基于PLC的板簧耐久試驗臺的PID計算機(jī)控制系統(tǒng)

夏永勝，吳秋生

(合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽合肥230009)

汽車板簧的性能對于汽車安全行駛期、乘用舒適性有著至關(guān)重要的作用［1］。板簧耐久試驗臺的作用就是測試汽車板簧的壽命數(shù)據(jù)、剛度數(shù)據(jù)、最大變形量數(shù)據(jù)，以確定板簧是否能滿足安全、舒適等要求。其中汽車板簧壽命數(shù)據(jù)的測量所需要加載的波形為正弦波，需要循環(huán)的周期數(shù)最多，控制系統(tǒng)也相對最復(fù)雜，故文中主要論述疲勞實驗(耐久實驗)控制系統(tǒng)的設(shè)計。選擇比例伺服液壓缸作為驅(qū)動裝置，采用磁致伸縮位移傳感器作為測量反饋活塞桿位移信息的元件，與傳統(tǒng)的機(jī)械驅(qū)動相比，噪聲小，可以加載任意波形，振幅、周期也可多變。結(jié)果表明:用PLC實現(xiàn)PID 控制功能，是一種經(jīng)濟(jì)、實用的新方法。

1 系統(tǒng)硬件及控制流程圖

圖1 所示為伺服缸結(jié)構(gòu)圖［2］，磁致伸縮位移傳感器固定不動，磁環(huán)固定在活塞桿末端，隨著活塞桿一塊移動，傳感器輸出的電壓隨著磁環(huán)的移動而變化，這樣就可以把活塞桿的位移信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。

圖2 為板簧耐久試驗臺伺服缸控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，可以看出數(shù)據(jù)的流向。上位機(jī)(工控機(jī))依據(jù)正弦波周期、幅值等發(fā)出位移指令 (電壓信號V0)到PLC，PLC 把這些位移指令傳給比例伺服放大器，比例伺服閥依據(jù)比例伺服放大器運(yùn)算后的電壓信號(K·V0)調(diào)節(jié)閥口開度，進(jìn)而控制比例伺服液壓缸的進(jìn)口液壓油流量Q (如圖3 所示，隨著比例伺服閥輸入電壓的V 變化，流量Q 也會呈線性跟著變化)，最后可以控制伺服缸的活塞桿位移。

圖1 伺服缸結(jié)構(gòu)圖

圖2 板簧耐久試驗臺伺服缸控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

同時伺服液壓缸內(nèi)置磁致伸縮位移傳感器捕捉活塞桿位移信號(電壓信號V1)反饋給PLC，PLC 把接收到的位移傳感器的反饋位移信號與上位機(jī)(工控機(jī))所發(fā)出的位移指令進(jìn)行比較計算，生成誤差信號(V1－V0=ΔV)，傳遞給伺服放大器和比例伺服閥，比例伺服放大器和比例伺服閥根據(jù)誤差信號K·ΔV的大小減少閥口開度減小液壓油流量ΔQ。隨著伺服缸內(nèi)置位移傳感器測量的活塞的實際位移值與上位機(jī)(工控機(jī))所發(fā)指令信號(ΔV 越來越小)的差值越來越小，比例伺服閥的閥口開度也越來越小，液壓油流量Q 也隨之越來越小，直到磁致伸縮位移傳感器的反饋信號與上位機(jī)(工控機(jī))所發(fā)的指令信號的差值在誤差允許范圍之內(nèi)時，閥口完全閉合，活塞桿停留在指定位置，這就是位移反饋控制的過程。同時伺服缸活塞當(dāng)前的位置信息也會顯現(xiàn)在工控機(jī)人機(jī)交互界面上面，且數(shù)據(jù)不斷刷新，以便記錄和實時監(jiān)控［3］。

圖3 比例伺服閥電壓－流量特性曲線

如圖4 所示為PLC 實現(xiàn)PID 閉環(huán)控制流程圖。其中PID 計算是典型的PID 閉環(huán)控制。

通過離散的數(shù)值逼近和近似計算［4］

圖4 PLC 實現(xiàn)PID 閉環(huán)控制流程圖

控制器的輸出增量為

由此可見:增量式只需保持現(xiàn)時以前3 個時刻的誤差即可，設(shè)

xi= e(k)= r(k)－ y(k)

xp= e(k)－ e(k－1)

xd= e(k)－2e(k－1)+ e(k－2)

則u(k)= u(k－1)+ Kp× xp+ Ki× xi+ Kd× xd

2 計算機(jī)人機(jī)交互界面及控制系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果

圖5 為計算機(jī)(工控機(jī))人機(jī)交互界面，可以實現(xiàn)疲勞試驗、剛度實驗、永久變形實驗。圖6 是以正選波形為例的加載結(jié)果，可以看出:控制整體效果較好，伺服缸活塞能隨著波形做正弦波動，波峰波谷稍有失真，是與采樣點的數(shù)量較少有關(guān)，但完全滿足了控制要求。

圖5 計算機(jī)人機(jī)交互界面

圖6 正弦波形加載結(jié)果

3 結(jié)束語

通過“工控機(jī)(上位機(jī)) + PLC (下位機(jī)) +比例伺服閥”模式設(shè)計出一套板簧耐久試驗臺PID計算機(jī)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了閉環(huán)控制，能很好地完成汽車板簧的疲勞實驗、剛度試驗和永久變形實驗，跟隨性能較好，而且通過計算機(jī)人機(jī)交互界面可以直觀地觀察伺服液壓缸活塞伸出長度和隨輸入波形的波動情況，滿足了控制要求。

［1］黨軍建，曲慶文．20T 機(jī)械式板簧疲勞試驗機(jī)參數(shù)分析［J］．農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2005(2):18－19．

［2］張貴．基于液壓伺服驅(qū)動的汽車板簧性能與耐久試驗臺研究［D］．合肥:合肥工業(yè)大學(xué)，2013:1－87．

［3］劉文龍，張繼峰．基于PLC 的水箱液位PID 計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)［J］．化工自動化及儀表，2013，40(9):1140－1142．

［4］孫少權(quán)，錢少明．基于PLC 的PID 控制器設(shè)計與實現(xiàn)［J］．應(yīng)用科技，2008，35(6):29－32．