四缸電液伺服同步舉升實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

倪 敬, 蒙 臻, 毋少峰, 王志強(qiáng)

(杭州電子科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 浙江 杭州 310018)

培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新能力是我國(guó)新時(shí)代發(fā)展的必然要求,在當(dāng)前創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)浪潮驅(qū)動(dòng)下,有效提高大學(xué)生的整體培養(yǎng)質(zhì)量,尤其有針對(duì)性的提高拔尖大學(xué)生的深度創(chuàng)新能力,是保持國(guó)家核心競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵[1]。對(duì)于機(jī)械類大學(xué)生來說,機(jī)電一體化技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中起著越來越大的作用,而現(xiàn)有的教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)大多存在綜合性不強(qiáng)、實(shí)現(xiàn)功能單一、實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)性以及學(xué)生實(shí)操性低等缺點(diǎn),難以實(shí)現(xiàn)多樣化的教學(xué)實(shí)驗(yàn)要求[2],更不用說滿足拔尖型大學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)需要。本文面向大學(xué)生“深度應(yīng)用與創(chuàng)新能力”的培養(yǎng)需要,設(shè)計(jì)了一種基于工業(yè)PLC的四缸電液伺服同步舉升教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),融合了液壓傳動(dòng)控制[3-8]、PLC自動(dòng)控制[9-10]、精密傳感器[11-12]和機(jī)電傳動(dòng)控制[12-14]等方面的知識(shí)和技術(shù),能有效地完成機(jī)械和自動(dòng)化等專業(yè)的基礎(chǔ)性教學(xué)實(shí)訓(xùn)任務(wù)。同時(shí),PID控制算法、單液壓缸PID控制實(shí)驗(yàn)和四缸同步驅(qū)動(dòng)PID控制實(shí)驗(yàn)部分的加入,將同步驅(qū)動(dòng)理論、自動(dòng)控制理論與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合在一起,使實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了進(jìn)階化、精密化、創(chuàng)新化、先進(jìn)化和工程化。通過本文設(shè)計(jì)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)訓(xùn),可以極大地提高拔尖型大學(xué)生自主學(xué)習(xí)和自主創(chuàng)新實(shí)踐能力。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)工作原理與性能指標(biāo)

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用如圖1所示的整體框架結(jié)構(gòu),主要由底部框架、4個(gè)導(dǎo)向柱、活動(dòng)框架(負(fù)載)、頂部框架、4個(gè)閥控液壓缸機(jī)構(gòu)、液壓油源和PLC控制柜組成。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

單閥控單缸伺服驅(qū)動(dòng)工作原理:在每一個(gè)控制周期Ts內(nèi),控制系統(tǒng)首先根據(jù)加減速時(shí)間,舉升行程和最大速度來確定當(dāng)前時(shí)刻單液壓缸的指令位置數(shù)值r(t)；然后系統(tǒng)對(duì)液壓缸活塞實(shí)際位置數(shù)值y(t)采樣,將指令曲線數(shù)值與實(shí)際位置數(shù)值做差形成跟蹤誤差e(t)=r(t)-y(t)；再利用跟蹤誤差,進(jìn)行如式(1)的PID控制運(yùn)算,得到當(dāng)前時(shí)刻控制輸出u(t),接著將計(jì)算輸出u(t)進(jìn)行數(shù)模變換后輸出到比例閥線圈上,比例閥開啟相應(yīng)的閥口開度,實(shí)現(xiàn)液壓缸活塞相應(yīng)的推出和縮回；最后通過不斷重復(fù)每一個(gè)控制周期,最終驅(qū)動(dòng)液壓缸達(dá)到指令位置r(t=te),te表示控制終止時(shí)間。當(dāng)t=kTS,k為正整數(shù),式(1)就可轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯佑糜诰幊痰臄?shù)字式PID控制算法。

(1)

式中KP、KI和KD分別為比例、積分和微分控制參數(shù)。

(2)

