梁曉輝，曹志偉

LIANG Xiao-hui, CAO Zhi-wei

（中國(guó)工程物理研究院化工材料研究所，綿陽(yáng) 621900）

0 引言

彈藥成型是采用成型裝備實(shí)現(xiàn)將炸藥粉體材料按照一定的配方壓制成固體材料。常采用的設(shè)備包括：材料試驗(yàn)機(jī)、液壓機(jī)與溫等靜壓機(jī)。液壓機(jī)與溫等靜壓機(jī)主要用于大型彈藥部件成型，相比之下，溫等靜壓機(jī)壓制的材料密度與均勻性好、工藝較短、壓制效率高但成本較高，而液壓機(jī)設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低但工藝過(guò)程長(zhǎng)[1]。

彈藥成型作業(yè)的特點(diǎn)是：工藝比較復(fù)雜、涉及設(shè)備多、危險(xiǎn)性較高、事故損傷性大。綜合考慮作業(yè)過(guò)程安全且不斷提高生產(chǎn)效率與產(chǎn)品質(zhì)量水平等因素，提高設(shè)備的數(shù)字化水平，實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行過(guò)程的透明化、可檢測(cè)性、故障自診斷性，對(duì)于提升彈藥成型制造水平具有十分重要意義。

綜合采用先進(jìn)控制、計(jì)算機(jī)與大數(shù)據(jù)等工程技術(shù)以及工藝管理、設(shè)備管理與企業(yè)管理等管理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)彈藥成型裝備數(shù)字化[2]。研究下位機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)底層控制；構(gòu)建上位機(jī)軟件，實(shí)現(xiàn)工藝編制與實(shí)時(shí)模擬、作業(yè)過(guò)程數(shù)據(jù)記錄與查詢等車間層管理；構(gòu)建管理層軟件，實(shí)現(xiàn)工藝、設(shè)備運(yùn)行過(guò)程、安全、質(zhì)量等管理功能；研究增壓過(guò)程壓力曲線控制方法，實(shí)現(xiàn)高精度曲線控制。

1 彈藥成型裝備介紹

彈藥成型裝備數(shù)字化系統(tǒng)的控制技術(shù)核心是研究壓力曲線控制算法[3]。以液壓機(jī)為彈藥成型裝備，開(kāi)展數(shù)字化系統(tǒng)研究。

1.1 液壓機(jī)特性

液壓機(jī)的常用動(dòng)作包括：快速運(yùn)行、慢速升壓、保壓、卸壓與回程等。該文以增壓過(guò)程為對(duì)象，研究壓力曲線控制。增壓過(guò)程的主要元部件或者裝置包括：高壓泵、換向閥、比例流量閥、比例溢流閥、插裝閥與高壓工作缸。

1.2 液壓機(jī)增壓原理

高壓泵運(yùn)行產(chǎn)生高壓油液，換向閥控制高壓油路的方向，比例流量閥控制進(jìn)入高壓工作缸的介質(zhì)油流量。通過(guò)向定容量的高壓工作缸里不斷注入介質(zhì)油，實(shí)現(xiàn)高壓工作缸增壓。

增壓過(guò)程滿足液體壓縮公式[4]，如下：

式中V為工作缸的有效容積，V0為工作缸內(nèi)壓力達(dá)到P時(shí)需往缸內(nèi)注入的介質(zhì)油體積。

1.3 液壓機(jī)增壓控制方法

控制比例流量閥的開(kāi)口度，即可控制進(jìn)入高壓工作缸的介質(zhì)油體積，進(jìn)而控制升壓過(guò)程。采用連續(xù)型、自適應(yīng)閉環(huán)控制算法，由控制器實(shí)時(shí)計(jì)算比例流量閥開(kāi)口度，即可實(shí)現(xiàn)升壓過(guò)程曲線控制。

2 數(shù)字化系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

彈藥成型裝備數(shù)字化系統(tǒng)的目的是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)控制層、車間層與管理層分級(jí)控制[5]。系統(tǒng)總體構(gòu)架如圖1所示。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)控制層硬件設(shè)計(jì)

2.1 現(xiàn)場(chǎng)層設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)層完成設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)、控制與指示等功能。具體包括：液壓泵、電磁閥、比例閥等執(zhí)行部件單動(dòng)控制，手動(dòng)控制，壓力檢測(cè)與報(bào)警，真空泵控制與真空度檢測(cè)，安全聯(lián)鎖控制等。

