自動化熱縮管工藝（二）

概念系統(tǒng)設(shè)計

從概念上講，該團(tuán)隊(duì)決定設(shè)計和制造一個裝有兩個加熱槍的加熱室，其尺寸允許由熱縮管包裹的直徑高達(dá)3英寸的線束受控通過，并連接到電機(jī)驅(qū)動的線性運(yùn)動系統(tǒng)，該系統(tǒng)可容納1至15英尺不等的線束長度。對腔室的線速度和內(nèi)部溫度進(jìn)行監(jiān)測和控制，以使線束和卡套管在適當(dāng)?shù)臏囟认卤┞额A(yù)定的時間，從而產(chǎn)生所需的卡套管收縮。

首先開發(fā)了圖1所示的小規(guī)模原型，以評估圖2所示的帶有短線束段的腔室設(shè)計。該原型由線性定位系統(tǒng)上的儀器加熱室組成，并配有兩個對稱定位的加熱槍。腔室設(shè)計允許熱空氣通過通道從熱風(fēng)槍引導(dǎo)到線束上。這些空氣通道徑向分布以提供均勻的加熱，并且還沿移動方向傾斜以預(yù)熱線束的未示出的部分。

圖1熱縮管機(jī)原型

圖2 加熱室原型設(shè)計

線性定位系統(tǒng)被設(shè)計成當(dāng)達(dá)到推薦的收縮溫度水平（175-200℃）時沿著線束移動加熱室。由于環(huán)境條件和熱風(fēng)槍操作中的潛在變化，在管段上進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，并提供了與腔室出口處的熱空氣溫度/流速和適當(dāng)收縮過程的腔室線速度相關(guān)的數(shù)據(jù)。選擇了與加熱室內(nèi)的空氣溫度和所需速度值（Td，d）相關(guān)的查找表方法。當(dāng)溫度在其期望的設(shè)定點(diǎn)附近波動時，速度設(shè)定點(diǎn)被相應(yīng)地調(diào)整以進(jìn)行補(bǔ)償。從技術(shù)上講，這是一個開環(huán)解決方案；然而，閉環(huán)策略需要監(jiān)測實(shí)際的管道收縮情況——也許使用圖像處理系統(tǒng)，這將被證明是不必要的復(fù)雜和成本效益。

另一個必要條件是控制器單元，用于管理致動器位置和速度以滿足預(yù)期的熱暴露性能；如今，在嵌入式控制器設(shè)備的幫助下構(gòu)建控制單元是常見的。為了開發(fā)這樣的控制單元，除了選擇和配置適當(dāng)?shù)挠布?，還應(yīng)該在軟件環(huán)境中開發(fā)和實(shí)現(xiàn)控制算法。然后將軟件部署到硬件平臺中。根據(jù)受控過程、工廠環(huán)境特征和控制原理，不同的平臺可以用于不同的應(yīng)用。為此應(yīng)用選擇了可編程邏輯控制器（PLC）（與ASIC、FPGA、DSP等其他類型的嵌入式控制器相比）。這種選擇的主要原因是熱縮管機(jī)將在惡劣的工業(yè)環(huán)境中工作，在這種情況下，PLC是最佳選擇。另一個原因是，由于PLC是一個集成控制系統(tǒng)，它將提供與傳感器和致動器層接口所需的隔離、信號調(diào)節(jié)和電流/電壓放大。最終，PLC將通過預(yù)定義的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議與HMI面板和個人計算機(jī)等其他設(shè)備輕松通信。

系統(tǒng)建模與控制結(jié)構(gòu)

建模方法分為兩大類：數(shù)據(jù)驅(qū)動模型和分析模型。數(shù)據(jù)驅(qū)動建模使用系統(tǒng)識別等技術(shù)，而分析建模創(chuàng)建了一個框圖模型，用于實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)動力學(xué)的微分/代數(shù)方程。一種類型的分析建模是物理建模，其中通過連接塊來創(chuàng)建模型，這些塊表示實(shí)際工廠所包含的物理元素。這個項(xiàng)目受益于這種建模。換言之，熱縮管機(jī)器或設(shè)備被分解為其物理構(gòu)建塊，并且每個塊將被單獨(dú)建模。接下來，所有建模的構(gòu)建塊連接在一起，以對整個系統(tǒng)進(jìn)行建模。

圖3 線性定位系統(tǒng)MATLAB/Simulink模型

選擇了Mathworks的MATLAB/Simulink作為仿真環(huán)境。它是一個多領(lǐng)域的軟件包，使該軟件成為開發(fā)控制系統(tǒng)和測試系統(tǒng)級性能的完美選擇。MATLAB/Simulink中的Simscape庫提供了來自機(jī)械、電氣、熱學(xué)和其他物理領(lǐng)域的構(gòu)建塊，使其能夠在不直接處理數(shù)學(xué)方程的情況下對完整的物理系統(tǒng)進(jìn)行建模。設(shè)計者需要為每個構(gòu)建塊設(shè)置一些屬性。Simscape模型自動生成表示系統(tǒng)行為的微分方程。這些方程與系統(tǒng)模型的其余部分集成，并直接求解。Simscape元素通過物理建模的連接連接在一起，這就是為什么每個參數(shù)和變量都有自己的物理單位，所有單位轉(zhuǎn)換都會自動處理。

