DF（PLC）-I型控制系統(tǒng)，是采用小型PLC控制的數(shù)控飛鋸電氣控制系統(tǒng)，被授予國家專利。

　　DF（PLC）-I型控制系統(tǒng)采用了獨(dú)特設(shè)計(jì)的柔性控制技術(shù)，小車起、制動(dòng)加速度和回程限幅速度隨機(jī)組線速度和定尺長度自動(dòng)計(jì)算、自動(dòng)控制，從而有效地減小了飛鋸機(jī)械沖擊和磨損，可提高機(jī)械使用壽命。同時(shí)由于無需人工干預(yù)，控制系統(tǒng)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)柔性控制，給用戶使用帶來了方便。筆者將就此控制技術(shù)作些介紹和探討。

1 數(shù)控飛鋸柔性控制原理

　　我們知道，理想定位系統(tǒng)線性加速的過程，其起、制動(dòng)距離是最短。圖1是飛鋸小車在一個(gè)鋸切周期的速度運(yùn)行圖。

圖1鋸車鋸切周期速度變化示意圖

　　其中（t₂ ~ t₃）同步段的時(shí)間由夾緊、鋸切、抬鋸、松夾控制外，其它四個(gè)曲線段的加、減速斜率和回程速度限幅值1b的大小均可采取柔性控制。其中最重要和最為復(fù)雜的是正向起動(dòng)段加速斜率的控制。

　　我們以一個(gè)實(shí)例來加以說明。比如當(dāng)一個(gè)機(jī)組最高線速度V_am=100m/min=1.667m/S時(shí)，前提是使用的數(shù)控飛鋸驅(qū)動(dòng)裝置、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和飛鋸機(jī)械配合時(shí)，可以在小于或等于0.4S內(nèi)由停止起動(dòng)到加速達(dá)到同步速度v_am，那么我們?cè)诳刂葡到y(tǒng)中可以將v_am =1.667m/S 作為機(jī)組線速度，把正向起動(dòng)加速時(shí)間控制為0.4S，由此可以計(jì)算出小車正向起動(dòng)的加速度為：a=v_a/△t=1.667+0.4=4.167m/S²，并可以計(jì)算出，小車在△t=0.4S 時(shí)間內(nèi)線性加速時(shí)的距離為：S=v_am*△t+2=0.333 m（即為圖l 中的陰影部分面積）；鋼管在△t=0.4S 時(shí)運(yùn)行的長度為：L=v_am*△t =0. 6667m。由于vam=100m/min 為飛鋸機(jī)械可以達(dá)到的最高線速度，也是飛鋸機(jī)械允許的機(jī)組最高線速度，那么飛鋸小車的極限加速度為4.167m/S2。目前一般數(shù)控飛鋸的電氣控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)，將正向起動(dòng)加速度固定為極限加速度不變，即不論機(jī)組實(shí)際運(yùn)行線速度如何變化，正向起動(dòng)加速度是固定的極限加速度。同樣小車回程速度的限幅值也是按照最高線速度來選擇最大值而固定不變的。這樣不論機(jī)組線速度如何變化，正向起動(dòng)加速度、回程速度限幅值都是處于最大值。而機(jī)組實(shí)際線速度在最高值運(yùn)行的時(shí)間一般較少，較多的是在（0.2~0.8）v_am范圍內(nèi)使用。同樣定尺長度也在2~20m 范圍內(nèi)變化。所以上述設(shè)計(jì)方法雖然控制簡單，但是導(dǎo)致數(shù)控飛鋸機(jī)械低速運(yùn)行時(shí)過大的機(jī)械沖擊和磨損，同時(shí)實(shí)踐表明，過大的機(jī)械沖擊還帶來實(shí)物定尺偏差的增大。我們可以理解：為滿足精確定尺和正常運(yùn)行，我們應(yīng)該要求小車返回時(shí)必須在起始位置有一個(gè)穩(wěn)定的停留時(shí)間，但是這一穩(wěn)定停留時(shí)間的長短對(duì)定尺精度并無影響。我們由此可以要求這一停留時(shí)間盡可能的短一些，這樣就有可能在機(jī)組線速度降低時(shí)，允許把加（ 減）速度、回程速度限幅值成比例地降低。而降低的程度（ 比例的選擇）以確保小車返回時(shí)在起始位置仍有一定的停留時(shí)間即可。同理，在機(jī)組線速度不變時(shí)，設(shè)定長度變長，那么數(shù)控飛鋸一個(gè)鋸切周期變大，則也可以相應(yīng)的降低加（ 減）速度和回程速度限幅值。上述就是實(shí)現(xiàn)柔性控制的原理所在。

