PLC控制模具研配液压机系统的研究
摘要
现代液压技术的发展，主要体现在液压技术与电子技术及计算机技术的结合，它旨在提高液压系统自动化程度和控制精度。本课题所进行的研究来源于实际的工程项目，即研制一种用于精修大中型模具的机械———研配液压机。论文主要围绕研配液压机的高精度位置同步控制系统而展开，结合比较好的控制手段PLC对整个研配液压机系统动作进行控制，使研配液压机达到理想的控制精度和研配质量。
本文根据大量的国内外文献，对研配液压机的工作原理及设计结构进行了简介；对位置同步的控制方法进行了比较分析，提出比例阀和伺服阀复合控制的闭环结构来对非对称双缸进行同步控制电液比例同步控制方案；在此基础上着重对比例阀控非对称缸建模，最后得到位置控制系统的总体数学模型，从理论上对同步系统动态特性进行了分析，并用PID控制器进行参数整定，减小双缸同步误差、提高系统的动态响应性能；其中控制性能的分析借助于MATLAB软件中的SIMULINK工具箱，由已建立的数学模型形成仿真模型，得到可视化的仿真结果，从而利于交互方式下调整参数，了解不同的参数对系统的影响，优化同步系统的动态性能；在深入了解系统的动作特性后，对PLC控制研配液压机的原理进行了探讨，针对SIEMENS公司S7—200型PLC给出了硬件设计的总体规划，编制出研配液压机动作控制程序，在编程中着重研究位移传感器与PLC的通讯、双缸同步运行的PID控制在PLC上的实现及BCD码拨盘输入程序的植入问题。
将PLC应用于研配液压机系统的控制，极大的提高了系统的可靠性和抗干扰能力，同时也增强了位控精度，很好的提升了研配质量，实现了机电液的有机结合。
The development of modem hydraulic technology is mainly embodied in the combination of hydraulic power technology, electronics technology and computer technology .It aims at improving the automation degree of hydraulic system and control accuracy. This thesis is derived from a practical project, which produces a kind of machine to repair mould with high precision. It mainly deals with the control of the Die Spotting Hydraulic Press (DSHP) synchronous system of high accuracy position, which integrates good control method of PLC to master the whole action, then equips it with high accuracy and good quality.
On the base of large amount of materials, this text studies such problems as follows. It gives brief introduction to the principle of the DSHP. Comparing and analyzing the synchronous control strategy, which brings up the new method to control the double un-symmetry jars proceed synchronously with the combination of proportional valve and servo valve, which forms closed loop control; Basing on the above methods, models are made to get mathematics models of position control system and to analyze system model theoretically by using PID controller, we can realize regulating parameters, minimizing synchronous errors and enhancing the dynamic performances; The Simulink tool box in MATLAB software is used to imitate the system according to the model, which not only makes the result visual and easy to adjust the parameters in interactive way but also lets us understand the effects of different parameters and optimizes the dynamic properties.
The theory of PLC control in DSHP is discussed after advanced understanding of the system movements. Hardware design and general regulation are given on the base of SIEMENS
Company products S7-200 PLC. Action control programs are made by the use of software
Micro Win/step7. During programming, three parts are paid great attention to. These are communication between distance sensors and PLC, the realization of PID control in PLC and the data-input of BCD dial plate.
Applying the PLC in the Spotting Hydraulic Presses, which enhances the reliability and anti-interference greatly, buildups the position control accuracy, promotes the spotting quality, realizes the combination of machine, hydraulic and electronics.
本文根据大量的国内外文献，对研配液压机的工作原理及设计结构进行了简介；对位置同步的控制方法进行了比较分析，提出比例阀和伺服阀复合控制的闭环结构来对非对称双缸进行同步控制电液比例同步控制方案；在此基础上着重对比例阀控非对称缸建模，最后得到位置控制系统的总体数学模型，从理论上对同步系统动态特性进行了分析，并用PID控制器进行参数整定，减小双缸同步误差、提高系统的动态响应性能；其中控制性能的分析借助于MATLAB软件中的SIMULINK工具箱，由已建立的数学模型形成仿真模型，得到可视化的仿真结果，从而利于交互方式下调整参数，了解不同的参数对系统的影响，优化同步系统的动态性能；在深入了解系统的动作特性后，对PLC控制研配液压机的原理进行了探讨，针对SIEMENS公司S7—200型PLC给出了硬件设计的总体规划，编制出研配液压机动作控制程序，在编程中着重研究位移传感器与PLC的通讯、双缸同步运行的PID控制在PLC上的实现及BCD码拨盘输入程序的植入问题。
将PLC应用于研配液压机系统的控制，极大的提高了系统的可靠性和抗干扰能力，同时也增强了位控精度，很好的提升了研配质量，实现了机电液的有机结合。
The development of modem hydraulic technology is mainly embodied in the combination of hydraulic power technology, electronics technology and computer technology .It aims at improving the automation degree of hydraulic system and control accuracy. This thesis is derived from a practical project, which produces a kind of machine to repair mould with high precision. It mainly deals with the control of the Die Spotting Hydraulic Press (DSHP) synchronous system of high accuracy position, which integrates good control method of PLC to master the whole action, then equips it with high accuracy and good quality.
