氣動(dòng)控制回路步進(jìn)動(dòng)作控制模塊化設(shè)計(jì)

田竟超

摘要：近年來(lái)，我國(guó)的工程建設(shè)越來(lái)越多，氣動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。文章針對(duì)純氣動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面提出一種設(shè)計(jì)方法，即步進(jìn)動(dòng)作控制模塊化設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)具備控制思路清晰，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，查找故障容易，節(jié)省成本等特點(diǎn)，且易于擴(kuò)展，系統(tǒng)可靠，并使得氣動(dòng)邏輯簡(jiǎn)單化、標(biāo)準(zhǔn)化;并以一實(shí)例對(duì)其設(shè)計(jì)方法進(jìn)行表述說(shuō)明，其方法可為氣動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供一種設(shè)計(jì)思路及參考。

關(guān)鍵詞：控制回路;步進(jìn)動(dòng)作;模塊化設(shè)計(jì);標(biāo)準(zhǔn)化

引言

氣動(dòng)控制系統(tǒng)常被用于生產(chǎn)設(shè)備的自動(dòng)化，控制范圍從簡(jiǎn)單的小型設(shè)備到大型的自動(dòng)化生產(chǎn)流水線(xiàn)。對(duì)于雙缸以上的多缸順序控制，前一個(gè)動(dòng)作完成后，發(fā)出完成信號(hào)，并控制下一個(gè)動(dòng)作開(kāi)始執(zhí)行。由于實(shí)際要求的動(dòng)作順序是各式各樣的，這時(shí)設(shè)計(jì)者就應(yīng)采用某種設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)出所需的回路。氣動(dòng)順序回路的設(shè)計(jì)方法很多，有分組供氣法、信號(hào)動(dòng)作狀態(tài)圖法（簡(jiǎn)稱(chēng)X-D圖法）、擴(kuò)展卡諾圖法和步進(jìn)控制回路法等，本文主要介紹步進(jìn)控制回路法及其實(shí)現(xiàn)。

1 步進(jìn)控制原理

步進(jìn)控制原理是指將一個(gè)復(fù)雜的控制過(guò)程分解為若干個(gè)工作狀態(tài)，弄清各狀態(tài)的工作細(xì)節(jié)（狀態(tài)的功能、轉(zhuǎn)移條件和轉(zhuǎn)移方向），再依據(jù)總的控制順序要求，將這些狀態(tài)聯(lián)系起來(lái)，形成狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，進(jìn)而根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖設(shè)計(jì)各工作狀態(tài)的控制回路、轉(zhuǎn)移條件和轉(zhuǎn)移目標(biāo)。步進(jìn)控制的關(guān)鍵是當(dāng)一個(gè)工作狀態(tài)執(zhí)行完畢以后，要通過(guò)轉(zhuǎn)移條件切換到下一個(gè)工作狀態(tài)，同時(shí)中斷當(dāng)前工作狀態(tài)的繼續(xù)執(zhí)行。

2 氣動(dòng)控制系統(tǒng)組成

1）輸入系統(tǒng)為控制系統(tǒng)外部對(duì)模塊的信號(hào)輸入，包括行程開(kāi)關(guān)信號(hào)、按鈕開(kāi)關(guān)信號(hào)、計(jì)數(shù)器信號(hào)、感應(yīng)器信號(hào)等等，也可以是這些信號(hào)的組合，主要作用是檢測(cè)是否到位、是否確認(rèn)等。（2）輸出系統(tǒng)為控制系統(tǒng)模塊對(duì)外的信號(hào)輸出，為氣壓信號(hào)，主要作用的對(duì)主控閥驅(qū)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)外部設(shè)備的運(yùn)動(dòng)。（3）邏輯系統(tǒng)為內(nèi)部傳遞信號(hào)，作用是實(shí)現(xiàn)輸入與輸出之間的信息傳遞。輸入，輸出系統(tǒng)一般固定不變，搭接它們間的橋梁就是邏輯系統(tǒng)，因此邏輯系統(tǒng)設(shè)計(jì)的好壞，決定著輸出系統(tǒng)是否實(shí)現(xiàn)要求的順序動(dòng)作，文中所涉及就是此邏輯系統(tǒng)設(shè)計(jì)模塊標(biāo)準(zhǔn)工作。

