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        基于PLC的角度自動調(diào)整裝置設(shè)計?

        2022-12-01 03:41:02路耀昌宋建華
        艦船電子工程 2022年3期
        關(guān)鍵詞:支架

        張 濤 路耀昌 宋建華

        (海軍航空大學(xué)青島校區(qū) 青島 266041)

        1 引言

        某裝備的主要功能是通過燈箱中光源發(fā)出的光束為飛機提供一定角度的光信號,光束的角度由燈箱的偏轉(zhuǎn)角度決定,最初設(shè)計時只考慮保障單一型號的飛機,燈箱角度通過手動方式進行調(diào)整,在保障前將燈箱固定到相應(yīng)的角度即可,在保障過程中無需再調(diào)整燈箱角度。隨著保障任務(wù)的多樣性和復(fù)雜性不斷提高,目前該裝備需在一個任務(wù)周期內(nèi)保障多種型號的飛機,而不同型號的飛機對應(yīng)不同的燈箱偏轉(zhuǎn)角度。手動方式調(diào)整燈箱偏轉(zhuǎn)角度,需要耗費大量的人力,且準(zhǔn)備時間過長,保障效率低下,已經(jīng)不能滿足當(dāng)前作戰(zhàn)的需求。因此,開展角度自動調(diào)整裝置的設(shè)計。

        2 系統(tǒng)總體設(shè)計

        2.1 控制對象分析

        本裝置的研究對象是實驗室中的某原理樣機,具體如圖1所示,控制對象具體為圖1中豎直方向的燈箱支架,燈箱支架可繞其轉(zhuǎn)軸進行前后擺動。所謂的角度自動調(diào)整就是要對燈箱支架前后擺動的角度進行自動控制,控制過程中假定燈箱支架在左右方向沒有任何偏轉(zhuǎn)。燈箱支架的重量約為20kg,前后擺動的角度由機械擋塊限制在-12°~+12°之間。

        圖1 某原理樣機

        2.2 功能需求分析

        根據(jù)裝備當(dāng)前的保障需求,結(jié)合原理樣機的實際情況,設(shè)計的角度自動調(diào)整裝置應(yīng)滿足以下具體要求:

        1)設(shè)定角可調(diào):為在同一任務(wù)周期內(nèi)保障不同型號的飛機,燈箱支架偏轉(zhuǎn)角度可在其極限偏轉(zhuǎn)角度范圍-12°~+12°之間任意設(shè)定,設(shè)定角度方法要求方便快捷;

        2)可自動到位:為節(jié)省人力,采用自動調(diào)整方式來代替原有的手動調(diào)整方式,按下按鈕可使燈箱支架自動到達設(shè)定角度;

        3)位置精度高:根據(jù)裝備燈箱偏轉(zhuǎn)角度技術(shù)指標(biāo)的要求,燈箱支架實際位置與設(shè)定角度的偏差小于等于0.05°;

        4)調(diào)整時間短:在保證位置精度的前提下,盡可能縮短調(diào)整時間,提高保障效率,調(diào)整時間要求不超過2min;

        5)可到位自鎖:燈箱支架實際角度與設(shè)定角度偏差滿足精度要求,且能持續(xù)2s以上時間,應(yīng)立即停止運動,并且能夠鎖定當(dāng)前位置保持不變,避免燈箱支架因自身重力作用發(fā)生位置偏移;

        6)可快速復(fù)位:當(dāng)保障任務(wù)完成后,不論燈箱支架所處位置如何,按下按鈕后燈箱支架可快速復(fù)位,使燈箱支架在20s內(nèi)回到初始豎直方向;

        7)可監(jiān)測運動過程:為實現(xiàn)對燈箱支架運動全過程的掌握,要求能夠?qū)崟r顯示燈箱支架當(dāng)前的角度信息;

        8)可手動停止:在燈箱支架運動過程中,可通過按鈕隨時使燈箱支架立即停止運動;

        9)避免大幅震蕩:燈箱支架運動過程應(yīng)平緩,防止出現(xiàn)大幅震蕩對燈箱支架造成損壞;

        10)裝置結(jié)構(gòu)簡單,安裝方便,安裝時盡量不破壞現(xiàn)有原理樣機;

        11)裝置工作可靠性高。

        2.3 總體設(shè)計方案

        基于上述功能指標(biāo),角度自動調(diào)整裝置選用PLC作為控制核心,并通過PLC的HMI設(shè)計軟件界面,通過軟件界面上的對話框和按鈕來實現(xiàn)相應(yīng)的控制功能。選用電動機作為燈箱支架的驅(qū)動元件,通過PLC控制電機帶動燈箱支架運動,使燈箱支架產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)角度,同時利用角度測量元件實時測量燈箱的角度信息,反饋至PLC系統(tǒng),從而構(gòu)成一個閉環(huán)控制系統(tǒng),控制過程如圖2所示。

