基于PLC技術(shù)的機(jī)電設(shè)備作動(dòng)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制仿真

王海波，魏晉忠

(南寧師范大學(xué)，廣西 南寧 530001)

1 引言

機(jī)電設(shè)備作動(dòng)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)飛機(jī)飛行姿態(tài)以及飛機(jī)軌跡控制的關(guān)鍵飛行控制子系統(tǒng)之一，其性能的好壞會(huì)直接影響飛機(jī)的飛行品質(zhì)[1-2]。國(guó)外大約從20世紀(jì)70年代左右開始研究使用功率電傳作動(dòng)系統(tǒng)，即飛機(jī)第二能源系統(tǒng)到作動(dòng)系統(tǒng)各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的功率[3]，利用電導(dǎo)線以電能形式傳輸，取代之前通過(guò)液壓管路傳輸功率。這對(duì)飛機(jī)的操縱、控制以及性能帶來(lái)十分大的影響。機(jī)電作動(dòng)系統(tǒng)為未來(lái)的發(fā)展方向，國(guó)內(nèi)外現(xiàn)階段依舊處于原理研究實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)。而目前我國(guó)急需要對(duì)機(jī)電設(shè)備作動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，相關(guān)專家針對(duì)該方面的內(nèi)容進(jìn)行了大量的研究，例如任春光等人[5]利用雙向DC/DC變換器將超級(jí)電容組成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用直流子網(wǎng)中，同時(shí)通過(guò)雙向變壓器兩側(cè)子網(wǎng)的電壓—功率下垂特性，對(duì)系統(tǒng)兩側(cè)的電壓進(jìn)行歸一化處理，以有效實(shí)現(xiàn)最終的協(xié)調(diào)控制。李武華等人[6]主要通過(guò)高通濾波器、帶同濾波器和低通濾波器有效實(shí)現(xiàn)最終的協(xié)調(diào)控制。雖然上述方法已經(jīng)獲取了較為滿意的研究成果，但是由于未能考慮PLC技術(shù)問(wèn)題，導(dǎo)致機(jī)電設(shè)備作動(dòng)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制誤差上升，執(zhí)行效率降低。

為此，設(shè)計(jì)并提出一種基于PLC技術(shù)的機(jī)電設(shè)備作動(dòng)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制方法。仿真結(jié)果表明，所提方法不僅能夠有效提升執(zhí)行效率，同時(shí)還能夠降低機(jī)電設(shè)備作動(dòng)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制誤差。

2 PLC技術(shù)

PLC技術(shù)和傳統(tǒng)的繼電器相比，優(yōu)勢(shì)十分明顯。其中，控制系統(tǒng)中各項(xiàng)動(dòng)作主要是通過(guò)順序控制器的計(jì)算公式進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中控制器所對(duì)應(yīng)的部分能夠通過(guò)梯形圖表示。所以，對(duì)于機(jī)電設(shè)備作動(dòng)系統(tǒng)的檢測(cè)，可以利用仿真完成，這樣不僅能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的規(guī)范化[9]，同時(shí)還能夠增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性和安全性?，F(xiàn)階段，我國(guó)部分工業(yè)和企業(yè)已經(jīng)將PLC技術(shù)大范圍的應(yīng)用到對(duì)應(yīng)的編制程序中，有效提升系統(tǒng)的工作效率，并且最大程度發(fā)揮順序控制器的價(jià)值。

機(jī)電設(shè)備在自動(dòng)化生產(chǎn)的過(guò)程中，由于生產(chǎn)過(guò)程中電器量較大，如果機(jī)電設(shè)備長(zhǎng)期在這種超負(fù)荷的情況，會(huì)增強(qiáng)機(jī)器的磨損程度，同時(shí)還會(huì)降低整個(gè)機(jī)器的使用期限。另外，如果機(jī)電設(shè)備作動(dòng)系統(tǒng)處于超負(fù)荷狀態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)，在機(jī)電設(shè)備中會(huì)形成大量的碎屑和粉塵，導(dǎo)致機(jī)電設(shè)備內(nèi)部摩擦力增加。機(jī)電設(shè)備為了增加產(chǎn)量，相應(yīng)的需要提升系統(tǒng)的功率，這樣會(huì)造成機(jī)電設(shè)備磨損嚴(yán)重，整體的使用壽命會(huì)大幅度降低。將PLC技術(shù)應(yīng)用到機(jī)電設(shè)備作動(dòng)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制中，從而有效實(shí)現(xiàn)機(jī)電設(shè)備作動(dòng)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制，這樣不僅能夠有效降低粉塵量和碎屑量，同時(shí)還能夠減少對(duì)機(jī)械設(shè)備的磨損，從而有效增強(qiáng)整個(gè)設(shè)備的使用期限。