On the base of large amount of materials, this text studies such problems as follows. It gives brief introduction to the principle of the DSHP. Comparing and analyzing the synchronous control strategy, which brings up the new method to control the double un-symmetry jars proceed synchronously with the combination of proportional valve and servo valve, which forms closed loop control; Basing on the above methods, models are made to get mathematics models of position control system and to analyze system model theoretically by using PID controller, we can realize regulating parameters, minimizing synchronous errors and enhancing the dynamic performances; The Simulink tool box in MATLAB software is used to imitate the system according to the model, which not only makes the result visual and easy to adjust the parameters in interactive way but also lets us understand the effects of different parameters and optimizes the dynamic properties.
The theory of PLC control in DSHP is discussed after advanced understanding of the system movements. Hardware design and general regulation are given on the base of SIEMENS
Company products S7-200 PLC. Action control programs are made by the use of software
Micro Win/step7. During programming, three parts are paid great attention to. These are communication between distance sensors and PLC, the realization of PID control in PLC and the data-input of BCD dial plate.
Applying the PLC in the Spotting Hydraulic Presses, which enhances the reliability and anti-interference greatly, buildups the position control accuracy, promotes the spotting quality, realizes the combination of machine, hydraulic and electronics.
引文
[1]路甬祥 胡大纮 《电液比例控制技术》 机械工业出版社
[2]王春行 《液压控制伺服系统》 机械工业出版社
[3]雷天觉 《液压工程手册》 机械工业出版社
[4]杨叔子 杨克冲《机械工程控制基础》 华中理工大学出版
[5]孙廷玉 蓝益鹏 《微型机控制技术》 东北大学出版社
[6]刘能宏 田树军 《液压系统动态特性数字仿真》 大连理工大出版社
[7]黎啟柏 《电液比例控制与数字控制系统》 机械工业出版社
[8]皮壮行 宫振鸣 李雪华《可编程序控制器的系统设计与应用实例》 机械工业出版社
[9]陶永华 尹怡欣 葛芦生 《新型PID控制及其应用》 机械工业出版社
[10]欧阳黎明 《MATLAB控制系统设计》 国防工业出版社
[11]薛定宇 《控制系统计算机辅助设计—MATLAB语言及应用》 清华大学出版社
[12]郭振波 《深入浅出Visual Basic 6.0中文版》人民邮电出版社
[13]李笑 张新敏 王辉 《控制系统数字仿真》 东北大学出版社
[14]齐占庆 《机床电器控制技术》 机械工业出版社
[15]肖田元 张艳云 陈家栋《系统仿真导论》 清华大学出版社
[16]日本液压气动协会 《液压气动手册》 机械工业出版社
[17]魏克斯 王云亮 陈志敏《MATLAB语言与自动控制系统设计》 机械工业出版社
