减小,这次改造成功的意义不仅在于解决了二发厂眼前的生产问题,而且对于一汽乃至国内的相同或相似设备的此类故障也有极好的借鉴作用。
摘要：一汽轿车公司发动机厂的凸轮轴淬火设备是一台澳大利亚淬火机,设备的闭环定位装置故障频发,经常使工件偏离正常夹位,造成淬火失败,产生大量废品。通过对澳大利亚淬火机原控制系统缺陷的分析,提出了有效的改造方案,具体阐述了如何利用PLC技术结合变频技术实现位置闭环控制,使淬火定位准确,总结了实施后的效果。这次改造成功的意义不仅在于解决了工厂的生产问题,而且对于国内相同或相似设备的此类故障的解决也有极好的借鉴作用。
关键词：闭环系统,高速记数,脉冲编码器,变频调速
参考文献
[1]OMRON公司C60 PLC使用手册.
[2]澳大利亚淬火机电气图纸.
[3]康华光.电子技术基础.模拟部分[M].高等教育出版社.
[4]徐志军.EDA技术与VHDL设计[M].电子工业出版社.
人-机闭环系统 篇2
阅读、思考
通过引导学生阅读、思考、分析课本案例，对开环控制系统和闭环控制系统的概念及区别有初步的认识。
演示实验：“水箱水位控制”。
指导学生观察演示实验并回答问题2：说出实验中的两种控制系统属于何种控制系统?
观察，思考，分析，得出结论，回答问题。
演示实验现象直观明了，学生易于接受，明确开环控制系统和闭环控制系统的区别在于有无反馈。
3.实践体验
人-机闭环系统 篇3
在机械行业的工件加工中,经常需要加工一些高精度的等分齿形的工件,如果采用原来传统的线切割机中的慢走丝工艺进行加工,由于只能在X-Y方面上使用插补逼近算法,所以生产加工出来的工件分度精度普遍不是很高,仅达数十角秒,满足不了某些特殊场合的要求。为此,在国产的普通线切割机的基础上,结合基于时栅位移传感器(达到了120个对极,也即720个槽)的高精度空心式分度转台和基于单片机的钼丝磨损自动测量装置,构成一个高精度闭环全自动线切割机系统,以此来满足特殊加工的要求,实验表明效果良好。
1 钼丝直径数据自动采集装置
传统的线切割机工作的原理是使绕在运丝筒上的钼丝沿运丝筒的回转方向以一定的速度移动,装在机床工作台上的工件由工作台按预定控制轨迹相对与电极丝做成型运动。脉冲电源的一极接工件,另一极接钼丝。在工件与电极丝之间总是保持一定的放电间隙且喷洒工作液,电极之间的火花放电蚀出一定的缝隙,连续不断的脉冲放电就切出了所需形状和尺寸的工件。然而,长时间的使用钼丝切割将会导致钼丝受到不同程度上的磨损以至逐渐变细,于是加工到后面的齿的齿槽就会比第一个齿的齿槽要小。如果工件的齿数越多,工件越厚、钼丝使用的时间越久,这种现象就会越来越严重。根据实际测量所得数据表明,使用一根直径为18um的钼丝开始加工,当其加工到最后的一个直齿时,直径大约只有14um。
设计的钼丝直径数据自动采集装置由作为数据采集传感器的容栅式数显千分尺和作为执行机构的两套步进电机所组成,其工作原理如图1所示。
首先由单片机控制电路通过控制步进电机来操控机械运动机构将传感器送到指定位置(钨钼丝位置),然后锁紧。传感器到位后,单片机控制电路控制采集机构进行采集。此位置的数据采集完毕后,则控制步进电机将传感器再次移动到下一个位置,再次进行测量。根据设定的不同位置进行测量后,然后求平均值。同时将传感器通过运动机构送回原始位置,最后将测得的数据传送给上位机对钨钼丝直径进行补偿。根据测试,实际接收到的钼丝直径数据误差小于1um,满足使用要求,实际装置见如图2所示。
2 闭环全自动控制系统
本系统采用国产的KB-3000线切割机床,整个闭环全自动控制系统由钼丝直径数据自动采集装置、线切割机控制系统及高精度空心分度转台组成。其工作原理如图3所示。
当分度转台完成分度以后,发出分度完成的指令给钼丝直径数据自动采集装置。接到指令后,该装置开始采集钼丝直径的数据,并且根据这个数据计算出钼丝补偿的参数,然后将此参数传递给闭环全自动控制系统。系统则控制线切割机根据这个参数对需要加工的工件进行切割加工。当切割完成后向分度转台系统发出切割加工完成,需要进行分度的信号。圆分度转台根据这个信号对于转台进行分度,从而使转台转到下一个所需要的加工的位置上。闭环全自动控制系统如图4所示。
3 高精度空心式分度转台
传统的线切割机虽然具有使用方式比较灵活,而且走直线的精度极高,特别是它的工作台走X、Y直线,便于加工出各种表面形状复杂的工件的优点,但是圆分度却不是它的强项,误差达到数十角秒。为此,利用它走X-Y方向精度高的特点,设计出了增加一台精度较高的圆分度转台放置在线切割机床的工作台上面。机床只需要走X-Y直线坐标,加工完成一个直齿后就退出,利用圆分度转台转动到一个事先预定的角度α,其数学表达式如下:
其中,Z为总的内齿数。那么,等分齿形的分度精度则由圆分度转台的精度所决定。全自动分度控制系统的工作原理如图5所示。
