氣動加載閉環(huán)試驗控制系統(tǒng)的研究

楊志永，馬扎根

（上汽大眾汽車有限公司，上海201805）

氣動加載閉環(huán)試驗控制系統(tǒng)的研究

楊志永，馬扎根

（上汽大眾汽車有限公司，上海201805）

氣動控制由于其低成本，無污染，低能耗等優(yōu)點，一直是汽車零部件耐久試驗的主要手段。由于空氣具有可壓縮特性，導致加載不穩(wěn)定，不能滿足精準試驗的要求。從氣源、氣動控制元件、氣動執(zhí)行機構、傳感器、控制邏輯及人機界面等方面，對氣動加載閉環(huán)試驗控制系統(tǒng)的穩(wěn)定控制方法進行研究。

氣動控制 加載 閉環(huán)控制 汽車零部件 耐久試驗

1 前言

氣動控制是指利用壓縮空氣作為動力源，通過可編程邏輯控制器（PLC）和氣動控制元件來控制氣動執(zhí)行元件運動，從而實現(xiàn)規(guī)定動作的控制。由于氣動控制低成本、無污染、低能耗等優(yōu)點，一直是汽車零部件耐久試驗的主要方法之一。由于下列原因，導致氣動試驗裝置的加載不穩(wěn)定：（1）空氣具有可壓縮特性；（2）氣壓受到使用設備數(shù)量的影響而產(chǎn)生波動；（3）高低溫環(huán)境下，氣體膨脹系數(shù)發(fā)生變化；（4）隨著試驗次數(shù)的增加，試件狀態(tài)發(fā)生變化[1-2]。

隨著試驗要求的不斷提高，試驗過程中需要監(jiān)控并反饋加載信號，光靠原先的開環(huán)控制系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足要求。

以發(fā)明專利“氣動力加載閉環(huán)控制裝置和方法”[3]為核心技術，對氣動試驗系統(tǒng)進行改造升級，實現(xiàn)氣動加載試驗系統(tǒng)的閉環(huán)控制。

2 控制設備

閉環(huán)控制系統(tǒng)采用低成本硬件：儲氣罐、氣源處理裝置、伺服閥、氣缸、傳感器、PLC和觸摸屏；軟件采用獨創(chuàng)而實用的控制算法，可實現(xiàn)閉環(huán)自動調節(jié)。

圖1是發(fā)明專利“氣動力加載閉環(huán)控制裝置及方法”中的裝置示意圖。

裝置的工作原理：現(xiàn)場氣源（儲氣罐穩(wěn)定氣源）提供壓縮空氣給氣動試驗控制系統(tǒng)，控制器根據(jù)加載信號的反饋，程序化地調節(jié)加載氣壓。

從氣源供給、干燥機、控制閥、執(zhí)行機構、加熱裝置、下位機PLC程序、上位機人機界面等各個方面進行研究，采取相應措施，以實現(xiàn)加載的精確控制。

3 控制系統(tǒng)各組成部分的介紹和研究

圖1 氣動力加載閉環(huán)控制裝置示意圖

3.1 氣源

對氣動控制系統(tǒng)的氣源進行改造。使用高質量的氣源處理系統(tǒng)，增加儲氣罐，降低氣源的壓力露點。

壓縮空氣是氣動控制系統(tǒng)的動力源，由于空氣具有可壓縮性，氣壓容易產(chǎn)生波動，進而會影響試驗加載的精度。要保證氣動加載閉環(huán)系統(tǒng)的氣源具有足夠的流量和壓力，必要時可以配備獨立的壓縮空氣處理系統(tǒng)。同時，為每個單獨的試驗臺架配備10～20 L容量的儲氣罐，進一步保障氣源壓力穩(wěn)定。

壓縮空氣受環(huán)境溫度影響較大，壓縮系數(shù)隨溫度會產(chǎn)生較大的變化。一般來說，高溫時氣缸的輸出力會變大，低溫時氣缸的輸出力會變小，且容易結冰凍住。氣缸輸出力的變化可以通過PLC控制系統(tǒng)對輸入氣壓的自動調節(jié)來解決，而氣缸結冰凍住問題則需要通過降低氣源壓力露點來解決。

當環(huán)境溫度低時，壓縮空氣受冷，其相對濕度會增加；當環(huán)境溫度下降至相對濕度增加至100%時，便有水滴從壓縮空氣中析出，這時的溫度就是壓縮空氣的壓力露點。可按下列公式求得壓力露點：