        圖2 角度自動調(diào)整裝置控制框圖

        3 硬件設(shè)計

        硬件設(shè)計主要從PLC控制器、電動機和角度測量元件的選型進行論證,并介紹整個裝置各組件之間的連接關(guān)系。

        3.1 PLC控制器選型

        PLC是針對工業(yè)控制設(shè)計的微控制器,具有可靠性高、抗干擾能力強、編程簡單易學(xué)、安裝簡單、維修方便、體積小、重量輕、豐富的I/O接口、擴展能力強等特點。這些優(yōu)點使得PLC在自動化生產(chǎn)制造等工業(yè)領(lǐng)域中得到了大量的應(yīng)用[1~3]。

        本裝置選用西門子2013年推出的S7-1500系列PLC,無論是小型設(shè)備還是對速度和準(zhǔn)確性要求較高的復(fù)雜設(shè)備裝置,SIMATIC S7-1500控制器都一一適應(yīng)??紤]到本裝置輸入輸出點數(shù)較少,利用緊湊型CPU自身集成的輸入輸出模塊即可滿足要求,最終選用1511C-1 PN緊湊型CPU,具體性能指標(biāo)如表1所示。

        表1 CPU 1511C-1 PN性能指標(biāo)

        3.2 角度測量元件選型

        目前市面上常見的角度測量元件有角編碼器和傾角傳感器兩種。角編碼器是將角位移或直線位移轉(zhuǎn)化為電信號的設(shè)備,其測量精度高,但是價格高,同時一般直接安裝在旋轉(zhuǎn)軸上,對安裝要求較高,如果采用角編碼器作為燈箱支架的角度測量元件,安裝角編碼器就要對原理樣機的結(jié)構(gòu)進行破壞,與安裝方便的功能要求不相符;傾角傳感器是運用慣性原理進行測量角度的一種傳感器,又稱為傾斜儀或水平儀,經(jīng)常用于系統(tǒng)的水平角度變化測量,傾角傳感器使用簡單、體積小、功耗低、安裝方便、經(jīng)濟實惠,缺點是精度較角編碼器略低。綜合考慮測量精度和安裝條件,本裝置選用精度較高的傾角傳感器作為角度測量元件。對傾角傳感器相關(guān)的技術(shù)指標(biāo)要求如下。

        1)測量精度

        傾角傳感器的精度指標(biāo)應(yīng)該滿足裝置功能指標(biāo)的位置精度要求,即測量精度應(yīng)小于等于0.05°。

        2)測量范圍

        燈箱前后擺動角度由機械擋塊限制為-12°~+12°,所以傾角傳感器的測量范圍應(yīng)大于等于-12°~+12°。

        3)通信方式

        傾角傳感器測量的角度值由PLC直接讀取,需要選擇與PLC相匹配的傾角傳感器通信方式。CPU1511C-1 PN模塊沒有自帶PROFIBUS接口,如果用RS485或者RS232串口通信方式,需要外接專門的PLC通信模塊,在經(jīng)濟上不是最優(yōu)選擇??梢钥紤]利用PLC的模擬量輸入模塊采集傾角傳感器的讀數(shù),因此,傾角傳感器的通信方式要與模擬量輸入模塊相匹配,為4mA~20mA電流通信方式,4mA和20mA電流分別對應(yīng)測量范圍角度的上限和下限,并且電流大小與角度成線性關(guān)系,可以根據(jù)測得的電流值轉(zhuǎn)化為實際角度值。

        4)供電電壓

        傾角傳感器的供電電壓選擇PLC相同的電壓DC24V,這樣在硬件連接時就不需要額外外接電源,較為方便,同時還可以實現(xiàn)傾角傳感器與PLC的共地連接,降低干擾影響。

        綜合上述指標(biāo)要求,本裝置最終選用北微傳感生產(chǎn)的BWM428電流輸出雙軸傾角傳感器,技術(shù)指標(biāo)具體如表2所示。

        表2 BWM428傾角傳感器技術(shù)指標(biāo)

        3.3 電動機選型

        根據(jù)裝置安裝方便、盡量不破壞原理樣機且到位自鎖的功能要求,選用電動推桿作為燈箱支架的驅(qū)動元件,通過推桿把電機的圓周運動轉(zhuǎn)化為直線運動,進而推動燈箱支架偏離豎直方向前后擺動。對電動推桿的技術(shù)要求如下。

        1)行程選擇

        電動推桿擬安裝位置及相關(guān)尺寸具體如圖3所示,其底端固定在原理樣機底部平臺后部的安裝孔內(nèi),頂端固定在燈箱支架后面底部橫梁的中間部位,其中燈箱支架轉(zhuǎn)軸距離支架底部橫梁中心的垂直距離為r=23.56cm,支架底部橫梁中心距底部平臺的垂直距離為a0=23.73cm,安裝孔中心距離支架底部橫梁的水平距離為b0=18.67cm。

