基于Matlab／Simulink的CNC粉末压机液压控制系统仿真分析.pdf

2 0 1 0年 7月 第3 8卷 第 l 4期 机床与液压 MACHI NE TO0L HYDRAUL I CS J u 1 ． 2 0 1 0 Vo 1 ． 3 8 No ． 1 4 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 13 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 1 4 ． 0 0 9 基于 M a t l a b ／ S i m u l i n k的 C N C粉末压机液压控制系统仿真分析 俞建卫 ，徐波，焦明华，尹延 国，田明 合肥工业大学机械与汽车工程学院，安徽合肥 2 3 0 0 0 9 摘要介绍 C N C粉末压机液压控制系统基本原理，对元器件进行选型 ，并建立该系统的传递函数模型，利用 Ma t l a b ／ S i mu l i n k进行其位置控制系统、速度控制系统、压力控制系统仿真。仿真结果表明所给出的 C N C压机液压系统选型方 案 ，位置和速度控制性能比较理想，而压力控制的响应时间较长 ，需要注意压力卸载时产生的峰值。 关键词液压系统；Ma t l a b ／ S i m u l i n k ； 仿真 中图分类号T H 1 3 7 文献标识码 A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 1 4～ 0 2 1 3 Si mu l a t i o n a n d Ana l y s i s o n Hy dr a u l i c Co nt r o l S y s t e m o f CNC PM Pr e s s Ba s e d o n M a t l a b ／S i mu l i n k YU J i a n we i ，XU B o，J I AO Mi n g h u a，Y I N Ya n g u o，T I AN Mi n g S c h o o l o f Me c h a n i c a l a n d Au t o mo t i v e E n g i n e e r i n g．He f e i U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y，He f e i An h u i 2 3 0 0 0 9，C h i n a Ab s t r a c t T h e f u n d a me n t a l o f h y d r a u l i c c o n t r o l s y s t e m o f C NC P M p r e s s w a s i n t r o d u c e d ．T h e t y p e s o f t h e c o mp o n e n t s w e r e s e l e c t e d。a n d t h e t r a n s f e r f u n c t i o n mo d e l s o f t h e s u b s y s t e ms w e r e e s t a b l i s h e d ． T h e c o n t r o l s u b s y s t e ms o f d i s p l a c e me n t ， v e l o c i t y a n d p r e s s u r e we r e s i mu l a t e d b y u s i n g Ma t l a b ／ S i mu l i n k ． T h e s i mu l a t i o n r e s u l t s p r o v e t h a t t h e d e s i g n e d s y s t e m h as g o o d c o n t r o l p e r f o r m a n t e s o f d i s p l a c e me nt a n d v e l o c i t y， b u t t h e r e s p o n s e t i me o f pr e s s ur e c o n t r o l i s l o ng，a nd t h e p e a k o c c u r e d o n t h e t i me o f p r e s s u r e un l o a di n g ne e d t o b e no t i c e d． Ke y wo r d s Hy d r a u l i c s y s t e m； Ma d a b ／ S i mu l i n k；S i mu l a t i o n 数控压机是现代数控技术与传统压力机相结合的 产物，它是集计算机技术、微电子技术、自动控制与 检测技术等多种现代技术于一体 ，并与传统 的机械压 力加工技术深度结合的机电一体化产 品。 