孔超 宁祎 宋彩艳

摘要：针对机架前车桥焊接人工组装夹具耗时长、效率低等问题，提出机架前车桥焊接智能工装系统，该系统中采用S7-200型PLC对其工装模块进行控制。该文对S7-200内置增量式PID算法进行分析，为了避免工装模块的震荡，用模糊控制理论对增量式PID控制算法进行改进，最后用Matlab仿真证明其动态性能稳定。

关键词：智能工装； S7-200； 增量式PID； 模糊控制

中图分类号：TP29 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）21-0269-02

Abstract： Aimed at the long time and inefficiency of the manual assembly fixture for welding the front axle of the frame， The article put forward the rack front axle welding intelligent Tooling system， This system adopts S7-200 type PLC to control its tooling module. This article analyzes the built-in incremental PID algorithm of S7-200，In order to avoid the oscillation of the tooling module， Improvement of Incremental PID Control Algorithm with Fuzzy Control Theory， Finally use Matlab simulation to prove its stable dynamic performance.

Key words： Intelligent Tooling； S7-200； Incremental PID； Fuzzy control

1 背景

机架前车桥作为农用机械的重要组成部件，它会接收到来自各方面的压力。目前焊接过程大多由机器人来完成，这使得焊接工作和效率突飞猛进，然而在焊接线上的工装方面，却仍采用人工组装夹具，耗时长，效率低，在此背景下提出智能工装。智能工装保证了在焊接前的精准定位，并且工作效率也得到了很大程度的提高[1-2]。该文设计了智能工装的控制系统，对PID控制算法进行改进研究。

2 智能工装系统

智能工装具体模块结构如图1所示，其中大臂上端有两个平行的通孔作为移动副，分别可安装在两个平行的导轨上，通过电机驱动带动整个工装模块在导轨上移动；小臂与大臂有一转动关节1，工装对目标焊件的定位抓取時该转动关节呈[90°]，工装对目标焊件进行上料时该转动副为[0°]；小臂与以下部件之间有一转动关节2，工装对目标焊件的定位抓取时该转动关节呈[90°]，工装对目标焊件进行上料时该转动副为[0°]，该转动副工作平面与上一转动副工作平面垂直；工装安装在变位机上，当工装作业完成，焊接机器人开始作业时，变位机可旋转整个工装与焊接机器人配合作业。

工装模块的移动关节采用步进电机作为其关节驱动源，系统选用西门子公司生产的S7-200型PLC，S7-200内部固化有增量式PID控制算法，由PLC为其提供运算所必需的KP、KI、KD等参数[3-4]。但是将其内部固化的PID算法用在智能工装模块移动关节控制中会暴露出一些不足，偏差较小的情况时，PID输出基本保持不变，当加大积分时，又会引起工装模块的震荡不稳定，同时移动关节会产生较大误差。所以该文采用模糊控制对固化PID进行改进，仿真其PID控制器输出结果。

3 改进PID控制

3.1 增量式PID控制算法

PID控制由于其灵活性成为工业控制中最常用的控制算法[5]，其控制框图如图2所示，由控制器和被控对象组成。

3.2模糊PID控制

根据智能工装系统的具体情况，即在运动过程中各个夹具模块姿态和运动量都在实时地变化着，所以应该在夹具模块姿态改变的同时，使程序立刻进入PID参数计算，实时地计算出各种位姿下最佳的PID控制参数。增量式PID控制算法虽然可以在一定程度上改善系统性能，但是其控制器算出的控制量，可能超过工装模块最大动作范围的极限控制，从而造成整个工装系统的震荡，为了解决这个问题，该文引入了模糊PID控制算法对增量式PID算法进行改进，提高系统稳定性。其控制算法流程图如图3所示，通过光电编码器反馈值计算偏差，利用模糊整定来修改PID参数，最后对工装模块移动关节进行控制。

3.3 MATLAB仿真结果

PID参数模糊自整定是找出PID三个参数与e和[?e]之间的模糊关系，在运行中通过不断检测e和[?e]，利用模糊规则进行模糊推理，查询模糊矩阵表对三个参数进行在线修改，以满足不同的控制要求，从而使被控对象有良好的动、静态性能。用Matlab对增量式PID算法和改进后算法进行仿真，仿真曲线如图4所示，绿色线为经典增量式PID仿真曲线，蓝色为改进后模糊PID仿真曲线。从图中可以看出，改进后的曲线响应速度较快、动态性能更好，并且对于工装模块移动关节的控制更加平稳。

4 结束语

文中介绍了机架前车桥智能工装模块，工装模块整体采用S7-200PLC进行控制，针对其移动关节在内置PID算法控制下的震荡不稳定问题，提出用模糊控制理论对增量式PID算法进行改进，最后用Matlab仿真证明其调节时间更多，对工装模块的控制稳定性更好。

参考文献：

[1] 王纯祥. 焊接工装夹具设计及应用[M]. 北京： 化学工业出版社， 2011.

[2] 屠攀. 汽车零件柔性焊接夹具设计与研究[D]. 上海： 东华大学， 2016.

[3] 强宝民， 肖晟. S7—200 PLC在PID闭环控制系统中的应用[J]. 现代电子技术， 2008， 31（14）： 173-175.

[4] 杨津听， 熊浩， 丁黎梅. S7-200PLC的PID自整定算法剖析[J]. 工业控制计算机， 2012， 25（1）： 9-10.

[5] 张新敏， 康烨， 朱学军. 基于Simulink与S7-200 PLC的温度控制系统设计[J]. 农机化研究， 2014（10）： 196-200.

【通联编辑：谢媛媛】