毕业论文之电液比例控制系统PLC程序的设计说明

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1、 摘要 随着电子技术、计算机技术等的快速发展以及向工程机械领域的不断渗透,现代工程机械正处于机电液一体化的发展时代。作为1种新的液压传动控制技术,电液比例控制将液压系统某些功能集成到电液比例控制器,简化了液压系统的构成,提高了液压系统动作的稳定性和可靠性。电液比例控制的理论研究和技术的发展已成为工程机械领域发展的一大趋势,是液压工业和控制工程1个新的技术热点和增长点。在工科学院的许多试验设备中,经常需要对各种力学参量、物理学参量及运动过程进行控制。这些设备中的许多动力源都是液压工作站,控制方法多通过购买市场的控制模块,实现控制过程的参数设置,从而完成控制过程。这样就导致试验过程中学生对控制系统

2、甚少了解,且科研任务的设计方案易受控制设备的限制而不能灵活变更等许多问题。因此,在实验室的条件下建立1个灵活、开放式的电液比例控制系统,具有重要的现实意义。搭建了电液比例控制系统,选用西门子S7300PLC实现其控制,对PLC通过软件编制了相关算法和控制程序,在实验台上完成了该位置控制系统的实验研究,对无干扰和有干扰工作条件下控制特性进行了分析比较,并对两种控制算法在无干扰和有干扰的情况下的仿真和实验结果进行了对比分析。实验结果与仿真结果基本一致,但与仿真结果存在差异,主要表现在实际运行过程中有超调,系统对干扰不敏感,这主要与系统的机械惯性和液压系统的刚度较大有关；最后,对PLC与上位计算机的

3、通讯做了一些研究,采用了西门子PLC中的自由口通讯协议,用VB60软件设计了通讯界面,实现了PLC与上位计算机之间的通讯,使得实验结果更加直观。关键词：电液比例控制,PID控制,PLC,通讯39 / 55ABSTRACT With the development of the hydraulic control development of the hydraulic control technology,electro-hydraulic proportional control technology had been applied for many fields more and mor

4、eThe article analyzed the principle and characters of the electrohydraulic proportional control systemtechnology,electro-hydraulic proportional control technology had been applied for many fields more and moreThe article analyzed the principle and characters of the electrohydraulic proportional cont

5、rol systemIt improved on the control system to the originalproportional hydraulic system controlled by signal unite and replacesNow thesystem controlled by the programmable logical controller,and the importantstudy target is proportional hydraulic position contro1The proportional hydraulicpositioncl

6、oseloop control system has been designed,and the project schema,theexperience system composition had been given 。The loading-flow equation of theproportional direction valve,controlling asymmetry hydrauliccylinder,was analyzedBy relating the forcebalance equation,the mathematical model of the hydrau

7、liccylinder controlled by symmetrical valve was given .According these equations,themathematical model of the proportional hydraulic position control system was builtand its dynamic characteristic WSS analyzedIt also discusses the regular PID andfuzzy-PID control algorithm,design the fuzzy-PID contr

8、oller,and use this controlalgorithm to the position control system for adjusting the system,build the systemSmathematical model using toolbox namedSimulinkof MATLABsoftwareMoreever,suppositional experiences by computer have been carried out not only havingdisturbing but also no disturbingContrast th

9、e response effect without disturbing andthe response effect withdisturbing of the position control system,the systemdynamic characteristic obtained in different input signalssimulating effectpointed that the systems with adjusting by control algorithm aresuperior to thesystem withoutadjusting,such a

10、s the quick response,adjusting abilityFuzzy-PIDcontrol algorithm had the superiority the PID control algorithm and fuzzy controlalgorithm,and made the hydraulic cylinder dynamic characteristic betterFinally,thereal experience components were connected and use Simens s7300PLC to realize thecontro1By

11、planning related program and control algorithm in PLC,the experiencesstudies of the position control systemwere completedThe controlcharacters wereanalyzed and compared for different work situationThe experienceeffectcomported with the simulating effectBut the difference was consistingThe maindiffer

12、ence has twoOne was that the real value was bigger than the giving value；theother was that the system was insensitive to disturbingcause was mainly relatedtothe mechanism inertia and the hydraulic rigidityLastly,a little ofcommunicationhad been studied to the PLCwith the computerFree communication a

13、greement wasadopted,andcommunication interface was designed by VB60 softwareAndcommunication also realizedThis is made experience parameters was easy to modifyand the effect was vividThrough simulating and experiment,result proved that thisexperiment system can fulfill the request ofthe college stud