压机控制 系统 由多 个元 器件 组 成 ，元 器件 的 品 牌 、型号 、参数设置不 同，都将影 响 到系统 的性 能 ， 因此在最终确定方案和购买元件前，需要对系统方案 的性能进行分析，以确定选型是否能满足设计要求。 Ma d a b 是 Ma t h w o r k s 公司于 1 9 8 2年推出的一套高 性能的数值计算可视化软件。Ma t l a b ／ S i m u l i n k可以对 动态系统进行建模 、仿真和分析 ，从 而可以在设计系 统 的时候先对 系统进行仿真和分析 ，然后及 时进行必 要 的修正 ，以实现高效 的系统开发。 1 压机控制系统简介 图 1 为阀控缸液压控 制系统原理示 意图。系统 采用 闭 环 控制 ，有 位 置、 速度 和压 力 3个 控制参 数 ，分别用相应的传感器 图 1 阀控缸液压控 制 系统原理 图 测量，数字控制器通过对 3 个参数交替控制，可实时 对伺服阀进行调整，从而保证对液压缸的精确控制。 工控机起监控管理 的作用 。 图 2为 C N C压机 压 制多台阶零件 的示意 图。 每台阶对 应上 下 一对模 冲，每个模冲的动作通 过控 制器 的一 轴实 现 闭 环控制 。在 压 制时 需要 注意两个 问题 1 为 了防止压制 时 粉末 横 向 移动 ，需 要 采取 等 压压 制 ，即各台阶压力相等 ； 2 为 了尽量 减少粉末 与模具 壁 的摩 擦 ，上 下 模冲对称动作，使粉末 3 个 上模 冲 粉 末 中心线 粉末 3 个 下模 冲 图 2 压制多 台阶 零件示意图 中心线在压制过程 中不上下移动。 C N C压机虽 是多 对缸 同时 动作 ，但 压 制时 粉末 中心不移动 ，说明上下缸压力相等，忽略重力因素 ， 收稿 日期 2 0 0 9 0 8 2 6 基金项 目安徽省重点攻关项 目 0 6 1 4 0 3 E 2 作者简介俞建卫 1 9 5 6 一 ，硕士 ，教授 ， 研究方向为机械设计 、测控技术、复合 自润滑材料以及相关项 目，电话 1 3 95 6 01 8 72 9， 1 3 7 21 0 21 6 57。 E ma i l x bd h r s o hu ．e o m 。 2 2 机床与液压 第 3 8卷 负载对两个 缸 的影 响基本 一样 。所 以，对 于各 轴独 立控制的压机 系统 ，可以从一个液压缸出发来分析 系 统的大致性 能。 2选型方案 以下为一套 C N C压机控制系统选型方案 1 力士乐 V T M A C 8可编程多轴控制器 ； 2 力士乐 4 WS E 2 E D 1 6 2 X ／ ⋯B型伺服阀 ； 3 A T O S公司 C K V型伺服油缸 ，自带位置传 感器实现活塞位置反馈 ； 4 压 力传感器 。 3 系统建模与仿真分析 作者采用传递函数法建模 ，液压元件目前已有比 较成熟的传递函数模型，以此为根据确立系统模型。 根据液压元件供应商提供的产品样本手册，确定传递 函数中各参数的具体数值。 f al 位 置模 型 b 1 速度 模型 c 压 力模 型 图3 系统传递函数模型 载流量 ，Kl 为动 态柔度 系数 ， 为 系统总 流量压力 系数 ，K 为动态柔度 系数 ，F 为外作用 力 ， 为液 压固有频率， 为液压阻尼比， 为电放大器增益， K 为 阀增益 ， 。 为流量 一压力系数 ， 为负载 固有 频率。 模型中未使用的一些参数，如液压缸内壁的摩 擦 、阀的滞环等作为理想状 态，设为 0 。 由伺服阀的工作原理可知，液压执行元件的流量 和压力是 由输入伺服阀的电流大小和方 向决定 的，所 以可 以用输入 信号 的变 化过 程来 模拟 压机 的工作 过 程 。 以下分别是位置和速度的输人信号函数，两者的 关系为 式 1 为式 2 的积分。 位置控制信号函数 fs J s 一 I 一 杀 孚 一 L S1 t 1 t 3 一 V0 t ∈[ 0 ， 2 ] t ∈『 2， 4 I ’ 1 t ∈[ 4 ， 6 ] t ∈[ 0 ， 2 ] ∈[ 2 ’ 4 ] 2 t ∈[ 4 ， 6 ] t E[ 6 ， 1 0 ] 3 ． 1 位置控制 系统仿真 位置参数为系统的主控参数 ，直接关系到产品的 几何 形状 ，因此必须保 证模 冲压制位置 的精确。 系统采用 比例微 分控制，S i m u l i ． k模 型如图 4 图中 为放大器增益 ， 为伺服阀固有频率 ， 示。 为阻尼比，A 。 为活塞有效面积 ，Q 。 为伺服阀输出空 S 图 4 位置控制 S i m u l i n k 模型 位置控制系统仿真结果如图 5示 。 