基于PID算法的数控冲床PLC控制系统设计.pdf

基于 P I D 算法的 数控冲 床 P L C 控制系 统设 计 口王伟龙 口樊瑜瑾 口杨振 昆明理 工 大学 机 电工程 学院 昆 明 6 5 0 5 0 0 摘 要 针对传统数控 冲床进给不稳 定、 误差较大的问题 ， 提 出了一种基 于 P I D算法的可编程控制 器 P L C 三环控制策略 。通过建立液压系统的解析模型 ， 设计相应的 P I D控制器进行速度环控制， 利用 P L C进行外环位置控制， 实现 了机 电液一体化 ， 有效提高 了位置控制精度 ， 降低 了系统误差。 关 键词 数 控机床P I D伺服 系统P L C 中图分类号 T H1 2 2 ； T P 2 7 1 * ． 4 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 0 4 9 9 8 2 0 1 5 1 0 0 0 2 9 - 0 4 数 控 技 术 是 制 造 业 实 现 自动 化 、 柔 性 化 、 集 成 化 生 产 的 基 础 ． 数 控 冲 床 是 应 用 数 控 技 术 对 各 种 板 材 如 普 通 钢 板 、不 锈 钢 及 铝 板 等 进 行 冷 冲 压 成 形 或 冲 孑 L 加 2 1 2 的 一 种 机 械 加 2 1 2 设 备 。 数 控 系 统 的 引 入 ， 使 用 户 可 进 行 CNC 系 统 的 人 机 交 互 控 制 ， 提 高 了 系 统 的 操 作 性 和 可 维 护 性 。常 规 的 CNC控 制 系 统 由 运 动 控 制 器 和 内装 式 P L C组 成 ， 分 别 完 成 轨 迹 控 制 和 顺 序 控 制 。 然 而 ， 该 控 制 架 构 本 身 会 引 起 冲 床 进 给 不 稳 定 、 误 差 较 大 的 问 题 ， 给 实 际 应 用 带 来 不 便 ⋯。 微 机 数 字 控 制 技 术 是 机 械 制 造 行 业 现 代 化 的 标 志。 柔 性 制 造系 统F MS F l e x i b l e Ma n u f a c t u r i n g S y s t e m 、 计 算 机 集成 制 造系 统CI MS C o mp u t e r I n t e g r a t e d Ma n u f a c t u r i n g S y s t e m 、 智 能 制 造 系 统 I MS I n t e l l i g e n t Ma n u f a c t u r i n g S y s t e m 的 应 用 ， 进 一 步 说 明 数 控 技 术 已 经 成 为 现 代 制 造 技 术 的 基 础 ， 其 水 平 的 高 低 是 衡 量 一 个 国 家 3 2 业 现 代 化 水 平 的 重 要 标 志 [ 2 3 。 微 机 数 字 控 制 技 术 具 ；fi - 的 逻 辑 处 理 能 力 可 根 据 不 同 的 指 令 进 行 不 同 方 式 的 信 息 处 理 ．从 而 可 以 通 过 软 件 来 改 变 信 息 处 理 的 方 式 ， 而 不 改 动 电 路 或 机 械 机 构 ， 使 机 械 设 备 具 有 柔 性 。 笔 者 针 对 转 塔 式 数 控 冲 床 进 行 控 制 系 统 改 造 ． 提 出 了 一 种 基 于 P I D 算 法 和 P L C 位 置 控 制 的 数 控 冲 床 控 制 策 略 ， 通 过 该 技 术 ， 提 高 了 冲 床 的 运 动 精 度 ， 改 善 了 操 纵 特 性 ， 为 高 精 度 加 3 2 提 供 便 利 。 利 用 欧 姆 龙 P L C作 为 中 央 控 制 器 ， 设 计 了 一 套 基 于 P L C 控 制 的 交 流 伺 服 电 机 位 置 控 制 系 统 ， 整 个 系 统 响 应 速 度 快 ， 定 位 精 度 高 ， 运 行 稳 定 。