基于PID的砂輪切割機(jī)進(jìn)給自動控制系統(tǒng)

　　基于PID的砂輪切割機(jī)進(jìn)給自動控制系統(tǒng)李寧，孫維連，孫鉑（河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河北保定071001）切割機(jī)進(jìn)給自動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以通過檢測切割力及時調(diào)整進(jìn)給速度，使切割力保持在設(shè)定值附近；在不損壞砂輪片的情況下，盡快切割完工件，從而節(jié)約能源而又保護(hù)了砂輪片。其控制過程是當(dāng)切割力小于設(shè)定值時增加進(jìn)給速度，切割力接近或大于設(shè)定值時降低進(jìn)給速度。該系統(tǒng)利用PLC的PID指令控制砂輪切割機(jī)的進(jìn)給速度，以切割力為控制目標(biāo)，進(jìn)給速度為PID控制器的輸出，實(shí)現(xiàn)了進(jìn)給速度的自動調(diào)整。操作人員不需要根據(jù)實(shí)際工件的截面尺寸來設(shè)定切割速度，只需根據(jù)砂輪片能承受的最大切割力來設(shè)定最大切割力和最大進(jìn)給速度，進(jìn)給自動控制系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)際切割力自動調(diào)整進(jìn)給速度。實(shí)踐表明，采用PID控制砂輪切割機(jī)的進(jìn)給速度切實(shí)可行，提高了切割效率，具有一定的實(shí)用價值。

　　通訊作者：孫維連（1956-），男，博士，教授，博導(dǎo)。主要研宄方向?yàn)榻饘俳M織強(qiáng)化、分析與制備，機(jī)械零件失效分析，機(jī)電一體化技術(shù)。

　　TD.PID控制根據(jù)設(shè)定值與測定值的差產(chǎn)生控制量，使輸出盡快恢復(fù)到設(shè)定值>7.對于砂輪切割機(jī)主要是控制其進(jìn)給速度，使速度與切割力相匹配，要求使切割力穩(wěn)定在一定值，這個值以不損壞砂輪片為上限。而進(jìn)給速度是變化的，速度上升切割力也隨之增加，速度下降切割力也隨之下降，基于以上思想設(shè)計了一套砂輪切割機(jī)進(jìn)給自動控制系統(tǒng)。

　　1PID控制原理1. 1PID控制算法由于PLC只能處理數(shù)字信號，所以首先要將PID控制算法離散化，離散化的PID控制算法為：-分別表示比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)、微分環(huán)節(jié)；Kp、T、Ti、Td分別表示比例系數(shù)、采樣周期、積分時間常數(shù)、微分時間常數(shù)。

　　式（1）為位置式PID控制算法，實(shí)際使用中位置式PID算法存在一些不足之處，所以通常采用增量式PID算法。

　　增量式PID算法為：u（k1）―為了便于編程將其整理成如下形式：q1二q2二1.2改進(jìn)的PID控制算法由控制論可知PID控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值S與實(shí)際輸出反饋值只構(gòu)成的偏差值，將偏差值的比例（P）、積分I）、微分（D）通過線性組合構(gòu)成控制量，實(shí)現(xiàn)對被控對象的控制。在PID控制中，積分是的作用是消除靜差、提高控制精度，但在過程的開始、結(jié)束或大幅增加設(shè)定值時，會產(chǎn)生積分積累，引起系統(tǒng)較大的超調(diào)甚至振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。為了消除積分作用的負(fù)面影響，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，當(dāng)控制偏差較大時，如大于設(shè)定的某閾值e時，去掉積分作用；而當(dāng)控制偏差較小時，加入積分作用，以消除靜差。因此采取積分分離的控制算法，即在適當(dāng)?shù)臅r候加入或去掉積分作用，以提高控制精度。

　　位置式的積分分離算法為：PIDDODIOD4000D100B標(biāo)值測定值控制參數(shù)結(jié)果值<：時積分作用隨偏差的增大逐漸減小，從而系統(tǒng)獲得較好的動態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性。

　　1.3PLC實(shí)現(xiàn)的PID控制器PLC中實(shí)現(xiàn)PID控制算法可以使用PID功能指令，本系統(tǒng)采用信捷XC5-32了型PLC調(diào)用PID控制程序。信捷XC5-32了型PLC的PID運(yùn)算指令包括源操作數(shù)、、和目標(biāo)操作數(shù)D.和分別用來存放目標(biāo)值S和測定值只；+43分別用來存放控制參數(shù)的值，即采樣周期了、作用方向、輸入濾波常數(shù)、比例增益、積分時間、微分增益和微分時間等。信捷XC5-32了型PLC的PID功能指令見。