如图 5所示 ，输入信 号与输入信号基本一致 ，说 明系统能够很好地跟随位置输入信号 。 误差分析如 图 6示。 对 比动态误差信 号图 和输 入信 号图 ，可 以看 出， 误差随着位置信号值增加速度 的提高而增大，t 2～ 4 s 时间段动态误差达 到最大。对稳定 阶段 图形放 大后 ，可 以看到 ，稳态误差约为 1 ． 2 m。 第 1 4期 俞建卫 等基于 Ma t l a b ／ S i m u l i n k的 C N C粉末压机液压控制系统仿真分析 2 3 2 l 目 昌l 1 目0 ． 8 蠢0 ． 6 O ． 4 0． 2 0 a 位 置输 入信 号 b 位 置输 出信 号 图5 位置仿真结果 0 地0 舞 0 ．O 昌 ． 瑙 。 0 2 4 6 8 l 0 时 间， s a 位 置动态 误 差 I ． 5 昌 l 4 翥 1 ． 3 1 ． 2 1 ． 1 9 ． 4 2 8 4 9 ． 4 2 8 4 9 ． 4 2 8 5 9 ． 4 2 8 5 时间， s b 位 置稳 态误 差 图 6 位置控制误差 3 ． 2 速 度控 制 系统 仿真 多台阶压制时，应采用仿真压制方式 ，即压制过 程 中粉体形状是产品最终形状按 比例的放大。所 以压 制时任意时间点上各模冲速度应和对应台阶的高度成 比例，否则下一时刻粉体形状就无法保持。由于每个 台阶都对应控制器一轴 ，为了保证每个液压缸动作协 调 ，需要很好地控制各模冲的速度 。 系统采用比例积分控制，S i m u l i n k模型如图7 示。 速度控制系统仿真结果如图 8 示 。 根据压机的工作过程给出输入信号，模冲刚开始 速度提高 ，快速到达压制位置 ，在压制过程 中速度逐 渐减小，最后在结束位置停止。如图8所示 ，在信号 突变时 ，系统 大约 需要 0 ． 6 S的调节 时 间 ，无 超调 ， 输入输 出波型基本一致 。 图 7 速度控制 S i mu l i n k模型 时 间／ s a 速度 输 入信 号 时 间， s b 速 度输 出信 号 图8 速度仿真结果 误差分析如图 9示 。 时间， s a 速度 动 态误 差 g - 2 宝- 2 ． 0 5 ．2 ． 1 制． 2 ． 1 5 冀-z ． 9 ． 5 6 l 5 9 ． 5 6 2 5 9 ． 5 6 3 5 时 间， s b 速 度稳 态误 差 图 9 速度误差分析 可 以看 出，速度 动 态误差 随着 速度 的增 大而增 大 ，稳态时误 差约为 2 ． 1 1 0 一m ／ s 。 3 ． 3 压力控制 系统仿真 为了保证在压制过程中粉末不横向移动 ，应采用 等压压制 ，因此需要对压力进行实时控制 。 系统采用比例积分微分控制，S i m u l i n k模型如图 1 O示 。 压 力控制 系统仿真结果如图 1 1 示。 在 压制过程 中，压力是逐渐增大 的，模冲在到达 最终位 置后 ，有一小段保压时间 ，然后压力卸载 ，模 冲复位 。如 图所示 ，系统有一定 的超调量 ，调节时间 在 2 S 左右 ，响应时间较长 ，压力卸 载时 ，输 出会 出 现峰值 。 误差分析如图 l 2示 。 在压力卸载时，会有一个大小等同于最大压力、 反 向的动态误差峰值出现。稳态误差为 1 0 0 P a 。 图1 0 压力控制S i m u l i n k 模型 下转第4 O页 4 0 机床与液压 第 3 8卷 输出模拟 电压 比例 ，减速 比，电动缸 的导程 ，每圈脉 冲数，希望测试的3种速度具体值等参数。 行程测试 。可 以 自由设 定运行速 度 ，提供前进 、 后退和停止 3个按钮进行控制 ，由于工作现场要求 和 设备性能限制 ，暂时只提供人工在最近及最远端手 动 测量 ，以后 可以扩展功能 ，加装外部测量装置进行 自 动测量以及数据记录。 走合测试。提供时间设定、转速设定 、走合起始 位置和终点位置 4项功能设定 ，并且进行 当前 电动缸 位置的实时检测及显示，需要注意的是这里的位置信 息实际上是由脉冲数换算得来，并没有外部测量装置 构成全 闭环 。 速度测试 。同样提供两个缸的功能切换 ，在不同 速度和方向的工作状况下 ，都有速度和转矩两个数值 显示框，提供电机驱动转矩的即时趋势图，采集频率 为 1 0 H z ，可 以检视 图中任 意时刻且 在检视数据框 中 显示 ，数据 的采集和停止 由对应 的功能按钮来控制。 在速度测试页面点击历史图按钮进入 电机启动过 程的数据图示 ，记录时间 1 S ，提供高达 1 0 0 H z 的采 样频率。点击数据按钮可以进入历史数据表格记录。 该触 摸屏 可以存储 7 天 的数据 ，每天数据量最高可达 8 0 0 0 0组 ，已能满足工 作需求 ，如 图 6所 示 。 