CN104889297B - 一种液压式锻压机床的全闭环控制系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种液压式锻压机床的全闭环控制系统及控制方法，采用直接输出位移及速度实时数据的直线式位移传感器，将传感器的位移速度数据输出端口与控制器的总线单元的输入端口连接；与A/D模块输入端相连接的电流传感器实时对比例泵工作电流进行检测；总线单元输入端口的现场实时位移速度数据和电流传感器采集的数据反馈至离散化PID控制器输入端，与上位机设定值比较后，经离散化PID控制器处理后的偏差量，通过D/A模块输出至比例泵控制器的输入端口，以控制比例泵的流量实现离散化PID全闭环控制。本发明的技术方案实现了液压式锻压机床的全闭环控制，使得系统具有控制精度高、实时性强及稳定性好等特点，有效保证了制件的质量。
Description
技术领域
本发明涉及机床的控制装置及控制方法，尤其涉及一种液压式锻压机床的位置、速度及电流的全闭环控制系统及控制方法。
背景技术
液压式锻压机床具有大压力、长行程、压力与速度的宽范围调节等特点，被广泛应用于锻压行业，但随着现代市场对制件质量及精度要求的提高，对液压式锻压机床的技术性能要求也更高。全闭环控制能有效对液压式锻压机床的位置及速度进行实时精确控制，适应不同制件及不同工艺的要求，同时也是顺应了市场对高性能、高精度及高稳定性的液压式锻压机床的需求。
一般液压式锻压机床的速度控制是通过控制比例泵的输出流量达到速度调节控制的目的，对滑块运行进行检测，并将检测的速度值反馈至控制器，利用自动PID控制实现速度的闭环控制，以提高速度控制精度。自动PID控制是利用控制器开发软件自带的指令自整定完成，PID参数自整定的效果往往和实际不符合，造成系统波动较大，稳定性下降。
在速度检测方面，多采用旋转编码器作为速度测量传感器，而液压式锻压机床的活塞为直动运行，势必要通过齿条齿轮中间机构将活塞的直动转化为驱动旋转编码器的圆周转动。旋转编码器的脉冲信号经过一定的时间运算处理后变成速度信号，这种方式的速度检测需要控制器的运算处理以及中间机构才能实现，对控制器硬件的技术性能及中间机构的运动精度要求高，否则难以实现速度检测的实时性和真实性。
另外一种速度检测方法，采用直线式位置传感器采集位移数据，并将位移数据经过控制器运算处理为速度值，需要运算处理时间，同样对控制器硬件的技术性能要求高，在实时性和精度方面存在缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种液压式锻压机床的全闭环控制系统及控制方法，该全闭环控制系统及控制方法克服了现有技术的不足，实现了液压式锻压机床的全闭环控制，极大地提高了控制系统的稳定性和实时性，大幅提高了数据采样精度和控制系统的鲁棒性。
为达到上述目的，本发明一种液压式锻压机床的全闭环控制系统，包括上位机，其特征在于：所述液压式锻压机床的全闭环控制系统还包括控制器PLC、总线单元、提供一种采用直接输出位移及速度实时数据的直线式位移传感器、A/D模块、电流传感器、D/A模块、比例泵控制器和比例泵；所述总线单元、A/D模块的输出端口分别与控制器PLC的输入端口连接，上位机与控制器PLC连接，控制器PLC的输出端口经D/A模块与比例泵控制器的输入端口连接，比例泵控制器的输出端口与比例泵的控制端连接，通过比例泵控制器的输出端口对比例泵进行控制；
所述直线式位移传感器的位移速度数据输出端口通过总线单元与控制器PLC的输入端口连接，电流传感器与A/D模块的输入端相连接，A/D模块的输出端口与控制器PLC的输入端口连接，总线单元输入端口的现场实时检测到的位移速度数据和电流传感器采集的电流数据分别反馈至控制器PLC的输入端，与上位机的预设值进行比较后，分别经三级离散化PID控制器处理后生成的偏差量，通过D/A模块输出至比例泵控制器的输入端口，以控制比例泵的流量实现离散化PID全闭环控制。
优选地，所述直线式位移传感器采用HEIDENHAIN，所述总线单元采用OMRON总线单元；HEIDENHAIN直线式位移传感器的数据端口与OMRON总线单元端口相连接，其中直线式位移传感器的BUS IN数据端口3、5、1、4、2分别与总线单元的黑色、蓝色、---、白色、红色端口一一对应进行连线；OMRON总线单元的黑色端口200-、红色端口200+分别与对应的直线式位移传感器1端口200+、3端口200-相连接。
