薛常斌，栗 慶

(中國工程物理研究院總體工程研究所，四川綿陽 621900)

離心機加速度反饋方式是指在離心機轉(zhuǎn)臂上或吊艙內(nèi)的某個用戶關(guān)心的位置安裝一個線加速度計，在離心機運行時，以線加速度計的值作為反饋，與系統(tǒng)過載設(shè)定值進行比較，若產(chǎn)生過載誤差則通過閉環(huán)控制器來調(diào)節(jié)，從而修正誤差，使線加速度計反饋值與過載設(shè)定值相吻合。通過這種反饋方式，用戶可以更直觀地監(jiān)測到所關(guān)心位置的過載情況，對有過載考核要求的試驗有重要的參考價值。

1 閉環(huán)控制系統(tǒng)

線加速度計的輸出電壓為一連續(xù)的模擬量，在模擬量(連續(xù))控制系統(tǒng)中，為了保證控制系統(tǒng)的輸出能夠很好地跟隨輸入給定的變化，采用了如圖1所示的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

圖1 閉環(huán)模擬控制系統(tǒng)的組成Fig.1 Structure of the closed-loop control system of analog quantity

閉環(huán)控制系統(tǒng)基于反饋的概念，測量關(guān)心的變量，與期望值相比較，用這個誤差調(diào)整控制系統(tǒng)的響應(yīng)。這個理論和應(yīng)用的關(guān)鍵是:做出正確的測量和比較后，如何才能更好地糾正系統(tǒng)，而調(diào)節(jié)器正是閉環(huán)控制系統(tǒng)的核心部件。

在工程實際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例控制、積分控制、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。當被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型，且控制理論的其它技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)需依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時可應(yīng)用PID控制技術(shù)。即當我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象﹐或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用PID控制技術(shù)。

在實際閉環(huán)控制系統(tǒng)中，誤差e(t)是1個很小的變化量，因此，為了對系統(tǒng)進行更精確的控制、消除系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時的輸出誤差、改善系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)性能，需要對誤差e(t)進行比例調(diào)節(jié)(P)、積分(I)、微分(D)等處理，才能有效地控制系統(tǒng)中的執(zhí)行機構(gòu)，保證系統(tǒng)具有良好的動、靜態(tài)性能。

西門子S7－300PLC具有PID調(diào)節(jié)的功能，所以確定以西門子S7－300PLC為核心組成閉環(huán)模擬量控制系統(tǒng)。

1.1 閉環(huán)系統(tǒng)組成的確定

以西門子S7－300PLC為核心組成PID調(diào)節(jié)閉環(huán)系統(tǒng)，硬件組態(tài)如圖2所示。使用西門子PS307/5A電源模塊、cpu315－2 pn/dp、2點模擬量輸入模塊SM331、16點數(shù)字量輸入模塊SM321、8點數(shù)字量輸出模塊SM322、2點模擬量輸出模塊SM332各1塊。

圖2 PLC硬件組態(tài)圖Fig.2 The configuration of PLC hardware

1.2 PID調(diào)節(jié)被控量的實現(xiàn)

在本閉環(huán)控制系統(tǒng)中，給定為0～10 V可調(diào)電壓源，反饋為線加速度計輸出電壓，這2個值都通過PLC模擬量輸入模塊采集進入PLC中，被控量為給定電壓源與線加速度計反饋電壓值的偏差值，此偏差值為一連續(xù)的模擬量信號，可以送入PLC軟件模塊 FB41“CONT_C”(連續(xù)控制器，如圖3所示)進行PID調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)后的值通過PLC模擬量輸出模塊輸出至驅(qū)動器。

圖3 FB41程序圖Fig.3 FB41 module of PLC

2 試驗驗證

2.1 離心機試驗特性

離心機是由安裝試驗件的吊籃、轉(zhuǎn)臂、平衡配重、轉(zhuǎn)臺、減速裝置、電機、集流環(huán)和測控系統(tǒng)等組成。在電機的拖動下，吊籃作等速圓周運動，試驗件上產(chǎn)生恒加速度環(huán)境，即

由公式(1)可推導(dǎo)出

式中:G為離心機加速度(g);ω為離心機角速度(rad/s);R為試驗件重心離旋轉(zhuǎn)中心的距離(m);n為離心機轉(zhuǎn)速(r/min)。

2.2 試驗過程

在離心機上安裝夾具工裝，如圖4所示。夾具設(shè)計成中正方體鐵塊，頂部有孔，中間是空心的，底面焊接了1個500mm×500mm的鐵板，其接口按照離心機吊籃底板上的安裝孔位設(shè)計，整個夾具安裝在離心機吊籃上。線加速度計安裝在夾具的頂部(圖中圓形物體)。