2.1.1 現(xiàn)場(chǎng)層硬件設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)層硬件主要為智能儀表和以SIMATIC S7-300 PLC為主處理器的電氣控制系統(tǒng)。儀表實(shí)現(xiàn)壓力檢測(cè)、報(bào)警與安全控制；PLC主要實(shí)現(xiàn)按鈕、檢測(cè)開(kāi)關(guān)、執(zhí)行部件、傳感器等信號(hào)的輸入輸出、邏輯與數(shù)值計(jì)算、工藝數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。PLC與智能儀表通過(guò)RS232接口的Modbus協(xié)議實(shí)現(xiàn)通信?，F(xiàn)場(chǎng)層采用Profibus總線與車間層控制器通信。現(xiàn)場(chǎng)層硬件設(shè)計(jì)如圖2所示。

2.1.2 現(xiàn)場(chǎng)層軟件設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)層軟件采用SIMATIC Step7工具開(kāi)發(fā)，采用輪訓(xùn)式的程序結(jié)構(gòu)。各個(gè)功能塊在OB1里調(diào)用實(shí)現(xiàn)，中斷型程序在0.1秒中斷塊OB35實(shí)現(xiàn)，啟動(dòng)時(shí)執(zhí)行一次的程序在OB100里實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)場(chǎng)層控制軟件功能包括：手動(dòng)控制、自動(dòng)控制、壓力與真空傳感器檢測(cè)、壓力曲線控制、運(yùn)動(dòng)滑塊行程與速度測(cè)量、配方管理與安全聯(lián)鎖等?，F(xiàn)場(chǎng)層軟件流程圖如圖3所示。

2.2 車間層設(shè)計(jì)

車間層實(shí)現(xiàn)工藝人員的對(duì)設(shè)備的操作，主要包括：工藝數(shù)據(jù)參數(shù)設(shè)定、工藝模擬與曲線下載、過(guò)程自動(dòng)記錄保存與查詢、設(shè)備故障自診斷、狀態(tài)設(shè)定、設(shè)備運(yùn)行歷史記錄等功能。

2.2.1 車間層硬件設(shè)計(jì)

車間層以工控機(jī)作為硬件平臺(tái)，具備總線與RS232串口接口，能連接集線器HUB或者路由器，具備通信擴(kuò)展接口功能。工控機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)控制層通過(guò)Profibus總線通信，與管理層通過(guò)以太網(wǎng)通信。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)層軟件流程圖

2.2.2 車間層軟件設(shè)計(jì)

車間層軟件主要為人機(jī)交互界面軟件，采用KingView6.53開(kāi)發(fā)。車間層軟件采用界面管理方式，主要包含的軟件畫(huà)面包括：開(kāi)機(jī)用戶權(quán)限管理畫(huà)面、主畫(huà)面、參數(shù)設(shè)定畫(huà)面、自動(dòng)壓制過(guò)程仿真與監(jiān)控畫(huà)面、歷史數(shù)據(jù)記錄與查詢畫(huà)面、報(bào)警畫(huà)面、故障診斷畫(huà)面等。人機(jī)交互界面軟件主畫(huà)面如圖4所示。

圖4 車間層人機(jī)交互軟件主界面

2.3 管理層設(shè)計(jì)

管理層實(shí)現(xiàn)企業(yè)級(jí)對(duì)成型裝備的工藝過(guò)程、制造進(jìn)度、安全運(yùn)行、制造過(guò)程質(zhì)量等管理。主要功能包括：制定生產(chǎn)計(jì)劃并對(duì)生產(chǎn)進(jìn)度進(jìn)行管控，編制、校對(duì)、審核并批準(zhǔn)工藝卡片，監(jiān)控設(shè)備重要工藝參數(shù)、故障報(bào)警、安全運(yùn)行、過(guò)程質(zhì)量控制等。采用基于.Net或者Java等開(kāi)發(fā)工具進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)。管理層軟件包括：工藝審核與批準(zhǔn)管理模塊、工藝參數(shù)計(jì)算與仿真模塊、關(guān)鍵工藝數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄與查詢模塊、制造過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控與查詢模塊、制造進(jìn)度管控與質(zhì)量管理模塊等。

3 增壓過(guò)程建模、算法設(shè)計(jì)與仿真

對(duì)增壓過(guò)程辨識(shí)數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)控制器與控制算法并進(jìn)行仿真，為實(shí)物研制提供理論依據(jù)。