14、entKey Words：Tech-hydraulic proportional control,PID control,PLC,communication,目 录1 绪论 . 11.1课题研究背景 1 1.2电液比例系统概述 . .2 1.2.1电液比例控制技术. 2 1.2.2比例控制技术发展历史.2 1.2.3电液比例控制系统及特点.3 1.3电液比例控制系统.51.4课程的容与设计意义 .72电液比例控制系统设计与分析.72.1电液比例系统原理.7 2.2基于继电器控制的电液比例控制实验系统.8 2.2.1电液比例位置控制系统建模.8 2.2.2 控制系统数学模型.9 2.2.3 PI

15、D控制基本原理.9 2.3电气控制要求.11 2.3.1控制系统数学模型.112.4基于PLC的电控系统设计.12 2.4.1 PLC控制原理.13 2.4.2电控系统设计.14 2.5控制系统要求.14 2.5.1 I/O地址分配.15 2.5.2 外围接线图S7-300型PLC.16 2.6控制程序设计通过控制面板的转换开关.17 2.7 PLC程序设计.18 2.8现场调试与通讯.19结束语.20参考文献 .21致.23附录1.24 1绪 论11课题研究背景液压传动与控制是机械制造及自动化本科专业的专业基础课、必修课,是一门实践性很强的课程。现代电液控制技术的发展追溯到二次大战时期。由于

16、军事需要,对武器和飞机的自动控制系统的研究取得了很大的进步。战争后期,喷气技术取得突破性进展。由于喷气式毪行器速度很高,因此对控制系统的快速性、动态精度和功率质最比都提出了更高的要求。工程需要是现代电液控制技术发展的推动力。1940年底在飞机上首先出现了电液伺服系统,其滑阀由伺服电动机拖动,惯茸很大,限制了系统的动态特性。19世纪50年代初出现了高速响应的永磁式力矩马达。50年代后期又出现了以喷嘴挡板阀作为先导级的电液伺服阀,使电液伺服系统成为当时响应最快、控制精度最高的伺服系统。60年代各种结构的伺服阀相继问世,电液伺服阀技术已日臻成熟。印年代后期人们对工艺过程控制提出了更高的要求。现代电子

17、技术特别是微电子集成技术和计算机技术的发展,为工程控制系统提供了充分而且廉价的现代电子装置,各类民用工程对电液控制技术的需求更加迫切和广泛。传统的电液伺服阀对流体介质的清清度要求十分苛刻,制造成本和维修费用较高,系统能耗也较大,难以为各工业用户所接受,而传统的开关控制又不能满足高品质控制系统的要求。因此,人们希望开发出一种可靠、廉价、控制精度和响应特性均能满足工业控制系统实际需要的电液控制技术。20世纪8年代以来,比例技术的发展进入了第三阶段。比例元件的设计原理进一步完善,采用r压力、流量、位移反馈及电校正等手段。在80年代末、90年代初,随着电子技术的高速发展,比例技术出现了质的飞跃。除了因

18、制造成本所限,比例阀在中位仍保留死区以外,它的稳态和动态特性均已和工业伺服阀无异。另一项重大进展是,比例技术开始和插装阀相结合,形成了80年代电液比例插装技术。同时,由于传感器和电子器件的小型化,还出现了电液一体化的比例元件,电液比例技术逐步形成了80年代的集成化趋势。同时电液比例容积元件,各类比例控制泵和执行元件也相继出现。因此,从电液比例技术的发展过程可以看出,电液比例技术发展到目前阶段,已经能用伺服比例阀替代传统的伺服阀,用于大多数的工业控制中。而基于PLC的电液比例控制设计就显得尤为的重要了。12电液比例控制系统概述121电液比例控制技术 电液比例技术是流体传动与控制技术中的一个新的分

19、支。一般人们把使用比例控制元件的液压系统称为电液比例控制系统。比例控制是实现元件或系统的被控制量与控制量之间线性关系的技术,依靠这一技术保证输出量的大小按确定的比例随着输入量的变化而变化。电液比例控制技术是一个起步较晚,但发展极为迅速、应用已相当广泛的机电一体化综合技术,它涉及到流体力学、自动控制原理、微电子技术、自动化技术和计算机技术等相关科学。122比例控制技术发展历史17世纪帕斯卡提出著名的帕斯卡定律,奠定了液压传动的理论基础,流体传动己经历了很长的发展历史,现代电液控制技术的发展只需追溯到二次大战时期。1940年底在飞机上首先出现了电液伺服系统,其滑阀由伺服电机拖动,伺服电机惯量很大,