四缸電液伺服同步舉升工作原理:首先在每一個(gè)控制周期內(nèi),必須要以1號(hào)液壓缸位置y1(t)為基準(zhǔn),計(jì)算同步誤差ei1(t)=yi(t)-y1(t),一旦同步誤差|ei1(t)|≥em時(shí),em為一設(shè)定值,系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)將強(qiáng)制被停止,以保證驅(qū)動(dòng)過程的安全；然后,才是類似單閥控單缸的四閥控四缸各自伺服驅(qū)動(dòng)過程。在每一個(gè)控制周期Ts內(nèi),采用“等同式”同步控制理論,4個(gè)單閥控單缸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)都以同樣的r(t)為指令位置數(shù)值,而后獲得各自的跟蹤誤差ei(t)=r(t)-yi(t),i=1,2,3,4,從而以ei(t)為基礎(chǔ),分別執(zhí)行四個(gè)PID控制算法,獲得和輸出相應(yīng)的ui(t),完成相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)控制。

1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的具體性能指標(biāo)

本文設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)如下:

(1) 額定負(fù)載:1 000 kg(四缸驅(qū)動(dòng))；

(2) 同步舉升行程:0～450 mm；

(3) 同步舉升速度最大速度:200 mm/s；

(4) 加減速時(shí)間:0.5 s；

(5) 各液壓缸間的穩(wěn)態(tài)位移誤差:≤0.02 mm；

(6) 各液壓缸間的動(dòng)態(tài)位移誤差:≤0.05 mm。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的液壓油源設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)涉及的液壓油源,可以輸出額定壓力為10 MPa和額定流量為120 L/min的液壓能,其液壓原理圖如圖2所示。具體液壓油源由供油回路和冷卻回路兩大部分組成,供油回路主要由兩套葉片泵供油回路并聯(lián)而成,冷卻油路也由一套葉片泵供油和換熱回路串聯(lián)而成。每一套葉片泵供油回路由過濾器5、葉片泵2、電磁溢流閥6、壓力表13和單向閥12組成。具體油泵的輸出壓力由電磁溢流閥調(diào)定。工作油液的輸出經(jīng)過蓄能器4、壓力繼電器10和三路高壓球閥11控制實(shí)現(xiàn)。

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)液壓油源原理圖

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)電液伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 四閥控四缸伺服驅(qū)動(dòng)液壓原理設(shè)計(jì)

為安全可靠實(shí)現(xiàn)四缸同步舉升實(shí)驗(yàn),如圖3所示,采用了4組單閥控單缸并聯(lián)驅(qū)動(dòng)回路設(shè)計(jì)模式。每組單閥控單缸驅(qū)動(dòng)回路分別由舉升伺服液壓缸、安全閥、背壓閥、鎖緊閥和比例閥組成。安全閥是一種溢流閥,保證舉升過程中液壓缸兩腔的安全壓力；背壓閥也是一種溢流閥,用于抵消重力負(fù)載；鎖緊閥是一種兩位三通電磁球閥,泄漏小,實(shí)現(xiàn)液壓缸的長(zhǎng)時(shí)間位置鎖死；比例閥是一種換向滑閥,其開口大小與控制信號(hào)成正比,從而可以實(shí)現(xiàn)向液壓缸輸送油液流量的控制。

圖3 四閥控四缸同步舉升液壓原理圖

3.2 伺服液壓缸應(yīng)用設(shè)計(jì)