　　控制參數(shù)都可以通過信捷編程軟件Xcppro方便地設(shè)置。另外信捷PLC具有參數(shù)自整定功能、PID控制死區(qū)、PID運(yùn)算范圍等也可以通過Xcppro設(shè)置。其中PID運(yùn)算范圍的意義是系統(tǒng)在運(yùn)行時，一開始處于PID全開階段，即以最快的速度（默認(rèn)為4 095）接近目標(biāo)值，當(dāng)達(dá)到PID的運(yùn)算范圍時，參數(shù)Kf、乃、T開始起控制作用?？刂扑绤^(qū)功能實(shí)現(xiàn)了改進(jìn)的PID控制算法，其意義是當(dāng)測量值長時間沒有明顯變化時，PID停止運(yùn)算，輸出值保持恒定，只有偏差變化量達(dá)到一定值時才開始PID運(yùn)算。

　　PID指令參數(shù)設(shè)置對話框如所示。

　　2進(jìn)給自動控制系統(tǒng)的設(shè)計2.1進(jìn)給自動控制系統(tǒng)構(gòu)成自動砂輪切割機(jī)進(jìn)給速度控制系統(tǒng)如所示，由PLC、步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)驅(qū)動器、滾動絲杠副、力傳感器等構(gòu)成。切割時由PLC發(fā)出一定頻率的脈沖到步進(jìn)驅(qū)動器，再由驅(qū)動器驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)帶動滾動絲杠旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過滾動絲杠副將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為直線進(jìn)給運(yùn)動。其中力傳感器測量當(dāng)前切割力，將測量到的切割力通過A/D轉(zhuǎn)換模塊輸入到PLC，再經(jīng)PLC進(jìn)行PID運(yùn)算，輸出控制量，再轉(zhuǎn)化為輸出脈沖頻率值，控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而控制進(jìn)給速度。

　　脈沖頻率值，PID運(yùn)算輸出值，PID最大輸出值，設(shè)定最大速度對應(yīng)的頻率值。PID的輸出為數(shù)字量，將其經(jīng)過上式進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換即為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動脈沖頻率，從而實(shí)現(xiàn)了進(jìn)給速度的自動控制。

　　基于以上原理，進(jìn)給速度自動控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的過程應(yīng)該是這樣的：初始砂輪片沒有與工件接觸，測量到的切割力為，PID輸出最大值，即以設(shè)定的最大進(jìn)給速度進(jìn)給。當(dāng)砂輪片與工件接觸后力傳感器測量到切割力，當(dāng)切割力達(dá)到設(shè)定的PID運(yùn)算范圍后PID運(yùn)算開始起作用，隨著切割力接近設(shè)定的最大切割力PID運(yùn)算的輸出開始減小。當(dāng)超過最大切割力時輸出為，即停止進(jìn)給。在砂輪片與工件接觸過程中，切割力應(yīng)該穩(wěn)定在最大切割力附近，不應(yīng)該有太大波動，但進(jìn)給速度是時時變化的，實(shí)現(xiàn)了進(jìn)給速度的自控控制。

　　3實(shí)際應(yīng)用安裝調(diào)試好系統(tǒng)后，進(jìn)行切割試驗(yàn)，所選用的工件為截面不規(guī)則的零件。首先設(shè)定最大切割力為150N、最大進(jìn)給速度500mm/min，然后啟動砂輪切割機(jī)讓其自動進(jìn)給切割工件。利用信捷觸摸屏的監(jiān)控功能可以監(jiān)控工件切割過程中切割力和進(jìn)給速度的變化趨勢。其中曲線只代表變化趨勢，不代表實(shí)際值。

　　即截面面積變化越大，節(jié)約時間越長。因?yàn)樽詣涌刂葡到y(tǒng)可以根據(jù)砂輪片與截面的接觸面積產(chǎn)生的切割力自動調(diào)節(jié)進(jìn)給速度，不必關(guān)心是否會損壞砂輪片。所以采用PID控制的砂輪切割機(jī)進(jìn)給速度自動控制系統(tǒng)提高了切割效率。

　　4結(jié)論在自動砂輪切割機(jī)中引入PID控制可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)給速度的自動控制，使進(jìn)給速度與切割力相匹配，操作人員不必為不同的工件隨時調(diào)整進(jìn)給速度。速度自動控制系統(tǒng)可以在切割力大于設(shè)定值時自動降低進(jìn)給速度，保證不損壞砂輪片，提高切割效率。實(shí)際應(yīng)用表明采用PID控制器控制砂輪切割機(jī)的進(jìn)給速度切實(shí)可行，不論工件形狀如何，只要根據(jù)砂輪能承受的最大切割力設(shè)定允許切割力，進(jìn)給速度自動控制系統(tǒng)就能根據(jù)采集到的切割力值時時調(diào)整進(jìn)給速度，明顯提高了砂輪切割機(jī)的切割效率，具有一定的實(shí)用意義。