基于PID的砂轮切割机进给自动控制系统

　　基于PID的砂轮切割机进给自动控制系统李宁，孙维连，孙铂（河北农业大学机电工程学院，河北保定071001）切割机进给自动控制系统。该系统可以通过检测切割力及时调整进给速度，使切割力保持在设定值附近；在不损坏砂轮片的情况下，尽快切割完工件，从而节约能源而又保护了砂轮片。其控制过程是当切割力小于设定值时增加进给速度，切割力接近或大于设定值时降低进给速度。该系统利用PLC的PID指令控制砂轮切割机的进给速度，以切割力为控制目标，进给速度为PID控制器的输出，实现了进给速度的自动调整。操作人员不需要根据实际工件的截面尺寸来设定切割速度，只需根据砂轮片能承受的最大切割力来设定最大切割力和最大进给速度，进给自动控制系统可以根据实际切割力自动调整进给速度。实践表明，采用PID控制砂轮切割机的进给速度切实可行，提高了切割效率，具有一定的实用价值。

　　通讯作者：孙维连（1956-），男，博士，教授，博导。主要研宄方向为金属组织强化、分析与制备，机械零件失效分析，机电一体化技术。

　　TD.PID控制根据设定值与测定值的差产生控制量，使输出尽快恢复到设定值>7.对于砂轮切割机主要是控制其进给速度，使速度与切割力相匹配，要求使切割力稳定在一定值，这个值以不损坏砂轮片为上限。而进给速度是变化的，速度上升切割力也随之增加，速度下降切割力也随之下降，基于以上思想设计了一套砂轮切割机进给自动控制系统。

　　1PID控制原理1. 1PID控制算法由于PLC只能处理数字信号，所以首先要将PID控制算法离散化，离散化的PID控制算法为：-分别表示比例环节、积分环节、微分环节；Kp、T、Ti、Td分别表示比例系数、采样周期、积分时间常数、微分时间常数。

　　式（1）为位置式PID控制算法，实际使用中位置式PID算法存在一些不足之处，所以通常采用增量式PID算法。

　　增量式PID算法为：u（k1）―为了便于编程将其整理成如下形式：q1二q2二1.2改进的PID控制算法由控制论可知PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值S与实际输出反馈值只构成的偏差值，将偏差值的比例（P）、积分I）、微分（D）通过线性组合构成控制量，实现对被控对象的控制。在PID控制中，积分是的作用是消除静差、提高控制精度，但在过程的开始、结束或大幅增加设定值时，会产生积分积累，引起系统较大的超调甚至振荡，使系统的稳定性下降。为了消除积分作用的负面影响，增强系统的稳定性，当控制偏差较大时，如大于设定的某阈值e时，去掉积分作用；而当控制偏差较小时，加入积分作用，以消除静差。因此采取积分分离的控制算法，即在适当的时候加入或去掉积分作用，以提高控制精度。

　　位置式的积分分离算法为：PIDDODIOD4000D100B标值测定值控制参数结果值<：时积分作用随偏差的增大逐渐减小，从而系统获得较好的动态特性和稳态特性。

　　1.3PLC实现的PID控制器PLC中实现PID控制算法可以使用PID功能指令，本系统采用信捷XC5-32了型PLC调用PID控制程序。信捷XC5-32了型PLC的PID运算指令包括源操作数、、和目标操作数D.和分别用来存放目标值S和测定值只；+43分别用来存放控制参数的值，即采样周期了、作用方向、输入滤波常数、比例增益、积分时间、微分增益和微分时间等。信捷XC5-32了型PLC的PID功能指令见。

　　控制参数都可以通过信捷编程软件Xcppro方便地设置。另外信捷PLC具有参数自整定功能、PID控制死区、PID运算范围等也可以通过Xcppro设置。其中PID运算范围的意义是系统在运行时，一开始处于PID全开阶段，即以最快的速度（默认为4 095）接近目标值，当达到PID的运算范围时，参数Kf、乃、T开始起控制作用。控制死区功能实现了改进的PID控制算法，其意义是当测量值长时间没有明显变化时，PID停止运算，输出值保持恒定，只有偏差变化量达到一定值时才开始PID运算。

　　PID指令参数设置对话框如所示。

　　2进给自动控制系统的设计2.1进给自动控制系统构成自动砂轮切割机进给速度控制系统如所示，由PLC、步进电机、步进驱动器、滚动丝杠副、力传感器等构成。切割时由PLC发出一定频率的脉冲到步进驱动器，再由驱动器驱动步进电机，步进电机带动滚动丝杠旋转，经过滚动丝杠副将旋转运动转化为直线进给运动。其中力传感器测量当前切割力，将测量到的切割力通过A/D转换模块输入到PLC，再经PLC进行PID运算，输出控制量，再转化为输出脉冲频率值，控制步进电机的转速，从而控制进给速度。

　　脉冲频率值，PID运算输出值，PID最大输出值，设定最大速度对应的频率值。PID的输出为数字量，将其经过上式进行数据转换即为步进电机的驱动脉冲频率，从而实现了进给速度的自动控制。

　　基于以上原理，进给速度自动控制系统实现的过程应该是这样的：初始砂轮片没有与工件接触，测量到的切割力为，PID输出最大值，即以设定的最大进给速度进给。当砂轮片与工件接触后力传感器测量到切割力，当切割力达到设定的PID运算范围后PID运算开始起作用，随着切割力接近设定的最大切割力PID运算的输出开始减小。当超过最大切割力时输出为，即停止进给。在砂轮片与工件接触过程中，切割力应该稳定在最大切割力附近，不应该有太大波动，但进给速度是时时变化的，实现了进给速度的自控控制。

　　3实际应用安装调试好系统后，进行切割试验，所选用的工件为截面不规则的零件。首先设定最大切割力为150N、最大进给速度500mm/min，然后启动砂轮切割机让其自动进给切割工件。利用信捷触摸屏的监控功能可以监控工件切割过程中切割力和进给速度的变化趋势。其中曲线只代表变化趋势，不代表实际值。

　　即截面面积变化越大，节约时间越长。因为自动控制系统可以根据砂轮片与截面的接触面积产生的切割力自动调节进给速度，不必关心是否会损坏砂轮片。所以采用PID控制的砂轮切割机进给速度自动控制系统提高了切割效率。

　　4结论在自动砂轮切割机中引入PID控制可以实现进给速度的自动控制，使进给速度与切割力相匹配，操作人员不必为不同的工件随时调整进给速度。速度自动控制系统可以在切割力大于设定值时自动降低进给速度，保证不损坏砂轮片，提高切割效率。实际应用表明采用PID控制器控制砂轮切割机的进给速度切实可行，不论工件形状如何，只要根据砂轮能承受的最大切割力设定允许切割力，进给速度自动控制系统就能根据采集到的切割力值时时调整进给速度，明显提高了砂轮切割机的切割效率，具有一定的实用意义。