式中，

φ'——壓縮后空氣相對濕度，%；

φ——壓縮前空氣相對濕度，%；

p'——壓縮后空氣絕對壓力，kPa；

p——壓縮前空氣絕對壓力，kPa；

pb——壓縮前在某一溫度下的飽和水蒸氣分壓力，kPa；

pb'——壓縮后在同一溫度下的飽和水蒸氣分壓力，kPa；

令φ'=1，由式（1）得式（2）

由式（2）得到，空氣壓縮后開始析出水滴時的飽和水蒸氣分壓力pb'值，查閱參考文獻[1]P25表3-1各壓力下飽和水蒸氣密度、分壓力與溫度的關系，可得到對應的溫度，即為壓力露點[1][4-5]。表1是101.3 kPa壓力下的飽和水蒸氣密度、分壓力與溫度的關系的示意表。

可以通過微熱吸附式干燥機，將氣源的壓力露點降低。如果汽車零部件的耐久試驗最低溫度要求是-40℃，則需要配置能產(chǎn)生更低壓力露點的壓縮空氣設備，以保證其正常工作。

3.2 氣動控制元件

在氣動控制系統(tǒng)中，氣動控制元件（即各種控制閥）的作用是控制和調節(jié)壓縮空氣的壓力、流量和方向，從而控制氣動執(zhí)行機構的運動速度和運動方向，并按規(guī)定的程序工作。利用氣動控制元件組成各種氣動控制回路，以保證氣動執(zhí)行元件或機構按設計的程序正常工作[5]。

圖2 某汽車零部件耐久試驗臺氣路圖

圖2 為某汽車零部件耐久試驗臺架的氣路示意圖。試驗臺架采用比例伺服閥，對相關執(zhí)行氣缸的氣壓和流量進行獨立自動調節(jié)，以保證試驗的精度。比例伺服閥根據(jù)控制器模擬量輸出模塊輸出的不同電流值，線性地調節(jié)輸出氣壓和流量，從而控制氣缸的推力及速度。

圖3是4通道氣動加載試驗臺架氣路圖。用比例伺服閥對各氣缸進行閉環(huán)控制；同時在各比例伺服閥與氣缸連接的氣路中串入2位3通氣控換向閥，并通過1個電控換向閥控制氣控換向閥的換向。這樣實現(xiàn)了試驗臺架停止工作后的卸氣功能，保證操作工人及試件的安全。

圖3 4通道加載試驗臺架的安全氣路圖

3.3 氣動執(zhí)行機構

利用壓縮空氣驅動機構作直線運動、搖擺運動和旋轉運動的元件，稱為氣動執(zhí)行元件[6]。

可以采用以下方法來保證氣動加載閉環(huán)試驗控制系統(tǒng)執(zhí)行機構的加載精度及平穩(wěn)性：

（1）低溫環(huán)境下試驗時，在氣缸上包裹電子加熱裝置，以保持一定的溫度，防止氣缸內部結冰。

（2）對于一些固定操作力的試驗，可以通過在執(zhí)行機構上串聯(lián)砝碼裝置的形式來實現(xiàn)加載力。

（3）對于一些固定操作力的試驗又不方便加砝碼的時候，可以在執(zhí)行機構上采用彈簧限力裝置，用位移控制來保證力的精度。

3.4 傳感器

傳感器是氣動加載閉環(huán)控制系統(tǒng)的主要信號。根據(jù)不同的試驗要求，通過位置傳感器，位移傳感器，力傳感器，扭矩傳感器，速度傳感器等反饋加載信號，檢測試驗及試件狀態(tài)，記錄加載曲線。

3.5 PLC控制邏輯

PLC是氣動控制系統(tǒng)的大腦。PLC發(fā)出指令，使氣動執(zhí)行元件按照一定的控制邏輯運行。此處的控制邏輯是指PLC程序中的程序邏輯[5]。

圖4是發(fā)明專利“氣動力加載閉環(huán)控制裝置及方法”中的控制方法流程圖。這是一套獨創(chuàng)而實用、性能穩(wěn)定的控制算法，可以實現(xiàn)閉環(huán)自動調節(jié)。

圖4 控制流程圖

邏輯說明：程序首次運行時，根據(jù)作用力設定值及氣壓值賦予比例閥一個初始值，這個值將決定氣缸輸出力的大?。蝗缓笤O定結束氣缸動作的條件：或作用力達到設定值，或時間到達設定值；在氣缸結束動作后，根據(jù)結束氣缸動作的條件來調整伺服閥的參數(shù)。如果是因時間達到設定值而結束氣缸動作，說明作用力無法達到設定值，氣缸壓力偏小，則往上調整伺服閥參數(shù)；如果因作用力達到設定值而結束氣缸動作，則比較該作用力數(shù)值是否超過設定的范圍，如果超過，說明作用力偏大，則往下調整伺服閥的參數(shù)，如果作用力在設定的范圍內，則保持伺服閥的參數(shù)不變。在下一個循環(huán)開始時，將新參數(shù)賦予伺服閥。經(jīng)過一定的循環(huán)數(shù)后，程序將穩(wěn)定在黑色箭頭標記的流程內，即作用力數(shù)值穩(wěn)定在設定的范圍內。如果氣壓波動或試件狀態(tài)改變，程序則繼續(xù)進行調整，直到達到新的平衡。