圖4 線加速度計安裝示意圖Fig.4 The installation of linear accelerometer

2.3 試驗方案

利用現(xiàn)有離心機進行試驗，線加速度計安裝在吊籃底板平臺上，試驗G值范圍為0～50 g。在相應(yīng)G值上測量線加速度計反饋回來的電壓輸出值，與給定電壓源進行比較;線加速度計反饋電壓值及給定電壓值均由PLC中的模擬量輸入模塊采集完成;采集的數(shù)據(jù)通過PLC中的PID模塊比較，比較結(jié)果再通過PID調(diào)節(jié)器輸出至PLC模擬量輸出模塊;最后輸出至離心機直流調(diào)速器，驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)(電機)，控制離心機轉(zhuǎn)速。

2.4 試驗結(jié)果

使用PLC開發(fā)軟件STEP7進行了PID調(diào)節(jié)程序設(shè)計，程序采用梯形圖的方式，最終的被控量通過模擬量輸出模塊輸出至直流調(diào)速器。在控制程序編制完成后，連接PLC、主控計算機和調(diào)速器，按照控制要求設(shè)置各項控制參數(shù)，完成控制系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。

以下為一實例。離心機停機時，手動調(diào)節(jié)給定電源為989 mV，即功能塊 FB41參數(shù)SP_INT為9.89;加速度計反饋電壓值為162 mV(零點電壓)，即功能塊FB41參數(shù)PV_IN為1.62。此時對功能塊FB41參數(shù)Gain和TI參數(shù)進行調(diào)節(jié)，將PID輸出值(功能塊FB41參數(shù)LMN)輸出至模擬量輸出模塊，此電壓值輸出至驅(qū)動器中的模擬量輸入端子，作為給定啟動離心機旋轉(zhuǎn)，改變不同的P，I參數(shù)，觀察PID調(diào)節(jié)效果(表1)。

試驗中，通過P，I參數(shù)的調(diào)節(jié)(D參數(shù)沒有使用)，發(fā)現(xiàn)P，I參數(shù)太大或太小都不能滿足控制要求，當P=0.05，I=1 時，輸出 LMN 值穩(wěn)定為18.325，給定曲線(紅色曲線)和反饋曲線(黃色曲線)基本重合，如圖5所示。圖中加速度給定電壓值為989 mV，對應(yīng)給定加速度值為6.01 g，實際調(diào)節(jié)后轉(zhuǎn)速穩(wěn)定為52.25 r/min，反饋加速度值為6.08 g，誤差為1.12%，調(diào)節(jié)過程對應(yīng)轉(zhuǎn)速與時間曲線如圖6所示。

表1 PID實際參數(shù)及調(diào)節(jié)效果表Table 1 The PID actual parameters and the adjustment results

圖5 PID調(diào)節(jié)曲線圖(P=0.05，I=1)Fig.5 PID adjustment graph(P=0.05，I=1)

圖6 轉(zhuǎn)速-時間曲線圖(P=0.05，I=1)Fig.6 Rotate speed-time graph(P=0.05，I=1)

從圖6中可以看出給定曲線和反饋曲線的偏差很小，滿足控制要求。實際使用中，當取P，I參數(shù)為P=0.05，I=1 時，進行連續(xù)試驗，給定電壓從164.5～4 935 mV進行了調(diào)整，對應(yīng)于加速度值為1～30 g，其反饋電壓輸出值與給定電壓值基本吻合，誤差在1%左右。

3 結(jié)論

通過試驗，說明在離心機上采用線加速度計反饋控制方式是可行的。試驗中根據(jù)線加速度計的加速度與輸出電壓線性關(guān)系設(shè)定給定電壓，實現(xiàn)了線加速度計反饋控制。從圖5、圖6可看出，給定曲線和反饋曲線仍未實現(xiàn)完全無偏差，分析原因認為是由離心機吊籃的擺動所引起的，在恒加速度試驗時，機械傳動機構(gòu)或軸承間隙、轉(zhuǎn)臂兩邊質(zhì)量不平衡等因素造成離心機試驗轉(zhuǎn)速波動，從而使加速度出現(xiàn)波動。

［1］陸惠良.載人離心機及其應(yīng)用［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2004.(LU Hui-Liang.Man-Carrying Centrifuge and Its Application［M］.Beijing:National Defence Industry Press，2004.(in Chinese))

［2］龔仲華.S7-200/300/400 PLC應(yīng)用技術(shù)［M］.北京:人民郵電出版社，2008.(GONG Zhong-Hua.Applied Technology of S7-200/300/400 PLC［M］.Beijing:Posts＆ Telecom Press，2008.(in Chinese))

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