20、成了限制系统动态特性的主要环节。直到50年代初才出现了高速响应的永磁式力矩马达。50年代后期又出现了以喷嘴挡板阀作为先导级的电液伺服阀,使电液伺服系统成为当时响应最快,控制精度最高的伺服系统。但是电液伺服器件的价格过于昂贵,对油质要求十分严格,控制损失较大。使伺服技术难以为更广泛的工业应用所接受。在很多工业场合,要求有一般的高质量的控制手段,却并不要求太高的控制精度或响应性。现代工业的迅猛发展,要求开发一种廉价、节能、维护方便、控制精度和响应特性均能满足工业控制系统实际需要的电液控制技术。而现代电子技术和测试技术的发展为工程界提供了可靠廉价的检测、校正技术。这些为电液比例技术的发展提供了有利的

21、条件。比例控制阀是在普通的液压阀的基础上,采用廉价而可靠的比例电磁铁作为电一机械转换元件,取代原来阀的手动调节器或普通开关式电磁铁。并相应地改进了阀的设计和引入各种反馈控制,从而出现了一种价廉的耐污染的、与一般工业阀相同、性能又能满足大部分工业控制要求的比例元件。 比例液压控制技术的发展大致可以划分为三个阶段。 从1967年瑞士Beringer公司生产IL比例复合阀起,到70年代初日本油研公司申请了压力和流量比例阀两项专利为止,是比例液压控制技术的诞生时期。这一阶段的比例阀,仅仅是将比例型的电一机械转换器用于工业液压阀,以代替开关电磁铁或调节手柄。阀的结构原理和设计准则几乎没有变化,大多不含受

22、控参数的反馈闭环,其工作频宽仅在15Hz之间,稳态滞环在47之间,多用于开环控制。1975年至1980年间可以认为是比例液压控制技术的发展进入了第二阶段。采用各种反馈原理的比例元件大量问世,耐高压比例电磁铁和比例放大器在技术上日趋成熟,比例元件工作频宽己经达到5-15Hz,稳态滞环亦减少到3左右。其应用领域日渐扩大,不仅用于开环控制,也被应用于闭环控制。80年代,比例技术的发展进入了第三阶段。比例元件的设计原理进一步完善,采用了压力、流量、位移反馈和动压反馈及电校正手段,使阀的稳态精度、动态响应和稳定性都有了进一步提高。电液比例技术逐步形成T80年代的集成化趋势。特别是电液比例容积元件,各类比

23、例控制泵和执行元件相继出现,为大功率工程控制系统的节能提供了技术基础。除了模拟式的电液比例元件外,人们也注重开发出各种数字式液压元件,数字式液压元件也是今后比例技术发展的一个重要分支。现在比例阀已有些是把传感器、测量放大器、控制放大器和阀复合在一起的机电一体化的元件,使得结构更加紧凑,性能进一步提高。随着微电子技术、数字化技术、通信技术和计算机技术的发展,电液比例控制技术的应用越来越普遍,在新系统设计和旧设备改造中正成为重要的选择方案。目前,电液比例控制技术正在与新的控制策略紧密结合,表现出强大的技术优势3。123电液比例控制系统及特点 电液比例控制系统分为开环控制和闭环控制系统。开环控制系统

24、不对被控制量进行检测和反馈,当出现被控量与期望值的偏差时无法进行修正。这类系统一般控制精度不高。但与开关式液压控制相比,控制质量和方式都有改进和简化。这类开环系统由于不存在信号和能量的反馈,因而系统稳定性好,容易设计。是目前最常见的比例控制系统。闭环系统引入了反馈回路。它用被控制量与输入量的偏差信号作为真正的控制信号,最后使输出量尽量与输入量相一致。在受到干扰时仍能消除偏差或把偏差控制在要求的精度,系统的输出能较准确地复现输入信号的变化规律。但由于有反馈的存在,其稳定性成为设计的主要考虑问题,特别是比例阀工作在较大的围时,其非线性的影响不能忽略。电液比例控制系统由放大元件、电液比例控制元件、动

25、力执行元件及动力源、工程负载及信号检测反馈处理元件组成。它们的主要功能如下：指令元件及放大器件：它是控制信号的产生、输入及放大的元件,也可称为输入电路,在有反馈信号存在的情况下,它给出与反馈信号有相同形式和数量级的控制信号。电机械转换器：它是电液的接口元件,一般是动铁式电磁器件,它把控制信号转换为力或位移等机械量控制信号。比较元件：它的功用是把给定输入与反馈信号进行比较,得出偏差信号作为电控器的输入。液压转换及放大器件：它把电一机械转换器件输出的力或位移经液压放大作用,把不大的电气控制信号放大到足以驱动系统负载,通常是比例放大器。液压执行元件：通常是液压缸或液压马达,它是系统的输出装置,其输出