[18]李恩林 徐全生 白殿生 《微型计算机原理及接口技术》 东北大学出版社 1994．8
[19]王野牧 王洁·液压伺服闭环控制系统的SIMULINK仿真实现·沈阳工业大学学报 2000．5
[20]陈先惠 王野牧·3MN模具研配液压机的双缸同步的研制·机床与液压，1999(5) P10～11
[21]吴百海 张绍裘·复合控制的液压同步系统研究·机床与液压，1999(6) P12～14
[22]陈建平·6300KN液压折板机双缸同步系统设计·液压与气动，1998(2)P21～22
[23]韩波 王庆丰 路甬祥·电液比例位置同步控制系统的控制结构研究·机床与液压，1997(1) P7～10
[24]陈鹰 徐立·液压仿真精度研究·机床与液压，19939 (4) P194～198
[25]Jon M. Smith, Mathematical Modeling and Digital Simulation for Engineering and Scientists, John Wiley & Sons, Inc, New Yoke, 1997
[26]M L Lion, A Novel Method of Evaluating Transient Responses. Proceedings of IEEE, 1966, 54(1):20
[27]Law A M, Kelton W D. Simulation Modeling and Analysis. McGraw Hill, 1982
[28]Zeigler Bernard P. Theory of Modeling and Analysis. McGraw Hill, 1982
[29]靳海燕 研配压机位置控制系统的研究 西北工业大学硕士学位论文 2001
[30]刘建中 伺服补偿的高精度同步系统的设计与研究 广州工业大学工学硕士学位论文 2000．4．28
[31]袁锐波 电液比例施力控制系统的设计及动态特性研究 昆明理工大学硕士研究生论文 2001．3
[32]孙庆华 电液伺服系统的非线性控制 西北工业大学硕士学位论文 2001．3
[33]张友旺 谭建平 钟掘·模锻液压机同步平衡系统开关和比例控制的自动调节特性分析·《机床与液压》1998年第1期P36～38
[34]王野牧 陈先惠 吕振民 王军·电液比例阀控制液压同步系统动态研究·沈阳工业大学学报 1996年第4期 P79～83
[35]叶小岭 张颖超 李明君 闻秋香·基于VB的仿真实验系统·系统仿真学报 2001年第13卷增刊 P355～356
[36]杨涛 戴晓明 邵惠鹤·基于比例微分反馈控制思想的不同类型混沌系统同步方法·控制理论与应用 2001．8 第18卷增刊 P55～58
[37]肖体兵 吴百海 滕召旗 吴冉泉·计算机控制的电液比例同步系统的设计·计算机应用·机械开发 2000年增刊 P30～33
[38]肖体兵 吴百海 吴冉泉 雷什金 吴申卉·模糊PID控制的比例补偿同步系统的设计和试验·《机床与液压》2001 No．4 P57～59、P86
[39]王世明 陈传宁 李天石·双缸同步系统的自学习控制·《液压气动与密封》 1999年第3期 P25～27
[40]唐国兴 恽源世·双缸液压电梯的建模与仿真·《基础自动化》 2001年12月第8卷 第6期 P21～24
[41]徐鸣谦 鹂科 萧子渊·双缸液压电梯的同步控制·同济大学学报 1999．10 第5期 P545～548
[42]刘延俊 路长厚 何祖诚·微机控制比例阀—缸液压系统的缓冲与定位·《机床与液压》1997年第6期 P21～22，P45
[43]钱祥生·液压技术发展展望·液压气动与密封 2000年8月第4期(总第82期) P1～5
[44]赵光·用调节流量的方法实现双缸的同步动作·液压与气动 1998年第2期 P15～16
[45]虞世鸣·一种自动补偿双缸同步误差的液压系统及其应用·《液压气动与密封》 1999年第1期 P33～34
[46]罗红福·PLC在模具加热控制系统中的应用·机电工程 2001年第18卷 第2期 P23～24
[47]王沫然 陈怀琛 《SIMULINK建模及动态仿真》 电子工业出版社 2002．1．1 第一版
[48]楼顺天 于卫《基于MATLAB的系统分析与设计—控制系统》 西安电子科技大学出版社
[50]吴建胜 《PLC控制数字变量轴向柱塞泵的研究》沈阳工业大学硕士学位论文 2000．3．13
[51]SIEMENS公司 《SIMATIC S7-200可编程序控制器系统手册》2000．11
[52]付连东 陈新元 陈奎生 焦素娟·PLC在电液比例速度控制系统中的应用·液压与气动·2000年第四期P26～27
[2]王春行 《液压控制伺服系统》 机械工业出版社
[3]雷天觉 《液压工程手册》 机械工业出版社
[4]杨叔子 杨克冲《机械工程控制基础》 华中理工大学出版
[5]孙廷玉 蓝益鹏 《微型机控制技术》 东北大学出版社
[6]刘能宏 田树军 《液压系统动态特性数字仿真》 大连理工大出版社
[7]黎啟柏 《电液比例控制与数字控制系统》 机械工业出版社
[8]皮壮行 宫振鸣 李雪华《可编程序控制器的系统设计与应用实例》 机械工业出版社
[9]陶永华 尹怡欣 葛芦生 《新型PID控制及其应用》 机械工业出版社
[10]欧阳黎明 《MATLAB控制系统设计》 国防工业出版社