伺服液壓缸是本實(shí)驗(yàn)臺(tái)的核心部件之一,是在普通液壓缸結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,加裝磁致伸縮位移傳感器(以下簡(jiǎn)稱傳感器)而成。具體伺服液壓缸的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示,由前后端蓋、缸筒、空心活塞、空心活塞桿、動(dòng)密封、中間耳軸和傳感器組成。傳感器安裝于液壓缸的后端蓋處,其測(cè)量部分伸入活塞和活塞桿內(nèi),活動(dòng)磁環(huán)安裝于活塞上。具體測(cè)量過程:首先由傳感器的電子室產(chǎn)生電流脈沖,該電流脈沖在波導(dǎo)管內(nèi)傳輸,在波導(dǎo)管外產(chǎn)生一個(gè)圓周磁場(chǎng)；接著當(dāng)該圓周磁場(chǎng)和活動(dòng)磁環(huán)(套在波導(dǎo)管上作為位置標(biāo)記)的磁場(chǎng)相交時(shí),就會(huì)產(chǎn)生磁致伸縮效應(yīng),即波導(dǎo)管內(nèi)會(huì)再產(chǎn)生一個(gè)扭轉(zhuǎn)應(yīng)力波脈沖信號(hào)；然后這個(gè)信號(hào)以固定的聲音速度向電子室傳輸,并迅速被檢測(cè)到。這樣,通過精確測(cè)量傳輸時(shí)間,就可以高度精確地確定這個(gè)距離,精度可以達(dá)到1 μm,響應(yīng)速度可達(dá)1 ms。

圖4 伺服液壓缸和位移傳感器結(jié)構(gòu)

4 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)電氣控制設(shè)計(jì)

4.1 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)配電原理設(shè)計(jì)

根據(jù)四缸同步舉升速度和行程的要求,實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖5所示,主要由兩臺(tái)主油泵電機(jī)供電回路、一臺(tái)冷卻油泵電機(jī)供電回路和相關(guān)開關(guān)電源供電回路組成。開關(guān)電源回路主要向PLC的電源模塊、數(shù)字輸入回路、數(shù)字輸出回路、模擬量輸出回路、比例閥供電回路和工控機(jī)供電。系統(tǒng)配電設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的總功率消耗和主要用電器分布。

圖5 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)配電原理設(shè)計(jì)

4.1.2 油泵電機(jī)的控制回路設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的液壓油源配置有兩臺(tái)葉片泵,分別由兩臺(tái)三相交流異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。每一臺(tái)油泵電動(dòng)機(jī)的控制回路如圖6所示,主要由強(qiáng)電和弱電回路組成。強(qiáng)電回路中的3大接觸器KM1、KM1Y和KM1△相互配合,完成電動(dòng)機(jī)繞組“Y-△”接法的轉(zhuǎn)換。熱繼電器FR和空氣開關(guān)QF2主要提供電動(dòng)機(jī)的過流保護(hù)。弱電控制回路在PLC程序的指引下,執(zhí)行對(duì)3個(gè)接觸器的控制動(dòng)作。

圖6 油泵電機(jī)的控制回路

4.1.3 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)四缸同步舉升過程的高同步誤差要求,實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用西門子中高端S7-300PLC實(shí)現(xiàn),具體配置見表1。其中CPU315-2DP、SM321、SM322、SM338和SM332組成主控制器,完成四缸同步舉升過程的所有控制信號(hào)輸入、運(yùn)算和輸出。同時(shí),CPU315-2DP基于PROFIBUS-DP總線,通過STEP7軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)CPU224的組態(tài)和通信控制,完成對(duì)油源的起?？刂啤４送?CPU315-2DP通過CP5611卡實(shí)現(xiàn)與上位監(jiān)控電腦之間的數(shù)據(jù)交接。

表1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)PLC系統(tǒng)硬件配置

4.2 PLC控制軟件設(shè)計(jì)

基于西門子S7-300PLC編程STEP7軟件平臺(tái),根據(jù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的工作原理,四閥控四缸伺服同步舉升過程PLC控制軟件原理框圖見圖7。該控制軟件主要由主程序OB1塊和定時(shí)中斷OB35塊組成。