伺 服 控 制 系 统 具 有 高 精 度 、 高 可 靠 性 、 快 速 定 位 的 特 点 ， 伺 服 控 制 系 统 无 论 从 速 度 控 制 还 是 精 度 控 制 上 ，能 大 幅 度 降 低 电 机 运 行 的 能 耗 ， 能 量 转 换 效 率 高 。 收稿 日期 2 0 1 5年 4月 机械制造 5 3卷 第 6 1 4 期 1 数控 冲床 1 ． 1 数 控 转 塔 式 冲 床 系 统 的 组 成 1 数 控 系 统 。数 控 系 统 是 转 塔 冲床 的 核 心 ， 实 时 监 测 转 塔 冲 床 的 工 作 状 态 以及 加 工 环 境 ，接 受 操 作 人 员 的 操 作 命 令 ，控 制 机 床 各 功 能 部 件 协 调 动 作 来 完 成 加 工 任 务 。 数 控 系 统 由主 控 机 、 显 示 器 、 键 盘 、 操 作 面 板 以 及 功 能 强 大 的 控 制 软 件 组 成 。 2伺 服 系 统 。伺 服 系 统 主 要 包 括 主 轴 电 机 伺 服 、 轴 电 机 伺 服 、 l ， 轴 电 机 伺 服 以及 轴 转 塔 轴 电 机 伺 服 。 伺 服 系 统 是 转 塔 冲 床 至 关 重 要 的 一 部 分 ， 它 直 接 驱 动 各 轴 运 动 ， 接 受 数 控 系 统 的 运 动 命 令 并 实 现 各 轴 速 度 、 位 置 的 控 制 。 3 传 动 系 统 。主 要 包 括 主 轴 传 动 机 构 、 X 轴 传 动 机 构 、 y 轴 传 动 机 构 以及 轴 传 动 机 构 ， 其 功 能 是 将 伺 服 系 统 输 出 的 信 号 转 变 为 各 个 轴 的 动 作 ， 其 中 ， 轴 采 用 电 机 驱 动 皮 带 轮 带 动 转 塔 运 动 的方 式 来 实 现 。 4 进 料 系 统 。 进 料 系 统 主 要 包 括 横 梁 、 y轴 传 动 、 夹 钳 、 支 撑 板 料 的 工 作 台 。该 系 统 中 支 撑 板 料 的 工 作 台 结 构 形 式 为 固定 工 作 台 ．其 最 大 优 点 是 进 料 的 运 动 惯 性 小 。 采 用 小 扭 矩 的 伺 服 电 机 即 可 带 动 。 工 作 台 采 用 硬 质 毛 刷 作 为 支 撑 ， 具 有 噪 声 小 、 不 易 划 伤 板 料 等 优 点 ， 适 合 于 薄 板 和 固 定 工 作 台 使 用 ， 但 承 载 力 小 ， 运 动 阻 力 大 ] 。 1 ． 2数 控 冲 床 的 硬 件 结 构 笔 者 研 究 的 数 控 冲 床 主 要 对 工 件 进 行 冲 孔 加 工 和 冲 压 成 形 。系 统 的 压 力 和 冲 头 的 速 度 取 决 于 所 需 要 的 加 工 方 式 。冲 孔 加 工 时 ， 要 求 冲 头 以 最 大 的 速 度 下 降 至 加 工 工 件 ， 并 且 快 速 返 回 。 冲 压 成 形 时 ， 要 求 滑 块 以 较 快 的 速 度 下 降 ，接 近 工 件 时 冲 头 速 度 降 低 且 系 统 压 力 升 高 ， 确 保 对 钢 板 的 精 准 成 形 ， 冲 压 成 形 完 毕 后 ， 冲 头 以较 快 的 速 度 返 回 。 转 塔 实 物 及 原 理 简 图 如 图 1所 示 ， 2 0 1 5 ／ 1 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 其 进 给 部 件 主 要 包 括 电 机 、伺 服 阀 、作 动 筒 等 。电 机 控 制 伺 服 阀 开 关 对 输 出端 进 行 阀 控 。 以 达 到 期 望 的 位 置 目标 。 2 液压 系统模 型仿真分析 2． 1 液 压 系统 数 学 模 型 数 控 冲 床 的 冲 压 过 程 通 过 液 压 缸 活 塞 杆 往 返 运 动 来 实 现 ， 当 阀 位 移 ≥0时 ， 处 于 加 工 状 态 ，所 以 只 针 对 ≥0的 情 况 进 行 分 析 ， 建 立 数 学 模 型 ，确 定 模 型 的 传 递 函 数 及 对 各 项 性 能 指 标 进 行 仿 真 分 析 。 