26、参数是位移、速度、加速度、和力或转角、角速度、角加速度和转矩。测量及反馈元件：对于闭环控制需要加入检测反馈元件,把执行元件输出的动力参数或其它中间状态变量加以检测并转换为反馈量。 7液压动力源：液压泵、溢流阀和蓄能器组成恒压源或恒流源。电液比例阀是介于开关型的液压阀与伺服阀之间的一种液压元件。与电液伺服阀相比,其优点是价廉、抗污染能力强。除了在控制精度及响应快速性方面还不如伺服阀外,其它方面的性能和控制水平与伺服阀相当,其动、静态特性足以满足大多数工业应用的要求1。因此,比例阀更为广泛地获得应用。在高精度、快速响应等高技术领域传统上是伺服阀的市场。但现在闭环比例阀技术也是一种新的选择。与传统的

27、液压控制阀比较,虽然价格较贵,但由于其良好的控制水平而得到补偿。因此在控制较复杂,特别是要求有高质量控制水平的场合,传统的开关阀就逐渐由比例阀或数字阀代替。此外,比例控制阀还可以具有流量、压力与方向三者之间的多种复合功能。这使得比例控制系统较之开关阀控制系统,不但控制性能得以提高,而且可以使系统更为简化。 电液比例控制技术的主要优点是：操作方便,容易实现远程控制；自动化程度高；工作平稳,控制精度较高；结构简单,使用元件较少,对污染不敏感；系统节能效果好。 电液比例控制技术的主要缺点是成本较高,技术较复杂。电液比例技术与电液伺服技术的区别主要是液压控制系统中采用的控制元件不同。比例液压控制系统中

28、采用的控制元件是比例阀和比例泵,液压伺服控制系中统采用的控制元件为伺服阀。二者的区别与联系主要表现在以下几个方面1,2,3：控制元件采用的驱动装置不同。比例控制元件采用的驱动装置为比例电磁铁,比例电磁铁的特点是感性,负载大,电阻小,电流大,驱动力大,但响应低。伺服控制元件采用的驱动装置为力马达或力矩马达,其输出功率小,感抗小,驱动力小,但响应快。控制元件的性能参数不同。,阀芯结构及加工精度不同。普通比例方向阀采用阀芯+阀体的结构,阀体兼作阀套,由于死区大,阀芯与阀套允许的配合间隙较大,具有互换性。伺服阀采用阀芯+阀套的结构,二者做成配件,无死区,加工精度要求极高,不具备互换性。因此,直接导致了

29、价格的差异及油液过滤精度要求的不同,系统维护的难易和成本不同。中位机能种类不同13电液比例位置控制系统 电液比例控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统,但电液比例位置控制系统必须是闭环控制系统。电液比例位置开环控制系统只能是通过速度开环控制来实现的,从根本上说不能称作位置开环控制系统。电液比例位置闭环控制系统能够根据指令准确快速定位,它是将传感器的反馈信号与给定信号比较,经控制器处理所得数据控制比例方向阀,进而实现位置控制。电液比例位置控制系统是一种非线性、时变性系统。其参数具有非线性特性,且随工况变化而变化；速度增益和液压固有频率都会发生变化；从稳定性考虑,由于比例方向阀的流量死区特性,使

30、得位置控制系统在通常情况下,只能采用死区欠补偿方式,从而导致系统产生一定的稳态位置误差。在位置控制中存在一个影响系统调节特性的因素,即比例方向阀存在较大的流量死区,实际工作时,比例方向阀阀芯必须克服死区。这就使得比例方向阀的流量响应比阀芯位移相应慢得多4。特别是当工况发生较大变化使电液比例控制系统的参数相应发生较大变化时,会使系统的控制性能明显下降,甚至不能满足工程要求。这些特点使得运用在位置伺服系统中常用的线性化模型基础上的经典控制方法,在控制电液比例位置控制系统时,不能获得满意的效果。根据上述电液比例控制系统的特点,国外学者对此作了许多研究。其研究基本上从两方面入手,一是从电液比例位置控制

31、系统结构的设计上,二是从控制策略上进行了一系列的研究工作,并对该技术应用特点,应用前景进行讨论5。 电液比例位置控制系统在工业上有着十分广泛的应用6,但是由于受系统油温和负载压力等工况的影响,系统的控制特性和参数往往发生改变,特别是在工况变化较大时,更难以保持预期的良好特性。因此提出各种控制方法以改善控制性能,主要是针对系统的稳定性、稳态精度、定位精度、系统的快速响应和跟踪性能进行了研究。当利用常规的PID控制算法解决电液比例控制系统和电液伺服控制系统的位置控制,其鲁棒性是不能令人满意7。随着现代控制理论的发展,智能控制、模糊控制和神经网络等控制算法在电液比例位置控制系统中得到了应用8。这些控

