CN109551549B - 一种数控裁断加工过程自动送料位置跟踪控制方法 - Google Patents

Abstract

一种数控裁断加工过程自动送料位置跟踪控制方法，针对数控裁断加工过程自动送料位置跟踪目标值的控制问题，建立数控裁断加工过程输送带位移与输送有效扭矩的动态数学模型，根据送料位置与目标值之间的跟踪偏差建立等价的数控裁断加工过程输送带位移与输送扭矩量的状态空间模型，并利用MatLab函数care的计算结果，设计一个数控裁断加工过程自动送料位置跟踪控制器，实现数控裁断加工过程自动送料位置对目标值的自动跟踪控制。本发明提供一种设计简单且易于实现、实时性较好、快速性较好和准确性较高的数控裁断加工过程自动送料位置跟踪控制方法。

Description

一种数控裁断加工过程自动送料位置跟踪控制方法

技术领域

本发明属于数控裁断加工过程自动控制领域，涉及一种数控裁断加工过程自动送料位置跟踪控制方法。

背景技术

数控裁断加工过程需要裁断装备连续不断进行冲裁作业，其中，自动送料是裁断加工过程的关键环节之一，关系着裁断产品的质量和生产效率。因此，自动送料位置的自动跟踪控制技术是数控裁断加工过程的关键控制技术。采用液压传动装置是目前数控裁断加工过程实现自动送料操作的主要工艺途径。通过对现有数控裁断加工过程自动送料位置跟踪控制方法的文献的检索发现，目前数控裁断加工过程自动送料位置跟踪控制方法主要有：基于经验的人工手调控制方法和基于PID控制器的自动送料位置跟踪控制方法，但基于经验的人工手调控制方法依赖操作人员的经验，不能根据裁断加工材料、工艺要求和作业工况变化而改变，存在冲裁过程送料位置调节不方便，送料位置控制精度不高，极易导致冲裁中断，增加不合格产品的数量；同样由于裁断加工材料、工艺要求和作业工况的差异大，基于PID的移动压头定位控制方法需要调整三个控制器参数，很难实现数控裁断加工过程送料位置的精确跟踪控制，而且多个控制器参数调整操作过程复杂，理解抽象。裁断加工材料、工艺要求和作业工况的差异大，但为提高裁断产品的质量和生产效率，数控裁断加工过程送料位置跟踪控制的实时性、快速性和准确性要求高。因此，尽管数控裁断加工过程送料位置跟踪控制方法研究取得了一些成果，但近年来相关企业和人员对于这个具有挑战性的重要难题仍然进行了大量地研究和探讨，以满足数控裁断加工过程对高品质的送料位置跟踪控制方法的迫切需要。

发明内容

为了克服现有数控裁断加工过程移动压头定位控制方法的实时性较差、快速性较差和准确性较低的不足，本发明提供一种设计简单且易于实现、实时性较好、快速性较好和准确性较高的数控裁断加工过程自动送料位置跟踪控制方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种数控裁断加工过程自动送料位置跟踪控制方法，所述方法包括如下步骤：

1)、建立数控裁断加工过程原料输送带位移与输送扭矩之间的二阶连续时间动态数学模型，参见式(1)：

其中，t表示时间变量，s；x₁表示输送带的位移变量，即送料位置，m；x₂表示输送带的送料速度，m/s；“·”表示对应变量的一阶导数；常数C是阻尼系数，N·s/m；M是原料的质量，kg；常数H是传动装置的导程，m；常数J是输送装置等效转动惯量，kg·m²；常数π＝3.14；F是原料输送扭矩，N·m；

2)、根据数控裁断加工过程自动送料位置的目标值x_r，定义位移转换变量z₁(t)＝x₁(t)-x_r和z₂(t)＝x₂(t)，得x₁(t)＝z₁(t)+x_r，代入式(1)，整理得到一个等价的数控裁断加工过程原料输送带位移状态空间模型，参见式(2)：

其中，列向量z＝[z₁,z₂]^T，上标T表示向量转置；矩阵A和B分别为

3)、给定一个参数μ>0，设计用于计算数控裁断加工过程自动送料位置跟踪控制系统在t时刻的输送扭矩量的跟踪控制律，参见式(3)：

F(t)＝-μBWz(t) (3)

其中，矩阵W为正定对称矩阵，通过MatLab函数care计算，参见式(4)：

其中，矩阵I₂为2阶单位矩阵；

4)、在线测量读取数控裁断加工过程自动送料位置的实际值和目标值，根据式(3)实时计算数控裁断加工过程自动送料的输送扭矩量，数控裁断加工过程自动送料自动控制系统调整输送带的有效扭矩量；在下一个控制周期时，重新测量读取数控裁断加工过程自动送料位置的实际值和目标值，根据式(3)实时计算数控裁断加工过程自动送料的输送有效扭矩量，数控裁断加工过程自动送料自动控制系统调整输送带的有效扭矩量，如此周而复始，实现数控裁断加工过程自动送料位置的自动跟踪控制。

