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埋件钢筋热镦机自动化控制系统的设计

2024-08-21 52 上传者：管理员

摘要：针对埋件钢筋热镦机在不确定性和噪声干扰下的稳定运行需求，设计了一种自动化控制系统。该系统通过位置与温度传感器采集实时运行状态数据，利用微处理器和现场可编程门阵列实现数据的预处理，并结合模糊PID控制算法计算出自动化控制量。实验结果表明，该系统能有效控制加热温度和钢筋位置，使二者迅速达到预设值。在噪声干扰条件下，系统仍能保持顶镦杆速度和砧子速度的稳定，并实现了顶镦杆速度和砧子速度不同程度的精度提升，显著提高了埋件钢筋的加工质量。

关键词：
可编程逻辑
埋件钢筋
控制系统
模糊PID
热镦机
自动化
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埋件钢筋热镦机自动化控制系统对于提升生产效率、降低成本和产品质量至关重要[1-3]。权国政等建立热镦机控制模型，用NSGA-II求解得优化方案，但NSGA-II对噪声和不确定性处理受限，影响稳定性[4-5]。史晓娟等结合STM32微控制器和LabVIEW实现高效自动化控制，但环境噪声可能导致数据失真和控制精度下降[6]。周兰等引入降阶扩张状态观测器提高系统响应速度，但噪声干扰仍可能导致状态估计偏差，降低控制精度[7]。因此，需优化控制策略应对不确定性和噪声干扰。

可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller,PLC）以编程灵活性和高可靠性为核心，结合模糊PID控制算法的鲁棒性，设计埋件钢筋热镦机自动化控制系统。该系统能够应对工作环境中温度、材料性质等变化，确保热镦机在噪声干扰下稳定运行，提高加工质量和可靠性[8]。

1、埋件钢筋热镦机自动化控制系统

1.1埋件钢筋热镦机自动化控制器设计

埋件钢筋热镦机自动化控制系统的核心为PLC自动化控制器，依据PLC的编程灵活性与高可靠性等优势，可提升埋件钢筋热镦机自动化控制的稳定性。PLC自动化控制器的结构如图1所示。

图1 PLC自动化控制器结构

通过ARM与FPGA设计PLC控制器，其中，FPGA属于PLC的协调处理器，PLC利用输入单元，将埋件钢筋热镦机运行状态数据传输至FPGA内，通过FPGA对其进行预处理后，经由板上总线传输至ARM内，应用FPGA可提升PLC的数据传输与处理效率，提升PLC控制器的稳定性。ARM采用模糊PID控制算法，结合接收的热镦机运行状态数据，得到埋件钢筋热镦机自动化控制量，并将其转换成自动化控制指令，经由输出单元传输至埋件钢筋热镦机的执行机构内。ARM的硬件结构如图2所示。

图2 ARM的硬件结构

ARM中地址寄存器用于存储内存地址，以便ARM处理器可以访问和操作相应的埋件钢筋热镦机运行状态数据。地址增加器用于在执行访问操作时，自动修改地址寄存器中的值[9]。寄存器组属于ARM中的临时存储单元，用于快速访问埋件钢筋热镦机运行状态数据，提高ARM的执行效率。桶形移位器用于对埋件钢筋热镦机运行状态数据进行位移操作[10]。算术逻辑单元用于执行模糊PID控制算法的逻辑运算。写数据寄存器用于存储与处理埋件钢筋热镦机运行状态数据相关的中间结果。指令译码器负责将程序计数器中存储的指令地址所对应的指令从内存中取出后进行译码[11]，即将模糊PID控制算法输出的埋件钢筋热镦机自动化控制量，转换成对应的控制指令。控制逻辑负责将自动化控制指令，经由输出单元，传输至对应的执行机构内。时钟信号用于同步ARM各单元间的操作。配置大端字节序用于设置配置大端模式的控制信号[12]。锁定信号用于锁定某些资源或操作，防止并发冲突。写操作控制信号用于指示ARM向内存或其他存储设备写入埋件钢筋热镦机运行状态数据。输出与输入用于与外部调试工具进行通信。TCP握手用于建立ARM内部的通信协议[13]，确保埋件钢筋热镦机运行状态数据的正确传输。ABORT信号用于中断或终止某些操作。FPGA的硬件结构如图3所示。

