摘要：高精度提升機(jī)構(gòu)核心驅(qū)動能力來源于4個(gè)伺服電機(jī)，該機(jī)構(gòu)具備運(yùn)行過程定位精度高、控制方式多樣、控制響應(yīng)快等特點(diǎn)。對提升機(jī)構(gòu)控制進(jìn)行分析，該機(jī)構(gòu)運(yùn)動控制較為復(fù)雜，控制系統(tǒng)應(yīng)具備運(yùn)動控制算法庫、位置調(diào)節(jié)PID專用庫、總線協(xié)議等能力。在對提升機(jī)構(gòu)控制方案設(shè)計(jì)過程中，重點(diǎn)研究了PID控制算法和伺服運(yùn)動控制算法。依據(jù)分析研究對提升機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制方案設(shè)計(jì)，該控制方案組成包括PID控制算法、伺服運(yùn)動算法、CANopen冗余、CPU冗余等。通過對高精度提升機(jī)構(gòu)的調(diào)試和使用，得出國產(chǎn)PLC產(chǎn)品可以滿足高精度運(yùn)動機(jī)構(gòu)控制需求的結(jié)論。該方案可以為提升機(jī)構(gòu)、頂升機(jī)構(gòu)等的運(yùn)動控制方案設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：CANopen協(xié)議；PID控制算法；運(yùn)動控制算法

中圖分類號：TP391" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）22-0006-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.22.002

0" " 引言

目前國內(nèi)使用的高精度提升機(jī)構(gòu)動力傳動方式分成兩種：液壓傳動控制和伺服電機(jī)傳動控制。其中液壓傳動控制方式控制精度低，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性差，運(yùn)行停止時(shí)會產(chǎn)生振動；伺服電機(jī)傳動控制方式主要配件大都采用進(jìn)口產(chǎn)品或品牌國產(chǎn)化產(chǎn)品，存在產(chǎn)品供貨周期無法保證、核心數(shù)據(jù)泄露、易受網(wǎng)絡(luò)攻擊、技術(shù)服務(wù)依賴國外、定制化需求無法滿足等風(fēng)險(xiǎn)[1]。

針對以上問題，本文設(shè)計(jì)了一套基于國產(chǎn)PLC的高精度提升機(jī)構(gòu)。該控制系統(tǒng)以實(shí)際應(yīng)用設(shè)備為依托，使用國產(chǎn)PLC、伺服產(chǎn)品，搭建軟硬件設(shè)備系統(tǒng)，在運(yùn)動控制領(lǐng)域得到實(shí)際應(yīng)用。該高精度提升機(jī)構(gòu)具有獨(dú)特的運(yùn)動控制優(yōu)勢，主要表現(xiàn)為：響應(yīng)和運(yùn)算速度快、分辨率和定位精度高、穩(wěn)定性和可靠性強(qiáng)、聯(lián)鎖保護(hù)多樣等，因而在發(fā)射場、航空、大型船舶、重型工程機(jī)械等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用空間。

1" " 高精度提升機(jī)構(gòu)和控制組成

1.1" " 機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

高精度提升機(jī)構(gòu)主要由伺服電機(jī)、位移傳感器、扭力傳感器、多級減速機(jī)、重型螺桿提升機(jī)以及定位系統(tǒng)組成，其中定位系統(tǒng)由4個(gè)提升臂的回零部件、位移傳感器以及伺服電機(jī)組成。

高精度提升機(jī)構(gòu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示，提升機(jī)構(gòu)有4個(gè)多級減速軸承控制的移動結(jié)構(gòu)，每個(gè)結(jié)構(gòu)上帶有位移傳感器，位移傳感器有正向和負(fù)向標(biāo)尺，位移傳感器的零點(diǎn)為各個(gè)移動結(jié)構(gòu)的零位置。4個(gè)多級減速軸承上裝有扭矩傳感器，用于檢測平臺各角的受力情況，在受力不均衡時(shí)啟動保護(hù)流程。重型螺桿設(shè)備給提升機(jī)構(gòu)提供保持力，使提升設(shè)備在斷電情況下保持固定狀態(tài)。

1.2" " 控制系統(tǒng)

