学 校 代 码：10190 研究生学号：2006412 论文分类号：TP271 密 级：无
长春工业大学硕士学位论文
学位论文题目： 自动涂胶机控制系统的
研究与开发 专 业： 电力电子与电力传动 研究生姓名： 叶玉杰
指导教师姓名： 孙 颖 指导教师职称： 教 授
2009年 3 月
长春工业大学硕士学位论文
摘 要
本课题是以湖北神龙汽车有限公司焊装车间《B53》改造项目为实际研究背景，主要针对轿车车门涂胶机涂胶质量差，精度低，效率差等问题进行改进研究。在对涂胶机的温度和压力进行控制算法研究和仿真的基础上，实现自动涂胶机的电控系统设计。
本文在分析了目前国内外涂胶机控制系统的方法及发展趋势的基础上，提出了本涂胶机的整体设计方案。在系统的硬件设计上，以西门子WINAC系列中的插槽型PLC为控制核心，通过profibus 总线与ET200s从站和现场设备相连，完成对涂胶机的过程控制。并给出了温度控制和压力控制的硬件结构设计。
通过对多年实际供热参数与室外气温变化关系的归纳整理，拟合确定涂胶机温度控制模型。通过综合分析温度的开关控制、比例控制和PID控制的优缺点，确定本文采用常规PID控制方式实现对输送管道及定量胶枪的温度控制。该控制方法结构简单，稳定性好，调整方便。
在涂胶控制过程中，将定量机的工作过程分解为预压、涂胶和充胶三个连续的过程，并对预压压力和涂胶压力进行分开控制。在进行预压压力的控制时分别尝试用模糊控制、PID控制以及Fuzzy-PID复合控制，并通过MATLAB进行仿真分析。最后选定Fuzzy-PID复合控制为最终的控制方式。在涂胶过程中采用转速和压力的串级控制方式，其中伺服电机的速度控制为副回路，定量机的压力控制为主回路。提高了整个系统的响应速度及抗干扰特性。
上位机以工业PC为基础，选择SIEMENS WinCC作为组态软件，设计了操作方便界面友好的涂胶机温度和压力过程监控系统。具体功能如下：1.集中设定定量机特性参数，胶液温度参数，涂胶压力参数，模糊PID参数等，同时可实时显示这些参数的数值；2.上位机将设定值传输至PLC执行实时控制；3.具有图形显示及数据保存和打印功能。
该系统的成功开发对提高工作效率、改善产品质量、减轻工程技术人员的工作强度都具有很大的意义，并且该系统在控制现场方面，尤其在PLC控制现场方面，具有卓越的控制功能和良好的性能价格比。
关键词：涂胶机；模糊控制；PID；伺服电机；PLC；
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Abstract
This actual research background of the subject is Welding workshop “ B53 ” reconstruction project of Hubei Shenlong Automobile Co., Ltd. The main task is to improve poor quality, poor accuracy, and low efficiency of the door glue in the existing production line. Electronic control system design of the automatic coating machine is achieved on the basis of studying control algorithm and simulation of temperature and pressure of coating Machine.
Based on the analysis of the control methods and trends of glue machine at home and abroad, the glue machine's overall design is given. Siemens WinAC slot-type PLC is a core on the hardware design. For implementation of the coating process control, PLC is connected with the ET200s station and temperature control module by the PROFIBUS bus. And the hardware structure designs of temperature control system and pressure control system are given
Through collating and analyzing relationship between the actual heating parameters and the outdoor temperature changes for years, the temperature control model of glue machine is determined. Through generally analyzing the advantages and disadvantages of the switch control, PID control and proportional control of the temperature, conventional PID control method is used to achieve in temperature control of pipeline and quantitative temperature glue gun. The method is simple structure, good stability, easy adjust.
The work process of the glue machine is divided into pre-loading pressure, glue and filling glue. Pre-loading pressure and pressure of glue are controlled separately in order to improve the precision. The Fuzzy method, the PID method and the Fuzzy-PID method are used in the pre-loading pressure process. At the same time, the paper does simulations of three methods in MATLAB and then selects the fuzzy-PID method. Speed and pressure cascade control mode is used in the process of glue. Speed control of the servo motor is vice loop, pressure control of quantitative machine is main loop. This method Improved response time and anti-jamming features of the whole system.
The host computer is a industrial PC, selecting the SIEMENS WinCC as configuration software, and designing a user-friendly interface and convenient centralized Monitoring System to operate temperature, and pressure. Specific functions as follows: 1. Focus on setting district temperature, quantitative machine pre-loading pressure and flow parameters ,and real-time display of the actual value; 2. Settings will be transferred to PLC to realize the real-time control; 3. It has graphical display, data storage and print functions.
The system is developed successful, which can improve work efficiency, improve product quality and decrease the work intensity of engineers and technicians. The system has the remarkable control function and the high performance price ratio in the field control, especially in the field control of PLC.
Key Words: Glue machine; Fuzzy control; PID; Servo motor; PLC;
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目 录
摘 要 ...................................................................................................................................... I Abstract .................................................................................................................................. II 第一章 绪论 .......................................................................................................................... 1