优选地，所述A/D模块采用OMRON模拟量模块，OMRON模拟量A/D模块的B9、A9端口分别与OMRON总线单元黑色端口200-、红色端口200+连接，所述电流传感器采用LEM，电流传感器的接入线号为273与A/D模块的B1端口连接。
优选地，所述D/A模块采用OMRON模拟量模块，所述比例泵控制器采用东驰比例控制器，所述比例泵采用REXROTH系列；OMRON模拟量D/A模块的B9、A9端口分别与OMRON总线单元黑色端口200-、红色端口200+连接；线号为311的D/A模块B1端口与比例泵控制器311端口连接；线号为312的D/A模块B2端口与比例泵控制器的312端口连接；比例泵控制器(8)24V+、24V-端口分别接入24V直流电源的+24V、-24V；比例泵控制器(8)线号为416、418端口分别与比例泵(9)的控制端连接。
本发明一种液压式锻压机床的全闭环控制系统的控制方法，包括以下步骤：
步骤1)，在上位机预设液压式锻压机床运行的位移值和速度值；
步骤2)，直线式位移传感器对全闭环控制系统运动的上滑块进行位移速度的实时检测，并将检测的数据反馈至与直线式位移传感器相连接的总线单元；
步骤3)，电流传感器对比例泵的工作电流进行实时测量，并将测量值反馈至A/D模块的输入端；
步骤4)，控制器PLC读取总线单元的位移速度值与A/D模块的电流值，并与预设值进行比较；
步骤5)，利用离散化PID控制器对比较后的偏差量进行运算处理；
步骤6)，经过离散化PID控制器运算处理后的数据，通过D/A模块输出至比例泵控制器的输入端，用以补偿控制比例泵的流量，使其逼近预设值或在允许小范围内稳定的变化。
在上述技术方案中，本发明了提供一种采用直接输出位移及速度实时数据的直线式位移传感器，将传感器的位移速度数据输出端口与控制器的总线单元的输入端口连接，与A/D模块输入端相连接的电流传感器实时对比例泵工作电流进行检测。总线单元输入端口的现场实时位移速度数据和电流传感器采集的数据反馈至离散化PID控制器输入端，与上位机设定值比较后，经离散化PID控制器处理后的偏差量，通过D/A模块输出至比例泵控制器的输入端口，以控制比例泵的流量实现离散化PID全闭环控制。本发明有如下有益效果：第一，采用高性能、稳定性好与响应快的OMRON模块PLC为核心控制器，极大提高了液压式锻压机床的全闭环控制系统的稳定性和实时性；第二，直线式位移速度传感器减少了数据转换与中间机构的影响，从而大大提高了数据的采样精度，为控制系统的精度提供了保障；第三，离散化PID控制器充分考虑控制器PLC硬件的工作原理，极大发挥了硬件和软件实现的离散化PID控制器功能优势，进一步提高了控制系统的鲁棒性。
附图说明
为清晰表达本发明的技术方案实施，下面描述的附图对技术方案一些实施例进行了简单介绍。
图1为本发明一种液压式锻压机床的全闭环控制系统及控制方法中控制系统的结构示意图；
图2为本发明一种液压式锻压机床的全闭环控制系统及控制方法中控制方法的结构框图；
图3为本发明一种液压式锻压机床的全闭环控制系统及控制方法中控制系统中直线式位移传感器与总线单元的接线图；
图4为本发明一种液压式锻压机床的全闭环控制系统及控制方法中控制系统中电流传感器与A/D模块的接线图；
图5为本发明一种液压式锻压机床的全闭环控制系统及控制方法中控制系统中D/A模块与比例泵控制器的接线图。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容及特点，下面结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清晰、完整地阐述，所述的实施例仅为本发明的一部分实施例，非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