原型機(jī)中的加熱室是通過轉(zhuǎn)動帶有連接手柄的螺桿手動驅(qū)動的，從而產(chǎn)生線性運(yùn)動（圖1）。在全尺寸系統(tǒng)中，將采用伺服電機(jī)自動驅(qū)動加熱室。由此產(chǎn)生的系統(tǒng)模型如圖3所示，其中直流電機(jī)塊表示所選電機(jī)的等效電路，并包括電機(jī)的電氣和機(jī)械特性。直流電機(jī)旁邊的摩擦塊顯示了相互物理接觸的旋轉(zhuǎn)部件之間的旋轉(zhuǎn)摩擦。摩擦值是作為相對速度的函數(shù)來計算的。蝸輪和導(dǎo)螺桿塊代表了將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為線性位移所需的機(jī)構(gòu)。負(fù)載力塊模型是基于輸入信號進(jìn)行控制的理想力源。“理想”一詞意味著它足夠強(qiáng)大，無論源終端的速度如何，都能保持恒定的力。燃燒室（包括夾具、外殼和底座）和兩個加熱槍的總負(fù)載重量為7.49磅（3.4公斤），將為我們提供33.32 N的模擬負(fù)載力。最終，位置傳感器塊模擬平移運(yùn)動傳感器，其輸出為線性速度和位置。

自動熱縮管機(jī)將在與除操作員以外的任何其他制造設(shè)施交互的情況下工作。按照順序，操作員啟動機(jī)器，將線束放入其中，并監(jiān)督其操作模式。操作模式可以通過由諸如按鈕、傳感器和內(nèi)部信號之類的設(shè)備觸發(fā)的事件信號來改變，這些設(shè)備在控制邏輯中定義并依賴于內(nèi)部變量。這種控制方案是用離散事件系統(tǒng)（DES）建模的。DES是一個具有離散狀態(tài)空間和事件驅(qū)動動力學(xué)的系統(tǒng)，即狀態(tài)只能隨著時間的推移而異步發(fā)生的瞬時事件而改變[5]。在這種情況下，傳統(tǒng)上使用狀態(tài)圖來描述這類系統(tǒng)，盡管也有其他方法，如Petri網(wǎng)模型。MATLAB/Simulink具有在狀態(tài)圖中開發(fā)和模擬控制器的能力。圖4說明了出于監(jiān)督控制目的的相應(yīng)想法。

圖4 用于管理操作模式的狀態(tài)圖

在所有現(xiàn)有的單輸入/單輸出控制器中，最常見的是誤差驅(qū)動的比例、積分、微分或PID控制。許多復(fù)雜的控制系統(tǒng)可以使用控制器單元，其主要控制構(gòu)建塊是PID控制模塊。在典型的PID控制器中，由于可能的噪聲放大，導(dǎo)數(shù)（D）項(xiàng)比使用比例（P）或積分（I）控制更需要注意。在許多應(yīng)用中，I項(xiàng)或更一般地說，PI項(xiàng)在使系統(tǒng)能夠跟蹤恒定設(shè)定點(diǎn)或等效地迫使誤差信號為零方面表現(xiàn)令人滿意。盡管設(shè)計更復(fù)雜，但在本項(xiàng)目中，我們將利用級聯(lián)PI結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，該結(jié)構(gòu)由控制主要物理參數(shù)（此處為電機(jī)角速度）的外環(huán)控制器（主控制器）和讀取外環(huán)控制器輸出作為設(shè)定點(diǎn)的內(nèi)環(huán)控制器（從控制器）組成，通?？刂谱兓斓膮?shù)（此處是電機(jī)電流）。結(jié)果表明，級聯(lián)型PI控制器的工作頻率增加，整個系統(tǒng)的時間常數(shù)減小。

PI控制器參數(shù)KP和KI被調(diào)整以形成閉環(huán)系統(tǒng)特性，包括響應(yīng)速度、穩(wěn)定時間和超調(diào)，以確保穩(wěn)定性和可接受的穩(wěn)態(tài)誤差。調(diào)整PI控制器的最常見方法是基于試驗(yàn)和誤差，例如使用MATLAB的SISO工具。還有分析方法，如根軌跡，以及其他頻域技術(shù)和實(shí)用方法，如齊格勒-尼科爾斯。這些方法都提供了一階近似，結(jié)果通常需要設(shè)計者進(jìn)一步手動調(diào)整[7]。在當(dāng)前項(xiàng)目中，PID控制器構(gòu)建塊中的調(diào)諧器實(shí)用程序用于設(shè)計控制器參數(shù)。當(dāng)不應(yīng)用外循環(huán)時，必須首先對內(nèi)循環(huán)進(jìn)行調(diào)諧。然后，當(dāng)外循環(huán)被調(diào)諧時，內(nèi)循環(huán)被設(shè)置為跟蹤模式。圖5顯示了在MATLAB/Simulink中設(shè)計的控制器的原理框圖。

圖5 系統(tǒng)模型以及設(shè)計的控制器框圖

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