在機(jī)電自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用PLC技術(shù)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)就是順序控制技術(shù)的應(yīng)用，順序控制能夠有效完成對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的協(xié)調(diào)控制。在順序控制中主要采用PLC控制技術(shù)，必須要以電器設(shè)備自動(dòng)化系統(tǒng)作為研究基礎(chǔ)，系統(tǒng)本身包含現(xiàn)場(chǎng)傳感器、遠(yuǎn)程層等部件，這樣不僅能夠有效實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制，同時(shí)還能夠降低人力資源的浪費(fèi)，并且提升整個(gè)系統(tǒng)的生產(chǎn)效率。

在機(jī)電設(shè)備作動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用PLC技術(shù)過(guò)程中，由于經(jīng)常受到各種外界因素的干擾，導(dǎo)致系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及可靠性較差[10]。所以，需要通過(guò)問(wèn)題的根源進(jìn)行分析以及解決，主要從接地系統(tǒng)環(huán)節(jié)和線路連接環(huán)節(jié)等方面著手，將影響PLC技術(shù)應(yīng)用的干擾源全部清除。

其中PLC控制系統(tǒng)的總體框架圖如圖1所示。

圖1 PLC控制系統(tǒng)的總體框架圖

3 基于PLC技術(shù)的機(jī)電設(shè)備作動(dòng)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制

3.1 Petri網(wǎng)控制模型

從形式化的角度而言，Petri網(wǎng)能夠被設(shè)定為是一個(gè)四元組，將其能夠表示為

N=(P，T，F(xiàn)，W)

(1)

其中

P={p1，p2，…，pm}

(2)

T={t1，t2，…，tn}

(3)

Petri網(wǎng)的性質(zhì)是Petri網(wǎng)系統(tǒng)中能夠使變遷激發(fā)出來(lái)，同時(shí)引發(fā)系統(tǒng)狀態(tài)變化的現(xiàn)象，其中Petri網(wǎng)主要包含以下幾方面的性質(zhì)：有界性；可達(dá)性；活性和死鎖。

采用Petri網(wǎng)對(duì)實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行形式化建模，主要是通過(guò)Petri網(wǎng)分析方法有效對(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行分析，以方便在實(shí)際運(yùn)行的過(guò)程中獲取系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行參數(shù)，

Petri網(wǎng)主要是由圖2中的幾個(gè)部分組成。

圖2 Petri網(wǎng)的組成

為了組建機(jī)電設(shè)備作動(dòng)系統(tǒng)的Petri網(wǎng)模型，需要組建庫(kù)所、變遷和有向線段三者和實(shí)際控制對(duì)象的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

將實(shí)際輸入/動(dòng)作和庫(kù)所相對(duì)應(yīng)；當(dāng)有控制信號(hào)輸入或者變遷激發(fā)時(shí)，庫(kù)所得到標(biāo)志，同時(shí)輸出對(duì)應(yīng)的控制動(dòng)作；當(dāng)控制信號(hào)消失或者和庫(kù)所連接的下一個(gè)變遷被激發(fā)時(shí)，則庫(kù)所會(huì)失去標(biāo)志同時(shí)終止輸出。

將控制條件和變遷相對(duì)應(yīng)，當(dāng)滿足控制條件時(shí)，變遷會(huì)被激發(fā)，同時(shí)將標(biāo)志傳輸?shù)较乱患?jí)的庫(kù)所。

可編程邏輯控制器包含三種不同的基本控制模型(如圖3所示)，分別為：

圖3 Petri網(wǎng)模型圖

1)有序控制模型；

2)并行控制模型；

3)同步控制模型。

3.2 Petri網(wǎng)控制模型的梯形圖轉(zhuǎn)換

梯形圖指令主要?jiǎng)澐譃榛局噶詈凸δ苤噶睿渲泄δ苤噶畈粌H能夠簡(jiǎn)化程度，同時(shí)還能夠?qū)崿F(xiàn)一些基本指令無(wú)法試實(shí)現(xiàn)的功能，所以以下重點(diǎn)進(jìn)行Petri網(wǎng)控制模型梯形圖的轉(zhuǎn)換[11]。其中功能指令大致能夠劃分為以下幾種類型，分比為：

1)比較指令；

2)傳遞指令；

3)邏輯操作指令等。

各個(gè)指令在梯形圖程序中能夠表示為觸點(diǎn)，同時(shí)還能夠表示為機(jī)電設(shè)備作動(dòng)系統(tǒng)的輸出終端，其中功能指令的梯形圖即為功能框。通常情況，功能框圖主要是由圖4中的四個(gè)部分組成，分別為：

