基于模糊PID控制的壓鑄機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

吳 星,任文強(qiáng)

(1.柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院,廣西 柳州 545006;2.柳州市柳晶科技股份有限公司,廣西 柳州 545005)

0 引言

壓鑄機(jī)作為壓鑄生產(chǎn)中的重要設(shè)備其自動(dòng)控制水平?jīng)Q定了生產(chǎn)的效率與壓鑄件的質(zhì)量,因此,利用現(xiàn)代技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)壓鑄件的自動(dòng)控制,完成壓鑄工藝生產(chǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)控,實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)交互,對(duì)提高壓鑄工藝的自動(dòng)化水平與壓鑄件質(zhì)量均意義重大.[1-2]本研究使用ARM EP9315微處理器實(shí)現(xiàn)的壓鑄機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行研究,系統(tǒng)通過(guò)定時(shí)讀取代表工作狀態(tài)的各種接近開(kāi)關(guān)、按鈕、警戒信號(hào),掌控壓鑄件當(dāng)前狀態(tài),完成工況的監(jiān)控功能,提高壓鑄質(zhì)量,為壓鑄件自動(dòng)控制提供參考借鑒.

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)系統(tǒng)的功能,壓鑄機(jī)控制系統(tǒng)中主要包括了微處理器、按鍵與液晶顯示屏在內(nèi)的人機(jī)交互界面、數(shù)字量輸入輸出、模擬量輸入輸出、存儲(chǔ)設(shè)備等部分.[3-4]

該系統(tǒng)中選用的微處理器為EP9315 ARM處理器,該處理器是一款以ARM920T為內(nèi)核的32位的工業(yè)級(jí)處理器,運(yùn)行穩(wěn)定可靠,擴(kuò)展性好,它是整個(gè)系統(tǒng)的核心硬件.

壓鑄機(jī)控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 structural diagram of system

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 PID模糊控制器設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中使用了PID控制方式對(duì)壓射速度的控制與增壓壓力進(jìn)行控制,通過(guò)位移偏差與偏差變化率作為控制參數(shù)作用于電液比例閥,實(shí)現(xiàn)控制功能.[5]設(shè)比例閥位移量偏差為e,偏差變化率為ek,二者作為輸入信號(hào),移量偏差為e通過(guò)設(shè)定值與檢測(cè)值比較即可獲得,變化率ek通過(guò)e求導(dǎo)獲得.

通過(guò)模糊推理,得到PID控制器的參數(shù)W1,W2,W3,以此經(jīng)過(guò)PID控制器最終完成對(duì)電液比例閥輸出信號(hào)i,系統(tǒng)PID控制原理如圖2所示.

圖2 系統(tǒng)PID控制原理圖Fig.2 The principle diagram of the system PID control

研究中的模糊控制器如圖3(a)所示,輸入與輸出變量的隸屬度函數(shù)相似,輸入函數(shù)ec的隸屬度如圖3(b)所示.

圖3 模糊控制器與輸入函數(shù)隸屬度Fig.3 The fuzzy controller and The input membership function

2.2 硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 快壓射開(kāi)關(guān)檢測(cè)電路

快壓射接近開(kāi)關(guān)的信號(hào)檢測(cè)是控制快壓射動(dòng)作的基礎(chǔ),系統(tǒng)設(shè)計(jì)中對(duì)快壓射接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)中,選用了TLP521光耦實(shí)現(xiàn)光電隔離,通過(guò)穩(wěn)壓管4148提高電路穩(wěn)定性,減少TLP521的誤動(dòng)作,為提高電路的可靠性與抗干擾性,設(shè)計(jì)RC濾波電路置于輸出端.當(dāng)行程開(kāi)關(guān)中有信號(hào)出現(xiàn)時(shí),經(jīng)過(guò)輸入通道時(shí)完成隔離濾波后,信號(hào)由處理器分析處理,再根據(jù)信號(hào)處理結(jié)果對(duì)電液比例閥觸動(dòng)蓄能罐,完成壓射活塞的快壓射操作.[6-7]快壓射開(kāi)關(guān)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)如圖4所示.

圖4 快壓射開(kāi)關(guān)檢測(cè)電路Fig.4 Fast injection switch detection circuit

2.2.2 數(shù)字量輸入輸出電路

系統(tǒng)中各種按鈕需要使用數(shù)字量的形式輸入,各種電磁閥控制需要運(yùn)用數(shù)字量輸出,根據(jù)需求與實(shí)際狀況,輸入數(shù)字量通道設(shè)計(jì)為48路,本身EP9315提供的IO數(shù)字通道不足,本設(shè)計(jì)中使用了CPLD進(jìn)行擴(kuò)展.輸入的數(shù)字量信號(hào)不能直接為處理器接收,需要通過(guò)TLP421光耦進(jìn)行隔離,完成了電壓轉(zhuǎn)換,同時(shí)防止了干擾信號(hào)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響,提供了系統(tǒng)的可靠性.

數(shù)字量輸出需要在EP9315 IO口擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)電路,除了使用光耦隔離完成電壓轉(zhuǎn)換外,還使用了IFR640芯片實(shí)現(xiàn)電磁閥驅(qū)動(dòng),并加入電阻抑制保護(hù)電路,提高電路的可靠性.