        圖3 電動推桿安裝尺寸示意圖

        根據(jù)電動推桿的初始位置和極限位置來估算推桿的伸長距離。電動推桿的初始位置就是燈箱支架縱軸線在豎直方向時的位置,此時所需電動推桿的長度l0為

        當(dāng)電動推桿推動燈箱支架運動時,電動推桿頂部安裝位置就是轉(zhuǎn)軸為圓心,以半徑為r做圓周運動。電動推桿的極限位置是燈箱支架縱軸線與豎直方向成12°夾角時的位置,此時推桿頂端距離底部平臺的垂直距離a1、距離安裝孔中心的水平距離b1、電動推桿的長度l1分別為

        由此可得,電動推桿的最大伸長量為

        綜上所述,選擇電動推桿的長度時,有效行程應(yīng)大于3.62cm,且推桿自身長度與有效行程之和應(yīng)大于33.81cm。

        2)推力選擇

        由于燈箱支架的質(zhì)量約為20Kg,選擇電動推桿的推力應(yīng)大于200N。

        3)速度控制

        根據(jù)其功能需求,能夠在2min內(nèi)調(diào)整到位,且20s快速復(fù)位,燈箱支架從初始位置至極限位置的最大伸長量為3.62cm,由此可推算出推桿的速度范圍應(yīng)在0.3mm/s~1.8mm/s。

        對于普通直流電機推桿來說,其標(biāo)稱最小速度一般大于5mm/s,雖然可以通過改變PWM的占空比來改變平均電壓的大小,進而控制直流電機的轉(zhuǎn)速。但是直流電機的轉(zhuǎn)向是通過雙極性PWM平均電壓的正負進行控制的,由于CPU 1511C-1 PN自身集成的PWM通道是單極性的,用來控制直流電機的轉(zhuǎn)向不是很方便。而步進電機通過脈沖的頻率來控制電機的轉(zhuǎn)速,通過相序的調(diào)整來改變電機的轉(zhuǎn)向,利用CPU 1511C-1 PN自身集成的PTO通道以及步進電機驅(qū)動器可以方便、精確地控制電機。綜合考慮,選用步進電機作為推桿的驅(qū)動元件。

        4)供電電壓

        為簡化整個裝置的供電關(guān)系,電動推桿的供電電壓依然選用與PLC供電電壓、傾角傳感器供電電壓相同的DC24V。

        綜合考慮上述技術(shù)指標(biāo),定制了步進電機電動推桿,技術(shù)指標(biāo)具體如表3所示。

        表3 電動推桿技術(shù)指標(biāo)

        3.4 裝置整體連接

        1)傾角傳感器的連接

        傾角傳感器固定在燈箱支架頂部的平面上,安裝時保證安裝面平整,保證傳感器安裝面與被測面完全緊靠,同時應(yīng)保持傳感器底邊線與被測物體轉(zhuǎn)動軸線平行,具體安裝如圖4所示。

        圖4 傾角傳感器的機械連接

        傾角傳感器的電氣接口關(guān)系如表4所示。將傾角傳感器的紅色線和黑色線分別與PLC電源模塊的電源正和電源地相連接,由于選用X軸測量方向,將傾角傳感器的白色線和灰色線分別接到PLC模擬量輸入模塊上的信號端和COM端。

        表4 BWM428傾角傳感器電氣接線定義

        2)電動推桿的連接

        電動推桿的實際連接照片如圖5所示,電動推桿先與步進電機驅(qū)動器相連,驅(qū)動器再與PLC相連,進而實現(xiàn)由PLC控制電動推桿的目的。PLC與步進電機驅(qū)動器之間的電氣連接選擇共陽極低電平有效接線方式,PLC的PTO通道的脈沖端子與驅(qū)動器的脈沖控制信號PUL-相連,PTO通道的方向端子與驅(qū)動器的方向控制信號DIR-相連。

        圖5 電動推桿機械連接圖

        4 PLC軟件設(shè)計

        軟件設(shè)計主要從硬件組態(tài)、人機界面設(shè)計、角度信息讀取、電機PID控制幾個方面進行介紹。

        4.1 硬件組態(tài)

        包含機械的物理驅(qū)動器在TIA Portal中映射為“軸”工藝對象。為此,需要組態(tài)“軸”工藝對象,根據(jù)電動推桿的類型選擇軸類型為“線性”,如圖6所示。驅(qū)動裝置類型選擇PROFIDRIVE,選擇激活的PTO通道Pulse_1作為驅(qū)動裝置。然后對機械相關(guān)的參數(shù)和齒輪比,動態(tài)默認(rèn)值,急停參數(shù)、軟硬限位設(shè)置、回零方式設(shè)置、位置監(jiān)控設(shè)置、控制回路等參數(shù)進行設(shè)置,最后在“軸控制面板”中選擇“激活”按鈕,并“啟用”軸,軸工藝組態(tài)完畢[4~5]。