2 鋸切過程的柔性控制

　　2.1 正向起動(dòng)加速度的控制

　　圖2為正向起動(dòng)的運(yùn)行圖，我們僅以機(jī)組線速度變化為例來加以說明。

圖2鋸車正向起動(dòng)運(yùn)行速度示意圖

　�。�1）當(dāng)選擇機(jī)組線速度v_al= 100m/min=1.667m/S、起動(dòng)時(shí)間△t₁=t₂-t₁ = 0.4S時(shí)，加速度a₁= 4.167m/S²，小車起動(dòng)距離S₁=0.333m，鋼管運(yùn)行長度L₁=0. 6667m。

　　現(xiàn)在定尺長度不變，而機(jī)組線速度改變?yōu)関_a2= 50m/min=0.833m/S，加速度仍選擇a₁=4.167m/S²時(shí)，可求出：小車由停止到起動(dòng)達(dá)到同步的加速時(shí)間△t₂=t₃-t₁ =v_a2/a₁=0.2S，小車起動(dòng)距離S₂=v_a2*△t₂/2=0.0833 m，鋼管運(yùn)行長度L₂ = 2*S₂=0.1667 m。

　　上述兩種不同線速度情況相比較：△t₂ =0.5△t1；S₂=0.25S1；L₂=0.25L1。

　　比較結(jié)果表明：小車達(dá)到同步的時(shí)間和達(dá)到同步的起動(dòng)距離都成比例下降。但是由于飛鋸機(jī)械的有效行程的大小是按機(jī)組最高線速度和鋸切、抬鋸時(shí)間等因素來設(shè)計(jì)的，即齒條的長度和飛鋸床身的長度是一定的，所以小車同步時(shí)間和小車起動(dòng)距離的減小并無太多實(shí)際的好處，帶來的結(jié)果只是小車在起始位置停留的時(shí)間更長一些而已。而此時(shí)加速度a=a1，則機(jī)械沖擊程度和va= va1=1.667m/S時(shí)相同，而加速度過大造成的機(jī)械損害則是嚴(yán)重的。在機(jī)組線速度為100m/min時(shí)，因?yàn)楦咚龠\(yùn)行，其必須要求加速度a 比較大，這樣才能滿足數(shù)控飛鋸正常運(yùn)行。而在機(jī)組線速度為50m/min 時(shí)，由于線速度下降一半，則可以將加速度同比例降下來，也可以滿足數(shù)控飛鋸的正常運(yùn)行

　�。�2）當(dāng)我們選擇v_a=v_a2=50m/min=0.833m/S，a=0.5a1=2.083m/S² 時(shí)，那么可知此時(shí)小車達(dá)到同步的時(shí)間△t=△t₁=0.4S。由此可計(jì)算出：S=v_a*△t/2=0.1667m；L=2*S=0.333m。和va1=100m/min，a₁= 4.167m/S2 相比較，可知：va =0.5v_a1；a= 0.5a₁；△t = △t₁；S=0.5S₁；L=0.5L₁。

　　由于加速度a下降一半，則正向起動(dòng)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩可以下降一半，機(jī)械沖擊明顯下降。柔性控制的曲線并不是唯一的，應(yīng)根據(jù)實(shí)際可能進(jìn)行設(shè)計(jì)選擇。我們根據(jù)數(shù)控飛鋸控制系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)可以求出正向起動(dòng)的加速度a的表達(dá)式，而閉環(huán)傳遞函數(shù)中幾乎所有參數(shù)都可以對(duì)加速度a發(fā)生影響。這樣就應(yīng)該選擇一個(gè)或兩個(gè)最容易來實(shí)現(xiàn)控制的參數(shù)，根據(jù)機(jī)組線速度的實(shí)際值、定尺長度的設(shè)定值來進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算、自動(dòng)調(diào)整。

　�。�3）對(duì)于正向起動(dòng)曲線實(shí)現(xiàn)柔性控制，我們?cè)�做過二個(gè)方案的實(shí)驗(yàn)。

　　方案一：選擇位置環(huán)內(nèi)一或兩個(gè)參數(shù)來進(jìn)行加速度控制。這樣的結(jié)果是位置環(huán)的輸出曲線的斜率如圖2 所示，自動(dòng)隨線速度、定長而改變。