32、制算法进一步提高了系统的响应速度,并且增强了系统的鲁棒性。从现有的研究特点来看,主要是研究系统的快速性及其精度9。本文针对电液比例位置控制系统,用常规PID控制算法和模糊PID控制算法对电液比例位置控制系统校正,从动态性能上进行了理论和实验研究。14课题的容与设计意义 本论文主要针对原有电液比例控制实验系统进行了研究开发,设计了电液比例位置闭环控制系统,并以电液比例位置控制系统作为重点研究对象,从系统的动态特性、稳态特性和响应速度入手,采用控制算法,提高系统的控制性能,并对不同的控制算法结果作出比较。本文研究的具体容包括：设计液压控制系统一电液比例位置闭环控制系统；建立电液比例位置闭环控制系统

33、的数学模型并分析；对控制策略进行研究,并用MATLAB软件对控制系统进行动态仿真研究；在PLC上完成控制系统实验；完成电液比例控制系统的上位机与下位机的通讯设计。该控制系统的设计试验台,可作为机械类本科学生机电液控制相关课程的设计,提高学生的综合设计和实践能力,实现电液比例位置、压力等闭环控制,也可推广应用于与此相类似的各种位置控制系统中,无疑这对于电液比例控制系统在教学中和工程上的应用有着特别重要的意义。 2电液比例控制系统设计与分析本文电液比例控制系统的设计目的是对液压缸活塞杆位置进行控制进行研究。对液压系统而言,液压控制阀是系统的心脏,它也决定着系统的自动化程度。为了提高自动化程度,所选

34、用的液压元件应具备使用电流进行连续调控的功能。按照系统所用的电液控制阀的不同,可分为电液伺服系统和电液比例系统。本系统所采用的是电液比例控制系统。电液比例控制系统功能尽管不同,但系统组成基本相同。包含检测反馈环节的控制系统称为闭环控制系统,反之则称为开环控制系统。如果比例阀本身存在反馈,也可构成实际的小闭环控制,但一般不称为闭环控制系统网。组成电液比例控制系统的基本元件有：指令元件、比较元件、控制器元件、电机转换元件、液压放元件、检测元件。21基于PLC的电液比例位置控制系统基于PLC的电液比例位置控制系统实验台是集机械、电控、液压与仪表为一体的综合性能实验台,它主要有比例液压控制部分、电控部

35、分和微型机算计三部分组成,系统组成如图2.1所示。 图2.1 基于PLC的电液比例位置控制系统实验台构成框图 其基本原理为,当液压缸运动时,液压缸的位置通过位移传感器来测得,测得后将模拟信号送入PLC的扩展模块EM235中实现模数转换,转换后的数字量送入PLC中由PLC进行处理,PLC采取相应的控制算法对系统进行实时控制,经处理后的数据再由EM235转换成模拟信号送入比例放大器,比例放大器将电压信号经整形放大后转换为电流信号,通过比例电磁铁控制比例方向阀阀芯的运动,进而控制液压缸活塞杆的位置,形成闭环控制；同时,PLC将当前数字量信号通过RS232串口通信上传至计算机,在计算机实时以数据和曲线

36、形式显示液压缸活塞杆的运动情况,计算机通过RS232实现系统控制。电液比例控制系统本身具有滞后、时变特性,由于比例阀本身是非线性的,因此就决定整个系统是一个非线性系统。但是实际工作过程中,比例阀在加入补偿后工作特性可以认为是线性的16J。因此,在建模和分析时,比例阀完全可以近似的认为是线性的。系统是采用PLC控制的,从原理上讲与计算机控制相似,计算机控制本质上是一种离散控制,由于PLC的扫描周期非常快,所以可以将它看成连续系统。因此整个系统可以看作是一个连续的线性系统。23比例液压控制系统设计 比例液压控制系统主要由下列单元组成：液压泵、溢流阀、比例方向阀、被控液压缸。系统结构原理如图26所示

37、。 比例液压控制系统的基本工作原理为：根据输入电信号的大小,通过比例放大器,将该输入电信号转换成相应的电流信号。这个电流信号再作为输入量被送入比例电磁铁,比例电磁铁产生与输入电流信号成比例的输出量一力或位移。该力或位移又作为输入量送入比例阀,比例控制阀产生一个与前者成比例的流量。通过这样的转换,输入一个变化的电信号,不但能控制被控液压缸的运动方向,而且可以对其运动速度进行调节。231电液比例方向阀 电液比例方向控制阀输出量是随着输入电信号的正负变化而改变运动方向,并且改变流量大小,因此电液比例方向控制阀本质上是一个方向流量控制阀。电液比例方向阀是由FEST0公司生产的直控式比例阀,三位四通,中