圖7 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)PLC程序原理框圖

主程序模OB1塊主要負(fù)責(zé)液壓油源和操作面板等中數(shù)字量輸入輸出控制工作。

定時(shí)中斷OB35塊是核心模塊提供1～10 ms的定時(shí)中斷,即控制周期,主要負(fù)責(zé)四閥控四缸的驅(qū)動(dòng)控制,可以分為手動(dòng)曲線發(fā)生FB1塊(背景數(shù)據(jù)塊DB1)、自動(dòng)曲線發(fā)生FB2塊(背景數(shù)據(jù)塊DB2)、PID運(yùn)算FB3塊和運(yùn)行數(shù)據(jù)暫存FB4塊(背景數(shù)據(jù)塊DB4)。FB1塊(背景數(shù)據(jù)塊DB1)和FB3(背景數(shù)據(jù)塊DB3)用于實(shí)現(xiàn)按鈕點(diǎn)動(dòng)模式下四缸同步舉升的驅(qū)動(dòng)過程；FB2塊(背景數(shù)據(jù)塊DB2)和FB3(背景數(shù)據(jù)塊DB31)用于實(shí)現(xiàn)按鈕自動(dòng)模式下四缸同步舉升的驅(qū)動(dòng)過程,即一鍵實(shí)現(xiàn)一段預(yù)定位置的四缸同步舉升的驅(qū)動(dòng)過程；FB4塊(背景數(shù)據(jù)塊DB4)用于記錄四缸同步舉升過程中四個(gè)液壓缸的位移數(shù)據(jù),供監(jiān)控系統(tǒng)查詢和繪制實(shí)驗(yàn)結(jié)果。此外,還有位置PV讀取和位置判斷報(bào)警模塊,主要是對(duì)ei1(t)的處理和系統(tǒng)安全保護(hù)。

4.3 監(jiān)控軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于Borland C++編程軟件平臺(tái),根據(jù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的工作原理,設(shè)計(jì)的四閥控四缸伺服同步舉升過程監(jiān)控軟件界面如圖8所示。該監(jiān)控軟件主要由PLC通信模塊、點(diǎn)動(dòng)調(diào)試模塊、點(diǎn)動(dòng)伺服模塊和自動(dòng)伺服塊組成。

PLC通信模塊基于CP5611卡和通信動(dòng)態(tài)連接庫函數(shù),主要用于測(cè)試PLC與上位工控機(jī)的通信連接,將PID控制參數(shù)下載到PLC和讀取PLC采樣的數(shù)據(jù)等功能。

點(diǎn)動(dòng)調(diào)試模塊主要用于測(cè)試單閥控單缸伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),可實(shí)現(xiàn)指令位置曲線生成,PID控制參數(shù)調(diào)整,跟蹤誤差作圖與評(píng)價(jià)等功能。

點(diǎn)動(dòng)伺服模塊的監(jiān)控界面如圖8所示,主要用于點(diǎn)動(dòng)測(cè)試四閥控四缸同步舉升機(jī)構(gòu),可實(shí)現(xiàn)指令位置曲線生成,四缸PID控制參數(shù)調(diào)整,跟蹤誤差、速度曲線和同步誤差作圖與評(píng)價(jià)等功能。

圖8 四缸同步舉升點(diǎn)動(dòng)伺服監(jiān)控界面

自動(dòng)伺服模塊主要用于在手動(dòng)伺服模塊的基礎(chǔ)上,測(cè)試四閥控四缸同步舉升機(jī)構(gòu)的一鍵完成指定距離運(yùn)行性能。

5 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

(1) 機(jī)電傳動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)屬于基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn),通過實(shí)驗(yàn)觀察油泵三相交流異步電動(dòng)機(jī)“Y-△”起動(dòng)和停止情況,認(rèn)識(shí)開關(guān)電源、空氣開關(guān)、繼電器和接觸器,以及常用電纜、端子、端子排、線槽和線扎等電氣附件,并應(yīng)用機(jī)電傳動(dòng)知識(shí)繪制電動(dòng)機(jī)控制強(qiáng)電和弱電回路圖,讓學(xué)生在操作中理解掌握機(jī)電傳動(dòng)知識(shí)。

