基于PLC的自动喷砂机伺服控制系统研究.pdf

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1、第38卷第6期石油工程建设63基于PLC的自动喷砂机伺服控制系统研究王克宽112，吕喜军3，龙斌一，唐德渝，2，相政乐3，刘明珠1'2(1．中国石油集团工程技术研究院，天津300451；2．中国石油集团海洋工程重点实验室，天津300451；3．中国海洋石油能源发展管道工程公司，天津300452)摘要：针对自动喷砂除锈机伺服控制系统的设计要求，进行了机构的正逆运动学分析及非线性分析，在此基础上，提出了三闭环控制方案，并建立了控制系统的模型利用MATLAB分析软件，对控制系统进行了仿真分析，并根据仿真分析结果进行了控制系统的应用试验。试验结果表明，自动喷砂除锈机伺服控制系统具有良好的运行特性．

2、满足设备的各项要求关键词：自动喷砂除锈机；运动学；伺服控制；三闭环控制；仿真doi：10．3969／j．issn．1001-2206．2012．06．0160引言式机构运动系统结构示意见图1．图中A为运喷砂除锈是目前管道涂装表面预处理的主要动系统本体．B为运动系统移动导轨．C为管方法海底管道的补1：3区域作为整个管道防腐的道．D为喷砂补口区。由图1可知。运动系统的瓶颈部位．其表面除锈处理的质量直接影响海底进给方式包括沿轨道运行方向的回转进给．沿管管道失效事故发生的频率『1]。目前，干喷砂除锈技道轴向的轴向进给当运动系统沿着导轨做圆周术由于其环境污染严重．危害人体健康而逐渐被运动时．其回转进

3、给运动可以转化为绕管道轴向限制使用：湿喷砂除锈技术和超高压水除锈技术的旋转运动．旋转半径为r+rln建立坐标系和虽然避免了环境污染．但是湿喷砂后易产生浮锈．系统机构如图2所示．则机器人的运动可以简化而超高压水除锈技术价格高昂．还不能被广泛采为关节l绕轴的旋转运动．关节2沿轴的平用『2l。移运动环保型管道自动喷砂除锈机的开发为解决上述问题提供了有效途径作为一种管道补I：3自动除锈装置．可在最大范围内减少环境污染，改善工人劳动环境，提高作业效率，并保证补1：3质量。由于自动喷砂机通常在工况条件恶劣的环境中使用．这对控制系统提出了更高的要求，其控制系统的优劣决定了设备的整体性能．并影响喷砂除锈的

4、最终效果本文在喷砂除锈机运动学分析的基础上．提图1运动系统结构不恿出了三闭环控制系统方案和非线性应对措施。保证了系统的控制精度和响应速度．有效地抑制随1．2自动喷砂除锈机的运动学分析机干扰．实现自动喷砂除锈机的可靠运行。根据图2中所示结构进行系统的运动学分1自动喷砂除锈机析[3]．并在此基础上讨论其控制系统的研究与应1．1自动喷砂除锈机的组成及结构用。由图可知，沿轴和沿轴的运动量分别为自动喷砂除锈机运动系统可简化为一类串联和Z；绕轴的旋转角度为0，旋转半径为r+r。石油工程建设启动特性和电流、转矩的动态过程。控制系统原理见图3。P2位置图2机构简图图3三闭环伺服控制系统原理示意根据坐标旋转

5、变换法则．绕轴的旋转矩阵为：对速度环和电流环组成的闭环结构而言．电流环作为内环．速度环作为外环．把转速调节器的输出『100]2R(，0)=l0COS0一sin0l当作电流调节器的输入，其构成转速、电流双闭环调速系统。作为内环的电流调节器．在外环转速的调节沿轴的平移矩阵为：过程中．它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压(即『f]外环调节器的输出量)变化．对电压的波动起及时抗Pf=l【0l0J扰的作用．在调速动态过程中．保证获得电机允许的末端点P2的矢量方程为：最大电流．从而加快动态过程对位置环和速度环组P2=，RP+Pl成的闭环结构而言．速度环作为内环．位置环作为外其中．P为关节2所在的位置点相

6、对于该坐标环，其构成位置、速度双闭环定位系统。转速、电流双闭环调速系统结构如图4所示『0]系的位置矢量，P=l0l【r+r1J『100]f0]『Z]所以，P2=0COS0一sin00+10}l0sin0COS0Jlr+rJl0J整理后，=[薹]=[一r+．基]注：U为电压：，为电流由上式推出运动学模型为：图4转速、电流双闭环调速系统结构f2=22．2非线性分析{y2=一(r+r1)·sin0非线性对系统的性能有很大的破坏作用．甚至【z2=(r+r1)·COS0可以导致系统无法正常工作嘲按照控制系统结构将上式反解，推出逆运动学模型为：的外围组成．本系统属于典型的双闭环(位置环和1f0=一ar

7、cs1n—L10=arcc0s—墨Lr+r1戥{r+r1速度环)控制系统．对于参数变化和扰动对系统【Z=2【f-2状态的影响．除了依靠系统自身抑制外．还需采用2控制系统设计软件滤波的方式加以有效抑制．将来自外部的干扰2．1三闭环控制系统信号视作无效信号予以去除[6-71在系统内部．非本系统控制的核心是要进行精确的位置控制．线性包括摩擦非线性、间隙非线性、死区非线性和而响应的快速性、灵活性、准确性是位置控制的主饱和非线性等