38、位机能为O型。与伺服阀相比,比例方向阀的四个控制边均有较大的正遮盖量,并且弹簧安装时产生一定的预压缩量。如果忽略阀芯与衔铁的摩擦和比例电磁铁的死区电流,则从阀芯处于中位到阀口打开,比例电磁铁需要提供的起始电流为4： 2-1 式中,io-比例方向阀的起始电流；Ke_电磁铁的电流-力增益；XV0一阀口遮盖量；XS0一弹簧的预压缩量；KS弹簧的刚度比例方向阀的起始电流可达额定电流的20左右。XV0和XS0是阀的稳态控制特性中存在较大零位死区的根本原因。为消除这种死区对比例液压控制系统控制性能的影响,在比例放大器中设计有快跳电路解决这一问题。 比例方向阀的特性是由二组特性曲线来表示。这些特性曲线是使用

39、和设计比例方向阀控制回路的重要依据,包括有不同压差下输入电流信号与输出流量关系曲线,该曲线反映比例方向阀的静态特性；比例阀的频率响应曲线和阶跃响应曲线,这两种曲线反映了比例阀的动态特性。FESTO公司比例方向阀,工作电压为24v,输入电流为0-1000mA。在定压差下,死区围外输入电流与输出流量基本呈比例关系,而且比例方向阀口的压差越大,流过比例方向阀的流量越大。232液压泵 液压泵为齿轮泵,额定压力为6Mpa,额定流量为22Lmin。齿轮泵的特点是结构简单,自吸能力强11。233液压缸液压缸为单出杆单作用作用活塞缸。活塞直径为16m,活塞杆直径为10ram。额定工作压力为6Mpa,最大工作压

40、力为12Mpa,活塞杆的行程为200ram。单出杆单作用活塞缸的特点是工作空间小,结构简单11。24基于PLC的电控系统设计 采用PLC作为电控单元,在控制上不仅可以充分利用开关控制功能,而且可以利用其模拟量输入、输出模块进行运算,不仅简化了控制系统的结构,更使得控制系统稳定可靠,精度高,体积小,安装方便。采用PLC代替原有控制系统,要对PLC进行软件设计,从而使得PIE及其模拟量模块不仅具有开关控制和较为复杂的运算控制功能,还具有与上位机的通信功能,即采集、处理、模拟信号输入输出的功能,进而通过电液比例阀实现对液压缸活塞杆的位置控制,使其能够快速、准确到达指定位置,提高位置控制精度,也能在微

41、型计算机上直接观测实验结果。241PLC控制原理 继电器控制系统是一种硬件逻辑系统,各并联电路是同时加压,它的工作方式是并行的,当按下按钮,中间继电器K得电,K的两个触点闭合,接触KMI,KME同时得电并产生动作。所以继电器控制系统采用的是并行工作方式,有时可能会出现触电竞争现象。而可编程控制器是一种工业控制计算机,它的工作原理是建立在计算机工作原理基础之上,即通过执行反映控制要求的用户程序来实现控制的10。但CPU是以分时操作方式来处理各项任务,计算机一瞬间只能做一件事,所以程序的执行是按程序顺序依次完成相应各个电器的动作,所以它属于串行工作方式。概括而言,PIE的工作方式是一个不断循环的顺

42、序扫描工作方式。每一次扫描所用的时间称为扫描周期或工作周期。CPU从第一条指令执行开始,按顺序逐条地执行用户程序直到用户程序结束,然后返回第一条指令,开始新的一轮扫描。PIE就是这样周而复始地重复上述循环扫描的。整个工作过程可分为三部分13： 第一部分是上电处理。机器上电后对PIE系统进行一次初始化,包括硬件初始化,I/O模块配置检查,停电保持围设定及其他初始化处理等。 第二部分是扫描过程。PLC上电处理完成以后进入扫描工作过程。先完成输入处理,其次完成与其他外设的通讯处理,再进行时钟、特殊寄存器更新。当CPU处于STOP方式时,转入执行自诊断检查。当CPU处于RUN方式时,还要完成用户程序的

43、执行和输出处理,再转入执行自诊断检查。第三部分是出错处理。PLC每扫描一次,执行一次自诊断检查,确定PLC自身的动作是否正常,如CPU、电池电压、程序存储器、I/O和通讯等是否异常或出错,如检查出异常时,CPU面板上的LED及异常继电器会接通,在特殊寄存器中会存入出错代码。当出现致命错误时,CPU被强制为STOP方式,所有的扫描便停止。PLC运行正常时,扫描周期的长短与CPU的运算速度、与I/O点的情况、与用户应用程序的长短及编程情况等有关。通常用PIE执行IKB指令所需时间来说明其扫描速度。不同指令其执行时间是不同的,从零点几ps上百ms不等,故选用不同指令所用的扫描时间将会不同。若是高速系