2.2.3 模擬量輸入輸出電路

控制監(jiān)控的溫度與動(dòng)模位置屬于模擬量輸入信號(hào),而流量閥與壓力閥的控制需要通過(guò)模擬量輸出信號(hào)進(jìn)行控制.對(duì)于輸入信號(hào),動(dòng)模檢測(cè)通過(guò)電子尺完成,需要1路信號(hào)通道,而溫度檢測(cè)通道需要4路,系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選用了ADS1256轉(zhuǎn)換器完成模擬與數(shù)字之間的轉(zhuǎn)換.模擬輸出信號(hào)中,2路用于控制流量閥,2路用于控制壓力閥,AD轉(zhuǎn)換器選用了AD5326轉(zhuǎn)換器.設(shè)計(jì)制作的模擬通道電路板如圖5所示.

圖5 模擬通道電路板Fig.5 Analog channel circuit board

2.2.4 快速壓射速度檢測(cè)通道電路

設(shè)計(jì)中選用了輸出脈沖頻率較高的旋轉(zhuǎn)編碼器實(shí)現(xiàn)對(duì)速度信號(hào)的檢測(cè).為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)的隔離,選用6N137光電隔離器并配以104的電容進(jìn)行濾波,達(dá)到提高系統(tǒng)穩(wěn)定性與可靠性的目的.具體檢測(cè)通道電路設(shè)計(jì)如圖6所示.

圖6 快速壓射速度檢測(cè)通道電路Fig.6 Fast injection speed channel circuit detection

2.2.5 人機(jī)界面接口設(shè)計(jì)

人機(jī)界面可以直觀反映壓鑄件的實(shí)時(shí)工作狀態(tài),顯示壓射曲線、歷史曲線、實(shí)時(shí)報(bào)警等信息,同時(shí)也為操作人員提供工藝參數(shù)的設(shè)置界面,設(shè)計(jì)中采用了帶觸摸屏的LTS350Q1的TFT-LCD作為人機(jī)接口設(shè)備,與控制中心的接口框圖如圖7所示.

圖7 TFT-LCD接口框圖Fig.7 TFT-LCD interface diagram

2.3 軟件設(shè)計(jì)

2.3.1 功能設(shè)計(jì)

壓鑄機(jī)控制系統(tǒng)的軟件根據(jù)其層次關(guān)系,從上至下包括了應(yīng)用層、系統(tǒng)層、驅(qū)動(dòng)層與設(shè)備層四個(gè)層次.應(yīng)用層主要完成具體人機(jī)交互功能,提供各種操作接口,完成壓鑄機(jī)的直接控制.系統(tǒng)層主要是提供實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)各種調(diào)度.驅(qū)動(dòng)層主要起到連接硬件與軟件的作用,實(shí)現(xiàn)了與硬件相關(guān)的各種操作代碼.設(shè)備層是指系統(tǒng)中使用的CPU、鍵盤(pán)、LCD等設(shè)備.應(yīng)用層軟件核心任務(wù)是完成壓鑄工藝流程的監(jiān)控與壓鑄機(jī)動(dòng)作的有效控制.

2.3.2 主程序設(shè)計(jì)

其中系統(tǒng)主程序主要實(shí)現(xiàn)初始化及主循環(huán)的功能,初始化指對(duì)顯示模塊、A/D模塊、輸出與輸入模塊進(jìn)行上電與復(fù)位后的各項(xiàng)初始設(shè)置,主循環(huán)指在特定時(shí)間間隔內(nèi)對(duì)系統(tǒng)工作狀態(tài)、故障信息等進(jìn)行循環(huán)檢測(cè).主程序流程圖如圖8所示.

圖8 主程序流程圖Fig.8 The main program flow chart

2.3.3 自適應(yīng)PID模塊程序設(shè)計(jì)

實(shí)際工藝中,壓射速度與增壓壓力是最為重要的參數(shù),壓射比壓的控制需要控制系統(tǒng)對(duì)電液比例閥位移進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),并與理想值進(jìn)行比較,得到誤差后通過(guò)模糊規(guī)則進(jìn)行控制,計(jì)算得到PID參數(shù)W1,W2,W3,從而完成控制電路的控制,達(dá)到調(diào)節(jié)比例閥開(kāi)度的目的,實(shí)現(xiàn)蓄能器油壓改變壓射比壓的效果.壓力控制方法與壓射速度的控制類似.具體控制程序流程圖如圖9所示.

3 結(jié)語(yǔ)

壓鑄機(jī)的自動(dòng)化水平的高低,對(duì)壓鑄件的質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用,以EP9315 ARM處理器作為控制核心,通過(guò)模糊PID控制方法對(duì)糾偏壓射、增壓電液比例閥進(jìn)行自動(dòng)控制,達(dá)到壓射速度與增壓壓力有效控制的目的,有效完成壓鑄機(jī)的各種控制,系統(tǒng)的應(yīng)用對(duì)提高壓鑄機(jī)的自動(dòng)化控制水平,提高鑄件質(zhì)量,意義顯著.

圖9 PID控制程序流程Fig.9 The PID program flow chart