控 制 阀 的 负 载 流 量 方 程 是 一 个 非 线 性 方 程 r 一 Q l C d W x 、 ／ p s- p 1 式 中 Q 为 负 载 流 量 ； C 为 阀 口 流 量 系 数 ； P 为 液 体 密 度 ； p1 为 进 口 油 压 ； p 为 出 口油 压 ； Wx 为 面 积 梯 度 。 对 式 1 进 行 线 性 化 处 理 ， 写 成 增 量 式 方 程 AQ, Kq A x 一 KA p1 2 式 中 K 为 流 量 增 益 系 数 ； K 为 流 量 一 压 力 系 数 。 该 式 表 示 阀 在 某 一 工 作 点 的 负 载 流 量 变 化 AQ ， 是 由 阀 的 位 移 变 化 和 负 载 压 力 变 化 △ p 两 种 因 素 引 起 的 流 量 变 化 之 和 。 对 式 2 进 行 拉 氏 变 换 ， 得 Q s Kq x 5 一 s 3 式 中 Q s 为 AQ。 的 拉 氏 变 换 ； s 为 的 拉 氏 变 换 ； p 为 △ p 1 的 拉 氏 变 换 。 加 工 状 态 下 ．对 液 压 缸 的 流 量 连 续 方 程 进 行 拉 氏 变 换 后 得 到 T ， Q1 s 1s s s p1 5 4 e 式 中 为 液 压 油 体 积 弹 性 模 量 。 液 压 缸 与 负 载 的 动 力 学 平 衡 方 程 为 P1 ,4 1 2 , 4 2 mt X p r p X p p F L F c 5 式 中 m 为 折 算 到 活 塞 杆 上 的 活 塞 与 负 载 的 总 等 效 质 量 ， k g ； A。 为 无 杆 腔 的 工 作 面 积 ； A 2 为 有 杆 腔 的 工 作 面 积 ； B 为 黏 性 阻 尼 系 数 ； R 、 R 为 进 口 和 出 口 负 载 ； 为 液 压 缸 位 移 量 。 设 P n o2 和 A。 n ，其 中 n 、 ／ 7 ,2 为 比 例 因 子 ， 均 大 于 1 ． 得 到 1 P 1 - p2 ,4 2 4 1 1 一 一 6 ， 1， 2 令 Ⅳ 1 一 ， 把 式 6 代 入 式 5 ， 得 到 2 01 5／1 0 N A 1 m t P ，， p p 十 7 对 式 7 取 增 量 式 再 进 行 拉 氏 变 换 得 到 NA 1 s m s 2 x p 曰 P s p s R 5 8 式 中 Ⅳ 为 比 例 因 子 。 当外 加 载 荷 R 为 0时 ， 即 可 得 到 为 输 入 、 。 为 输 出 的传 递 函 数 s K A Kint KBp N A， s 2 - 2液 压 系统 仿 真 模 型 搭 建 9 基 于 以 上 液 压 系 统 模 型 推 导 ． 利 用 MAT L AB 中 的 S i mu l i n k建 立 了 整 个 液 压 系 统 的 框 图 模 型 如 图 2所 示 。 3 数控 冲床 液压 系统 P l D控 制 3． 1 PI D 控 制 原 理 P I D 控 制 器 具 有 稳 定 性 好 、 结 构 简 单 、 调 整 方 便 、 工 作 可 靠 等 优 点 ， 成 为 工 业 控 制 的 主 要 技 术 之 一 。 当 被 控 对 象 的结 构 和 参 数 不 能 完 全 掌 握 、得 不 到 精 确 的 数 学 模 型 时 ． 采 用 P I D 控 制 技 术 最 为 方 便 。 P I D控 制 器 的 参 数 整 定 是 控 制 系 统 设 计 的核 心 ，它 是 根 据 被 控 对 象 的 特 性 来 确 定 P I D 控 制 器 的 参 数 大 小 。 