1.1 概述 .......................................................................................................................... 1 1.2 课题来源及意义 ........................................................................................................ 1 1.3 涂胶机的应用状况及发展趋势 .............................................................................. 1 1.4 主要研究内容 .......................................................................................................... 2 第二章 自动涂胶机的总体设计方案 .................................................................................. 4
2.1 涂胶机系统设计 ...................................................................................................... 4
2.1.1 系统构成 ........................................................................................................ 4 2.1.2 涂胶机的整体布局 ........................................................................................ 5 2.1.3 定量机的结构 ................................................................................................ 6 2.1.4 系统功能 ........................................................................................................ 7 2.1.5 工作循环流程图和时域图 ............................................................................ 8 2.2 涂胶标准 .................................................................................................................. 9 2.3 本章小结 ................................................................................................................ 10 第三章 涂胶机的温度及压力控制 ...................................................................................... 11
3.1 涂胶机温度控制 .................................................................................................... 11
3.1.1 涂胶机的温度控制方法 .............................................................................. 11 3.1.2 PID控制器设计 ........................................................................................... 13 3.1.3 仿真分析 ...................................................................................................... 15 3.2 定量机预压过程压力控制 .................................................................................... 15
3.2.1 定量机预压模型 .......................................................................................... 16 3.2.2 模糊PID控制器的设计 .............................................................................. 17 3.2.3 仿真分析 ...................................................................................................... 22 3.3 定量机涂胶过程压力控制 .................................................................................... 24
3.3.1 涂胶过程压力控制模型 .............................................................................. 24 3.3.2 仿真分析 ...................................................................................................... 26 3.4 本章小结 ................................................................................................................ 27 第四章 系统硬件设计 ........................................................................................................ 28
4.1 整个系统硬件结构设计 ........................................................................................ 28
4.1.1 SIMATIC WinAC简介 ................................................................................ 28 4.1.2 PLC配置 ...................................................................................................... 30
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4.1.3 系统硬件结构设计 ...................................................................................... 30 4.2 温度控制系统的硬件实现 .................................................................................... 32
4.2.1 加热执行器的选取 ...................................................................................... 32 4.2.2 加热驱动器的选取 ...................................................................................... 33 4.2.3 温度控制系统的硬件构成 .......................................................................... 33 4.3 压力控制系统的设计 ............................................................................................ 36 4.4 本章小结 ................................................................................................................ 37 第五章 涂胶机控制系统的软件设计 ................................................................................ 38
5.1 软件设计的原则 .................................................................................................... 38 5.2 软件各模块简述 .................................................................................................... 38
5.2.1 参数设置模块 .............................................................................................. 38 5.2.2 压力控制方法判别模块 .............................................................................. 39 5.2.3 模糊控制模块 .............................................................................................. 39 5.2.4 PID控制模块 ............................................................................................... 40 5.2.5 中断处理模块 .............................................................................................. 41 5.2.6 温度控制模块 .............................................................................................. 42 5.2.7 PLC流程模块： .......................................................................................... 43 5.3 本章小结 ................................................................................................................ 43 第六章 监控系统的设计 .................................................................................................... 44