高精度提升機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)由PLC模塊、觸摸屏、伺服驅(qū)動器、設(shè)備反饋信號等構(gòu)成，控制系統(tǒng)原理圖如圖2所示。操作人員在觸摸屏上進(jìn)行提升機(jī)構(gòu)參數(shù)和移動數(shù)據(jù)的設(shè)置，參數(shù)下發(fā)到PLC模塊；PLC通過CANopen總線與伺服驅(qū)動器進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動器電機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)讀取和伺服電機(jī)運(yùn)行控制；PLC通過AI通道獲取位移傳感器的數(shù)據(jù)，得出提升機(jī)構(gòu)各角當(dāng)前位置、平臺傾斜度；PLC通過Modbus通信獲取扭矩傳感器數(shù)據(jù)，通過算法模型分析和計(jì)算得出提升平臺各角受力；提升機(jī)構(gòu)的外圍設(shè)備包括到位開關(guān)、限位傳感器、設(shè)備故障反饋等[2-3]。

1.3" " CANopen冗余通信

高精度提升機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)采用超御IL40系列PLC模塊，配置了CPU冗余、電源冗余、CANopen冗余。其中CANopen冗余采用超御IL40-E6030雙CAN模塊，可大幅提高機(jī)構(gòu)控制的可靠性，具有通信故障恢復(fù)時(shí)間短，數(shù)據(jù)信息在主、備通信模塊同時(shí)存在的優(yōu)勢。

2" " 高精度提升機(jī)構(gòu)的算法方案

2.1" " 位置算法和速度算法分析

高精度提升設(shè)備在運(yùn)行過程中不但涉及對位置的控制，也涉及對速度的控制，因此對位置算法和速度算法的分析和研究至關(guān)重要。提升設(shè)備的位置運(yùn)行曲線如圖3所示，速度運(yùn)行曲線如圖4所示。

提升機(jī)構(gòu)的位置運(yùn)行曲線分為啟動階段、等速階段和停止階段，其中啟動階段和停止階段的位置變化為不規(guī)則曲線，近似為階躍變化；而等速階段位置值的變化為線性變化，每周期位置值變化量是固定的。提升機(jī)構(gòu)的速度運(yùn)行曲線分為加速階段、等速階段和減速階段，其中加速階段和減速階段速度變化為線性曲線，等速階段速度值在每周期內(nèi)是固定不變的。

對圖3、圖4進(jìn)行整體分析，在提升機(jī)構(gòu)運(yùn)行啟動階段，機(jī)構(gòu)線性加速運(yùn)行，啟動階段要求機(jī)構(gòu)擁有快、穩(wěn)的響應(yīng)特性，由于啟動階段速度指令在階躍變化，在此階段PID算法不能造成積分飽和和微分累積；在提升機(jī)構(gòu)啟動階段，機(jī)構(gòu)位移按不規(guī)則曲線進(jìn)行累積，因此啟動階段的位置算法按PLC每周期進(jìn)行分解且不能造成太大誤差。在提升機(jī)構(gòu)運(yùn)行等速階段，機(jī)構(gòu)勻速運(yùn)行，此階段速度指令保持恒定且沒有階躍變化，此階段PID算法應(yīng)快速補(bǔ)償速度及位置偏差且能穩(wěn)定運(yùn)行；提升機(jī)構(gòu)位置算法進(jìn)入等速階段，機(jī)構(gòu)位移曲線為比例特性曲線，在等速階段的位置算法中PLC只需每周期增加固定位移數(shù)值即可。在提升機(jī)構(gòu)運(yùn)行停止階段，機(jī)構(gòu)線性減速運(yùn)行且時(shí)間較短，停止階段要求機(jī)構(gòu)具有防位置過沖、停止位置準(zhǔn)確特性，在此階段PID不能進(jìn)行大的干預(yù)和補(bǔ)償以防造成補(bǔ)償過沖；提升機(jī)構(gòu)位置算法進(jìn)入停止階段，機(jī)構(gòu)位移按不規(guī)則曲線進(jìn)行累積且和啟動階段基本一致，因此PLC的停止位置算法和啟動位置算法函數(shù)一致[4]。下面對高精度提升機(jī)構(gòu)的專用PID算法和運(yùn)行算法進(jìn)行說明。

