基于PID的砂輪切割機進給自動控制系統

　　基于PID的砂輪切割機進給自動控制系統李寧，孫維連，孫鉑（河北農業大學機電工程學院，河北保定071001）切割機進給自動控制系統。該系統可以通過檢測切割力及時調整進給速度，使切割力保持在設定值附近；在不損壞砂輪片的情況下，盡快切割完工件，從而節約能源而又保護了砂輪片。其控制過程是當切割力小于設定值時增加進給速度，切割力接近或大于設定值時降低進給速度。該系統利用PLC的PID指令控制砂輪切割機的進給速度，以切割力為控制目標，進給速度為PID控制器的輸出，實現了進給速度的自動調整。操作人員不需要根據實際工件的截面尺寸來設定切割速度，只需根據砂輪片能承受的最大切割力來設定最大切割力和最大進給速度，進給自動控制系統可以根據實際切割力自動調整進給速度。實踐表明，采用PID控制砂輪切割機的進給速度切實可行，提高了切割效率，具有一定的實用價值。

　　通訊作者：孫維連（1956-），男，博士，教授，博導。主要研宄方向為金屬組織強化、分析與制備，機械零件失效分析，機電一體化技術。

　　TD.PID控制根據設定值與測定值的差產生控制量，使輸出盡快恢復到設定值>7.對于砂輪切割機主要是控制其進給速度，使速度與切割力相匹配，要求使切割力穩定在一定值，這個值以不損壞砂輪片為上限。而進給速度是變化的，速度上升切割力也隨之增加，速度下降切割力也隨之下降，基于以上思想設計了一套砂輪切割機進給自動控制系統。

　　1PID控制原理1. 1PID控制算法由于PLC只能處理數字信號，所以首先要將PID控制算法離散化，離散化的PID控制算法為：-分別表示比例環節、積分環節、微分環節；Kp、T、Ti、Td分別表示比例系數、采樣周期、積分時間常數、微分時間常數。

　　式（1）為位置式PID控制算法，實際使用中位置式PID算法存在一些不足之處，所以通常采用增量式PID算法。

　　增量式PID算法為：u（k1）―為了便于編程將其整理成如下形式：q1二q2二1.2改進的PID控制算法由控制論可知PID控制器是一種線性控制器，它根據給定值S與實際輸出反饋值只構成的偏差值，將偏差值的比例（P）、積分I）、微分（D）通過線性組合構成控制量，實現對被控對象的控制。在PID控制中，積分是的作用是消除靜差、提高控制精度，但在過程的開始、結束或大幅增加設定值時，會產生積分積累，引起系統較大的超調甚至振蕩，使系統的穩定性下降。為了消除積分作用的負面影響，增強系統的穩定性，當控制偏差較大時，如大于設定的某閾值e時，去掉積分作用；而當控制偏差較小時，加入積分作用，以消除靜差。因此采取積分分離的控制算法，即在適當的時候加入或去掉積分作用，以提高控制精度。

　　位置式的積分分離算法為：PIDDODIOD4000D100B標值測定值控制參數結果值<：時積分作用隨偏差的增大逐漸減小，從而系統獲得較好的動態特性和穩態特性。

　　1.3PLC實現的PID控制器PLC中實現PID控制算法可以使用PID功能指令，本系統采用信捷XC5-32了型PLC調用PID控制程序。信捷XC5-32了型PLC的PID運算指令包括源操作數、、和目標操作數D.和分別用來存放目標值S和測定值只；+43分別用來存放控制參數的值，即采樣周期了、作用方向、輸入濾波常數、比例增益、積分時間、微分增益和微分時間等。信捷XC5-32了型PLC的PID功能指令見。

　　控制參數都可以通過信捷編程軟件Xcppro方便地設置。另外信捷PLC具有參數自整定功能、PID控制死區、PID運算范圍等也可以通過Xcppro設置。其中PID運算范圍的意義是系統在運行時，一開始處于PID全開階段，即以最快的速度（默認為4 095）接近目標值，當達到PID的運算范圍時，參數Kf、乃、T開始起控制作用。控制死區功能實現了改進的PID控制算法，其意義是當測量值長時間沒有明顯變化時，PID停止運算，輸出值保持恒定，只有偏差變化量達到一定值時才開始PID運算。

　　PID指令參數設置對話框如所示。

　　2進給自動控制系統的設計2.1進給自動控制系統構成自動砂輪切割機進給速度控制系統如所示，由PLC、步進電機、步進驅動器、滾動絲杠副、力傳感器等構成。切割時由PLC發出一定頻率的脈沖到步進驅動器，再由驅動器驅動步進電機，步進電機帶動滾動絲杠旋轉，經過滾動絲杠副將旋轉運動轉化為直線進給運動。其中力傳感器測量當前切割力，將測量到的切割力通過A/D轉換模塊輸入到PLC，再經PLC進行PID運算，輸出控制量，再轉化為輸出脈沖頻率值，控制步進電機的轉速，從而控制進給速度。

　　脈沖頻率值，PID運算輸出值，PID最大輸出值，設定最大速度對應的頻率值。PID的輸出為數字量，將其經過上式進行數據轉換即為步進電機的驅動脈沖頻率，從而實現了進給速度的自動控制。

　　基于以上原理，進給速度自動控制系統實現的過程應該是這樣的：初始砂輪片沒有與工件接觸，測量到的切割力為，PID輸出最大值，即以設定的最大進給速度進給。當砂輪片與工件接觸后力傳感器測量到切割力，當切割力達到設定的PID運算范圍后PID運算開始起作用，隨著切割力接近設定的最大切割力PID運算的輸出開始減小。當超過最大切割力時輸出為，即停止進給。在砂輪片與工件接觸過程中，切割力應該穩定在最大切割力附近，不應該有太大波動，但進給速度是時時變化的，實現了進給速度的自控控制。

　　3實際應用安裝調試好系統后，進行切割試驗，所選用的工件為截面不規則的零件。首先設定最大切割力為150N、最大進給速度500mm/min，然后啟動砂輪切割機讓其自動進給切割工件。利用信捷觸摸屏的監控功能可以監控工件切割過程中切割力和進給速度的變化趨勢。其中曲線只代表變化趨勢，不代表實際值。

　　即截面面積變化越大，節約時間越長。因為自動控制系統可以根據砂輪片與截面的接觸面積產生的切割力自動調節進給速度，不必關心是否會損壞砂輪片。所以采用PID控制的砂輪切割機進給速度自動控制系統提高了切割效率。

　　4結論在自動砂輪切割機中引入PID控制可以實現進給速度的自動控制，使進給速度與切割力相匹配，操作人員不必為不同的工件隨時調整進給速度。速度自動控制系統可以在切割力大于設定值時自動降低進給速度，保證不損壞砂輪片，提高切割效率。實際應用表明采用PID控制器控制砂輪切割機的進給速度切實可行，不論工件形狀如何，只要根據砂輪能承受的最大切割力設定允許切割力，進給速度自動控制系統就能根據采集到的切割力值時時調整進給速度，明顯提高了砂輪切割機的切割效率，具有一定的實用意義。