基于闭环控制的压力控制系统研究

2009年第9期液压与气动

基于闭环控制的压力控制系统研究

孟继梅1,韩晓明2

Study of Pressure Contr ol Syste m Based on Cl osed2l oop Contr ol

MENG J i2mei1,HAN Xiao2m ing2

(1.太原混凝土轨枕厂,山西太原　030041;2.中北大学机电工程学院,山西太原　030051)

摘　要:利用S72200P LC和拉力传感器等检测反馈元件,应用P I D技术调节比例溢流阀,建立了闭环控制的轨枕预应力张拉压力控制系统,实现了对轨枕预应力张拉工序的自动控制及对持荷期间张拉力值的精确、稳定性控制。

关键词:P LC;比例溢流阀;预应力张拉;压力控制

中图分类号:TH137　文献标识码:B　文章编号:100024858(2009)0920031203

0　前言

压力是现代工业生产过程中最常用的过程控制参数,如何对压力进行精确控制直接关系到能否提高工业生产质量、降低生产成本等关键技术问题。预应力混凝土轨枕生产工艺要求在预应力张拉过程中精确控制液压系统压力并在持荷期间张拉力值保持恒定。以往我国预应力混凝土轨枕生产大部分采用手动操作,在实际生产中由于液压缸的摩擦系数不同,同一模型中的两组钢丝所受预应力不均匀而引起断丝、滑丝现象,不仅降低了生产效率而且影响轨枕质量。应用P I D技术调节比例溢流阀,建立轨枕预应力张拉压力闭环控制系统,是解决轨枕预应力张拉工序的自动控制及对张拉力值的精确控制,特别是在持荷期间张拉力值的稳定性控制的关键技术保障。

1　系统结构及工作原理

轨枕预应力张拉控制系统结构由液压系统,比例溢流阀及精密信号放大器,80T拉力传感器,P LC控制系统,远程监控计算机等部件构成(见图1);工作原理:启动液压系统,80T拉力传感器实时检测预应力钢丝受力状态,并经信号放大器放大滤波,通过A/D转换至P LC的E M231模拟量输入模块,该信号经P LC 数字处理后在T D2200中文显示器上显示实际张拉力值;同时,P LC根据计算的加载设定值与拉力传感器测力值比较,通过D/A转换输出电信号给VT22000比例溢流阀控制器,DBE10型比例溢流阀根据P LC输入信号无级调节系统压力,从而实现张拉过程的压力闭环控制。轨枕预应力张拉力值、持荷时间等技术参数通过串行通信实时传输给远程计算机,实时对轨枕张拉工序进行质量监控[1]。

图1　轨枕预应力张拉控制系统结构图

　收稿日期:2009203215

　作者简介:孟继梅(1973—),女,山西介休人,工程师,学士,主要研究方向:机电系统工程。

2　系统控制原理[2～3]

利用S72200P LC控制比例溢流阀对系统压力、流量进行控制,并保证压力在一定时间范围内恒定。系统采用的DBE B型阀是锥阀式结构的先导式比例溢流阀,由直流电磁铁与液压阀两部分组成,其设定的压力与输入电信号成比例的电磁力决定。当S72200P LC输入一电信号控制比例电磁铁时,比例电磁铁将输出相应的电磁力推动先导阀中的锥阀。来自系统的压力也作用于锥阀上并与电磁力相平衡,如果系统压力升高而超过对应的电磁力设定值,先导阀中的锥阀打开系

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液压与气动2009年第9期

统压力将回复至设定值,从而系统压力基本保持恒定。

由于比例电磁铁的最大推力是一定的,所以不同压力

等级要通过改变阀座孔径来获得。

轨枕预应力张拉系统在张拉过程中,拉力传感器

实时检测张拉力值,S72200P LC输出信号经比例放大

器对比例溢流阀进行控制,其输出电流Δi与输入电压

Δu近似成比例,传递函数为:

Δi/Δu=k

u

(1)

式中:k

u

为比例放大器的增益。

直流比例电磁铁控制线圈的端电压增量方程为:

Δu

i =L

dΔi

d t

+(R c+r p)Δi+k e

dΔy

d t

(2)

式中:L为线圈电感;R

c 、r

p

分别为线圈和放大器内阻;

k e为线圈感应反电势系数。

阀芯位移的增量方程式:

ΔF

m =m

d2Δy

d t2

+D

dΔy

d t

+k sΔy(3)

式中:m为衔铁组件的质量;D为阻尼系数;k

s

为衔铁组件的弹簧刚度。

而比例溢流阀的流量可以通过阀口的流量方程式确定,当系统处于卸荷状态时,通过溢流阀排回油箱的流量为:

Q p=C d・A( x)

2

ρp0

(4)

式中:Q

p 为泵的供油流量;C

d

为流量系数; x为溢流阀

卸荷时的开口量;A( x)为卸荷时溢流阀的开口面积; p0系统卸荷压力。

在轨枕预应力张拉过程中,液压系统的压力由负载决定,如果使比例滋流阀主阀芯关小一开口量x,则通过阀的流量为:

Q vp=C d・A( x-x)

2

ρp

(5)

式中:Q

vp

为系统压力为p时流过溢流阀的流量;p为推动负载运动的系统压力。

3　PLC对张拉力的闭环控制[4]

轨枕预应力张拉过程的闭环控制方式是控制拉力、液压系统压力等连续变化的模拟量,控制比例溢流阀使系统压力始终与负载所需压力相等,实现负载传感检测控制。

轨枕预应力张拉P I D控制器选用西门子S72200 CP U226模块本身具有P I D控制功能指令,与模拟量输入/输出模块配合使用,通过STEP72M icr o/W I N32编程软件中的“指令向导”来简单快速地设置P I D各

种参数,指令向导将自动生成P I D程序,实现对张拉过程的比例溢流阀P I D控制。

对轨枕预应力张拉力值进行P I D控制时,P I D指令对回路输入输出变量进行转换与标准化。由于比例溢流阀的先导阀的质量很小,与主阀相比其响应的速度很快,所以可以把先导阀的响应当作是比例环节处理。其余环节作为积分、微分环节处理。轨枕预应力张拉控制的P I D回路有两个输入量,给定值(SP)为各型轨枕预应力额定张拉值,过程变量(PV)是经A/D 转换和计算后得到的被控量,即预应力钢丝所受拉力实测值;给定值、A/D转换后的整数值先由16位整数转换成浮点数,再通过R

Nor m

=(Raw/S pan)+Offset公式将给定值与过程变量转化成0.0～1.0之间的标准实数,同时T D2200实时显示该数值;P I D控制器输出的是标准化实数,在回路输出至D/A转换器前,应通

过R

Scal

=(M n-O ffset)×S pan公式将其转换成16位二进制整数,控制比例溢流阀根据输出参数调节液压系统压力。给定值与过程变量是P I D运算的输入值,在回路表中只可被P I D指令读取而无法改写,每次完成P I D运算后,都要更新回路表内限制在0.0～1.0

之间

的输出值M

n

。当轨枕张拉控制系统由手动控制切换到P I D自动控制方式时,回路表中的输出值可以用来初始化输出值。P I

D控制原理框图如图2所示。

图2　P I D控制原理框图

闭环控制的轨枕预应力张拉系统P I D控制程序流程图如图3所示。

图3　P I D控制程序流程图

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