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基于PLC技术的机电设备作动系统协调控制仿真

2022-01-22王海波魏晋忠

计算机仿真 2021年12期
关键词:梯形图协调控制动系统

王海波,魏晋忠

(南宁师范大学,广西 南宁 530001)

1 引言

机电设备作动系统是实现飞机飞行姿态以及飞机轨迹控制的关键飞行控制子系统之一,其性能的好坏会直接影响飞机的飞行品质[1-2]。国外大约从20世纪70年代左右开始研究使用功率电传作动系统,即飞机第二能源系统到作动系统各个执行机构之间的功率[3],利用电导线以电能形式传输,取代之前通过液压管路传输功率。这对飞机的操纵、控制以及性能带来十分大的影响。机电作动系统为未来的发展方向,国内外现阶段依旧处于原理研究实验节点。而目前我国急需要对机电设备作动系统进行协调控制,相关专家针对该方面的内容进行了大量的研究,例如任春光等人[5]利用双向DC/DC变换器将超级电容组成的混合储能系统应用直流子网中,同时通过双向变压器两侧子网的电压—功率下垂特性,对系统两侧的电压进行归一化处理,以有效实现最终的协调控制。李武华等人[6]主要通过高通滤波器、带同滤波器和低通滤波器有效实现最终的协调控制。虽然上述方法已经获取了较为满意的研究成果,但是由于未能考虑PLC技术问题,导致机电设备作动系统协调控制误差上升,执行效率降低。

为此,设计并提出一种基于PLC技术的机电设备作动系统协调控制方法。仿真结果表明,所提方法不仅能够有效提升执行效率,同时还能够降低机电设备作动系统协调控制误差。

2 PLC技术

PLC技术和传统的继电器相比,优势十分明显。其中,控制系统中各项动作主要是通过顺序控制器的计算公式进行设计,其中控制器所对应的部分能够通过梯形图表示。所以,对于机电设备作动系统的检测,可以利用仿真完成,这样不仅能够实现系统设计的规范化[9],同时还能够增强系统的可靠性和安全性。现阶段,我国部分工业和企业已经将PLC技术大范围的应用到对应的编制程序中,有效提升系统的工作效率,并且最大程度发挥顺序控制器的价值。

机电设备在自动化生产的过程中,由于生产过程中电器量较大,如果机电设备长期在这种超负荷的情况,会增强机器的磨损程度,同时还会降低整个机器的使用期限。另外,如果机电设备作动系统处于超负荷状态运转,在机电设备中会形成大量的碎屑和粉尘,导致机电设备内部摩擦力增加。机电设备为了增加产量,相应的需要提升系统的功率,这样会造成机电设备磨损严重,整体的使用寿命会大幅度降低。将PLC技术应用到机电设备作动系统的协调控制中,从而有效实现机电设备作动系统协调控制,这样不仅能够有效降低粉尘量和碎屑量,同时还能够减少对机械设备的磨损,从而有效增强整个设备的使用期限。

在机电自动控制系统应用PLC技术的一个重要环节就是顺序控制技术的应用,顺序控制能够有效完成对整个生产过程的协调控制。在顺序控制中主要采用PLC控制技术,必须要以电器设备自动化系统作为研究基础,系统本身包含现场传感器、远程层等部件,这样不仅能够有效实现协调控制,同时还能够降低人力资源的浪费,并且提升整个系统的生产效率。

在机电设备作动系统应用PLC技术过程中,由于经常受到各种外界因素的干扰,导致系统的稳定性以及可靠性较差[10]。所以,需要通过问题的根源进行分析以及解决,主要从接地系统环节和线路连接环节等方面着手,将影响PLC技术应用的干扰源全部清除。

其中PLC控制系统的总体框架图如图1所示。

图1 PLC控制系统的总体框架图

3 基于PLC技术的机电设备作动系统协调控制

3.1 Petri网控制模型

从形式化的角度而言,Petri网能够被设定为是一个四元组,将其能够表示为

N=(P,T,F,W)

(1)

其中

P={p1,p2,…,pm}

(2)

T={t1,t2,…,tn}

(3)

Petri网的性质是Petri网系统中能够使变迁激发出来,同时引发系统状态变化的现象,其中Petri网主要包含以下几方面的性质:有界性;可达性;活性和死锁。

采用Petri网对实际系统进行形式化建模,主要是通过Petri网分析方法有效对系统的性能进行分析,以方便在实际运行的过程中获取系统对应的运行参数,

Petri网主要是由图2中的几个部分组成。

图2 Petri网的组成

为了组建机电设备作动系统的Petri网模型,需要组建库所、变迁和有向线段三者和实际控制对象的对应关系。

将实际输入/动作和库所相对应;当有控制信号输入或者变迁激发时,库所得到标志,同时输出对应的控制动作;当控制信号消失或者和库所连接的下一个变迁被激发时,则库所会失去标志同时终止输出。