本发明的技术构思是：针对数控裁断加工过程自动送料位置跟踪目标值的控制问题，建立数控裁断加工过程输送带位移与输送有效扭矩的动态数学模型，根据送料位置与目标值之间的跟踪偏差建立等价的数控裁断加工过程输送带位移与输送扭矩量的状态空间模型，并利用MatLab函数care的计算结果，设计一个数控裁断加工过程自动送料位置跟踪控制器，实现数控裁断加工过程自动送料位置对目标值的自动跟踪控制。

本发明主要执行部分在数控裁断加工过程控制计算机上运行实施。本方法应用过程可以大致分为3个阶段：

1、参数设置：包括模型参数和跟踪控制器参数：在模型导入界面中，输入模型式(1)中常数C、M、H、J和π的值；输入送料位置跟踪目标值x_r；在跟踪控制器参数设置界面中，输入控制器参数μ>0；输入参数确认后，由控制计算机将设置数据送入计算机存储单元RAM中保存；

2、离线调试：点击组态界面中的“调试”按钮，控制系统进入跟踪控制器调试阶段，以数控裁断加工过程送料位置的单位阶跃响应作为测试实验，调整组态界面中的参数μ，观察数控裁断加工过程送料位置和输送扭矩量的控制效果，由此确定一个能良好实现数控裁断加工过程自动送料位置跟踪控制的参数；参数μ的取值规则：μ为正实数；参数μ的调整规则：增大μ的值将缩短数控裁断加工过程自动送料位置响应的跟踪调整时间，但增大输送扭矩量；相反，减小μ的值将平缓数控裁断加工过程自动送料位置响应和输送扭矩量，但延长数控裁断加工过程自动送料位置响应的跟踪调整时间，因此，实际调试参数μ时，应权衡数控裁断加工过程自动送料位置响应的超调量、跟踪调整时间、阻尼效应和输送扭矩量之间的综合性能；

3、在线运行：点击组态界面“运行”按钮，启动数控裁断加工过程控制计算机的CPU读取数控裁断加工过程送料位置模型参数和控制器参数，并执行“数控裁断加工过程自动送料位置跟踪控制程序”，通过在线测量读取数控裁断加工过程自动送料位置的实际值和目标值，实时计算数控裁断加工过程输送带的输送扭矩量，数控裁断加工过程自动送料位置跟踪控制系统实时调整输送带的扭矩，如此周而复始，实现数控裁断加工过程自动送料位置的自动跟踪控制。

本发明的有益效果主要表现在：1、数控裁断加工过程自动送料位置跟踪控制方法仅有一个设计参数，设计简单、容易理解、在线实施简便、实用性强；2、数控裁断加工过程在自动送料位置偏离目标值时能自动实现输送扭矩量的计算和调整控制，从而可以适用于更加复杂多样的裁断加工材料、工艺要求和作业工况，提高数控裁断加工装备的控制水平。

附图说明

图1为数控裁断加工过程自动送料位置跟踪控制系统原理图；

图2为数控裁断加工过程自动送料位置跟踪控制系统控制下的原料输送带的位移实时响应曲线；

图3为数控裁断加工过程自动送料位置跟踪控制系统计算出的输送扭矩实时曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的方法作进一步详细说明。

参照图1、图2和图3，一种数控裁断加工过程自动送料位置跟踪控制方法，所述方法包括如下步骤：

1)、建立数控裁断加工过程原料输送带位移与输送扭矩之间的二阶连续时间动态数学模型，参见式(1)：

其中，t表示时间变量，s；x₁表示输送带的位移变量，即送料位置，m；x₂表示输送带的送料速度，m/s；“·”表示对应变量的一阶导数；常数C是阻尼系数，N·s/m；M是原料的质量，kg；常数H是传动装置的导程，m；常数J是输送装置等效转动惯量，kg·m²；常数π＝3.14；F是原料输送扭矩，N·m；

2)、根据数控裁断加工过程自动送料位置的目标值x_r，定义位移转换变量z₁(t)＝x₁(t)-x_r和z₂(t)＝x₂(t)，得x₁(t)＝z₁(t)+x_r，代入式(1)，整理得到一个等价的数控裁断加工过程原料输送带位移状态空间模型，参见式(2)：

其中，列向量z＝[z₁,z₂]^T，上标T表示向量转置；矩阵A和B分别为

3)、给定一个参数μ>0，设计用于计算数控裁断加工过程自动送料位置跟踪控制系统在t时刻的输送扭矩量的跟踪控制律，参见式(3)：

F(t)＝-μBWz(t) (3)