6.1 组态软件WinCC简介 .......................................................................................... 44
6.1.1 WinCC体系结构 ....................................................................................... 44 6.1.2 WinAC与WinCC之间通信 ..................................................................... 44 6.2 监控系统的界面设计 ............................................................................................ 45
6.2.1 运行屏幕显示页面 ...................................................................................... 45 6.2.2 定量机基本设置页面 .................................................................................. 47 6.2.3 涂胶机统计页面 .......................................................................................... 49 6.3 本章小结 ................................................................................................................ 49 结 论 .................................................................................................................................... 50 致 谢 .................................................................................................................................... 51 参考文献 ................................................................................................................................ 52 附录 ........................................................................................................................................ 55 攻读硕士学位期间研究成果 ................................................................................................ 58 原创性声明 ............................................................................................................................ 59
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第一章 绪论
1.1 概述
传统的机械设备与产品，主要以机械为主，辅以电气，液压或气动控制系统。随着工业水平的不断发展，机械设备已逐步地由手动操作改为自动控制，设备本身也发展为机电一体化的综合体。可编程序控制器（PLC）是以微处理器为核心，综合计算机技术、自动化技术和通信技术发展起来的一种新型工业自动控制装置。经过30多年的发展，目前，可编程序控制器已成为工业自动化领域中最重要、应用最多的控制装置，居工业生产自动化三大支柱（可编程序控制器、机器人、计算机辅助设计与制造）的首位。其应用的深度和广度成为衡量一个国家工业自动化程度高低的标志。
为了解决汽车装配生产线上车门自动涂胶质量差，效率低的问题，本文主要从如何改善自动涂胶的控制方法入手，提出了自动涂胶机的整体设计方案、目标及功能要求；给出了自动涂胶机的工作原理，控制系统的硬件组成，涂胶机的温度和压力控制以及人机界面的设计等。该系统的核心是自动涂胶机的控制部分，其控制系统主要是以工业计算机和西门子系列可编程序控制器为基础进行分布式控制。自动涂胶机是机电一体化产品，其自动操作过程是按预先编排好的逻辑程序顺序完成的。
该系统的成功开发对提高工作效率、改善产品质量、减轻工程技术人员的工作强度都具有很重要的意义，并且该系统在控制现场方面，尤其在 PLC 控制现场方面，具有卓越的控制功能和良好的性能价格比。
1.2 课题来源及意义
本课题来源于湖北神龙汽车有限公司焊装车间《B53》改造项目，为了改善现有生产线上车门涂胶质量差，精度不高，效率低等问题，提出了改进涂胶机控制系统的要求。该系统的成功开发对提高工作效率、改善产品质量、减轻工程技术人员的工作强度都具有很大的意义，并且该系统在控制现场方面，尤其在PLC控制现场方面，具有卓越的控制功能和良好的性能价格比。
1.3 涂胶机的应用状况及发展趋势
涂胶机是随着汽车工业中密封工艺的改进而产生和发展的。最初变速箱、发动机壳体等密封采用纸垫，随着对密封性能要求的提高，密封工艺的改进，在密封结合面上直接涂胶代替纸垫。同时，挡风玻璃、灯具等也需要密封涂胶。涂胶的好坏直接影响密封的质量，人工涂胶是最原始的方法，一致性很难保证。国外的机器人生产厂商各自推出了涂胶机器人，如日本莫托曼机器人、安川机器人、美国ABB机器人等。自动化涂胶工作站工程研究中心的“自动化涂胶工作站”（如图1-2），济南未来之路信息工程有限公司的“金未来自动涂胶机”，另外，还有与国外合资的公司也推出相应的产
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品。以上涂胶机器人产品都是在机器人的基础上进行二次开发的，即用机器人作为轨迹控制，附加供胶系统。
图1- 1自动化涂胶工作站
在汽车变速箱、发动机装配的最后一道工序——上下箱体合箱前，需要在箱体结合处涂密封胶。这是一项简单、枯燥、单调的工作，且人工涂胶浪费严重、轨迹不均、效率不高，工人每天涂胶仅100~200件。为提高工作效率，节省人力、物力，决定采用机器人来完成这项工作。传统的机器人涂胶方式是机器人抓握胶枪，沿零件待涂部位运动完成涂胶任务。本系统采用机器人与胶枪分离方式，将胶枪固定在悬臂上，让机器人抓握零件将待涂胶部位在胶枪下运动完成涂胶。这种方式的好处有两点，首先是将机器人从单一的工作任务中解放出来，该机器人除了能完成涂胶任务外，还担起了搬运以及车门内外板扣合及滚边的任务。其次是采用胶枪固定的方式，使得涂胶开关阀和高压胶管均不动，可以有效地保护高压胶管不受绞折，避免了胶枪软管被拉伸的状况，保证了出胶的均匀性和精确性。
1.4 主要研究内容
本文的研究主要从如何改善涂胶机系统的性能和工作效率等方面着手，将传统控制理论与智能控制理论相结合应用于实际工程中。 论文研究的主要内容有：
1. 给出了自动涂胶机的总体设计方案。
2. 利用实际测得系统温度飞升曲线，确定温度控制系统的模型，并用MATLAB对该模型进行仿真分析。
3. 对涂胶机的涂胶过程控制主要是对定量机进行压力的过程，预压压力控制和涂胶压力控制。在预压压力控制中分别尝试用模糊控制、PID控制以及Fuzzy-PID复合控制，
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并通过MATLAB进行仿真分析，最后选取一种好的控制方法。为了提高了整个系统的响应速度及抗干扰特性，在涂胶过程中采用转速和压力的串级控制方式，其中伺服电机的速度控制为副回路，定量机的压力控制为主回路。
4. 在系统的硬件设计上，以西门子WINAC系列中的插槽型PLC为控制核心，通过profibus 总线与ET200s从站和温度控制模块相连，完成对涂胶的过程控制。并详细给出了温度控制和压力控制的硬件结构设计。
5. 阐述了交流伺服控制系统的软件设计原则，介绍了各个模块的功能和流程图，并选用合适的软件工具对控制部分进行编程实现。
6. 选择SIEMENS WinCC作为组态软件，并设计了友好的用户界面和操作方便的涂胶机温度、压力和流速的集中监控系统。
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第二章 自动涂胶机的总体设计方案
该系统是一个典型的机电一体化系统或称为机电计算机控制系统。因而，自动涂胶机的设计应包括机械、电气、控制三大部分。本系统主要研究电气和控制部分。电气部分由交流伺服电动机、光电编码器 、各种检测传感器、电磁控制阀等组成；控制部分主要由可编程控制器，伺服驱动器，温度控制器和WinCC等组成。
2.1 涂胶机系统设计
涂胶机是汽车生产工业中必不可少的组成部分，涂胶质量的好坏直接影响汽车的外观和使用寿命，因此为了保证汽车生产质量就要提高涂胶机的涂胶精度。自动涂胶机的涂胶质量除了与涂胶设备的硬件结构设计有关外，最重要的与胶液的温度和定量机的压力控制有关。因此本系统主要从硬件结构设计上和涂胶过程中的温度和压力控制上进行改进研究。
2.1.1 系统构成
利用WinAC SLOT 412构成的涂胶机控制系统的结构如图2-1所示。
伺服驱动器WinAC 412-2 DP(装在PCI插槽上)Profibus1ET200S光电编码器压力传感器伺服电机定量机PC（安装有STEP7和WinCC）温度控制器1Profibus2温度控制模块温度控制器2可控硅调功器温度传感器1管道温度可控硅调功器温度传感器2定量机温度