應用舉例：某發(fā)動機零件的疲勞耐久試驗,需要進行一定次數(shù)的加載與釋放，加載力為400 N。利用氣動力加載閉環(huán)控制系統(tǒng)來完成此試驗。伺服閥的輸入信號為電流4～20mA，當控制器的輸出電流為4～12mA時，伺服閥控制氣缸縮回；當控制器的輸出電流為12～20mA時，伺服閥控制氣缸伸出。為使氣缸快速回位，控制器將氣缸縮回時的伺服閥值固定在4mA，該值對試驗的加載沒有影響，故不需要調節(jié)?？刂破鲗刂茪飧咨斐龅乃欧y值按前面所描述的流程進行控制。伺服閥初始值設定為16mA，作用力的設定值為395 N，作用力的穩(wěn)定范圍設定為395～405 N，時間設定值為5 s。程序運行后，氣缸將進行加載與釋放的動作；同時，程序在每個動作循環(huán)后，將按如下邏輯對伺服閥參數(shù)進行調節(jié)：

（1）如果時間先到達設定值5 s，說明作用力無法到達395 N，則下個循環(huán)必須將比例閥的電流往上調0.1mA；

（2）如果作用力先在5 s前到達規(guī)定值，并且大于405N，則在下個循環(huán)將比例閥的電流往下調0.1mA；如果作用力介于395～405N之間，則保持伺服閥的參數(shù)不變，程序進入穩(wěn)定狀態(tài)[3][6]。

3.6 人機界面

人機界面產(chǎn)品，即觸摸屏，有HMI硬件和相應的專用畫面編輯軟件。一般情況下，不同廠商的HMI硬件使用不同的畫面編輯軟件，主要連接設備種類是PLC[7]。

根據(jù)多年的試驗經(jīng)驗，設計了一套操作方便的人機界面。試驗人員無需調節(jié)各種參數(shù)，無需進行特殊培訓，只需按要求輸入目標值，其它由程序自動處理。

圖5是某零件的氣動力加載閉環(huán)試驗控制系統(tǒng)界面。試驗人員可以對1號通道（即1號氣缸）和2號通道（即2號氣缸）進行獨立控制。在目標力輸入框內輸入加載力，次數(shù)設定輸入框內輸入試驗次數(shù)，然后按下開始按鈕，程序將自動運行。

圖5 某零件的氣動力加載閉環(huán)試驗控制系統(tǒng)界面

4 結束語

從氣源，氣動控制元件，氣動執(zhí)行機構，傳感器，控制邏輯及人機界面等方面，對氣動力加載閉環(huán)試驗控制系統(tǒng)進行了研究。經(jīng)過多個項目的實際驗證，該方法用于氣動控制的汽車零部件耐久試驗臺架，效果明顯，控制穩(wěn)定、操作方便。本研究對氣動力加載控制系統(tǒng)的搭建具有指導意義。根據(jù)不同的試驗要求，適當調整控制邏輯及算法，氣動力加載控制系統(tǒng)就可用于更多的試驗臺架。

[1]SMC（中國）有限公司.現(xiàn)代實用氣動技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008．

[2]吳曉明.現(xiàn)代氣動元件與系統(tǒng)[M].北京：化學工業(yè)出版社，2014．

[3]楊志永.氣動力加載閉環(huán)控制裝置及方法：中國，10411076.9[P].2014-04-09.

[4]翟秀慧.氣動與液壓技術基本功[M].北京：人民郵電出版社，2011．

[5]陶國良，劉昊．氣動電子技術[M].機械工業(yè)出版社，2014.

[6]SIMATIC S7-200可編程序控制器系統(tǒng)手冊[G].北京：西門子（中國）有限公司，2000．

[7]魏克新.自動控制綜合應用技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012．

Research on Closed-loop Pneumatic Loading System For Test

Yang Zhiyong,Ma Zhagen
（ShanghaiVolkswagen Co.,Ltd.,Shanghai,201805)

Having low cost,no pollution and low energy consumption,pneumatic control system has been amainmeans forautomotive partsdurability test.However,because of the compressible characteristics ofair,the pneumatic controlsystem can'tmeet the test requirementson loading stability.Thispaper presents a research on the stable controlofpneumatic controlsystem from perspectivesofcompression air,pneumatic controlunits,pneumatic actuators,sensors,controlmethod andman-machine interface.

pneumatic control,loading,closed-loop,automotive parts,durability test

10.3969/j.issn.1671-0614.2017.04.010

來稿日期：2017-04-07

楊志永（1978-），男，工程師，主要研究方向為汽車零部件試驗。