(2) 液壓傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)屬于基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn),通過實(shí)驗(yàn)觀察液壓傳動(dòng)回路動(dòng)作,認(rèn)識(shí)油源中油箱、蓄能器、濾油器、葉片泵、電磁溢流閥、球閥、單向閥、電磁比例閥和液壓缸等常用液壓元件,結(jié)合應(yīng)用液壓傳動(dòng)知識(shí)繪制液壓傳動(dòng)原理圖,組織學(xué)生拆裝電磁換向閥,增加學(xué)生的實(shí)驗(yàn)參與度和對(duì)液壓系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。

(3) PLC邏輯編程實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)屬于基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn),通過使用編程軟件STEP7,編寫實(shí)驗(yàn)臺(tái)油源中三相異步電動(dòng)機(jī)的“Y-△”起?？刂瞥绦蚝?個(gè)比例閥控制4個(gè)液壓缸的順序動(dòng)作程序,讓學(xué)生認(rèn)識(shí)PLC的程序執(zhí)行過程,培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維和編譯能力。

(4) 磁致伸縮位移傳感器實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)屬于基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn),通過觀察磁環(huán)在不同位置時(shí)的傳感器信號(hào)輸出,讓學(xué)生認(rèn)識(shí)與理解磁致伸縮位移傳感器的工作原理,感受精密和高精密測(cè)量技術(shù)。

(5) Profibus-DP總線實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)屬于進(jìn)階型實(shí)驗(yàn),通過使用編程軟件STEP7,使用S7-300PLC實(shí)現(xiàn)S7-200PLC的組態(tài),并完成數(shù)字量、模擬量和特殊功能模塊地址分配,加深學(xué)生對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的理解,感受總線通信與現(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù)的前沿。

(6) PID控制編程實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)屬于進(jìn)階型實(shí)驗(yàn),通過對(duì)PID控制算法結(jié)構(gòu)框圖的理解,學(xué)生自行編寫PID控制程序,并進(jìn)行單個(gè)液壓缸的伺服驅(qū)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn),體會(huì)伺服控制過程中比例,積分和微分參數(shù)的調(diào)整對(duì)液壓缸運(yùn)動(dòng)所帶來的精度、響應(yīng)速度和振動(dòng)等影響,增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

(7) 四缸同步舉升實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)屬于高階型實(shí)驗(yàn),通過對(duì)四缸同步驅(qū)動(dòng)控制算法結(jié)構(gòu)框圖的理解,學(xué)生自行編寫四缸同步舉升PID控制程序,并進(jìn)行相應(yīng)的控制實(shí)驗(yàn),深入體會(huì)影響同步驅(qū)動(dòng)誤差和同步驅(qū)動(dòng)速度的因素,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力。

6 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的四缸電液伺服同步舉升系統(tǒng)具有以下特色與創(chuàng)新之處;

(1) 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)配置了PID控制技術(shù)、電液伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)、位移傳感技術(shù)、機(jī)電傳動(dòng)控制技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和PLC控制技術(shù),能有效地滿足不同高等院校機(jī)械和自動(dòng)化學(xué)科多專業(yè)的基礎(chǔ)型單項(xiàng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)。

(2) 本系統(tǒng)集液壓伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電氣元件、PLC硬件、PLC控制軟件和上位監(jiān)控軟件與一體,功能完備,實(shí)訓(xùn)難易程度可以根據(jù)教學(xué)目標(biāo)設(shè)定調(diào)整,能有效滿足拔尖型大學(xué)生進(jìn)階型培養(yǎng)所需的實(shí)驗(yàn)要求。

(3) 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)融合同步控制理論、PID控制算法、高精度位移傳感器和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù),充分體現(xiàn)了現(xiàn)代機(jī)電液一體化控制技術(shù)水平,保證了教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的先進(jìn)性與創(chuàng)新性。