当需 要 保 存 更 多 数 据 时 ，可 以使 用 U S B数 据延 长 线 连 接 一 个 u 盘 ，选 择 将 数 据 保 存 至 u 盘 即 可。 使 用 E B 8 0 0 0软 件 的转 换 功 能可 以 很 方 便 将 数 据 导 出为 E x c e l 表格类型。 图 6 数据表格记 录界面示例 如果在测试过程 中，运行 出现异常状况 ，则由触 摸屏提供声光报警 。事故处理完毕后 ，需 回到运 行首 界面进行报警信号清除 ，且恢 复使能 ，才能重新 正常 工作 。 4结束语 基 于 P L C和触 摸屏 的 电动缸 自动测 试 系统 ，具 有 自动化程度高 、界 面直观 、功能强大 、灵活性高等 优点，可以有效地提高测试的效率，具有很好的应用 前景。 目前 ，该 系统 已在该公司投入使用 ，较好地满 足了该公司电动缸出厂时的检测需要，提高了工作效 率 。 作者在设计 以 P L C和嵌入 式触 摸屏 为核 心 的电 动缸 自动测试 系统 时 ，充 分发挥 了 P L C在伺 服控制 中的优势，考虑了现场的需要，尽可能地使其造价适 宜，操作直观、符合习惯 ，成功地实现了电动缸出厂 前的 自动测 试。该系统 是 P L C和触摸 屏在 伺服 控制 领域的一个很好 的应用案例 。 参考文献 【 1 】 P a n a s o n i c 可编程控制器 F P X用户手册[ M] ． 【 2 】We i n v i e w公司E a s y B u i l d e r 8 0 0 0用户手册[ M] ． 【 3 】王立乾， 申萍， 张良， 等． 基于触摸屏与 P L C的空压机检 测系统设计[ J ] ． 微计算机信息， 2 0 0 9 2 ／ 1 2 2 2 3 ． 上接第2 3页 。 窒． 一 时 间， s a 压力 输入 信号 1 ． 0． 窆 0 ． 0． 出0 ． ．0 ． L 时 间／ s b 压 力输 出信 号 图 1 1 压力仿真结果 厂 、 r＼ 时 间， s f a l 压 力动态 误 差 曲线 言6 皇4 2 0 ． 2 - 4 出 ． 6 l 4 ． 9 l 4 l 4 ． 9 l 8 l 4 ． 9 2 2 1 4 ． 9 2 6 时间， s b 压力稳 态 误差 曲线 图 l 2 压力误差分析 4 结 论 通过建模 与仿真 分析 ，文 中所 给出 的 C N C压 机 系统选型方案 ，位置 和速度控制性能比较理想 ，而在 压力控制方 面，响应时间较长 ，压力卸载时产生的峰 值需要 注意。 参考文献 【 1 】鲁建平 ， 胡军科， 尚建忠， 等． 某型工程车闭式走行液压 系统建模与仿真[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 7 I 1 3 41 3 5 ， 1 38． 【 2 】孙成通， 陈国华 ， 蒋学华， 等． 液压系统仿真技术与仿真 软件研究[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 8 1 0 1 4 01 4 3 ． 【 3 】黎凌宵， 吕强中． 基于 P c柔性和开放性的可编程多轴 控制器[ J ] ． 机械工程师， 2 0 0 2 5 5 7 ． 【 4 】张利平． 液压控制系统及设计[ M] ． 北京 化学工业出版 社 ， 2 0 0 6 ． 6 ． 【 5 】 R e x r o t h 力士乐 公 司产 品样本手册和控制器相关资 料． 【 6 】S u n P ， G r a e i o J J ， F e r r e i r a J A ． C o n t r o l s y s t e m o f a m i n i h y d r a u l i c p r e s s f o r e v a l u a t i n g s p fi n g b a c k i n s h e e t me t a l f o r m i n g [ J ] ． J o u rna l o f Ma t e r i a l s P r o c e s s i n g T e c h n o l o g y ， 2 0 0 6 ， 1 7 6 1 3 5 5 6 1 ． 【 7 】L i u G P ， D a l e y S ． O p t i m a l t u n i n g n o n l i n e a r P I D c o n t r o l o f h y d r a u l i c s y s t e m s [ J ] ． C o n t r o l E n g i n e e r i n g P r a c t i c e ， 2 0 0 0 8 1 0 4 51 0 5 3 ．