圖4 功能框圖的組成

1)機(jī)電設(shè)備作動(dòng)系統(tǒng)指令標(biāo)題：

功能框內(nèi)部的符號(hào)即為對(duì)應(yīng)指令的標(biāo)題。

2)操作數(shù)：

在功能框左邊的操作數(shù)為源操作數(shù)，實(shí)際上就是系統(tǒng)中參與運(yùn)算的操作數(shù)；在功能框右邊的操作數(shù)為目標(biāo)數(shù)據(jù)，實(shí)際上就是系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的操作數(shù)。

3)執(zhí)行條件：

在梯形圖中，執(zhí)行條件在功能框中采用“EN”表示，和“EN”連接的為觸點(diǎn)的組合。其中，特別需要注意的，當(dāng)執(zhí)行條件成立時(shí)，指令的執(zhí)行方式能夠劃分為兩種分別為：

①連續(xù)執(zhí)行：

在設(shè)定的時(shí)間將執(zhí)行全部指令。

②脈沖執(zhí)行：

當(dāng)滿足系統(tǒng)的執(zhí)行成立條件時(shí)，系統(tǒng)的指令才會(huì)被執(zhí)行。

4)ENO狀態(tài)：

ENO即為布爾輸出，當(dāng)ENO的取值為1時(shí)，則說(shuō)明能夠?qū)⒛芰鱾鬟f至下一個(gè)元素中；當(dāng)ENO的取值為0時(shí)，則說(shuō)明指令執(zhí)行出現(xiàn)錯(cuò)誤，在程序自檢的過(guò)程不允許通過(guò)。

在Petri網(wǎng)中，托肯在庫(kù)所中的分布情況能夠組建Petri網(wǎng)的標(biāo)志，其中標(biāo)志的變化過(guò)程有效反映了機(jī)電設(shè)備作動(dòng)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制過(guò)程[12]。為了準(zhǔn)確描述Petri網(wǎng)中各個(gè)標(biāo)志的變化規(guī)律，需要設(shè)定以下表達(dá)式

(4)

(5)

(6)

(7)

通過(guò)Petri網(wǎng)標(biāo)志的運(yùn)行規(guī)則，描述變遷激發(fā)的表達(dá)式為

(8)

假設(shè)Ti(t)=1，則Ti立即被觸發(fā)；當(dāng)Ti被觸發(fā)之后，在(t+Δt)時(shí)刻，Pi的狀態(tài)能夠表示為

(9)

其中三種基本模型的邏輯表達(dá)式為：

1)順序

(10)

2)并行

(11)

3)同步

(12)

對(duì)式(10)、(11)、(12)表達(dá)中的庫(kù)所以及變遷分布對(duì)應(yīng)的PLC地址，同時(shí)將其中的邏輯聯(lián)系關(guān)系和梯形圖中的串、并接觸點(diǎn)對(duì)應(yīng)，同時(shí)將邏輯表達(dá)式轉(zhuǎn)化為梯形圖。

3.3 機(jī)電設(shè)備作動(dòng)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制

機(jī)電設(shè)備作動(dòng)系統(tǒng)中的全部數(shù)據(jù)均是以二進(jìn)制的方式進(jìn)行存儲(chǔ)，PLC中的數(shù)據(jù)也采用相同的存儲(chǔ)方式。比較質(zhì)量就是對(duì)輸入端的兩個(gè)變量進(jìn)行對(duì)比，而輸入端的變量就是通過(guò)二進(jìn)制存儲(chǔ)的數(shù)字或者存放二進(jìn)制的寄存器，比較最終就是完成數(shù)字和數(shù)字的對(duì)比，實(shí)際就是按位進(jìn)行對(duì)比，從高位開始依次對(duì)比，獲取最終結(jié)論。其中，結(jié)合3.1小節(jié)和3.2小節(jié)的分析，機(jī)電設(shè)備作動(dòng)系統(tǒng)的Petri網(wǎng)建模，具體的操作過(guò)程如下所示：

1)輸入變量的每一位值含有兩個(gè)取值，其中一個(gè)為0，另外一個(gè)為1；在非最高位，分別代表存放的數(shù)字為0或者1；在最高位，分別代表正或者負(fù)；采用兩個(gè)庫(kù)分別代表對(duì)應(yīng)位存放的數(shù)字為0或者1。