P I D 控 制 算 法 机械制造 5 3 卷 第 6 1 4 期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 要 求 系 统 是 一 个 闭 环 控 制 系 统 ， 具 有 反 馈 环 节 ， 并 将 结 果 反 馈 到 控 制 路 线 上 ， 本 文 主 要 研 究 P I D 控 制 电 机 转 速 E s ] 。 P I D 控 制 器 的 核 心 在 于 实 现 比 例 、积 分 、微 分 环 节 ， 如 图 3所 示 。 比例 十 积 分 微 分 P I D 控 制 器 公 式 可 以 表 达 为 K p [ e ㈤-4-寺J 。 d t T d ] 式 中 ￡ 为 输 出 信 号 ； e t 为 输 入 信 号 ；K 为 比 例 放 大 系 数 ； 为 积 分 时 间 常 数 ； T d 为 微 分 时 间 常 数 。 P I D 控 制 算 法 不 一 定 是 比例 、 积 分 、 微 分 三 者 的 完 全 体 ， 也 可 以 是 P D， P I ， 甚 至 只 有 P 的 算 法 控 制 。 之 前 大 多 数 人 对 于 闭 环 控 制 的 一 个 最 简 单 的 认 识 就 只 有 P控 制 ， 将 当前 结 果 反 馈 回 来 ， 再 与 目标 相 减 ， 为 正 的话 ， 就 减 速 ， 为 负 的 话 就 加 速 ， 其 实 不 然 。 P I D 控 制 器 各 校 正 环 节 的 作 用 如 下 。 1 比 例 环 节 。 反 应 系 统 的 当 前 偏 差 e ￡ ， 系 数 大 ， 可 以 加 快 调 节 ． 减 小 误 差 ， 但 过 大 的 比 例 使 系 统 稳 定 性 下 降 ， 甚 至 造 成 系 统 不 稳 定 ； 2积 分 环 节 。反 应 系 统 的 累 计 偏 差 ， 使 系 统 消 除 稳 态 误 差 ， 提 高 无 差 度 ， 因 为 有 误 差 ， 积 分 调 节 就 进 行 ， 直 至 无 误 差 3微 分 环 节 。反 映 系 统 偏 差 信 号 的 变 化 率 e ￡ 一 e ￡ 一1 ， 具 有 预 见 性 ， 能 预 见 偏 差 变 化 的 趋 势 ， 产 生 超 前 的 控 制 作 用 ， 在 偏 差 还 没 有 形 成 之 前 ， 已 被 微 分 调 节 作 用 消 除 ， 因 此 可 以 改 善 系 统 的 动 态 性 能 。 但 是 微 分 对 噪 声 干 扰 有 放 大 作 用 ， 加 强 微 分 对 系 统 抗 干 扰 不 利 。 积 分 和 微 分 都 不 能 单 独 起 作 用 ， 必 须 与 比 例 控 制 配 合 [ 。 3． 2 PI D 控 制 系 统 原 理 的 设 计 及 仿 真 数 控 冲 床 系 统 框 图 如 图 4所 示 ， 当 外 负 载 变 化 、 系 统 挠 动 引 起 液 压 缸 的 速 度 压 力 发 生 变 化 时 ．传 感 器 将 测 得 的 信 号 经 过 A／ D 转 换 ， 与 给 定 的 控 制 信 号 相 比 较 ， 比较 所 得 的偏 差 信 号 作 为 控 制 器 的 输 入 ， 控 制 器 的 输 出 作 为 控 制 量 经 过 D／ A 转 换 ， 通 过 放 大 器 后 作 用 在 比例 伺 服 阀 的 阀 芯 上 ， 通 过 调 节 阀 芯 的 位 移 ， 来 改 变 阀 机械制造 5 3卷 第 6 1 4期 的 开 口度 ， 从 而 改 变 进 入 液 压 缸 的 流 量 ， 使 液 压 缸 能 够 克 服 外 负 载 的 干 扰 和 系 统 的 挠 动 ，保 持 稳 定 的 速 度 和 压 力 。 3 ． 