        圖6 軸工藝組態(tài)界面

        4.2 人機界面設(shè)計

        在項目下添加新設(shè)備,選擇HMI,在SIMATIC面板下找到TP700 Comfort,點擊確定,連接PLC,選擇以太網(wǎng),完成觸摸屏的硬件組態(tài)。在編輯界面添加相應(yīng)的按鈕、指示燈和對話框,并對每一個對象進行功能編輯,設(shè)計的觸摸屏界面如圖7所示[6~7],滿足裝置的功能需求,通過軟件界面既可以實時顯示燈箱支架的當(dāng)前角度,還可以點擊“查看趨勢圖”,得到實際的跟隨曲線,如圖8所示。

        圖7 HMI軟件界面

        圖8 角度跟隨趨勢圖

        4.3 角度信息讀取

        利用PLC第二個模擬量輸入通道采集傾角傳感器的模擬電流信息,再通過模擬量縮放轉(zhuǎn)換指令來將實時的角度信息采集到PLC程序內(nèi),如圖9所示。該指令會把采集到的模擬量轉(zhuǎn)化為一個0~27648的數(shù)值,模擬量的大小和采集的電流值成正比例關(guān)系,模擬量0對應(yīng)電流值4mA,對應(yīng)的角度為-90°,而模擬量27648對應(yīng)電流值20mA,對應(yīng)的角度為+90°。再通過一定的比例變換就可以得知傾角傳感器采集的角度信息。

        圖9 傾角傳感器采集程序

        4.4 電機PID控制

        對步進電機采用經(jīng)典的PID方式進行控制,在編程中具體采用FB41(CONT_C)和FB43(PULSE?GEN)兩個數(shù)據(jù)塊配合使用從而進行對工藝對象的PID控制。

        數(shù)據(jù)塊FB41(CONT_C)用于在SIMATIC S7可編程控制器上,控制帶有連續(xù)輸入和輸出變量的工藝過程,可以激活PID控制器的功能,以使控制器適合實際的工藝過程。數(shù)據(jù)塊FB43(PULSEGEN)用于構(gòu)造一個PID控制器,以生成脈沖輸出,在設(shè)計中和數(shù)據(jù)塊FB41一起使用。這兩個數(shù)據(jù)塊的參數(shù)設(shè)置分別如圖10和圖11所示。

        圖10 數(shù)據(jù)塊FB41參數(shù)設(shè)置

        圖11 數(shù)據(jù)塊FB43參數(shù)設(shè)置

        由于無法對整個裝置建立精確的數(shù)學(xué)模型,采用臨界比例度法整定PID參數(shù),即在純比例作用下,在控制系統(tǒng)中由大到小的改變調(diào)節(jié)器的比例度,來誘發(fā)出過程控制回路中的等幅振蕩,得到臨界振蕩過程,以得到所需要的臨界比例度和臨界周期的數(shù)值。然后再根據(jù)經(jīng)驗公式,計算出調(diào)節(jié)器各參數(shù)的具體數(shù)值[8~12]。

        將角度設(shè)定為3.5°,讓燈箱支架從0°~3.5°自動進行純比例作用下的調(diào)整,分別記錄下不同比例增益時的曲線,發(fā)現(xiàn)當(dāng)比例系數(shù)為100時,曲線近似為等幅震蕩,如圖12所示。

        圖12 比例系數(shù)為100時等幅震蕩曲線

        因此,測得的臨界比例度為0.01、臨界周期為10s,代入相應(yīng)公式計算得到PID控制器的比例系數(shù)為60,積分時間為5s,微分時間為1.25s,按計算得到的參數(shù)進行實驗驗證,得到圖像如圖13所示。

        圖13 PID控制曲線

        由圖13可得,燈箱支架運動曲線較為平穩(wěn),且在1分鐘左右到達設(shè)定角度,燈箱支架到位后與設(shè)定之間的角度差值約為0.03°,小于所要求的0.05°,能夠滿足裝置的功能要求。

        5 結(jié)語

        本文利用PLC控制器、傾角傳感器和步進電機電動推桿構(gòu)建了一套某原理樣機的角度自動調(diào)整裝置,利用PLC軟件編程設(shè)計了操作顯示界面,通過模擬量通道讀取傾角傳感器的實時角度信息,利用PTO通道對步進電機進行PID控制,通過實驗驗證了裝置可在2min內(nèi)到達設(shè)定角度,且位置偏差小于0.05°,滿足設(shè)計功能要求,論證了某裝備角度自動調(diào)整實現(xiàn)的可行性,并提供了技術(shù)途徑。

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