[11]薛定宇 《控制系统计算机辅助设计—MATLAB语言及应用》 清华大学出版社
[12]郭振波 《深入浅出Visual Basic 6.0中文版》人民邮电出版社
[13]李笑 张新敏 王辉 《控制系统数字仿真》 东北大学出版社
[14]齐占庆 《机床电器控制技术》 机械工业出版社
[15]肖田元 张艳云 陈家栋《系统仿真导论》 清华大学出版社
[16]日本液压气动协会 《液压气动手册》 机械工业出版社
[17]魏克斯 王云亮 陈志敏《MATLAB语言与自动控制系统设计》 机械工业出版社
[18]李恩林 徐全生 白殿生 《微型计算机原理及接口技术》 东北大学出版社 1994．8
[19]王野牧 王洁·液压伺服闭环控制系统的SIMULINK仿真实现·沈阳工业大学学报 2000．5
[20]陈先惠 王野牧·3MN模具研配液压机的双缸同步的研制·机床与液压，1999(5) P10～11
[21]吴百海 张绍裘·复合控制的液压同步系统研究·机床与液压，1999(6) P12～14
[22]陈建平·6300KN液压折板机双缸同步系统设计·液压与气动，1998(2)P21～22
[23]韩波 王庆丰 路甬祥·电液比例位置同步控制系统的控制结构研究·机床与液压，1997(1) P7～10
[24]陈鹰 徐立·液压仿真精度研究·机床与液压，19939 (4) P194～198
[25]Jon M. Smith, Mathematical Modeling and Digital Simulation for Engineering and Scientists, John Wiley & Sons, Inc, New Yoke, 1997
[26]M L Lion, A Novel Method of Evaluating Transient Responses. Proceedings of IEEE, 1966, 54(1):20
[27]Law A M, Kelton W D. Simulation Modeling and Analysis. McGraw Hill, 1982
[28]Zeigler Bernard P. Theory of Modeling and Analysis. McGraw Hill, 1982
[29]靳海燕 研配压机位置控制系统的研究 西北工业大学硕士学位论文 2001
[30]刘建中 伺服补偿的高精度同步系统的设计与研究 广州工业大学工学硕士学位论文 2000．4．28
[31]袁锐波 电液比例施力控制系统的设计及动态特性研究 昆明理工大学硕士研究生论文 2001．3
[32]孙庆华 电液伺服系统的非线性控制 西北工业大学硕士学位论文 2001．3
[33]张友旺 谭建平 钟掘·模锻液压机同步平衡系统开关和比例控制的自动调节特性分析·《机床与液压》1998年第1期P36～38
[34]王野牧 陈先惠 吕振民 王军·电液比例阀控制液压同步系统动态研究·沈阳工业大学学报 1996年第4期 P79～83
[35]叶小岭 张颖超 李明君 闻秋香·基于VB的仿真实验系统·系统仿真学报 2001年第13卷增刊 P355～356
[36]杨涛 戴晓明 邵惠鹤·基于比例微分反馈控制思想的不同类型混沌系统同步方法·控制理论与应用 2001．8 第18卷增刊 P55～58
[37]肖体兵 吴百海 滕召旗 吴冉泉·计算机控制的电液比例同步系统的设计·计算机应用·机械开发 2000年增刊 P30～33
[38]肖体兵 吴百海 吴冉泉 雷什金 吴申卉·模糊PID控制的比例补偿同步系统的设计和试验·《机床与液压》2001 No．4 P57～59、P86
[39]王世明 陈传宁 李天石·双缸同步系统的自学习控制·《液压气动与密封》 1999年第3期 P25～27
[40]唐国兴 恽源世·双缸液压电梯的建模与仿真·《基础自动化》 2001年12月第8卷 第6期 P21～24
[41]徐鸣谦 鹂科 萧子渊·双缸液压电梯的同步控制·同济大学学报 1999．10 第5期 P545～548
[42]刘延俊 路长厚 何祖诚·微机控制比例阀—缸液压系统的缓冲与定位·《机床与液压》1997年第6期 P21～22，P45
[43]钱祥生·液压技术发展展望·液压气动与密封 2000年8月第4期(总第82期) P1～5
[44]赵光·用调节流量的方法实现双缸的同步动作·液压与气动 1998年第2期 P15～16
[45]虞世鸣·一种自动补偿双缸同步误差的液压系统及其应用·《液压气动与密封》 1999年第1期 P33～34
[46]罗红福·PLC在模具加热控制系统中的应用·机电工程 2001年第18卷 第2期 P23～24
[47]王沫然 陈怀琛 《SIMULINK建模及动态仿真》 电子工业出版社 2002．1．1 第一版
[48]楼顺天 于卫《基于MATLAB的系统分析与设计—控制系统》 西安电子科技大学出版社
[50]吴建胜 《PLC控制数字变量轴向柱塞泵的研究》沈阳工业大学硕士学位论文 2000．3．13
[51]SIEMENS公司 《SIMATIC S7-200可编程序控制器系统手册》2000．11
[52]付连东 陈新元 陈奎生 焦素娟·PLC在电液比例速度控制系统中的应用·液压与气动·2000年第四期P26～27