图3 FPGA的硬件结构

USB接口是一种硬件设备，用于将计算机与FPGA开发板连接起来，实现埋件钢筋热镦机运行状态数据传输、编程和调试等功能。Flash存储器用于存储配置文件。当FPGA上电或复位后，它需要加载这些配置文件才能开始工作[14]。SDRAM是一种高速、易失性存取存储器，用于存储埋件钢筋热镦机运行状态数据预处理的中间结果、变量或缓存数据。总线桥用于连接不同总线标准的桥接器[15]，允许FPGA内不同组件之间进行有效的通信和数据传输。UART接口用于实现串行通信。调试单元是一个用于FPGA编程和调试的硬件单元，实现对FPGA的配置和调试。中央处理器是FPGA的核心部分，负责处理埋件钢筋热镦机运行状态数据和协调其他组件的操作，它通过读取和执行程序来控制整个FPGA的行为。通信总线用于连接FPGA内部的不同组件和外部设备，确保埋件钢筋热镦机运行状态数据在FPGA中的高效传输。UART是一个串行通信协议，用于在设备之间进行异步通信。定时器单元1与2分别用于产生精确的时间延迟与周期性中断。Flash接口是FPGA与PLC内Flash存储器之间的连接接口，它允许FPGA读取和写入Flash存储器中的埋件钢筋热镦机运行状态数据。自定义IP核是用户根据特定需求设计的硬件加速器。SDRAM控制器用于管理SDRAM的访问和操作，确保埋件钢筋热镦机运行状态数据在SDRAM中的正确读写，并提供必要的接口和控制逻辑[16]。

1.2埋件钢筋热镦机自动化控制算法设计

PLC自动化控制器利用ARM中的模糊PID控制算法，结合埋件钢筋热镦机运行状态数据，得到热镦机自动化控制量，并转换成自动化控制指令，完成埋件钢筋热镦机的自动化控制。埋件钢筋热镦机自动化控制主要包括温度控制、机械运动控制与工艺参数控制。热镦机工作时需要对钢筋进行加热处理，对钢筋进行夹持、送进、镦粗等机械动作，以达到合适的塑性变形温度，提升埋件钢筋加工质量；同时还需要根据不同的钢筋规格和加工要求，设置不同的工艺参数，如送进速度、镦粗力、镦粗时间等。因此，在模糊PID控制算法内，分别输入温度误差、位置误差与工艺参数误差，输出对应的温度控制量、位置控制量、工艺参数控制量。其中，温度误差e1是指设定目标温度T与实际钢筋温度T之间的差异。位置误差e2是指设定目标位置X与实际钢筋位置X之间的差异。工艺参数误差e3是指设定顶镦杆速度、顶镦力、砧子速度等工艺参数C和实际工艺参数C间的差异。通过位置、温度、光电等传感器，采集埋件钢筋实际位置、温度与顶镦杆速度等运行状态数据，并经由输入（I）/输出（O）设备，传输至PLC的FPGA内，通过FPGA预处理后传输至ARM内，ARM利用模糊PID控制算法，得到埋件钢筋热镦机自动化控制量。(e1,e2,e3)和(e1,e2,e3)的变化量(Δe1,Δe2,Δe3)为输入，输出埋件钢筋热镦机温度、位置与工艺参数控制量(u1,u2,u3)。依据隶属度加权平均判决法，确定(e1,e2,e3)和(Δe1,Δe2,Δe3)的语言变量(E1,E2,E3)、(ΔE1,ΔE2,ΔE3)，公式如下：

其中，埋件钢筋热镦机运行状态数据样本编号与数量分别为i、n；隶属度函数为μ。

依据(E1,E2,E3)和(ΔE1,ΔE2,ΔE3)确定比例、积分、微分系数的调整量ΔKP、ΔKI、ΔKD，并和PID基础的KP、KI、KD相加，得到最终的比例、积分、微分系数通过模糊PID算法得到埋件钢筋热镦机温度、位置与工艺参数控制量(u1,u2,u3)，公式如下：