3 設(shè)計(jì)原理

3.1氣路模塊設(shè)計(jì)

原理設(shè)計(jì)思路：（1）選取任意相鄰的2個(gè)動(dòng)作;（2）動(dòng)作傳遞（周而復(fù)始）：前一步動(dòng)作→后一步準(zhǔn)備→前一步到位后復(fù)位→后一步動(dòng)作;（3）每一步都有邏輯關(guān)系開(kāi)關(guān)（比如按鈕、現(xiàn)場(chǎng)行程開(kāi)關(guān)等）;涉及元件：二位五通閥、到位開(kāi)關(guān)、接頭、氣管等。設(shè)計(jì)其模塊原理見(jiàn)圖一。S02為前一模塊輸出信號(hào)（當(dāng)前模塊準(zhǔn)備信號(hào)）;S0.2為前一模塊動(dòng)作到位輸出信號(hào);S1為當(dāng)前模塊動(dòng)作到位信號(hào);S1.1為當(dāng)前模塊輸出信號(hào);S1.2為當(dāng)前模塊復(fù)位信號(hào)動(dòng)作傳遞到后一模塊信號(hào)）;S12為后一模塊準(zhǔn)備信號(hào);其工作原理：（1）前一模塊輸出準(zhǔn)備（S02）和動(dòng)作傳遞（S0.2）后，二位五通閥模塊V1換向，模塊V1閥4口出氣（S1.1輸出），且信號(hào)準(zhǔn)備輸出（S12），模塊V2閥換向。其結(jié)果是當(dāng)前V1模塊輸出氣壓信號(hào)，當(dāng)前所控制的設(shè)備動(dòng)作，且為后一步做好輸出的準(zhǔn)備，但此時(shí)V2無(wú)輸出。（2）當(dāng)V1模塊動(dòng)作到位，到位信號(hào)（S1）（此信號(hào)可增加手動(dòng)干預(yù)開(kāi)關(guān)）使得模塊V1閥復(fù)位，模塊V1閥2口出氣（S1.2）并傳遞到模塊V2閥進(jìn)氣口。其結(jié)果是當(dāng)前V1模塊停止輸出，后一步V2模塊產(chǎn)生輸出信號(hào)，完成當(dāng)前V2模塊的輸出，并為后一個(gè)模塊做好輸出的準(zhǔn)備。以上為任意2步動(dòng)作之間的關(guān)系，按照此邏輯即把既定動(dòng)作一步一步傳遞下去;需要說(shuō)明的是，此種設(shè)計(jì)針對(duì)的是一種純氣動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，所有的信號(hào)都是氣壓信號(hào)，而且只是氣動(dòng)控制系統(tǒng)的一部分，用它來(lái)控制、驅(qū)動(dòng)外部控制氣缸的閥才能實(shí)現(xiàn)要求結(jié)果動(dòng)作。簡(jiǎn)單的說(shuō)，“輸出”是控制系統(tǒng)對(duì)外的輸出，輸出氣壓驅(qū)動(dòng)主控閥從而驅(qū)動(dòng)設(shè)備運(yùn)行;“到位/啟動(dòng)”是外界對(duì)控制系統(tǒng)對(duì)內(nèi)的輸入，包括行程開(kāi)關(guān)、按鈕信號(hào)燈驅(qū)動(dòng)控制模塊啟動(dòng)工作;“后一步準(zhǔn)備、動(dòng)作傳遞到后一步”是控制模塊本身的邏輯關(guān)系，保證邏輯正常運(yùn)行。每一步輸出動(dòng)作是唯一的，且每一個(gè)輸出動(dòng)作完成后，需本身的到位信號(hào)使得本動(dòng)作控制閥復(fù)位后，才能開(kāi)始下一步動(dòng)作，這就使得對(duì)中間控制啟動(dòng)/停止有多種方式：比如需連續(xù)動(dòng)作，只需要將信號(hào)連接到到位開(kāi)關(guān)信號(hào)即可實(shí)現(xiàn);如中間停止后，需要人為驅(qū)動(dòng)按鈕啟動(dòng)，只需將驅(qū)動(dòng)按鈕與到位開(kāi)關(guān)串聯(lián)即可，這樣更方便設(shè)計(jì)及安裝、調(diào)試。