图2-1 系统结构图
系统控制对象为定量胶枪，由伺服电机驱动定量胶枪内的螺旋杆进行预压，涂胶和充胶的动作。本课题采用 PLC进行控制，PLC 根据输入通道发送来的涂胶机各种运行情况，按照预先根据控制规律（数学模型）设计的控制程序，自动地进行信息处理、分析和计算，做出相应的控制决策，并通过输出通道向驱动器、温控器等发出各种控
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制命令，来实现自动涂胶控制。
在PC机内的PCI插槽上插有1块SLOT PLC（CPU412-2 PCI），它是控制系统的主站。分布式I/O ET200S模块通过PROFIBUS-DP现场总线连接至SLOT PLC卡上的PROFIBUS DP接口，作为从站。ET200S上配置有开关量I/O和模拟量I/O模块，通过信号线连接过程对象的变送器检测信号和执行器操作信号。温度控制模块挂接两个温度控制器，用来对定量机内胶液的温度和输送管道的温度进行精确控制。系统硬件设计将在第四章进行详细介绍。PC上装有编程组态软件STEP7和监控组态软件WINCC，因此，这台PC机又可作为工程师站进行系统组态和监控界面设计，还可以作为操作站对工程进行人机监控。人机界面部分将在第六章进行介绍。
2.1.2 涂胶机的整体布局
涂胶机的整体布局图如下。
图2- 2双桶热涂胶机组
涂胶机组的各部分名称如下：1. 胶料输送管路；2. 压力空气输送；3. 加热装置分配器；4. 带胶枪的定量机；5. 控制系统和配电柜；6. 机器人控制器；7. 总线系统；8. 双桶泵；9. 紧急停止开关设备；10. 电源；11. 机器人接口；12. 加热软管；
定量机是涂胶机的重要组成部分，是影响涂胶质量的关键因素，下面将详细介绍定量机的结构以及工作过程。
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2.1.3 定量机的结构
定量机的各组成部分如下图所示：
图2- 3定量胶枪结构图
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定量机工作过程如下：初始时活塞在下，螺旋杆在上。填料时填充电动阀打开，使胶液经入口进入料室，上胶机将产品推入料室，活塞在压力下上升直至触及螺旋杆。挤压时挤压电动阀打开，活塞下移使胶液经出口挤出，其速度取决于机器人所选定的流量，所放置的产品体积由活塞的位移算得。
2.1.4 系统功能 1. 检测与控制功能
系统通过各种传感器自动检测注胶罐中胶量的多少、定量机内胶液的压力、输送胶液的管道温度和定量机内的温度、活塞的零点信号等。PLC根据计数器得到的脉冲信号，计算出各种位置信号并配合机器人的各种命令信号来控制定量机的启动、运行和停止。
2. 显示故障类型
故障分为四种类型，即时中断类故障用红色显示；延迟至循环末中断类故障用橙色显示；产品放置类故障用黄色显示；非中断类故障用蓝色表示。 3. 灵活的涂胶机操作过程
涂胶机的操作过程有两种：自动模式和手动模式。
自动模式是正常的运行模式。在自动模式下，定量机控制柜由机器人控制，如何执行机器人发出的命令，取决于控制柜上的定量机带料开关的位置：1）带料时由机器人决定是否涂胶。挤压控制由定量机控制柜管理。在涂胶过程中，如果出现起中断作用的故障，则挤压停止，控制柜转入手动状态，并在工件涂胶结束时对故障进行报警（故障延迟）；2）不带料时用以仿真。
若执行自动模式有问题时，则需在手动模式下解除故障。进入手动模式后停止现行的涂胶工作，停止机器人的各种控制，允许解除故障。在此模式下，只有那些可能引起机械故障的故障才是有效的，机器人发来的命令将不被处理。用户通过操作台对定量机进行控制。 4. 系统保护功能
整个系统的安全保护措施共有三处：1.定量机的机械安全保护；2.电机控制的电力安全保护；3.人员的安全保护（停止运行）。功能描述如表2-1所示。
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表2-1保护功能描述
保护对象 位置 硬件 硬件 人员 定量机 电机 电柜 描述 传感器对活塞的位置和定量机内胶液压强进行测量。 限位保护措施由电脑软件管理。 零位传感器同时实现高位限位保护。 电机电流控制 保护措施由控制柜和变频器管理。 自锁按钮。 控制柜不带能使装配区停止运行的急停按钮。 位于控制柜上的自锁按钮能使定量机停止运行： ? 中断输入输出 ? 停止变频器伺服驱动 ? 故障报警
2.1.5 工作循环流程图和时域图
1. 定量机的工作循环流程图（自动模式）：
0一段时间不用后（t0）定量机进入休息状态工作循环开始1读工件号 施压已读工件号，预加压力已完成2定量机许可胶液放置开始3喷枪打开 活塞下移胶液放置结束4填料 定量机许可置零
图2- 4 定量机工作循环流程图
工作循环说明：
涂胶机在休息状态时，等候机器人的命令。机器人确认工件号后，启动定量机，
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定量机读取工件号并对产品施压。当产品压强达到要求并且工件号被确认后，机器人允许定量机上胶。机器人要求对每个放置带，打开挤压电动阀。活塞的下降速度取决于所选择的流量值。在最后一个放置带结束后，机器人发出停止涂胶信号结束此次涂胶。定量机在结束工作循环后，发出胶液放置报告并开始填料。填料结束后，定量机等待新的工作循环。 2. 工作循环时域图
定量机的工作循环时域图如下：
图2- 5 工作循环时域图
2.2 涂胶标准
对于热涂的粘性胶，最小间隙为 0,1 mm ，最大间隙为 1 mm。
表2-2 涂胶标准 满足标准的非结构胶 B14 1430 （嵌合） 贴合后最小间隙 贴合后最大间隙 缺胶 0,1 mm 5 mm 待定义 实际间隙 + 2 mm 最小6 mm B14 2400 （密封） 0,1 mm 5 mm 0 % 实际间隙 + 2 mm 最小6 mm 9
满足标准的结构胶 B14 1411 0,1 mm 0,5 mm 或 1 mm （辅助涂胶） 胶条长度的10 %，最长缺10mm 实际间隙 + 1 mm （*） 最小6 mm 贴合前所涂胶条高度 最小涂胶宽度 长春工业大学硕士学位论文
2.3 本章小结
本章主要阐述了自动涂胶机的整体设计方案，主要内容如下： 1. 给出了涂胶机控制系统的组成。 2. 介绍了涂胶机整体布局图；
3. 介绍了定量机的结构，阐述了定量机的工作循环过程及时域图； 4. 给出了涂胶标准。
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第三章 涂胶机的温度及压力控制
对涂胶机的涂胶过程进行精确控制可从两方面着手，一方面对胶液进行温度控制，另一方面是对定量机进行精确的压力控制。在涂胶控制过程中，将涂胶机的工作过程分解为预压、涂胶和充胶三个连续的过程，并对预压压力和涂胶压力进行分开控制，从而提高了涂胶机的涂胶精度。
3.1 涂胶机温度控制
汽车车门所用的折边胶多为环氧树脂类胶，这种胶在常温下粘度大，流动性差，且当温度变化时胶液的各种参数也发生变化，因而为了保证精确的涂胶质量就要对胶液进行温度控制。
3.1.1 涂胶机的温度控制方法
精确测量输送管道和定量机的实际温度后，由于实际温度与设定温度有一定的偏差，必须采用合理的控制策略与控制方法，动态控制管道和定量机的加热功率，才能保证高的温控精度。控制方法主要有：开关控制、时间比例控制、PID控制等。 1. 开关控制
开关控制的调节方式为：当实际温度大于设定温度时，立即切断加热器的电源，停止加热，当实际温度小于设定的温度时，接通加热器的电源，进行加热。实际工作中，为了减少继电器的频繁动作，通常当实际温度大于设定的温度某一值时，才切断加热电源；同样，当实际温度小于设定的温度某一值时，才接通了加热电路进行加热。开关控制的最大管优点是设备简单价廉，技术易掌握。
开关控制只有两种功率输入水平100%或0%，当实际温度大于设定的温度时，虽然切断了加热电源，但胶液温度还会继续上升；当实际温度小于设定温度时，通过控温仪表接通加热电路进行加热，但温度在一个短暂的时间内还会有所下降，然后才能回升，所以，开关控制总是导致实际温度波动很大（见图3-1）。若要提高开关控制的精度，只能减小切换带宽，这将导致继电器频率动作，因而缩短了继电器的使用寿命。
图3-1开关控制原理图
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2. 比例控制
比例控制是由开关控制发展起来的，其调节作用借助于继电器的开关动作实现。我们知道，在电压恒定的情况下，能量的大小和通电时间成正比，所以，在不改变电压大小，且控制周期不变的情况下，根据温度偏差的大小改变控制周期内通电时间的长短，即改变占空比，就可以控制料筒的加热功率。这种继电器的开关动作就可以起到相当于连续调节加热电流的作用。
图3- 2时间比例控制作用原理
比例控制中，加热时间与控制周期的比称作占空比，功率从0%调节至100%的温度范围称作比例区或比例调节带。根据实际温度与设定温度的偏差e（t）的大小，通过改变控制周期内占空比的大小即可连续调节功率输入水平。如图3-2所示，进行时间比例控制时，如果实际温度低于比例区下限（T1），输入加热器的功率为100%（持续加热），当实际温度高于比例区上限（T2），输入加热器的电源完全断开。在此比例区范围内，功率随温度偏差成比例变化，从T1下的100%功率至T2下的0%功率，显然，比例控制由于当测定温度接近设定温度时能自动地减少加热功率，因此比起开关控制来，它的温度波动要小，但比例控制不能完全消除稳态误差，稳态误差是指系统进入稳态后，稳态温度和设定温度之间的温度差范围（见图3-3）。
图3- 3时间比例控制时的系统响应
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3. PID控制
比例调节具有稳态误差，为解决此问题，可在比例调节的基础上引入积分调节。积分调节的原理为将温度偏差相对于时间而积分，并将结果加在偏差信号上使比例区移动，积分环节持续不断调节比例区直至消除稳态误差。积分作用的加入可以消除稳态误差，会产生较大的超调，其原因是积分环节实际温度达到比例区下限时已开始动作，当温度达到设定点时，已将比例区移至较高位置，这样，就会对系统造成过量的热输出，导致较大的超调出现。当实际温度超过设定点后，偏差信号符号逆反，积分作用会将比例区移动至消除偏移所需的位置。当温度超出比例区，积分环节还按误差信号动作时，它将产生较大的输出作用，使比例区移动，以致设定点处于比例区之外，其结果可能是温度超调严重，甚至使系统不稳定，此时，应该停止积分作用。
为了减小“比例+积分”调节过程产生的超调，可加入微分调节，形成“比例+积分+微分”控制。微分调节根据温度变化的速度来控制调节量，具有预先调节控制器输出至预期需求的先期功能，它减少了控制器响应过程某一变化的时间滞后，起到提前调节的作用，有助于防止设定点的过调或欠调。
“比例+积分+微分”控制（即PID控制），是一种成熟的技术，它具有算法简单、易于实现、鲁棒性好的特点，在温度控制领域，应用十分广泛，即使在科技发达的日本，80%以上的控制系统回路具有PID结构，一些高级控制大都是在传统PID基础上改进得到的[1]。