3 液 压 系 统 Pl D 控 制 器 的 仿 真 数 控 冲 床 液 压 系 统 数 学 模 型 的输 人 为 比例 阀 的 电 压 信 号 ， 输 出 变 量 包 括 位 移 、 速 度 和 压 力 ， 在 这 几 个 输 出 量 中 ， 活 塞 速 度 的 调 节 直 接 决 定 于 系 统 的 流 量 比例 阀 的 开 口量 ， 所 以本 文 研 究 的数 控 冲 床 液 压 系 统 P I D 控 制 主 要 是 速 度 的 反 馈 控 制 ， 主 要 对 速 度 这 一 输 出 变 量 进 行 仿 真 ， 如 图 5所 示 为 系 统 P I D 控 制 仿 真 框 图 。 图 6所 示 为 MA T L AB仿 真 结 果 位 置 跟 踪 图 ， 由 图 中 可 以 发 现 ， 脉 冲 信 号 存 在 小 幅 度 的 振 荡 ， 但 超 调 时 间 非 常 短 ， 超 调 量 也 很 小 ， 可 以判 定 P I D 控 制 系 统 对 输 入 信 号 有 很 好 的 响 应 特 性 。 4 伺 服系统的 P L C控 制 数 控 冲 床 是 一 种 高 精 度 、 高 效 率 的 自动 化 设 备 ． 提 高 数 控 冲 床 的 可 靠 性 尤 为 重 要 。伺 服 系 统 的 P L C根 据 工 艺 要 求 自动 计 算 机 械 部 件 位 置 ， P L C位 置 控 制 模 块 将 速 度 信 号 和 位 置 设 定 值 通 过 总 线 传 输 到 伺 服 驱 动 器 ，与 旋 转 编 码 器 检 测 到 的 伺 服 电 机 的 实 际 速 度 和 实 际 位 移 相 比较 。再 通 过 集 成 在 数 字 伺 服 驱 动 器 中 DS P 内 部 的 P I D算 法 进 行 P I D 调 节 ， 产 生 的 控 制 信 号 控 制 伺 服 电 机 的 驱 动 电 路 ， 从 而 实 现 精 确 定 位 的 目的 _ 8 _ 该 系 统 采 用 位 置 环 、速 度 环 、 电 流 环 三 环 控 制 模 式 ， 由 P L C 位 置 控 制 伺 服 模 块 根 据 所 设 计 的 机 械 部 件 2 0 1 5 ／ 1 0 国 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 工 艺 要 求 产 生 的 位 置 、 速 度 指 令 ， 再 通 过 位 置 、 速 度 、 电 流 控 制 器 分 别 对 位 移 误 差 、 速 度 误 差 、 电 流 误 差 进 行 P 调 节 和 P I调 节 ， 可 以 得 到 较 好 的补 偿 。 在 达 到 理 想 的 动 态 性 能 同 时 ， 还 附 加 有 速 度 前 馈 控 制 ， 即 在 P I的 基 础 上 ， 叠 加 上 正 比 于 内 部 指 令 速 度 的 信 号 ， 用 来 减 小 微 分 增 益 或 电机 环 路 阻 尼 所 带 来 的 跟 随 误 差 [ 9 3 。 数 控 冲 床 全 闭 环 伺 服 系 统 不 但 要 实 现 快 速 运 动 ， 而 且 要 保 证 进 给 运 动 的 稳 定 性 ， 获 得 更 高 的 位 置 精 度 。 伺 服 电 机 的 编 码 器 将 位 移 检 测 信 号 反 馈 到 伺 服 驱 动 器 ，驱 动 器 将 输 入 信 号 的 脉 冲 频 率 和 脉 冲 数 与 回 馈 信 号 的 频 率 和 脉 冲 数 进 行 对 比 ， 由 P I D 算 法 控 制 系 统 调 节 输 出 量 的 大 小 ， 经 速 度 控 制 器 、 位 置 控 制 器 、 电 流 控 制 器 作 出 调 节 。 电 流 控 制 器 和 速 度 控 制 器 采 用 P I控 制 ， 位 置 控 制 器 采 用 P控 制 ， 电 流 控 制 器 的 输 出 最 终 转 化 为 电 压 信 号 控 制 伺 服 电机 。伺 服 电 机 的 转 速 与 输 入 信 号 的 脉 冲 频 率 成 正 比 ，而 电机 的 移 动 量 则 由 脉 冲 数 决 定 [ ] 。 欧 姆 龙 C J系 列 P L C为 模 块 式 结 构 形 式 ．本 身 不 具 备 内 置 定 位 指 令 ， 在 配 置 伺 服 位 置 模 块 之 后 ， 通 过 脉 冲 发 送 指 令 和 绝 对 位 移 指 令 ． 