由图1、图2可见，本实施例的一种液压式锻压机床的全闭环控制系统及控制方法中控制系统主要包括上位机1、控制器PLC2、总线单元3、直线式位移传感器4、A/D模块5、电流传感器6、D/A模块7、比例泵控制器8和比例泵9；总线单元3、A/D模块5的输出端口分别与控制器PLC2的输入端口连接，上位机1与控制器PLC2连接，控制器PLC的输出端口经D/A模块7与比例泵控制器8的输入端口连接，比例泵控制器8的输出端口与比例泵9的控制端连接，通过比例泵控制器8的输出端口对比例泵9进行控制。本实施例中，上位机1，是采用研华工控机，实现控制数据输入与液压式锻压机床的运行监控功能；控制器PLC2是采用OMRON模块PLC可编程逻辑控制器，接收上位机1发送的数据与指令，并将设备现场检测数据通过RS232协议端口输送至上位机1进行监控显示；电流传感器采用LEM，直线式位移传感器采用HEIDENHAIN，总线单元采用OMRON总线单元，A/D模块采用OMRON模拟量模块，D/A模块采用OMRON模拟量模块，比例泵控制器采用东驰比例泵控制器，比例泵采用REXROTH系列。在本实施例中，直线式位移传感器4的位移速度数据输出端口通过总线单元3与控制器PLC2的输入端口连接，电流传感器6与A/D模块5的输入端相连接，A/D模块5的输出端口与控制器PLC2的输入端口连接，总线单元3输入端口的现场实时检测到的位移速度数据和电流传感器6采集的电流数据分别反馈至控制器PLC2的输入端，与上位机1的预设值进行比较后，分别经三级离散化PID控制器处理后生成的偏差量，通过D/A模块7输出至比例泵控制器8的输入端口，以控制比例泵9的流量实现离散化PID全闭环控制。
在本实施例中，控制器PLC2读取与直线式位移传感器4连接的总线单元3存储区的现场实时位移速度数据，反馈至离散化PID控制器输入端；读取与电流传感器6相连接的A/D模块5端口数据，反馈至离散化PID控制输入端；经三级离散化PID控制器运算处理后生成的控制量，通过D/A模块7输出至与其相连接的比例泵控制器8输入端口，利用比例泵控制器8输出端实现对比例泵9进行控制。通过上位机1设置液压式锻压机床的运行预设值，液压式锻压机床起动后，直线式位移传感器4将液压式锻压机床运行的位移速度数据反馈至离散化PID控制器；电流传感器6对比例泵9工作电流进行采样，并反馈至离散化PID控制器；经过离散化PID控制器的三级运算后利用D/A模块7输出至被控对象比例泵控制器8，以驱动比例泵9工作，实现液压式锻压机床的全闭环控制。
图3为本发明一种液压式锻压机床的全闭环控制系统及控制方法中控制系统中直线式位移传感器与总线单元的接线图；由图3可见，HEIDENHAIN直线式位移传感器的数据端口与OMRON总线单元端口相连接，其中直线式位移传感器的BUS IN数据端口3、5、1、4、2分别与总线单元的黑色、蓝色、---、白色、红色端口一一对应进行连线；总线单元的黑色端口200-、红色端口200+分别与对应的直线式位移传感器1端口200+、3端口200-相连接。
图4为本发明一种液压式锻压机床的全闭环控制系统及控制方法中控制系统中电流传感器与A/D模块的接线图；由图4可见，OMRON模拟量A/D模块的B9、A9端口分别与图3中总线单元黑色端口200-、红色端口200+连接，电流传感器接入线号为273的B1端口。
图5为本发明一种液压式锻压机床的全闭环控制系统及控制方法中控制系统中D/A模块与比例泵控制器的接线图。由图5可见，OMRON模拟量D/A模块的B9、A9端口分别与图3中总线单元黑色端口200-、红色端口200+连接；线号为311的B1端口与东驰比例泵控制器311端口连接；线号为312的B2端口与东驰比例泵控制器312端口连接；比例泵控制器24V+、24V-端口分别接入24V直流电源的+24V、-24V；比例泵控制器线号为416、418端口分别与比例泵控制端连接。
本实施例的一种液压式锻压机床的全闭环控制系统的控制方法，包括以下步骤：
步骤1)，在上位机预设液压式锻压机床运行的位移值和速度值；
步骤2)，直线式位移传感器对全闭环控制系统运动的上滑块进行位移速度的实时检测，并将检测的数据反馈至与直线式位移传感器相连接的总线单元；
步骤3)，电流传感器对比例泵的工作电流进行实时测量，并将测量值反馈至A/D模块的输入端；
步骤4)，控制器PLC读取总线单元的位移速度值与A/D模块的电流值，并与预设值进行比较；
步骤5)，利用离散化PID控制器对比较后的偏差量进行运算处理；
步骤6)，经过离散化PID控制器运算处理后的数据，通过D/A模块输出至比例泵控制器的输入端，用以补偿控制比例泵的流量，使其逼近预设值或在允许小范围内稳定的变化。