3.1.2 PID控制器设计 1. 加热系统模型
涂胶加热设备和其它的加热设备一样，是一个具有蓄热能力和自平衡能力的设备。理论上将其视为带纯滞后的一阶惯性环节，其模型如下：
K??sGt(s)?e （3-1）
1?Ts式中：K——放大倍数；
T ——时间常数； τ ——滞后时间。
式（3-1）所表示的对象在控制理论上称为带纯滞后的一阶惯性环节。对某一具体的控制对象，其K、T、τ的数值应通过试验确定。时间常数T是表示被控参数变化快慢程度的参数，亦即表示对象惯性大小的参数。涂胶设备的时间常数T一般从几十秒到十几分钟，所以实际上是一个大惯性环节。
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下图为利用实际测得的数据描绘的系统温度飞升曲线：
?C4030201060120180240300360420s
图3-4温度飞升曲线
从图中可以得出它的传递函数(单通道)为：
15Gt(s)?e?10s （3-2）
170s?1即：K=15，T=170s，τ=10s
2. PID控制器设计
PID控制器是一种线性控制器，系统原理图如图3-5所示，它是将指令数值r(t)与实际测量值y(t)相减得到误差e(t)，即e(t)=r(t)-y(t)，然后将误差的比例（p）、积分（I）和微分（D）通过线性组合构成控制量u(t) 送给执行机构[13]完成控制功能，控制规律为：
?Tde(t)?1u(t)?KP?e(t)??e(t)dt?D? （3-3）
TIdt??其中KP——比例系数；TI——积分系数；TD——微分系数；
比例r(t)+_e(t)+积分++微分u(t)执行机构控制对象y(t)
图3-5 PID控制系统原理图
在本温度控制系统中，r(t)为设定的温度值，范围10~ 50oC，e(t)为设定温度与实际温度的差值，即温度误差， u(t)为控制加热器的电流，范围4 ~20mA，y(t)为实际输出的温度值。
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3.1.3 仿真分析
需要仿真的情况是：目标温度为40℃。误差范围?2oC。图3-6是在Simulink中创建的用PID算法控制加热器温度的仿真结构图： PID控制器参数设计如下：Kp=0.6；Ki=0.0032；Kd=1
图3- 6 温度控制的仿真结构图
仿真结果如下：
图3- 7 温度控制的响应曲线
从仿真响应曲线可以看到PID控制具有高的稳态精度，上升时间短且超调小，因此，选用PID控制器控制涂胶机的温度能得到满意的控制效果。
3.2 定量机预压过程压力控制
定量机的压力控制是涂胶机控制系统的核心部分，涂胶质量的好坏除了跟温度有关外，最重要的是要控制好定量胶枪内的胶液压力以及涂胶过程的活塞速度。为了达到其定位精确、响应快、出胶定量且流速均匀等要求，本文中将涂胶动作分解为三个连续的过程，分别是预压、涂胶和充胶，并对不同的过程采用不同的控制方法，以其达到满意的控制效果。
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3.2.1 定量机预压模型
对于主控制对象定量机，预压时交流伺服电机的输出为角位移，输入为控制电压，因此传递函数：
G01(s)??o(s)Ua(s)?k1 （3-4）
s(Ts?1)减速器的传动比：n?N1?1。 N2预压时进胶阀和出胶均关闭，定量机相当于一个密闭的容器，液体受压时体积减小，内部压力增大。它们之间的关系用液体的压缩性系数表示。压缩性系数指受压液体在变化单位压力时引起的液体体积的相对变化量 [2] [3]。
参看图3-8，假定压力为p时，液体体积为V；压力增加为p+Δp时，液体体积为V-ΔV。根据定义，液体的压缩性系数如下：
1?V??pV （3-5）
???式中，β为液体的压缩性系数；ΔV为液体的压力变化所引起的液体体积变化值；Δp为液体的压力变化值。
PVP+ΔpV-ΔV
图3-8 压力升高时液体体积的变化
压力增大时，液体体积减小，反之则增大，所以ΔV/V为负值，由式（3-5）可得：
?V???V （3-6） ?p因此有：
G02??P?Pl?Sl?S??? （3-7） ?o(s)?V2?r2?r?V则定量机内的压力与活塞的位移之间可近似看成比例关系，因此伺服电机总的传递函数为：
G(s)?G01(s)?G02(s)?k1l?S?nk?? （3-8）
s(Ts?1)2?r?Vs(sT?1) 16
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式中（k?k1?l?S?n），l为螺纹间距；S为活塞面积；n为减速器的传动比；r为螺杆半
2?r?V径；V为定量机的体积；T为时间常数。
3.2.2 模糊PID控制器的设计 1. 模糊控制器的设计
要设计一个模糊控制器以实现语言控制，必须解决以下问题：
（1）精确量的模糊化，把语言变量的语言值化为适当论域上的模糊子集； （2）模糊控制算法的设计，通过一组模糊条件语句构成模糊控制规则，并计算模糊控制规则决定的模糊关系；
（3）输出信息的模糊判决，并完成由模糊量到精确量的转化。
模糊控制的核心部分是模糊控制器，模糊控制规律由计算机的程序实现。实现模糊控制算法的过程描述如下：微机经中断采样获取被控制量的精确量，然后将此精确量与给定值比较得到偏差信号。一般选偏差信号e和偏差变化率ec作为模糊控制器的输入量，对它们进行模糊化变成模糊量。偏差e和偏差变化率ec的模糊量可用相应的模糊语言表示，得到偏差e和偏差变化率ec模糊语言集合的一个子集E和EC，再由E、EC和模糊控制规则R（模糊算子）根据推理合成规则进行模糊决策[4]，得到模糊控制量U，再将U解模糊，便可得到精确的控制量u。
具有上述模糊控制器的系统方框图[5]，如图3-9所示。图中r为系统设定值（精确量）； e、ec分别为系统误差与误差变化率（精确量）；E、EC分别为反映系统误差与误差变化率的模糊集合（模糊量）；u为模糊控制器输出的控制作用（精确量）；y为系统输出。
本系统中r=15bar；e=[-15bar +15bar]；ec=[-3 +3]；u=[0 +10v] （压力的单位为1巴（bar）=100,000帕（Pa）=10牛顿/平方厘米）
rede/dtec被控对象ECE被控U对象被控u对象执行机构被控对象y传感器系统图3-9 模糊控制器系统方框图
为了进行模糊化处理，必须将输入变量从基本论域转换到相应的模糊集域，这中间相差一个因子，即量化因子Ke，Kec。每次经模糊控制算法给出的控制量还不能直接控制对象，还必须将其转换到为控制对象所能接受的基本论域中去，这中间也相差
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一个因子，即比例因子Ku。设计一个模糊控制器除了要有一个好的模糊控制规则外，合理地选择模糊控制器输入变量的量化因子和输出控制量的比例因子也是非常重要的。量化因子Ke，Kec。及比例因子Ku的大小对控制系统的动态性能影响很大。一般只能初步选择，在系统调整时再根据系统的输出特性进一步确定。量化因子Ke，Kec及比例因子Ku的大小对控制系统的作用可分别描述下：
（1） Ke增大，可以加快系统响应速度，减小稳态误差，提高控制精度。从理论上讲，凡增大相当于缩小了误差的基本论域，增大了对误差的控制作用，因此导致上升时间变短，稳态误差减小。但选得过大时，则系统的超调量也较大，甚至不稳定，同时由于出现超调，过渡时间变长。反之，凡选得太小则系统快速性差，稳态品质也下降。
（2） 当Kec越大，对系统状态变化的抑制能力增大，增加了系统的稳定性；当Kec过大，系统输出上升速率过小，系统的过渡时间变长；当Kec过小，系统输出上升速率增大，可能导致系统输出产生过大的超调和振荡。
（3）Ku选择过小会使系统动态响应过程变长；而Ku选择过大会导致系统振荡。输出比例因子作为模糊控制器的总的增益，它的大小影响控制器输出，通过调整Ku可以改变被控对象输出的大小[6]。
每一次控制过程结束后，都要根据被控对象的输出响应特性与要求的性能进行比较，根据系统的实际情况，依据以上量化因子Ke，Kec及比例因子Ku的大小对控制系统的作用调整其参数。经过多次调整，选取适当的量化因子和比例因子，逐步改善被控对象的动态性能和静态性能，最终满足系统的要求。
在本文中，对于压力误差选取的基本论域为：
{-6，-5，-4，-3，-2，-l，-0，+0，+1，+2，+3，+4，+5，+6}，相应的模糊集NB，NM，NS，NO，PO，PS，PM，PB分别取-6，-4，-2，-0，+0，+2，+4，+6。
对于压力误差变化率选取的基本论域为：{-6，-5，-4，-3，-2，-l，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6}，相应的模糊集合NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB分别取-6，-4，-2，0，+2，+4，+6。
对于输出控制量选取的基本论域为：
{-7，-6，-5，-4，-3，-2，-l，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6，7}，相应的模糊集合NB，NM，NS，Z0，PS，PM，PB 分别取-7，-4，-2，-0，+0，+2，+4，+7。 因此，求得Ke=2.5； Kec=0.5； Ku=0.7。此量化因子和比例因子只作为参考值 选定模糊控制器的语言变量及其所取的语言值，分别建立语言变量的赋值表。下 面是用在本文中的语言变量E、EC和U的赋值表。其中，空白处为0。
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表3-1 E的隶属度表
NB NS ZE PS PM PB
-6 1 -5 -4 1 -3 -2 1 -1 0.5 0 1 1 0.5 2 1 3 4 1 5 6 1 0.8 0.4 0.1 0.1 0.5 NM 0.2 0.7 0.7 0.2 0.8 0.3 0.3 0.8 0.5 0.1 0.2 0.7 0.7 0.2 0.1 0.4 0.8 表3-2 EC的隶属度表 NB NS ZE PS PM PB
-6 1 -5 -4 1 -3 -2 1 -1 0.5 0 1 1 0.5 2 1 3 4 1 5 6 1 0.8 0.4 0.1 0.2 0.7 NM 0.2 0.7 0.7 0.2 0.9 0.3 0.3 0.9 0.7 0.2 0.2 0.7 0.7 0.2 0.1 0.4 0.8 表3-3 控制量U的隶属度表
-7 NB NM NS ZE PS PM PB -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 1 0.8 0.4 0.1 0.2 0.7 1 0.7 0.2 1 0.4 1 0.8 0.4 0.1 1 0.1 0.4 0.8 0.5 1 0.5 0.4 0.2 0.7 0.7 0.2 0.1 0.4 0.8 1