44、统则要缩短扫描周期时,可从软硬件上同时考虑。242电控系统设计 电液比例位置控制的电控系统主要由西门子s7200PLC、PLC的扩展模块EM235、PID调节、位移传感器、比例放大器组成。PLC负责数据采集和控制任务,软件是利用计算机编程软件sTEP7_Micro/WIN32提供的编程语言来实现的。其基本控制原理是,当液压缸运动时,位移传感器将位移信号转换成电压信号,测出的信号送入EM235中,EM235将这个模拟量转换成数字量,在PLC处理器中将这个数字量与给定量相比较,计算出的偏差进行算法控制,得到的控制变量为数字量,再经EM235转换为模拟量送入比例放大器中对比例方向阀进行控制,进一步调

45、节液压缸的位置。西门子s7200可编程控制器是一种小型PLC,它的工作过程有两个显著特点：一个是周期性顺序扫描,一个是集中处理。S7-200PLC的工作过程可分为4个扫描阶段：1公共处理扫描阶段；2输入采样扫描阶段：3执行用户程序扫描阶段；4输出刷新扫描阶段。本文所研究电液比例控制系统,是一个闭环的控制系统,PLC的输入包含有位移传感器输入的模拟量,输出中含有控制比例方向阀的模拟量,另外在输入端口处还要有一个数据串口,用以接收上位机的数据和向上位机发送数据。s7-200主要包括如下单元：中央处理器扩展模块EM235输入和输出编程口。其中中央处理器CPU226,14点输入,10点输出；扩展的模拟

46、量模块EM235为混合模拟量输入输出模块,4个模拟量输入,1个模拟量输出。同样通过DIP开关选择量程和极性,并可以设定为电压量或电流量。表1所示为如何用DIP开关设置EM 235模块。 表1 EM235选择模拟量输入围和分辨率的开关表单极性满量程输入分辨率SW1SW2SW3SW4SW5SW6ONOFFOFFONOFFON0到50mV12.5VOFFONOFFONOFFON0到100mV25VONOFFOFFOFFONON0到500mV125uAOFFONOFFOFFONON0到1V250VONOFFOFFOFFOFFON0到5V1.25mVONOFFOFFOFFOFFON0到20mA5AOFF

47、ONOFFOFFOFFON0到10V2.5mV243比例放大器本系统采用FESTO比例控制配套的二通道的比例放大器,使用24V单极性直流电源,其作用是向比例控制阀提供所需的直流电流。比例放大器能按输入电压的大小成比例的输出电流,并且根据比例阀的控制需要对控制电信号进行处理、运算和功率放大。比例放大器不仅能实现从电压信号到电流信号的转换,而且能产生正确有效的信号处理装置,为减少比例控制元件死区的影响,可以提供幅值可调的初始电流；为减少磁滞的影响,可以使输出电流有一定频率和幅值的颤振电流分量1。比例放大器包括稳压电源电路、信号发生电路、信号处理电路、功率放大电路逻辑控制电路。244位移传感器 传感

48、器采用拉杆式线性位移传感器。位移传感器的拉杆随液压缸活塞杆一起运动,并将活塞杆的位移量转换为电压信号。它的工作电压为1330VDC,输出电压为O-1OVDC,精度为1,线性度为1,测量行程为200mm10。25控制系统要求一般的控制系统的要具有稳定性、快速型和准确性,这三者的关系又是相互制约的,它们可以通过不同的控制算法使得控制达到良好的综合性能15。系统采用PLC作为主控机直接处理模拟量和开关量信号,选用PC机作为上位机与下位机进行通信,控制系统构成如图2.2所示。 图2.2 控制系统构 3基于PLC的电液比例控制系统建模与分析电液比例控制系统本身具有滞后、时变的特性,由于比例阀本身是非线性

49、的,因此就决定整个系统是一个非线性系统。但是实际工作过程中,比例阀在加入补偿后可以认为工作状况是线性的,因此,在系统建模和分析时,比例阀可以近似的认为是线性的10。系统的其它主要组成部分也都可以认为是线性的。另外,系统采用PLC控制的,从原理上讲与计算机控制相似,计算机控制本质上是一种离散控制,由于PLC的扫描周期非常快,所以进行理论分析时,可以将它看成连续系统。因此整个系统可以看作是一个连续线性系统。31电液比例位置控制系统建模图3.1为电液比例位置控制系统原理图。电液比例位置控制系统包括控制器环节、比例放大器环节、电液比例方向阀环节、液压缸一负载环节和反馈环节。 图3.1电液比例位置控制系

50、统框图311基于PLC的控制器 PLC控制单元的主要任务是完成信号的采集并转换成数字量,与给定信号相比较进行控制算法的运算,再将运算结果通过EM235转换成模拟量送给比例放大器。312比例放大器4系统中采用的是比例方向阀,比例放大器为双通道状态,通过选择电路和控制信号的极性,保证在任一时刻只有一个比例电磁铁工作。经过PLC控制器运算的数字电压信号,由EM235模块转换为模拟电压信号后,又经比例放大器将其转换为电磁铁所需的电流信号。比例放大器近似为比例环节7,其传递函数为： i=KPU 31式中,i比例放大器输出电流；Kp比例放大系数；U比例放大器输入电压。3.1.3电液比例控制系统的数学模型的