该分度转台以时栅位移传感器所测得的当时工作台转动的角位移作为反馈数据,对比用户之前所输入的需要加工的内齿的齿数所计算出来的绝对分度位置,控制步进电机逐步逼近到绝对分度位置,从而实现在加工过程中的无积累误差的高精度分度。
在驱动装置部分,圆分度转台主要采用的是普通的两相混合式步进电机,其步距角为1.8°,最大空载启动转速为240r/min,最大静转矩为6.0Nm。通过细分电路的200倍细分后,每个脉冲的当量可以达到0.009°。同时,由于分度转台采用的传动方式是涡轮与蜗杆的啮合传动方式,所以为了保持其传动的稳定性,步进电机与分度转台的蜗杆采用传动比为1:2的同步带轮来实现传动。
开始研发该圆分度转台时采用普通的圆分度转台,由于工作台的台面是实心的,于是支撑工件的小立柱在转动的过程中将不可避免的和机床的下钼丝臂发生干涉。在试验过程中,曾使用多个小立柱来支撑工件,在其转动过程中快要发生碰撞的时候,就马上停下来并且取出该小立柱;而当其转动绕过下钼丝臂后又再次装上。采用这种方法,不但效率很低,而且在拆装立柱的操作过程中极其容易使工件发生移位,从而使工件的精度降低。普通实心圆分度转台工作的示意图如图6所示。
当采用空心转台后,其加工示意图如图7所示。
在图6、图7中,1)上钼丝臂,2)下钼丝臂,3)钼丝,4)工件,5)小立柱,6)转台,7)大立柱,8)发生干涉的位置。
此时,下钼丝臂被放置在整个转台之下,而转台由大立柱所支撑且大立柱不动。钼丝自上而下的穿过工件和转台中心位置,由小立柱支撑工件来转动,在整个加工过程中工件不会与下钼丝臂发生干涉现象。其中,由本实验室自行研发的空心转台采用了中空的轴系和自己制造的时栅角位移传感器,其时栅位移传感器的精度达到了±1.2'',空心分度转台的分度精度则达到了±2'',非常适合于完成类似的高精度分度线切割加工。实际高精度空心式圆分度转台如图8所示。
4 结论
经过改造后的机床基本上实现了预期目标,整个加工过程实现了全自动化。从线切割机自动进丝、退丝,切割,到钼丝直径数据测量装置对于钼丝磨损的测量,再到高精度空心式转台的自动分度,整个加工过程实现了自动化,不需要人工进行干预,工作效率一下子提高了许多倍。分度精度基本上达到了转台的分度精度,大约为±2.5''。齿槽的偏差控制在10um之内,初步实现了预期的指标。该套系统具有构思新颖,方法简单,实现方便,应用广泛等等特点,经过稍加改造后即可适用于类似的需要高精度的分度线切割加工场合中,从而使生产效率和加工精度得以极大提高。
参考文献
[1]任福君,姜永成.大厚度复杂曲面切割丝损在线监测及补偿[J].机械工程学报,2008,44(6):238-242.
[2]张晓燕,吴军营,曹博涛.快走丝线切割机钼丝使用寿命影响因素分析及预防措施[J].机械设计与制造,2008,12(12):246-248.
[3]彭东林,刘成康,谭为民.时空坐标转换理论与时栅位移传感器研究[J].仪器仪表学报,2000,21(4):348-342.
[4]李立.数控精密点火与线切割加工在现在模具加工中的应用[J].模具工业,2008,34(5):71-74.
[5]胡超,刘小康,高忠华,等.基于ARM的高精度自动定位系统设计[J].微计算机信息,2009,25(7-2):101-103.
[6]惠晶,肖容.一种实用的步进电机驱动控制系统[J].微电机.2009,42(10):87-89.
[7]郝晶,杨瑞峰.步进电机驱动软件设计[J].机械工程与自动化,2009,12(6):140-141,144.
电传飞机人机闭环系统的诱发振荡 篇4
电传飞机人机闭环系统的诱发振荡
具有潜在危险、突发性的,可能导致飞行失控的严重人机闭环诱发振荡(PIO--Pilot Induced Oscillation)是电传飞机发展阶段频频发生飞行事故的首要原因.迫使人们去研究它产生的飞行动力学机理;查明引发它的飞行控制系统设计缺陷,寻找防范严重PIO的设计方法、工具和工作流程…….电传飞机的PIO事故,实际上在世界范围内推动了对人机耦合问题的`新一轮的再认识,其中包括提出更确切的定义;提出更全面的多种分类方法;开发更有效的,考虑非线性因素、能辨识严重PIO振荡趋势的评估准则.
作 者：冯亚昌 李陆豫 FENG Ya-chang LI Lu-yu 作者单位：冯亚昌,FENG Ya-chang(北京航空航天大学,自动控制系)李陆豫,LI Lu-yu(沈阳飞机设计研究所)
刊 名：北京航空航天大学学报 ISTIC EI PKU英文刊名：JOURNAL OF BEIJING UNIVERSITY OF AERONAUTICS AND ASTRONAUTICS 年，卷(期)：2000 26(1) 分类号：V212.12 V249.1 关键词：人-机系统 人机振荡 电传飞行控制系统