在上述实施例中，控制器PLC读取总线单元的位移速度值和A/D模块的电流值，采用OMRON模块PLC系列开发软件内部P_1ms的触发器，即对位移速度值与电流值的采样周期为1ms。控制器PLC利用离散化PID控制器对比较后的偏差量进行运算处理，从控制精度、实时性和系统优化考虑，离散化PID控制器运算步距即采样时间0.1ms，且当传感器检测值超过预设值的±2％时启动离散化PID控制运算功能。使其逼近预设值或在允许小范围内稳定的变化，表示上滑块运行的实际位移速度值在预设值允许的±2％范围内变化。
以上所述，仅是本发明的实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效方法的变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (5)
1.一种液压式锻压机床的全闭环控制系统，包括上位机（1），其特征在于：所述液压式锻压机床的全闭环控制系统还包括控制器PLC（2）、总线单元（3）、提供一种采用直接输出位移及速度实时数据的直线式位移传感器（4）、A/D模块（5）、电流传感器（6）、D/A模块（7）、比例泵控制器（8）和比例泵（9）；所述总线单元（3）、A/D模块（5）的输出端口分别与控制器PLC（2）的输入端口连接，上位机（1）与控制器PLC（2）连接，控制器PLC的输出端口经D/A模块（7）与比例泵控制器（8）的输入端口连接，比例泵控制器（8）的输出端口与比例泵（9）的控制端连接，通过比例泵控制器（8）的输出端口对比例泵（9）进行控制；
所述直线式位移传感器（4）的位移速度数据输出端口通过总线单元（3）与控制器PLC（2）的输入端口连接，电流传感器（6）与A/D模块（5）的输入端相连接， A/D模块（5）的输出端口与控制器PLC（2）的输入端口连接，总线单元（3）输入端口的现场实时检测到的位移速度数据和电流传感器（6）采集的电流数据分别反馈至控制器PLC（2）的输入端，与上位机（1）的预设值进行比较后，分别经三级离散化PID控制器处理后生成的偏差量，通过D/A模块（7）输出至比例泵控制器（8）的输入端口，以控制比例泵（9）的流量实现离散化PID全闭环控制。
2.根据权利要求1所述的一种液压式锻压机床的全闭环控制系统，其特征在于：所述直线式位移传感器采用HEIDENHAIN，所述总线单元采用OMRON总线单元；HEIDENHAIN直线式位移传感器的数据端口与OMRON总线单元端口相连接，其中直线式位移传感器的BUS IN数据端口3、5、1、4、2分别与总线单元的黑色、蓝色、---、白色、红色端口一一对应进行连线；OMRON总线单元的黑色端口200-、红色端口200+分别与对应的直线式位移传感器1端口200+、3端口200-相连接。
3.根据权利要求1所述的一种液压式锻压机床的全闭环控制系统，其特征在于：所述A/D模块采用OMRON模拟量模块，OMRON模拟量A/D模块的B9、A9端口分别与OMRON总线单元黑色端口200-、红色端口200+连接，所述电流传感器（6）采用LEM，电流传感器（6）的接入线号为273与A/D模块的B1端口连接。
4.根据权利要求1所述的一种液压式锻压机床的全闭环控制系统，其特征在于：所述D/A模块采用OMRON模拟量模块，所述比例泵控制器（8）采用东驰比例控制器，所述比例泵（9）采用REXROTH系列；OMRON模拟量D/A模块的B9、A9端口分别与OMRON总线单元黑色端口200-、红色端口200+连接；线号为311的D/A模块B1端口与比例泵控制器311端口连接；线号为312的D/A模块B2端口与比例泵控制器（8）的312端口连接；比例泵控制器（8）24V+、24V-端口分别接入24V直流电源的+24V、-24V；比例泵控制器（8）线号为416、418端口分别与比例泵（9）的控制端连接。
5.根据权利要求1所述的一种液压式锻压机床的全闭环控制系统的控制方法，包括以下步骤：
步骤1），在上位机预设液压式锻压机床运行的位移值和速度值；
步骤2），直线式位移传感器对全闭环控制系统运动的上滑块进行位移速度的实时检测，并将检测的数据反馈至与直线式位移传感器相连接的总线单元；
步骤3），电流传感器对比例泵的工作电流进行实时测量，并将测量值反馈至A/D模块的输入端；
步骤4），控制器PLC读取总线单元的位移速度值与A/D模块的电流值，并与预设值进行比较；
步骤5），利用离散化PID控制器对比较后的偏差量进行运算处理；
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