模糊控制器的控制规则是基于手动控制策略，而手动控制策略又是人们通过实验以及长期经验积累而逐渐形成的，存在操作者头脑中的一种技术知识集合。利用模糊集合理论和语言变量的概念，可以把语言归纳的手动控制策略变为数值运算，于是就
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实现了模糊自动控制。利用语言归纳手动控制策略的过程，实际上就是建立模糊控制器的过程。手动控制策略是用条件语句来描述的。控制规则通常是由模糊语句：If E and EC then U来表达，这是模糊控制器中最常用的一种规则，它反映非线性比例加微分（PD）控制规律。控制规则是设计模糊控制器的关键。在本文中，对控制规则总结如下：
（1）当误差为负大时，若误差变化为负，这时误差有增大的趋势，为尽快消除已有的负大误差并抑制误差变化大，所以控制量的变化取正大；
当误差为负而误差变化为正时，系统本身已有减少误差的趋势，所以为尽快消除误差且减小超调，应取较小的控制量。当误差为负大且误差变化为正小时，控制量的变化取为正中。若误差变化正大或正中时，控制量不宜增加，否则造成超调会产生正误差，因此这时控制量变化取0等级。
（2）当误差为负中时，控制量的变化应该使误差尽快消除，基于这种原则，控制量的变化选取同误差变化为负大时相同。
（3）当误差为负小时，系统接近稳态，若误差变化为负时，选取控制量的变化为正中，以抑制误差往负方向变化；若误差变化为正时，系统本身有趋势消除负小的误差，选取控制量变化为正小。
上述选取控制量变化的原则是：当误差大或较大时，选择控制量以尽快消除误差为主；而当误差较小时，选择控制量要注意防止超调，以系统的稳定性为主要出发点。
误差为正的情况与误差为负的情况相类似，这里不再叙述。 将所有情况总结起来，得到表3-4所示的模糊控制规则表。
表3-4 模糊控制规则表 U NB EC NB NM NS ZE PS PM PB
NB NB NB NB PM ZE ZE NM NB NB NB NB PM ZE ZE NS NM NM NM NM ZE PS PS E ZE NM NM NS ZE NS PM PM PS NS NS ZE PM PM PM PM PM ZE ZE PM PB PB PB PB PB ZE ZE PM PB PB PB PB 模糊推理合成方式直接采用在模糊控制系统中最常见的极大极小运算，对应每条控制规则，有模糊关系：
Rij?(Ei?ECj)?Uij
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式中，×代表直积；
R的隶属度函数为：
i?m,j?ni?1,j?1?(x,y,z)?式中，x?X,y?Y,z?Z
??Ei(x)??ECj(y)??Uij(z)
对于系统总的控制规则所对应关系用取并的方法得到，即：
R?i?m,j?ni?1,j?1?Rij
得到关系R，即可根据输入E和EC求出控制量U：U?(E?EC)?R U的隶属函数为：
?U(z)?x?X,y?Y??R(x,y,z)?(?E(x)??EC(y))
由上面得到的模糊子集，采用最大隶属度法判决，即得到控制量U。为提高模糊控制的实时性将模糊控制算法的最终结果存成表格的形式(如表3-5)，存储在计算机里。
表3-5 模糊控制查询表
E CE -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6
-6 -7 -6 -6 -6 -4 -4 -4 -2 -1 -1 0 0 0 -5 -7 -6 -6 -6 -4 -4 -4 -2 -1 -1 0 0 0 -4 -7 -6 -6 -6 -4 -4 -3 -2 -1 -1 0 0 0 -3 -7 -6 -6 -6 -4 -4 -3 -2 -2 0 2 2 2 -2 -7 -6 -6 -6 -4 -4 -1 0 0 3 4 4 4 -1 -7 -6 -6 -6 -4 -4 -1 0 3 3 4 4 4 0 -7 -6 -6 -6 -4 -1 0 1 4 6 6 6 7 1 -4 -4 -4 -3 -1 0 1 4 4 6 6 6 7 2 -4 -4 -4 -2 0 0 1 4 4 6 6 6 7 3 -2 -2 -2 0 0 0 1 4 4 6 6 6 7 4 0 0 0 1 1 3 4 4 4 6 6 6 7 5 0 0 0 1 1 2 4 4 4 6 6 6 7 6 0 0 0 1 1 1 4 4 4 6 6 6 7 实时控制时，通过传感器测得当前压力值，经计算求得定量机内胶液的压力误差ei和误差变化率ecj。然后转化为论域E、EC中的值，最后通过查表3-5求得相应的Uij，
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把Uij和输出比例因子相乘就可获得精确控制量uij。 2. PID控制器的设计
此处PID控制器的设计与3.1.2中第2小节中的PID设计类似，这里不再叙述。 在本压力控制系统中，r(t)为设定的压力值，范围0~ 100bar，e(t)为设定压力与实际压力的差值， u(t)为控制伺服电机的电压，范围0 ~10v，y(t)为实际输出的压力值。 3. 模糊PID控制器的设计
由于交流伺服电机在运行过程中负载惯量和负载扭矩会发生较大变化，为进一步完善PID控制的性能，采用分段模糊PID控制。设实际误差为e，模糊控制段与PID控制段之间的判别阀值为e1，即：
|e|≥el 采用模糊控制； |e| r(t)e(t)K1模糊控制器uF(t)uPID(t)u(t)被控对象y(t)K2PID控制器 图3-10 模糊PID控制系统原理图 3.2.3 仿真分析 取定量机参数如下：l=0.3cm，S=50cm2，n=1/36，r=3cm，V=2000cm3，T=0.3， ??6?10?6cm2/N2，k1=9.18。则k=6.6，由式（3-8）求得： G(s)?6.6 （3-9） s(0.3s?1)在Simulink中创建的基于模糊控制的仿真结构图如图3-11所示；基于PID控制的仿真结构图如图3-12所示；基于模糊PID控制的仿真结构图如图3-13所示。 图3-11基于模糊控制的系统仿真结构图 22 长春工业大学硕士学位论文 图3-12基于PID控制的系统仿真结构图 图3-13 采用模糊PID控制时的结构图 为了比较这三种控制算法的控制效果列举两组系统参数选择： 1）Kp=5；Ki=1.5；Kd=5；Ke=0.1；Kec=0.03；Ku=4；e1=1.5 (e1为模糊控制与PID控制的阀值)时。为了比较将模糊控制和PID控制时的仿真曲线绘制在一张图上如图3-14所示，采用模糊PID复合控制的仿真响应曲线如图3-15所示。 18PID控制161412模糊控制压力/bar压力/bar181614121086420108642002468 图3-14 分别采用模糊控制和PID控制的响应 图3-15 采用模糊PID复合控制的响应曲线 10时间/s12141618200246810时间/s12141618202）Kp=7；Ki=0.02；Kd=5；Ke=0.07；Kec=0.033；Ku=4；e1=0.5时，分别采用模糊控制和PID控制的仿真曲线如图3-16所示，采用模糊PID复合控制的仿真响应曲线如图3-17所示。 23 长春工业大学硕士学位论文 18模糊控制161412PID控制压力/bar181614121086420压力/bar108642001234时间/s567801234时间/s5678 图3-16 分别采用模糊控制和PID控制的响应 图3-17 采用模糊PID复合控制的响应曲线 从两组仿真结果可以看出，模糊控制时响应速度很快，但稳态时存在稳态误差。而PID控制虽然没有稳态误差，但响应速度要比模糊控制慢很多。而模糊PID复合控制则兼顾了两种控制的优点，响应迅速且没有稳态误差，因而控制效果较好。从第一组和第二组的仿真曲线也可以看出第二组的控制效果要优于第一组，因而，在实际的参数调节过程中要反复尝试，找到最佳的参数值。 3.3 定量机涂胶过程压力控制 在涂胶时为了保证涂胶质量采用电机转速和胶液压力的串级控制。 3.3.1 涂胶过程压力控制模型 1. 串级控制系统 串级控制系统（如图3-18）就是由两个调节器串联在一起，控制一个执行阀，实现定值控制的控制系统。串级控制系统采用两套检测变送器和两个调节器，前一个调节器的输出作为后一个调节器的设定，后一个调节器的输出送往调节阀。 二次扰动设定值一次扰动主参数?主调节器?副调节器执行阀副对象主对象副参数副检测变送器主检测变送器图3-18 串级控制系统方框图 24 长春工业大学硕士学位论文 前一个调节器称为主调节器，它所检测和控制的变量称主变量（主被控参数），即工艺控制指标；后一个调节器称为副调节器，它所检测和控制的变量称副变量（副被控参数），是为了稳定主变量而引入的辅助变量。 整个系统包括两个控制回路，主回路和副回路。副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成；主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。见图3-19即主回路为定量机压力控制回路；副回路为伺服电机转速控制回路， D2(s)R1(s)G1(s)R2(s)U1(s)G2(s)G3(s)Y2(s)G4(s)Y1(s)PID2PID1 图3-19 涂胶压力串级控制系统框图 图中，R1（s） 为系统给定胶液压力；R2（s）为系统给定速度；D2（s） 为随机信号；G1（s）为主回路PID控制器；G2（s）为副回路PID控制器；G3（s）为副回路控制对象伺服电机；G4（s）为主回路控制对象定量机；Y2（s）为活塞运动速度；Y1（s）为定量机输出胶液压力。 2. 串级控制的主要优点 （1） 将干扰加到副回路中，由副回路控制对其进行抑制； （2） 副回路中参数的变化，由副回路给予控制，对被控量G4的影响大为减弱； （3） 副回路的惯性由副回路给予调节，因而提高了整个系统的响应速度。 3. 涂胶模型 对于主控制对象定量机，涂胶时交流伺服电机的输出为角速度，输入为控制电压，传递函数为G3(s)，定量机的输出压力与活塞位移速度的传递函数为G4(s)。 G3(s)?vo(s)n?k11 G4(s)? ?Ua(s)Ts?1T1s?1式中n为减速器的传动比；T为时间常数。 取定量机参数如下：n=1/36，T=0.3，k1=9.18，T1=10。求得： 0.2551副对象特性为G3(s)? ，主对象特性为G4(s)?。 0.3s?110s?1 25 长春工业大学硕士学位论文 3.3.2 仿真分析 本系统是以速度为内环参量，压力为外环参量的串级控制系统，在Simulink中创建的控制系统结构图如图3-20所示： 图3-20串级控制系统结构图 主调节器采用PI控制，取Kp=9；Ki=1； 副调节器采用P控制，Kp=10；外加干扰信号为幅度1的随机信号。输入为阶跃信号时，输出阶跃响应曲线如下图所示： 14012010080604020018161412108642010203040506070800 01020304050607080 图3-21 副回路输入输出响应曲线 图3-22 主回路输入输出响应曲线 1.510.50-0.5-101020304050607080 图3-23 外加干扰信号 26 长春工业大学硕士学位论文 仿真结果表明系统控制采用串级控制回路可以有效的满足涂胶时压力控制的工艺要求。 