其中，矩阵W为正定对称矩阵，通过MatLab函数care计算，参见式(4)：

其中，矩阵I₂为2阶单位矩阵；

4)、在线测量读取数控裁断加工过程自动送料位置的实际值和目标值，根据式(3)实时计算数控裁断加工过程自动送料的输送扭矩量，数控裁断加工过程自动送料自动控制系统调整输送带的有效扭矩量；

在下一个控制周期时，重新测量读取数控裁断加工过程自动送料位置的实际值和目标值，根据式(3)实时计算数控裁断加工过程自动送料的输送有效扭矩量，数控裁断加工过程自动送料自动控制系统调整输送带的有效扭矩量，如此周而复始，实现数控裁断加工过程自动送料位置的自动跟踪控制。

本实施例为一种数控裁断加工过程自动送料位置跟踪控制过程，具体操作如下：

1、在参数设置界面中，输入数控裁断加工过程自动送料位置跟踪控制过程的常数值C＝3.97×10³、M＝50、H＝0.01、J＝3.85×10^-6和π＝3.14；输入送料位置跟踪目标值x_r＝1；输入控制器参数μ；

2、在组态界面上点击“调试”按钮进入调试界面，启动主控计算机的CPU调用事先编制好的“跟踪控制程序”调试确定控制器参数μ，具体过程如下：根据参数μ的取值与调整规则，综合考虑数控裁断加工过程自动送料位置的超调量、跟踪调整时间、阻尼效应和输送有效扭矩量之间的综合性能，调试参数得到μ＝1000，将调试结果保存到计算机存储单元RAM中；

3、点击组态界面“运行”按钮，启动数控裁断加工过程控制计算机的CPU读取数控裁断加工过程自动送料位置跟踪控制过程模型参数和控制器参数，执行“数控裁断加工过程自动送料位置跟踪控制程序”，通过在线测量读取数控裁断加工过程自动送料位置的实际值和目标值，计算并控制进入数控裁断加工过程输送带的输送扭矩量，实现控裁断加工过程自动送料位置的自动跟踪控制；在下一个控制周期时，重新测量读取数控裁断加工过程自动送料位置的实际值和目标值，根据式(3)实时计算数控裁断加工过程自动送料的输送扭矩量，数控裁断加工过程自动送料自动控制系统调整输送带的扭矩量，如此周而复始，实现数控裁断加工过程自动送料位置的自动跟踪控制。

实际跟踪控制效果如图2和图3所示，图2为数控裁断加工过程自动送料位置跟踪控制系统控制下的原料输送带的位移实时响应曲线；图3为数控裁断加工过程自动送料位置跟踪控制系统计算出的输送扭矩实时曲线。

以上阐述的是本发明给出的一个实施例所表现出优良控制性能的数控裁断加工过程自动送料位置自动跟踪控制效果。需要指出，上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改，都落入本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种数控裁断加工过程自动送料位置跟踪控制方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

1)、建立数控裁断加工过程原料输送带位移与输送扭矩之间的二阶连续时间动态数学模型，参见式(1)：

其中，t表示时间变量，s；x₁表示输送带的位移变量，即送料位置，m；x₂表示输送带的送料速度，m/s；“·”表示对应变量的一阶导数；常数C是阻尼系数，N·s/m；M是原料的质量，kg；常数H是传动装置的导程，m；常数J是输送装置等效转动惯量，kg·m²；常数π＝3.14；F是原料输送扭矩，N·m；

2)、根据数控裁断加工过程自动送料位置的目标值x_r，定义位移转换变量z₁(t)＝x₁(t)-x_r和z₂(t)＝x₂(t)，得x₁(t)＝z₁(t)+x_r，代入式(1)，整理得到一个等价的数控裁断加工过程原料输送带位移状态空间模型，参见式(2)：

其中，列向量z＝[z₁,z₂]^T，上标T表示向量转置；矩阵A和B分别为

3)、给定一个参数μ>0，设计用于计算数控裁断加工过程自动送料位置跟踪控制系统在t时刻的输送扭矩量的跟踪控制律，参见式(3)：

F(t)＝-μBWz(t) (3)

其中，矩阵W为正定对称矩阵，通过MatLab函数care计算，参见式(4)：

其中，矩阵I₂为2阶单位矩阵；

4)、在线测量读取数控裁断加工过程自动送料位置的实际值和目标值，根据式(3)实时计算数控裁断加工过程自动送料的输送扭矩量，数控裁断加工过程自动送料自动控制系统调整输送带的有效扭矩量；在下一个控制周期时，重新测量读取数控裁断加工过程自动送料位置的实际值和目标值，根据式(3)实时计算数控裁断加工过程自动送料的输送有效扭矩量，数控裁断加工过程自动送料自动控制系统调整输送带的有效扭矩量，如此周而复始，实现数控裁断加工过程自动送料位置的自动跟踪控制。

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