向伺 服 驱 动 器 发 送 指 定 数 量 的 脉 冲 串 ，从 而 实 现 伺 服 电 机 的 定 位 控 制 。P L C 控 制 向 伺 服 驱 动 器 发 送 的 脉 冲 数 量 、 移 动 速 度 、 加 减 速 时 间 ， 实 现 准 确 定 位 控 制 ] 。 5结束语 通 过 对 该 系 统 的 调 试 ， 证 明 系 统 具 有 经 济 性 好 、 可 靠 性 高 等 特 点 。 将 P I D 控 制 和 P L C控 制 相 结 合 ， 有 效 提 高 了 系 统 的 控 制 精 度 ， 降 低 了 系 统 的 误 差 ， 基 于 P I D 算 法 的 P L C控 制 系 统 的 设 计 ， 解 决 了 机 床 进 给 运 动 的 稳 定 性 ， 从 而 获 得 更 高 的 位 置 精 度 。 随 着 我 国经 济 的 高 速 发 展 ， 数 控 冲床 作 为 一 种 高 精 度 、 高 效 率 的 自动 化 设 备 ． 具 有 很 大 的 市 场 前 景 。 参 考 文 献 刘振 堂． 国外数控 冲床 的现状 和发 展趋 势 [ J ] ． 锻压 机械 ， 2 0 0 2 1 7 - 9 ． Ro b e r t N B a t e s o n ． I n t r o d u c t i o n t o C o n t r o l S y s t e m T e c h n o l o g y [ M] ． N e w J e r s e y P e a r s o n E d u c a t i o n I n c ． ， 2 0 0 2 ． 钟肇新． 可编程控制器原理及应用 [ M] ． 广州 华南理工 大学出版社． 2 0 0 8 ． 张华宇 ，谢凤芹． 数控机床 电气及 P L C控制技术 [ M] ． 北 京 电子工业 出版社 ， 2 0 1 0 段苏振． 提高 P L C控制系统可靠性 的设 计因素 [ J ] ． 电气 传动 ， 2 0 0 3 5 4 5 4 9 ． 陶永 华． 新 型 P I D控制 及其应用 [ M] ． 北京 机械 工业 出版 社 ， 2 0 0 2 ． 张仑． 可编程 序控制器 中 P I D控制 的研 究 [ J ] ． 电气 电子 教 学学报 ， 2 0 0 5 ， 2 7 3 9 0 9 2 ． 李奥．液压 系统 P L C控制 [ M] ．北京 化学工业 出版社 ， 2 00 9． 邓 志 良， 刘 维亭． 电气控制 技术与 P L C[ M] ． 南 京 东南 大学 出版 社 ， 2 0 0 2 ． L S we e n e y ． I mp r o v e me n t De ma n d s i n C NC Ma c h i n i n g O p e r a t i o n g s[ J ] ． A F E F a c i l i t i e s E n g i n e e r i n g J o u r n a l ， 1 9 6 6 ， 2 3 3 3 3 3 6 ． [ 1 1 ]欧姆龙公 司． C S 1 W MC 2 2 1 一 V 1 ／ 4 2 1 一 V1 Mo t i o n C o n t r o l U n i t s O p e r a t i o n Ma n u a l [ Z] ． 2 0 0 4 ． 『 1 2 ]欧姆龙 公司． O MR O N可编程 控制器 C P 1 H C P U单 元编程 手册 [ Z ] ． 2 0 0 5 ． 编 辑 丁 罡 全 面深化改革 加速经济转型 2 01 5 ／1 0 实 现 伟 大中 国 梦 上海 机械制造 杂志社有 限公 司 机械制造 5 3 卷 第 6 1 4 期 i 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m