3.4 本章小结 本章详细介绍了涂胶机的温度和压力控制，主要工作内容总结如下： 1. 分析了涂胶机的三种温度控制方法：开关控制、比例控制和PID控制。对PID控制器进行了设计； 2. 推导出涂胶机温度控制系统的模型，并用MATLAB对该模型进行仿真分析； 3. 在预压压力控制时分别尝试用模糊控制、PID控制以及模糊PID复合控制，并通过MATLAB仿真对这些算法进行比较分析，从而确定模糊PID控制为最终的控制方式； 4. 在涂胶过程中采用转速和压力的串级控制方式，其中伺服电机的速度控制为副回路，定量机的压力控制为主回路。并用MATLAB对该模型进行仿真分析，这种控制方式提高了整个系统的响应速度和抗干扰特性。 27 长春工业大学硕士学位论文 第四章 系统硬件设计 涂胶机自动控制系统的硬件由控制对象、检测环节、计算机、输入输出通道、外部设备和操作台组成。控制对象是指所要控制的定量胶枪，由伺服电机驱动定量胶枪内的螺旋杆进行预压，涂胶和充胶的动作。检测环节中的控制参数大多数为连续变化的物理参数，如胶液温度、电机转速、活塞位移、胶液压力等等；当然还包括机械极限位置一类的开关量控制。在实时控制过程中要知道这些受控参数的变化情况，就需要在系统中配备相应的检测元件及其变换电路，将受控参数转换成电参数，再输入给控制机构。系统的硬件配置主要由工业计算机、编程器、PLC、I/O 接口线路板、光电编码器、交流伺服电动机、各种传感器等硬件及部分外围电路组成。 4.1 整个系统硬件结构设计 PC 主机采用西门子工控机 PC840，配置为Intel Pentium 4 2.8GHz,，内存 标配256 MB SDRAM。涂胶机控制系统的硬件选用WinAC SLOT 412插槽型PLC。此外，为提高系统的安全性，采用了电源扩展板选件，用于对SLOT PLC 提供独立于PC 电源的供电，这样即使PC 出现故障或断电时，WinAC SLOT PLC 也可以正常运行其中的控制程序[7]。在该电源扩展板后还有后备电池（3.6V），作用是在PLC 卡的两路电源都切断的情况下保持PLC 卡内存中的程序及数据块不丢失。 4.1.1 SIMATIC WinAC简介 SIMATIC WinAC（Windows Automation Center）[8]是世界上最大的自动化产品供应商西门子公司推出的基于PC 的自动化解决方案，SIMATIC WinAC 是一个全集成的解决方案，具有以下特点： 1）支持对于控制系统和时间有严格要求的自动化系统； 2）在一台PC 上实现完全的PLC 功能，100%兼容SIMATIC S7 系列PLC； 3）是自动化系统软、硬件的集成平台，其控制功能可处理一个自动化项目中的所 有任务； 4）控制程序的编制可通过STEP 7 来进行； 5）人机界面可通过功能强大的WinCC 来制作； 6）通过PROFIBUS-DP 和工业以太网来连接其它现场控制器和I/O，符合现代自动化发展的趋势——分布式智能控制；此外，在备件上，西门子公司作为可靠的合作伙伴，在产品研发上保持延续性，使用户在系统集成上减少了风险。备件的供应可多年保障，并且使用户享受全球化的服务网络，有强大的技术支持做后盾。 SIMATIC WinAC 的产品包括WinAC Basis、WinAC RTX 和WinAC SLOT 三种主要产品，性能逐渐增强。 28 长春工业大学硕士学位论文 1. WinAC Basis（基本型WinAC） WinAC Basis 是低成本解决方案，用于对控制无精确时间要求，有大量、快速的数据处理与控制任务（控制任务指PLC的控制功能）相结合或其它PC任务的控制场合。它具有以下特点： 1） 控制内核为软件PLC，基于标准的Windows NT 操作系统； 2） 处理能力取决于PC 的CPU 性能、内存容量及控制任务在NT 中的优先级； 3） 与I/O 的连接通过PROFIBUS DP 接口卡（12Mbits/sec） ； 4） 程序与SIMATIC S7 系列完全兼容。 2. WinAC RTX（实时型WinAC） WinAC RTX 提供了Windows 2000/XP的实时子系统，具有“硬实时”和“抗死机”特性。适应于具有高速和精确时间要求的控制任务的场合，如运动控制、闭环控制等。它具有以下特点： 1） 控制内核为软件PLC，并采用VenturCom 实时内核技术标准作为Windows NT4.0 的实时扩展，使其满足控制任务对高速和精确时间的要求； 2） 控制内核及PROFIBUS DP 通讯驱动程序运行在RTX 扩展内核上，由于RTX 扩展内核在Windows NT 操作系统管理之外，即使Windows NT 蓝屏死机，控制和通讯也不受影响； 3） 完全支持标准的Windows NT下的OPC、ActiveX 和DCOM 技术。控制和网络通讯内核与标准的Windows NT 任务的通讯由其内置的代理服务器完成； 4） 与I/O 的连接通过PROFIBUS DP 接口卡（12Mbits/sec）； 5） 程序与SIMATIC S7 完全兼容。已有的WinAC Basis 项目可转换为WinAC RTX。 3. WinAC SLOT（插槽型WinAC） WinAC SLOT 是硬件化的基于PC 的自动化解决方案。它是置于PC 的PCI 总线的插槽型PLC。WinAC SLOT 适用于工业PC 和普通商用PC，其模块插件连同电源扩展板只需要一个PCI 扩展插槽，极大地节省了安装空间。电源扩展板选件用于提供独立于PC 电源的供电，使WinAC SLOT 在PC 断电时也可以正常运行。WinAC SLOT 具有以下特点： 1） 控制内核为硬件PLC； 2） 控制任务独立于Windows NT； 3） 操作性能和指令集基于SIMATIC S7-400 如：WinAC SLOT 412 基于CPU 412-2 DP（128KB 程序、128KB数据存贮空间）； 4） 插卡上集成了PROFIBUS DP、MPI 通讯接口； 5） 具有硬件PLC 的实时快速、坚固可靠的性能和开放式PC 平台的所有优点。 但考虑到本自动控制系统是生产线上重要工位，在设计上应把安全、可靠、稳定 29 长春工业大学硕士学位论文 性放在首要地位，并在此基础上实现系统先进性、可扩展性、可维护性、可操作性、管控一体化和用户的特殊要求。因此最后决定选用WinAC SLOT插槽型PLC。 4.1.2 PLC配置 1. PLC的开关量输入、输出点 PLC的输入、输出点数根据控制系统设计要求和所需控制的现场设备数量加以确定。 (1) 输入端口 自动控制系统PLC的输入端口包括机器人发送给涂胶机的信号，机器人发送给PLC的信号，涂胶机发送给PLC的信号，控制柜上按钮的输入信号。另外PLC输入端口还包括电动机热保护继电器的输入，输入形式是热继电器的常开触点。 (2) 输出端口 PLC的输出端口包括送给定量机的动作信号，送给机器人的控制信号，送给温控器的控制信号， PLC与这些交流接触器的连接是通过中间继电器来实现的，可以实现控制系统中的强电和弱电之间的隔离，保护PLC设备，增强系统工作的可靠性。 2. PLC的模拟量输入、输出点 自动控制系统PLC的模拟输入端口包括压力传感器检测的管网压力信号，变频器反馈的电机强度信号。 3. PLC的从站 根据控制系统实际所需端子数目，并考虑一定的预留量，为以后新设备的介入或设备调整留有余地，因此主模块CPU412-2DP挂接一个ET200S从站和一个温度控制模块。其中ET200S从站带6块4输入DC 24V 的DI模块，7块2输入DC 24V、0.5A的DO模块，1块两输入的AI模块，1块两输入的AO模块，1块24V 1kHZ计数模块。 4.1.3 系统硬件结构设计 本系统中PLC挂接一个ET200S从站和一个温度控制模块，ET200S用于完成涂胶机的涂胶控制，温度控制模块用于控制涂胶的管道胶液温度和定量机内胶液温度，完成胶液温度的控制。整个系统硬件结构设计如下： 30 长春工业大学硕士学位论文 图4-1系统硬件结构设计 31 长春工业大学硕士学位论文 4.2 温度控制系统的硬件实现 4.2.1 加热执行器的选取 目前涂胶机上应用得最多的是电加热，电加热又分为电阻加热和电感加热[9]。 电感加热器是在料筒的外壁上隔一定间距装上几组外面包以主线圈的硅钢片构成的。当将交流主电源通入主线圈时，产生的磁力线在硅钢片和料筒之间形成一个封闭的磁环。由于硅钢片具有很高的导磁率，因此磁力线能以最小的阻力通过。而作为封闭回路一部分的料筒的磁阻要大得多。磁力线在封闭回路中具有与交流电源相同的频率。当磁通发生变化时，就会在封闭回路中产生感应电动势，从而引起二次电压及二次感应电流，即环形电流，亦叫涡流。涡流在料筒中遇到阻力就产生热量。可以用交流电的频率来控制热量产生的深度。频率越高，热产生的深度越大。 与电阻加热相比，电感加热有以下几个特点：加热均匀，温度梯度小，加热时间短；由于没有热滞，一种简单的位式调节仪表即可给出精密的温度控制；摒除了产生热点或冷点的可能性；加热效率高，热损失小，大约比电阻加热节省30%的电能。 虽然电感加热有这些优点，但是它的加热温度受感应线包绝缘性能限制；径向尺寸大；需要大量贵重的硅钢片和铜，故成本很高；而且装拆不方便，其中一段坏了，要将其它段一起拆下维修，在定量胶枪上装置也不方便。所以，电感式加热器很少被采用。 电阻加热的原理是利用电流通过电阻较大的导线产生大量的热量来加热料筒和定量胶枪。这种加热方法包括铸铝加热器、陶瓷加热器、带状加热器等。 铸铝加热器是将电阻丝装于铁管中，周围用氧化镁粉填实，弯成一定形状后再铸于铝合金中。将两半铸铝块包到料筒上通电即可加热。它除具有带状加热器的体积小、装拆方便等优点外，还因省去云母片而节省了贵重材料。因电阻丝为氧化镁粉铁管所保护，故可防氧化、防潮、防震、防爆，寿命长，如果能够加工得与料筒外表面很好地接触，其传热效率也很高。它可以承受5瓦/厘米2的负荷。其缺点是温度波动较大，制做较困难。 电阻加热器中有一种陶瓷加热器，电阻丝穿过陶瓷块，然后固定在铁皮外壳中。它比用云母片绝缘的带状加热器要牢固些，寿命也较长，结构也较简单。 带状加热器是将电阻丝包在云母片中，外面再覆以铁皮，然后再包围在料筒或定量胶枪上，这种加热器的体积小，尺寸紧凑，调整简单，装拆方便，韧性好，价格也便宜。 从性能价格比及维修方便方面考虑，最后选定带状加热器作加热元件。 32 长春工业大学硕士学位论文 4.2.2 加热驱动器的选取 加热驱动器的选择对系统的控制效果、可靠性及使用寿命有着较大的影响。目前，使用较多的大功率热功率驱动器有接触器、可控硅、固态继电器和IGBT（绝缘栅型晶体管）等。 1）接触器通过控制触点的接触和断开来实现加热回路的通断，接触器动作时会产生噪音，另外机械寿命有限。但是它具有可通电流大、价格低的特点，因此仍然广泛被采用。 2）固态继电器（SSR）是一种全部由固态电子元件组成的无触点开关元件，他利用电子元器件的电、磁和光特性来完成输入与输出的可靠隔离，利用大功率三极管，功率场效应管，单向可控硅和双向可控硅等器件的开关特性，来达到无触点，无火花地接通和断开被控电路，具有与机电继电器本质上相同的功能。固态继电器与接触器相比其优点是没有机械运动，不含运动零件、工作电流大、动作频率高、功耗较小、寿命长的特点，缺点是过载时器件易损坏。 