2.2" " 提升機(jī)構(gòu)PID算法

高精度提升機(jī)構(gòu)的PID算法在PLC模塊中完成，機(jī)構(gòu)運(yùn)行包括啟動階段、等速階段和停止階段，機(jī)構(gòu)啟動和停止階段要求不能造成積分飽和和微分累積，在啟動和停止階段引入積分分離手段以防止積分飽和，在勻速階段引入積分和微分項(xiàng)以消除靜態(tài)誤差[5]。PID算法流程如圖5所示。

2.3" " 提升機(jī)構(gòu)位置算法

高精度提升機(jī)構(gòu)的位置控制指標(biāo)主要包括：控制精度為±1 mm，響應(yīng)時(shí)間不大于100 ms，機(jī)構(gòu)運(yùn)行范圍為±1 500 mm，速度設(shè)定范圍±10～±100 mm/min。

高精度提升機(jī)構(gòu)的控制方式為全閉環(huán)控制，提升機(jī)構(gòu)的位置環(huán)算法在PLC中完成。位置算法分為三個(gè)階段：啟動位置階段、等速位置階段和停止位置階段，啟動階段和等速階段的切換條件為伺服電機(jī)速度是否到達(dá)勻速值，等速階段到減速階段的切換條件為移動距離是否小于停止階段距離[6-7]，機(jī)構(gòu)的停止條件為可移動距離是否小于0.02 mm。提升機(jī)構(gòu)的位置算法流程圖如圖6所示。

3" " 高精度提升機(jī)構(gòu)應(yīng)用驗(yàn)證及系統(tǒng)特點(diǎn)

基于國產(chǎn)PLC的高精度提升機(jī)構(gòu)已在某航天設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行一年多，現(xiàn)對其優(yōu)點(diǎn)總結(jié)如下：

1）位置控制精度可達(dá)到±0.8 mm；

2）提升機(jī)構(gòu)速度可設(shè)定范圍±5～±130 mm/min；

3）控制系統(tǒng)采用CANopen冗余通信，設(shè)備可靠性優(yōu)于同類產(chǎn)品；

4）提升設(shè)備控制模式有同升、同降、對角控制等，應(yīng)用場合和控制靈活性得到進(jìn)一步提升；

5）提升機(jī)構(gòu)采用多級減速機(jī)和螺桿機(jī)構(gòu)配置，安全性顯著提高。

4" " 結(jié)束語

基于超御系列國產(chǎn)PLC高效的控制及通信功能，并配合專用PID算法及位置控制算法，實(shí)現(xiàn)對高精度提升機(jī)構(gòu)的控制，在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果，可實(shí)現(xiàn)對國外同類產(chǎn)品的替代。隨著國產(chǎn)PLC應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓寬，產(chǎn)品的品種會更豐富、規(guī)格更齊全，從而能更好地適應(yīng)各種工業(yè)控制場合的需求，在工業(yè)控制領(lǐng)域發(fā)揮越來越大的作用。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 林浩，楊政厚，霍玉鮮.國產(chǎn)PLC發(fā)展現(xiàn)狀及展望[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2023，49（4）：21-27.

[2] 黃風(fēng).運(yùn)動控制器及數(shù)控系統(tǒng)的工程應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015.

[3] 王斌銳，李璟，周坤，等.運(yùn)動控制系統(tǒng)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2020.

[4] LAVALLE S M.規(guī)劃算法[M].張慶雅，孫東，譯.北京：清華大學(xué)出版社，2011.

[5] 楊平，鄧亮，徐春梅，等.PID控制器參數(shù)整定方法及應(yīng)用[M].北京：中國電力出版社，2016.

[6] 王樹明.運(yùn)動技能學(xué)習(xí)與控制[M].北京：高等教育出版社，2018.

[7] 胡壽松.自動控制原理[M].7版.北京：科學(xué)出版社，2019.

收稿日期：2024-06-13

作者簡介：秦志偉（1989—），男，河北張家口人，工程師，研究方向：工業(yè)自動化。