基于模糊PID控制的壓鑄機自動控制系統設計*

吳 星,任文強

(1.柳州職業技術學院 機電工程學院,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

壓鑄機作為壓鑄生產中的重要設備其自動控制水平決定了生產的效率與壓鑄件的質量,因此,利用現代技術手段實現壓鑄件的自動控制,完成壓鑄工藝生產的實時監控,實現良好的人機交互,對提高壓鑄工藝的自動化水平與壓鑄件質量均意義重大.[1-2]本研究使用ARM EP9315微處理器實現的壓鑄機自動控制系統進行研究,系統通過定時讀取代表工作狀態的各種接近開關、按鈕、警戒信號,掌控壓鑄件當前狀態,完成工況的監控功能,提高壓鑄質量,為壓鑄件自動控制提供參考借鑒.

1 系統結構

根據系統的功能,壓鑄機控制系統中主要包括了微處理器、按鍵與液晶顯示屏在內的人機交互界面、數字量輸入輸出、模擬量輸入輸出、存儲設備等部分.[3-4]

該系統中選用的微處理器為EP9315 ARM處理器,該處理器是一款以ARM920T為內核的32位的工業級處理器,運行穩定可靠,擴展性好,它是整個系統的核心硬件.

壓鑄機控制系統整體結構圖如圖1所示.

圖1 系統結構圖Fig.1 structural diagram of system

2 系統實現

2.1 PID模糊控制器設計

設計中使用了PID控制方式對壓射速度的控制與增壓壓力進行控制,通過位移偏差與偏差變化率作為控制參數作用于電液比例閥,實現控制功能.[5]設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,移量偏差為e通過設定值與檢測值比較即可獲得,變化率ek通過e求導獲得.

通過模糊推理,得到PID控制器的參數W1,W2,W3,以此經過PID控制器最終完成對電液比例閥輸出信號i,系統PID控制原理如圖2所示.

圖2 系統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相似,輸入函數ec的隸屬度如圖3(b)所示.

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

2.2 硬件設計

2.2.1 快壓射開關檢測電路

快壓射接近開關的信號檢測是控制快壓射動作的基礎,系統設計中對快壓射接近開關檢測電路的設計中,選用了TLP521光耦實現光電隔離,通過穩壓管4148提高電路穩定性,減少TLP521的誤動作,為提高電路的可靠性與抗干擾性,設計RC濾波電路置于輸出端.當行程開關中有信號出現時,經過輸入通道時完成隔離濾波后,信號由處理器分析處理,再根據信號處理結果對電液比例閥觸動蓄能罐,完成壓射活塞的快壓射操作.[6-7]快壓射開關檢測電路設計如圖4所示.

圖4 快壓射開關檢測電路Fig.4 Fast injection switch detection circuit

2.2.2 數字量輸入輸出電路

系統中各種按鈕需要使用數字量的形式輸入,各種電磁閥控制需要運用數字量輸出,根據需求與實際狀況,輸入數字量通道設計為48路,本身EP9315提供的IO數字通道不足,本設計中使用了CPLD進行擴展.輸入的數字量信號不能直接為處理器接收,需要通過TLP421光耦進行隔離,完成了電壓轉換,同時防止了干擾信號對系統產生的影響,提供了系統的可靠性.

數字量輸出需要在EP9315 IO口擴展驅動電路,除了使用光耦隔離完成電壓轉換外,還使用了IFR640芯片實現電磁閥驅動,并加入電阻抑制保護電路,提高電路的可靠性.

2.2.3 模擬量輸入輸出電路

控制監控的溫度與動模位置屬于模擬量輸入信號,而流量閥與壓力閥的控制需要通過模擬量輸出信號進行控制.對于輸入信號,動模檢測通過電子尺完成,需要1路信號通道,而溫度檢測通道需要4路,系統設計中選用了ADS1256轉換器完成模擬與數字之間的轉換.模擬輸出信號中,2路用于控制流量閥,2路用于控制壓力閥,AD轉換器選用了AD5326轉換器.設計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 快速壓射速度檢測通道電路

設計中選用了輸出脈沖頻率較高的旋轉編碼器實現對速度信號的檢測.為了實現信號的隔離,選用6N137光電隔離器并配以104的電容進行濾波,達到提高系統穩定性與可靠性的目的.具體檢測通道電路設計如圖6所示.

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

2.2.5 人機界面接口設計

人機界面可以直觀反映壓鑄件的實時工作狀態,顯示壓射曲線、歷史曲線、實時報警等信息,同時也為操作人員提供工藝參數的設置界面,設計中采用了帶觸摸屏的LTS350Q1的TFT-LCD作為人機接口設備,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 軟件設計

2.3.1 功能設計

壓鑄機控制系統的軟件根據其層次關系,從上至下包括了應用層、系統層、驅動層與設備層四個層次.應用層主要完成具體人機交互功能,提供各種操作接口,完成壓鑄機的直接控制.系統層主要是提供實時操作系統,實現各種調度.驅動層主要起到連接硬件與軟件的作用,實現了與硬件相關的各種操作代碼.設備層是指系統中使用的CPU、鍵盤、LCD等設備.應用層軟件核心任務是完成壓鑄工藝流程的監控與壓鑄機動作的有效控制.

2.3.2 主程序設計

其中系統主程序主要實現初始化及主循環的功能,初始化指對顯示模塊、A/D模塊、輸出與輸入模塊進行上電與復位后的各項初始設置,主循環指在特定時間間隔內對系統工作狀態、故障信息等進行循環檢測.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PID模塊程序設計

實際工藝中,壓射速度與增壓壓力是最為重要的參數,壓射比壓的控制需要控制系統對電液比例閥位移進行實時監測,并與理想值進行比較,得到誤差后通過模糊規則進行控制,計算得到PID參數W1,W2,W3,從而完成控制電路的控制,達到調節比例閥開度的目的,實現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 結語

壓鑄機的自動化水平的高低,對壓鑄件的質量起著至關重要的作用,以EP9315 ARM處理器作為控制核心,通過模糊PID控制方法對糾偏壓射、增壓電液比例閥進行自動控制,達到壓射速度與增壓壓力有效控制的目的,有效完成壓鑄機的各種控制,系統的應用對提高壓鑄機的自動化控制水平,提高鑄件質量,意義顯著.

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