3.1 增壓過(guò)程建模

3.1.1 增壓過(guò)程系統(tǒng)特性

液壓機(jī)增壓過(guò)程為單輸入單輸出的連續(xù)控制系統(tǒng)。影響壓力曲線控制精度的非線性因素有：油液溫度變化、坯件體積壓縮、粘度、工作介質(zhì)油等，這些因素對(duì)控制精度影響較小，可以忽略[6]。

3.1.2 增壓過(guò)程模型推導(dǎo)

根據(jù)控制信號(hào)、比例閥流量、注入高壓缸介質(zhì)油體積與缸內(nèi)壓力的數(shù)值關(guān)系，得到控制信號(hào)與缸內(nèi)壓力的數(shù)學(xué)關(guān)系。設(shè)控制信號(hào)i(t)，比例流量閥系數(shù)k0，比例流量閥流量Q0(t)，工作缸體積V0，初始?jí)簭?qiáng)P0，液壓油壓縮系數(shù)K，注入介質(zhì)油體積V，注入ΔV介質(zhì)油后缸內(nèi)壓力增量ΔP。

控制信號(hào)與比例閥流量關(guān)系：

介質(zhì)油注入工作缸后，由液體壓縮公式得到關(guān)系式：

由于ΔV＜＜V0，忽略ΔV，得到：

進(jìn)一步變化形式，得到：

由于壓力與體積均為連續(xù)變量，故可微分，得到：

數(shù)值上，比例流量閥的流量等于注入缸內(nèi)介質(zhì)油體積的微分，即：

聯(lián)合式(2)～式(7)，得到增壓系統(tǒng)的微分方程：

實(shí)驗(yàn)方法計(jì)算系統(tǒng)的慣性常數(shù)，代入各個(gè)已知參數(shù)，得到增壓系統(tǒng)模型傳遞函數(shù)：

3.2 增壓過(guò)程控制算法設(shè)計(jì)與參數(shù)優(yōu)化

增壓過(guò)程為一階連續(xù)、低慣性、近似線性時(shí)不變系統(tǒng)。非線性因素對(duì)控制精度影響較小，基于改進(jìn)型PID控制器負(fù)反饋控制策略可對(duì)模型近似后引起的曲線控制精度誤差進(jìn)行補(bǔ)償。

3.2.1 控制算法設(shè)計(jì)

增壓控制采用分時(shí)開(kāi)環(huán)與閉環(huán)控制算法。起始階段采用開(kāi)環(huán)，對(duì)比例閥開(kāi)口度固定值控制，到達(dá)起始點(diǎn)后轉(zhuǎn)為閉環(huán)控制。閉環(huán)控制采用開(kāi)口度帶限的PID閉環(huán)控制策略?？刂扑惴ㄈ鐖D5所示。

圖5 壓力曲線控制策略

3.2.2 控制器設(shè)計(jì)、參數(shù)整定與優(yōu)化

增壓控制是一種跟隨控制系統(tǒng)，PID控制器可應(yīng)用于增壓過(guò)程曲線控制。壓力控制系統(tǒng)屬于低滯后系統(tǒng)，采用比例-積分控制策略。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，控制器比例系數(shù)為0.04，積分時(shí)間常數(shù)為5s。

3.3 增壓過(guò)程控制算法仿真

3.3.1 仿真平臺(tái)組建

采用SIMULINK軟件實(shí)現(xiàn)增壓系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型與PID控制器，構(gòu)建仿真平臺(tái)[7,8]。如圖6所示。

3.3.2 仿真實(shí)驗(yàn)

對(duì)一種常用的由圓、橢圓與直線組成的曲線開(kāi)展控制算法仿真。跟隨曲線函數(shù)如式(10)所示。

開(kāi)展工藝仿真后，仿真曲線如圖7所示。

圖6 升壓系統(tǒng)SIMULINK仿真平臺(tái)

圖7 工藝仿真曲線

4 結(jié)論

研究了彈藥成型裝備數(shù)字化系統(tǒng)的組成，研究了一種現(xiàn)場(chǎng)層、車間層與管理層軟硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。針對(duì)成型裝備增壓過(guò)程高精度壓力曲線控制的需求，研究了增壓過(guò)程建模、控制算法設(shè)計(jì)、控制器參數(shù)確定，并采用SIMULINK仿真平臺(tái)對(duì)常見(jiàn)工藝曲線進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。本文所述的科研成果已經(jīng)應(yīng)用于彈藥成型裝備的數(shù)字化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，取得較好的使用效果。

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