3.2氣動(dòng)彈性主動(dòng)控制

氣動(dòng)彈性控制是一門(mén)由結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)和控制理論相結(jié)合的科學(xué)，目的是通過(guò)引入主動(dòng)控制量來(lái)改善系統(tǒng)的氣動(dòng)彈性特性，與傳統(tǒng)控制理論相比，氣動(dòng)彈性控制的難度更高，挑戰(zhàn)性更強(qiáng)，因?yàn)轱w行器的動(dòng)力特性會(huì)隨飛行條件的改變而不斷改變。氣動(dòng)彈性控制的研究主要是提高飛行器的氣動(dòng)彈性行為，主要有以下三個(gè)方面：1）主動(dòng)顫振控制，這是目前氣動(dòng)彈性控制領(lǐng)域研究最多的問(wèn)題，目的是提高顫振速度，獲得更大的飛行顫振包線(xiàn)。主要是通過(guò)主動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)，即將系統(tǒng)Laplace域中的極點(diǎn)由右半平面移到穩(wěn)定的左半平面。2）突風(fēng)減緩，通過(guò)主動(dòng)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)外部力干擾響應(yīng)最小化，從而實(shí)現(xiàn)提高飛機(jī)的安全性、延長(zhǎng)機(jī)體壽命、改善乘坐舒適性等目的，這里的突風(fēng)是指陣風(fēng)載荷和非定常氣動(dòng)力。3）增強(qiáng)機(jī)動(dòng)能力，目的是提高飛行器機(jī)動(dòng)飛行時(shí)所需要的升力與力矩的能力，其核心是優(yōu)化升力面產(chǎn)生的升力和力矩的作用效能。

3.3氣路模塊應(yīng)用

（1）目標(biāo)：兩組氣缸按照既定順序動(dòng)作工作（分別為A、B）。（2）動(dòng)作要求：A夾緊→B夾緊→B打開(kāi)→B再次夾緊→（工作完成按鈕）B打開(kāi)→A打開(kāi)。（3）說(shuō)明：根據(jù)條件及動(dòng)作要求，共6個(gè)動(dòng)作，需要6個(gè)模塊，一個(gè)啟動(dòng)按鈕、一個(gè)工作完成按鈕。原理動(dòng)作過(guò)程說(shuō)明：?jiǎn)?dòng)→模塊一閥換向輸出、模塊二閥換向準(zhǔn)備→A組氣缸伸出，1S11檢測(cè)到位，輸出信號(hào)使得模塊一輸入復(fù)位→模塊二輸出、模塊三換向準(zhǔn)備→B組氣缸伸出，完成模塊一轉(zhuǎn)向模塊二的傳遞工作。同理可以依次完成模塊二轉(zhuǎn)向模塊三、模塊三轉(zhuǎn)向模塊四等后續(xù)模塊的轉(zhuǎn)向傳遞工作，即也是B組氣缸夾緊、打開(kāi)工作的傳遞。需要注意的是：中間過(guò)程如需暫停，可增加“工作完成”工藝按鈕，使得上一個(gè)模塊信號(hào)暫時(shí)不下傳，等到需要時(shí)驅(qū)動(dòng)此工藝按鈕，動(dòng)作繼續(xù);最后一個(gè)模塊的功能是將信號(hào)傳遞到第一個(gè)模塊進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)的準(zhǔn)備。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，文中提出的設(shè)計(jì)模塊是在相鄰兩動(dòng)作之間的邏輯關(guān)系的基礎(chǔ)上進(jìn)行，因此適用于任意有規(guī)律順序動(dòng)作的純氣動(dòng)控制系統(tǒng)，特別是動(dòng)作過(guò)程多，有重復(fù)的動(dòng)作的控制系統(tǒng)，并具備控制思路清晰，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，查找故障容易，節(jié)省成本的特點(diǎn)。且此模塊化設(shè)計(jì)是純氣動(dòng)系統(tǒng)中的邏輯部分標(biāo)準(zhǔn)化，屬控制核心，既有固定邏輯部分，又有可供設(shè)計(jì)者個(gè)性化設(shè)計(jì)部分，可為設(shè)計(jì)者提供一種新的設(shè)計(jì)參考。

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（作者單位：河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司黃金葉生產(chǎn)制造中心）