1.3埋件钢筋热镦机自动化控制系统实现流程

结合设计的PLC自动化控制器，以及模糊PID控制算法，设计埋件钢筋热镦机自动化控制系统，该系统的实现流程如图4所示。

埋件钢筋热镦机自动化控制的具体步骤如下：

步骤一在埋件钢筋热镦机自动化控制系统中，输入用户的控制需求，并确定用户I/O设备。

步骤二设计PLC的硬件配置，并按照确定的用户I/O设备分配I/O点。

步骤三通过位置、温度、光电等传感器，采集埋件钢筋实际位置、温度与顶镦杆速度等运行状态数据。

步骤四通过分配的I/O点，接收传感器采集的埋件钢筋热镦机的运行状态数据，输出PLC向埋件钢筋热镦机发送的控制指令。

图4埋件钢筋热镦机自动化控制系统的实现流程

步骤五设计梯形图，用于实现控制逻辑的可视化和简化编程过程。

步骤六通过ARM与FPGA设计PLC控制器，利用PLC内的FPGA预处理I/O点接收的埋件钢筋热镦机运行状态数据，通过ARM内部的模糊PID控制算法，结合运行状态数据预处理结果，得到埋件钢筋热镦机自动化控制量，并将其转换成自动化控制指令。

步骤七执行机构依据自动化控制指令，驱动加热元件、机械传动系统、液压缸等部件，自动化控制埋件钢筋热镦机的加热温度、钢筋位置以及顶镦杆与砧子速度等运行参数。

步骤八分析热镦机自动化控制结果，若符合控制需求，则输出自动化控制结果；反之，返回步骤五。

2、性能分析

以YDCJ-40型号的热镦机为实验对象，利用系统自动化控制该热镦机的埋件钢筋加工过程，提升埋件钢筋的加工质量。

自动化控制实验环境中，热镦机的主要技术参数如表1所示。

利用文中系统采集该热镦机的运行状态数据，以加热电流为例，运行状态数据采集结果如图5所示。

表1主要技术参数

从图5可以看出，系统具备加热电流数据采集的有效性，为后续埋件钢筋热镦机自动化控制提供基础数据。

图5加热电流采集结果

在无干扰情况下，利用系统自动化控制该热镦机的埋件钢筋加工过程，以加热温度与钢筋位置为例，设定加热温度为1 100℃，设定位置为钢筋端头与镦头距离50 mm，钢筋水平位置，即台面一侧到钢筋中心的距离为400 mm，垂直位置为钢筋顶部距离工作台面100 mm。热镦机自动化控制结果如图6所示。

从图6(a）可以看出，文中系统可有效自动化控制热镦机埋件钢筋加工时的加热温度，在6 s左右时，加热温度便上升至1 100℃左右，且加热温度始终在温度范围界限之内波动。在加工中，快速且均匀的加热是确保加工质量和效率的关键因素，文中系统的高效加热速度有助于减少加工周期，提高生产效率。

从图6(b）可以看出，文中系统可有效自动化控制热镦机埋件钢筋加工时的位置，大概在3～7 s时，文中系统便可将钢筋移至设定的水平位置、垂直位置，以及钢筋端头与镦头间隔的指定位置，偏差较小，这确保了钢筋在加工过程中不会因为位置偏差而导致加工错误或不稳定，可以保证加工质量和产品的一致性。同时也确保了加工过程的稳定性和可靠性。

图6埋件钢筋热镦机自动化控制结果

使用信号发生器产生电磁噪声，将其加入到控制系统的输入信号中，模拟电气干扰，分析在噪声干扰情况下，文中系统的自动化控制效果，以顶镦杆速度与砧子速度为例，自动化控制结果如图7所示。

图7干扰环境下热镦机自动化控制结果

从图7可以看出，在存在噪声干扰的环境下，文中系统依旧可有效自动化控制热镦机的埋件钢筋加工过程，令热镦机的顶镦杆速度与砧子速度，均达到设定值，说明在噪声干扰下，经过系统控制后，可提升热镦机运行的稳定性，利于提升埋件钢筋的加工质量。

3、结束语

为提高埋件钢筋加工质量，设计埋件钢筋热镦机自动化控制系统，依据PLC和模糊PID算法的优势，精确控制加热温度、位置和砧子速度等关键参数，确保钢筋在加工过程中达到最佳的工艺状态，大大缩短加工周期，提高加工产量。随着技术的不断进步和应用场景的不断拓展，埋件钢筋热镦机自动化控制系统仍有很大的优化空间。例如，可以通过引入更先进的控制算法、优化传感器布局和提高系统响应速度等方式来进一步提升系统的性能和可靠性。

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