圖3鋸車?yán)硐刖�性加速示意圖 

　　方案二：位置環(huán)內(nèi)參數(shù)不改變，只是在位置環(huán)輸出后面添加一個(gè)加速度限制環(huán)節(jié)。如果v_a = v_a2= 50m/min 時(shí)，位置環(huán)輸出的曲線斜率仍為a=4.167m/S²，而加速度限制環(huán)節(jié)設(shè)定的加速度為a'=2.083 m/ S2 的曲線運(yùn)行，由于a>a'，將導(dǎo)致位置環(huán)輸出超調(diào)，小車運(yùn)行速度的最大值將超過v_a = 50 m/ min，從而使同步調(diào)整時(shí)間加大，當(dāng)隨著（a-a'）/a比值的增加，則位置環(huán)輸出超調(diào)將趨于嚴(yán)重，并可能導(dǎo)致定尺偏差的增大。

　　上述兩種方案經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明，第一種方案較好，但控制復(fù)雜。我們?cè)贒F（PLC）-I型控制系統(tǒng)中使用軟件方法綜合了兩種方案，首先在位置環(huán)內(nèi)對(duì)正向起動(dòng)加速度進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算、自動(dòng)調(diào)整，使v_a = v_a1=100m/min 時(shí)，位置環(huán)輸出曲線的斜率為加速度a=a₁=4.167m/S²，當(dāng)v_a=v_a2=50m/min 時(shí)，將輸出曲線的斜率自動(dòng)控制為加速度a=a₂= 2.083m/S²。其次在位置環(huán)后面添加了加速度限制環(huán)節(jié)，選擇為a'>a ，即在v_a=v_a1=100 m/ min 時(shí)，加速度限制環(huán)節(jié)自動(dòng)設(shè)定加速度a'> 4.167m/S²。這樣，加速度限制環(huán)節(jié)并不去改變位置環(huán)輸出曲線的斜率，其作用只是為了保護(hù)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和機(jī)械，避免產(chǎn)生非正常的過大的加速度。

　　2.2 沖擊的控制

　　我們知道在位置伺服系統(tǒng)中，沖擊r定義為：r=da/ dt

　　在圖3 所示的理想線性加速時(shí)，雖然其起動(dòng)距離最短，但是在t=t1、t=t2時(shí)有兩個(gè)拐點(diǎn)，沖擊值很大。為了減小沖擊，則應(yīng)使拐點(diǎn)平滑過渡。我們?cè)贒F（PLC）-I型控制器中實(shí)現(xiàn)圖4 所示的控制，即在t₁~t₂時(shí)間段加速度線性增長，在t₃~t₄時(shí)間段加速度線性下降，從而達(dá)到對(duì)沖擊值的限制。（t₁~t₂）和（t₃~t₄）時(shí)間段的大小，將影響沖擊值的大小。時(shí)間段取值大一些，沖擊值將小一些，但小車從停止到起動(dòng)達(dá)到同步的時(shí)間將加長，小車達(dá)到同步時(shí)的起動(dòng)距離將加大。所以這兩個(gè)時(shí)間段的大小應(yīng)綜合考慮，一般在飛鋸機(jī)械有效行程較長時(shí)，可以適當(dāng)加大。反之則減小。

圖4鋸車實(shí)際線性加速示意圖 

　　2.3 回程速度限幅值和其它曲線段的柔性控制

　　當(dāng)對(duì)正向起動(dòng)段的加速度、沖擊控制有了深入的了解后，那么回程速度限幅值和其他曲線段的柔性控制就十分容易理解了，二者控制的原理是相同的。

3 結(jié)束語

　　焊管、冷彎機(jī)組的規(guī)格型號(hào)很多，要設(shè)計(jì)一個(gè)通用的控制程序去適應(yīng)各種規(guī)格的機(jī)組應(yīng)用，需要我們?nèi)プ龃罅康膶?shí)驗(yàn)工作，采集大量數(shù)據(jù)，并由此建立一個(gè)適用性廣的數(shù)學(xué)模型，從而實(shí)現(xiàn)適用于各種規(guī)格數(shù)控飛鋸的柔性控制。實(shí)踐表明，我們已達(dá)到既定的目標(biāo)。采用柔性控制后，數(shù)控飛鋸運(yùn)行柔和平穩(wěn)，提高了機(jī)械壽命，也提高了定尺精度。  

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