2)不同位間數(shù)字進(jìn)行對(duì)比的過(guò)程可采用變遷表示。

3)各個(gè)數(shù)字經(jīng)過(guò)對(duì)比后，形成不同的對(duì)比結(jié)果，其中對(duì)比結(jié)果劃分為真結(jié)果和價(jià)結(jié)果，分別采用兩個(gè)不同的庫(kù)進(jìn)行表示。

在上述分析的基礎(chǔ)上，完成了機(jī)電設(shè)備作動(dòng)系統(tǒng)的Petri網(wǎng)建模，結(jié)合PLC技術(shù)，將控制模型轉(zhuǎn)換為PLC協(xié)調(diào)控制程序，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)電設(shè)備作動(dòng)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制。

4 仿真研究

為了驗(yàn)證基于PLC技術(shù)的機(jī)電設(shè)備作動(dòng)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制方法的有效性，在Windows10操作系統(tǒng)，Matlab R2018a實(shí)驗(yàn)平臺(tái)下進(jìn)行仿真測(cè)試。

1)機(jī)電設(shè)備作動(dòng)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制誤差/%：

實(shí)驗(yàn)選取文獻(xiàn)[5]方法和文獻(xiàn)[6]方法作為對(duì)比方法，將機(jī)電設(shè)備作動(dòng)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制誤差作為測(cè)試指標(biāo)，其中協(xié)調(diào)控制誤差越低，說(shuō)明控制結(jié)果越理想；反之，協(xié)調(diào)控制誤差越高，則說(shuō)明控制結(jié)果越差。利用表1給出具體的實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果。

表1 不同方法下各系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制誤差對(duì)比

分析表1中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，隨著測(cè)試樣本數(shù)量的持續(xù)增加，所提方法的協(xié)調(diào)控制誤差處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，文獻(xiàn)[5]方法的協(xié)調(diào)控制誤差則呈現(xiàn)忽高忽低的狀態(tài)，而文獻(xiàn)[6]方法的協(xié)調(diào)控制誤差則呈現(xiàn)直線上升的趨勢(shì)。經(jīng)過(guò)對(duì)比可知，所提方法的協(xié)調(diào)控制誤差最低，這主要是由于所提方法在實(shí)際應(yīng)用得過(guò)程中在引入了PCL技術(shù)，這樣促使整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制誤差得到有效降低，能夠獲取較為滿意的協(xié)調(diào)控制效果。

2)執(zhí)行效率/%

以下實(shí)驗(yàn)測(cè)試將執(zhí)行效率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，利用圖5詳細(xì)給出三種不同方法的執(zhí)行效率對(duì)比結(jié)果。

圖5 不同方法的執(zhí)行效率對(duì)比

分析圖5中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，文獻(xiàn)[5]方法和文獻(xiàn)[6]方法的執(zhí)行效率隨著測(cè)試的增加均呈直線下降趨勢(shì)，但是所提方法的執(zhí)行效率卻一直趨于穩(wěn)定的狀態(tài)。主要原因在于，所提方法在實(shí)際研究的過(guò)程中引入了PLC技術(shù)，促使整個(gè)方法的控制誤差得到有降低，同時(shí)整個(gè)方法的執(zhí)行效率也隨之增加。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)方法存在的一系列問(wèn)題，設(shè)計(jì)并提出一種基于PLC技術(shù)的機(jī)電設(shè)備作動(dòng)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制方法。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出以下結(jié)論：

1)當(dāng)樣本數(shù)量為50個(gè)時(shí)，提出方法的系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制誤差僅為0.124，說(shuō)明所提協(xié)調(diào)控制誤差明顯降低。

2)當(dāng)測(cè)試數(shù)據(jù)為20次時(shí)，本文方法的執(zhí)行效率為99%，本文方法的執(zhí)行效率明顯提高。

但是由于環(huán)境以及人為因素的限制，導(dǎo)致所提方法存在一定的弊端，后續(xù)將重點(diǎn)針對(duì)以下幾方面的內(nèi)容展開研究：

1)在現(xiàn)有的PLC程序中，并沒(méi)有在研究的系統(tǒng)中安裝順序控制器，后續(xù)將在其中加入，同時(shí)進(jìn)一步激發(fā)模型中變遷的激發(fā)順序，以更好地描述PLC的工作原理。

2)對(duì)組建的模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，在降低狀態(tài)搜索的同時(shí)，還需要降低整個(gè)方法的工作量。

3)現(xiàn)階段研究的過(guò)程中，還存在人力物力浪費(fèi)嚴(yán)重的現(xiàn)象，后續(xù)也將針對(duì)該方面的內(nèi)容展開研究。