3）可控硅为连续电压控制型器件，通过温度控制调节器输出电压的变化，可控硅导通角度发生变化，从而控制加在发热器件上的电压，通过改变加热圈的端电压来达到加温的目的，可控硅控制具有控制精度高、控制稳定等特点，但它的造价较高。 4） IGBT（绝缘栅型晶体管）是由晶体管和MOSFET管复合而成的，它具有输入阻抗高、工作频率高、工作电流较大的特点，是当今使用较多的大功率控制器件，它具有较高的控制特性和稳定性，也适合于本设备改造的需要。 但是，由于在本设备控制系统中，所选用的温度控制器为Z1300控制仪，故选用可控硅驱动发热原件进行温度调节和控制。 4.2.3 温度控制系统的硬件构成 下面详细介绍胶液输送管道的温度控制系统（见图4-3），该温度控制系统主要由温度控制器REG1、可控硅调功器CD3000S（见图4-2）、加热器件、温度检测器件等组成。其中可控硅调功器CD3000S是一种起导通/关断作用的半导体设备，它由两个反并联的可控硅整流器（SCR）构成。该可控硅调整器结构坚固，专门为工业环境而设计。 33 长春工业大学硕士学位论文 图4-2可控硅调功器CD3000S 温度控制系统的工作过程如下：温度调节器REG1通过第1路输入获得胶液输送管道的实际温度，然后经过判断和处理后，从第3路输出端口输出3~20mA的模拟量，去控制CD3000S实现对管道的温度控制。 对定量机的温度控制与此相似，在此不再赘述。 34 长春工业大学硕士学位论文 图4-3 温度控制系统的硬件设计 35 长春工业大学硕士学位论文 4.3 压力控制系统的设计 涂胶机的涂胶质量主要决定于预压和涂胶过程的质量，预压是指在涂胶前需要将定量机内的胶液预压到一定的压力值。通过建立预压，使涂胶操作在涂胶开始时得到优化。在涂胶过程中，主要对涂胶压力进行双闭环控制，在此过程中主要控制对象为伺服电机和定量机。 定量机内压力的建立是通过伺服电机顺时针转动，通过涡轮蜗杆结构推动定量机内的活塞下移，在密闭的定量腔内产生压力。同时在定量腔底部装有压力传感器，通过压力传感器将将压力转换成电压信号传递给PLC，通过比较实际压力与设定压力的偏差输出控制量u，对电机进行相应的控制。压力控制系统的电气原理图如下。 图4-4 压力控制系统的硬件设计 36 长春工业大学硕士学位论文 4.4 本章小结 本章主要是阐述涂胶机硬件系统的组成和结构，研究的主要内容如下： 1. 确定了涂胶机控制系统的硬件组成和配置，并设计了整个系统的硬件结构图； 2. 通过比较和分析最后选定温度传感器为结构简单、工作可靠、稳定性较好、价格低廉的热电偶，加热器选择为带状加热器，加热驱动器选择为双向可控硅； 3. 详细阐述了温度控制系统的构成，设计了温度控制系统的硬件结构图； 4. 设计了涂胶机压力控制系统的硬件结构图。 37 长春工业大学硕士学位论文 第五章 涂胶机控制系统的软件设计 5.1 软件设计的原则 按照软件工程的设计思想，总体设计通常由系统设计和结构设计两个阶段组成的。一般来讲应遵循以下基本原则： （l）程序采用模块化结构。 （2）在考虑对任何问题的模块化分解时，可以提出许多抽象的层次。在抽象的最高层次使用问题环境语言，以概括的方式叙述问题的解法，在较低的层次采用更过程化的方法，把面向问题的术语和面向实现的术语结合起来叙述问题的解法。 （3）采用信息隐蔽和局部化原则。 （4）遵循模块独立的原则。尽量使用数据藕合，少用控制藕合，限制公共环境藕合的范围，完全不用内容藕合，设计时应做到高内聚。 （5）模块的扇入、扇出都应该使模块的作用域在控制域之内。 （6）降低模块接口的复杂程度，设计单入单出口的模块。模块功能应可以预测。 5.2 软件各模块简述 5.2.1 参数设置模块 参数设置流程图如图5-1所示。根据用户输入的参数，包括定量机特性参数，胶液温度参数，模糊PID参数等，判断参数是否合理。如果参数不合理，则提示用户重新输入参数；如果合理，则提示系统可以运行。 开始机器参数设置N参数合理否?Y参数处理输出给PLC退出 图5-1 参数设置流程图 38 长春工业大学硕士学位论文 5.2.2 压力控制方法判别模块 预压时压力控制方法判别模块流程图如图5-2所示。模块主要是根据得到的压力误差和压力误差变化率来判断采用那一种控制方法。如果压力误差大于或等于e1，则进入模糊控制；如果压力误差小于e1，则进入PID控制，减小系统的稳态误差。 开始计算偏差e|e|≥el Y模糊控制NPID控制采样时刻到否YN 图5-2 压力控制方法判别流程图 5.2.3 模糊控制模块 模糊控制模块流程图[10]如图5-3所示。首先设置量化因子Ke、Kec和比例因子Ku。然后将得到的压力误差ek和压力误差变化率eck模糊化，通过查询模糊查询表得到模糊控制量Uk，最后将压力控制量精确化后再输出，即uk。 39 长春工业大学硕士学位论文 开始设置量化因子K Kec，e，比例因子 Ku 本次采样输出vkek，偏差变化eck计算偏差 ek?uk?vk,eck?dekdte k,eck在各自的论域上模糊化E??Keek?;EC??Kecek?查询控制表，输出相应的UkU k在其论域上精确化uk?KuUkuk采样时刻到否YN 图5-3 模糊控制模块流程图 5.2.4 PID控制模块 PID控制模块流程图[11][12]如图5-4所示。首先要设置比例参数KP，积分参数KI，微分参数KD，然后再将指令压力与采样得到的实际压力相比较得到压力误差ek，最后将压力误差代入计算公式得到输出控制量uk。 40 长春工业大学硕士学位论文 开始设置控制参数KP,KI,KD设初始值uk?1?ek?1?0本次采样的实际压力vk计算压力偏差ek?uk?vk输出控制量ukuk?uk?1?Kp(ek?ek?1)?KIekek?ek?1,uk?uk?1计算控制量采样时刻到否YN 图5-4 PID控制模块 5.2.5 中断处理模块 中断处理模块流程图如图5-5所示。中断处理模块是系统安全运行的一个重要保证。在系统软件中，编写一个函数无限等待中断事件的到来，若有中断，则判断是哪一种中断，对不同的中断采取不同的应对措施。最后在主界面显示系统出现的故障。 41 长春工业大学硕士学位论文 开始有中断否？Y中断处理限位开关断点伺服报警运动出错主界面显示有中断否？Y退出N 图5-5中断处理模块 5.2.6 温度控制模块 温度控制模块是保证涂胶机正常工作的基本条件，在通常情况下胶是固态的，要保证它在液态的情况下就要对其进行加热。胶液温度不同时将影响定量机涂胶的流速，因此要对温度进行精确的控制。本系统共设有两处加热点，输送管道内和定量胶枪内。温度控制模块的流程图如下。 开始设定温度T1T2T1-T2PID调节电阻丝 图5-6温度控制模块 42 长春工业大学硕士学位论文 5.2.7 PLC流程模块： PLC控制流程图如下： 开始零件待涂胶定量机内是否有胶Y采样压力信号电机反转带动丝杆上移，活塞留在定量腔底部N模糊PID调节N是否达到规定压力Y打开出胶阀出胶阀关闭，进胶阀打开，胶液推动活塞上移丝杆是否到达顶端YN采样压力信号PID调节注胶是否完成N涂胶是否完成YYN 图5-7 PLC控制流程图 5.3 本章小结 本章主要进行了交流伺服系统应用软件的开发。完成的主要任务有： 1. 编写了温度控制模块和压力控制方法判别模块； 2. 编写了模糊控制模块和PID控制模块流程图； 3. 编写了PLC控制模块流程图。 43 长春工业大学硕士学位论文 第六章 监控系统的设计 6.1 组态软件WinCC简介 以工业PC为基础的监控系统近年来发展迅速，组态软件是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境。WinCC组态软件[13]是一个集成的人机界面（HMI）系统和监控管理系统，它是西门子公司在过程自动化领域中的先进技术和微软公司强大软件功能的产物。WinCC是视窗控制中心（Windows Control Center）的简称。它提供了生成复杂可视化任务的组件和函数。WinCC提供各种PLC的驱动软件，因此使PLC与上位机的通信非常方便，如果将WinCC与STEP7合用，可以大大地缩短开发周期，因为在STEP7中定义的变量可以在WinCC中直接使用。 本文选用组态软件WinCC开发了操作方便界面友好的涂胶机温度和压力过程监控系统[14][15]。 6.1.1 WinCC体系结构 WinCC的体系结构非常庞大，总结它的体系结构包括三部分：控制中心、系统控制器和数据管理器。 控制中心：控制中心组合了用户系统操作所需的全部数据，并确保按等级顺序存储。控制中心使用户通过WinCC应用进行浏览，并且对其数据进行一些操作。从形式和操作上看，控制中心与Windows的资源管理器类似。 系统控制器：系统控制器管理各站之间的通讯。 数据管理器：在WinCC项目中用于处理中央任务，其主要任务是处理变量管理器，其通讯通道用于访问过程数据。 整个WinCC软件包结构是一个基于模块化设计的体系结构。功能非常强大，有利于开发者的研究应用。 6.1.2 WinAC与WinCC之间通信 本系统选用西门子WINAC 插槽型PLC作为控制器来编程实现对温度和压力的控制，要利用组态软件WinCC开发用户控制界面，故首要考虑的问题是插槽型PLC与WinCC之间的通信问题[16][17]。 为了实现上位机与外部设备进行通讯，必须组态用于该设备的通道，通道就是在设备和WinCC之间生成的逻辑接口的驱动器，具有三个功能。 1为使用人员提供组态物理和逻辑连接参数的方法。 2通过数据管理器在外部设备和WinCC变量之间建立一个在线运行接口。 3为用户提供一个简便接口用于为外部设备或应用的存储器结构加入变量标签并设置地址。 44 长春工业大学硕士学位论文 在WinCC组态软件中，选择通道时，需要将驱动器SIMATIC S7 Protocol suite（SIMATIC S7协议集）加入到项目中。实现方法：在WinCC控制中心浏览器中的Tag Management（变量标签管理器）下生成一个协议连接。连接SIMATIC S7协议集的通信类型有以下几种： ·MPI接口 ·PROFIBUS ·工业以太网TCP/IP ·插槽PLC 本系统中WinCC与WinAC安装在同一台PC机上。因此使用“SIMATIC S7 PROTOCOL SUITE”下的通道单元 “Slot PLC”，将WINCC与WinAC SLOT 412 插槽型PLC连接起来。 需要注意的是在WinCC与WinAC建立连接时，由于WinCC与WinAC安装在同一台PC机上，它们是通过内部通道进行通讯的，因此设置连接参数时与WinAC的站地址无关。但通道单元Slot PLC的连接属性中的站地址与插槽号应相同，且都为WinAC在PC站中的虚拟插槽号（即Station Configuration Editor中的索引号）。默认时， WinAC SLOT插在虚拟插槽3中。WinCC在默认情况下，已经正确设置了站地址和插槽号。 6.2 监控系统的界面设计 本监控系统所涉及的主要参数有：设定温度、预压压力、流速及相关的PID控制和模糊控制参数。在运行过程中，用户可以输入期望的设定值，同时系统会实时显示所控对象的实际值，随时监控各参数的变化情况。本系统设计了简明、灵活、使用方便的界面。具体界面如下： 6.2.1 运行屏幕显示页面 运行屏幕显示页，在该屏幕显示页里显示有当前的生产参数 45