51、建立 由以上分析可以直接列出只有只有惯性负载的电液比例位置控制系统的传递函数方框图如图3.2所示,此模型未加校正。 图3.2 电液比例位置控制系统的传递函数方框图图中,Kq-比例控制阀流量增益；Ap-液压缸活塞有效面积,与活塞运动方向有关；v-比例电磁铁固有频率；h-液压缸及被控对象固有频率。3.1.4 PID控制基本原理 在模拟控制系统中,控制器最常用的控制规律是PID控制。PID控制器是一种线性控制器,它根据给定值x与实际输出值y构成控制偏差 e=yt-x 32将偏差的比例P、积分I和微分D通过线性组合构成控制量,对被控对象进行控制,故称PID控制。其控制规律为 33 式中：KP一比例系数

52、； TI一积分时间常数； TD一微分时间常数；PID控制器各校正环节的作用如下：比例环节：即时成比例地控制信号的偏差信号,偏差一旦产生,控制器立即产生控制作用,以减少偏差。积分环节：主要用于消除静差,提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数,TI越大,积分作用越弱,反之越强。微分环节：能反映偏差信号的变化趋势,并能够在偏差值变得太大之前,在系统中引入一个有效的早期修正信号,从而加快系统的动作速度,减少调节时间。PID调节的传输函数为 3-4数字计算机处理这个函数关系式,必须将连续函数离散化,对偏差周期采样后,计算机输出值。其离散化的规律如表2所示： 表2模拟与离散形式模拟形式离散化形

53、式所以PID输出经过离散化后,它的输出方程为: 3-5式中, 称为比例项 称为积分项称为微分项上式中,积分项是包括第一个采样周期到当前采样周期的所有误差的累积值。计算中,没有必要保留所有的采样周期的误差项,只需要保留积分项前值,计算机的处理就是按照这种思想。故可利用PLC中的PID指令实现位置式PID控制算法量。3.2基于MATLAB的常规PID控制Simulink仿真 Matlab-Simulink仿真框图如图3.3所示图3.3 控制系统的仿真框图3.2.1系统的瞬态响应分析该系统的单位阶跃响应用matlab仿真得到,如图3.4所示：图3.4 系统的单位阶跃响应 对系统进行PID校正此图为在

54、matlab中仿真的PID控制器,如图35所示。可以通过改变比例环节、积分环节、以及微分环节的系数来改善控制系统的性能。根据上一节所述的PID的调节方法,来选择各环节的系数。 图3.5 PID控制器 如果不加校正,当受到10000N的阶跃力作用时,稳态值趋向0.0136m,而实际是0.15m。出现了较大的误差。进行 PID校正积分时间常数时的bode图,如图3.6表示,分别用红色、绿色、蓝色表示,其增益交界频率相位裕量。图3.6取不同时间常数得到的bode图当取值过小时,稳定性会明显变差,所以应取较大值,而取较大值还会导致响应变慢。经验表明是较为合适的。所以时间常数的取值围定为0.5s。再对其

55、输入与扰动引起的响应分别进行分析,如图3.7所示：图3.7 由输入和干扰引起的响应绘制了四条阶跃输入引起的响应,由上到下依次为。最大超调量控制在,调整时间控制在0.5s。满足此条件的,对于干扰当时,误差允许围取时,调整时间。能较快消除干扰引起的误差。3.2.2 回路输入输出变量的数值转换方法本文中,设定的压力是给定值SP,需要控制的变量是活塞的位置。但它不完全是过程变量PV,过程变量PV和PID回路输出有关。在本文中,经过测量的位移信号被转化为标准信号电压电流值才是过程变量,所以,这两个数不在同一个数量值,需要他们作比较,那就必须先作一下数据转换。传感器输入的电压信号经过EM235转换后,是一个整数值,但PID指令执行的数据必须是实数型,所以需要把整数转化成实数。使用指令DTR就可以了。如本设计中,是从AIW0读入温度被传感器转换后的数字量。其转换程序如下:MOVW AIW0 AC0DTR AC0 AC0MOVR AC0 VD1003.2.3 实数归一化处理因为PID中除了采样时间和PID的三个参数外,其他几个参数都要求输入或输出值0.0-1.0之间,所以,在执行PID指令之前,必须把PV和SP的值作归一化处理。使它们的值都在0.0-1.0之间。单极性的归一化的公式： 363.2.3 PID参