将控制条件和变迁相对应,当满足控制条件时,变迁会被激发,同时将标志传输到下一级的库所。

可编程逻辑控制器包含三种不同的基本控制模型(如图3所示),分别为:

图3 Petri网模型图

1)有序控制模型;

2)并行控制模型;

3)同步控制模型。

3.2 Petri网控制模型的梯形图转换

梯形图指令主要划分为基本指令和功能指令,其中功能指令不仅能够简化程度,同时还能够实现一些基本指令无法试实现的功能,所以以下重点进行Petri网控制模型梯形图的转换[11]。其中功能指令大致能够划分为以下几种类型,分比为:

1)比较指令;

2)传递指令;

3)逻辑操作指令等。

各个指令在梯形图程序中能够表示为触点,同时还能够表示为机电设备作动系统的输出终端,其中功能指令的梯形图即为功能框。通常情况,功能框图主要是由图4中的四个部分组成,分别为:

图4 功能框图的组成

1)机电设备作动系统指令标题:

功能框内部的符号即为对应指令的标题。

2)操作数:

在功能框左边的操作数为源操作数,实际上就是系统中参与运算的操作数;在功能框右边的操作数为目标数据,实际上就是系统在运行过程中产生的操作数。

3)执行条件:

在梯形图中,执行条件在功能框中采用“EN”表示,和“EN”连接的为触点的组合。其中,特别需要注意的,当执行条件成立时,指令的执行方式能够划分为两种分别为:

①连续执行:

在设定的时间将执行全部指令。

②脉冲执行:

当满足系统的执行成立条件时,系统的指令才会被执行。

4)ENO状态:

ENO即为布尔输出,当ENO的取值为1时,则说明能够将能流传递至下一个元素中;当ENO的取值为0时,则说明指令执行出现错误,在程序自检的过程不允许通过。

在Petri网中,托肯在库所中的分布情况能够组建Petri网的标志,其中标志的变化过程有效反映了机电设备作动系统的协调控制过程[12]。为了准确描述Petri网中各个标志的变化规律,需要设定以下表达式

(4)

(5)

(6)

(7)

通过Petri网标志的运行规则,描述变迁激发的表达式为

(8)

假设Ti(t)=1,则Ti立即被触发;当Ti被触发之后,在(t+Δt)时刻,Pi的状态能够表示为

(9)

其中三种基本模型的逻辑表达式为:

1)顺序

(10)

2)并行

(11)

3)同步

(12)

对式(10)、(11)、(12)表达中的库所以及变迁分布对应的PLC地址,同时将其中的逻辑联系关系和梯形图中的串、并接触点对应,同时将逻辑表达式转化为梯形图。

3.3 机电设备作动系统协调控制

机电设备作动系统中的全部数据均是以二进制的方式进行存储,PLC中的数据也采用相同的存储方式。比较质量就是对输入端的两个变量进行对比,而输入端的变量就是通过二进制存储的数字或者存放二进制的寄存器,比较最终就是完成数字和数字的对比,实际就是按位进行对比,从高位开始依次对比,获取最终结论。其中,结合3.1小节和3.2小节的分析,机电设备作动系统的Petri网建模,具体的操作过程如下所示:

1)输入变量的每一位值含有两个取值,其中一个为0,另外一个为1;在非最高位,分别代表存放的数字为0或者1;在最高位,分别代表正或者负;采用两个库分别代表对应位存放的数字为0或者1。

2)不同位间数字进行对比的过程可采用变迁表示。

3)各个数字经过对比后,形成不同的对比结果,其中对比结果划分为真结果和价结果,分别采用两个不同的库进行表示。

在上述分析的基础上,完成了机电设备作动系统的Petri网建模,结合PLC技术,将控制模型转换为PLC协调控制程序,最终实现机电设备作动系统协调控制。

4 仿真研究

为了验证基于PLC技术的机电设备作动系统协调控制方法的有效性,在Windows10操作系统,Matlab R2018a实验平台下进行仿真测试。

1)机电设备作动系统协调控制误差/%:

实验选取文献[5]方法和文献[6]方法作为对比方法,将机电设备作动系统协调控制误差作为测试指标,其中协调控制误差越低,说明控制结果越理想;反之,协调控制误差越高,则说明控制结果越差。利用表1给出具体的实验对比结果。

表1 不同方法下各系统协调控制误差对比

分析表1中的实验数据可知,随着测试样本数量的持续增加,所提方法的协调控制误差处于相对稳定的状态,文献[5]方法的协调控制误差则呈现忽高忽低的状态,而文献[6]方法的协调控制误差则呈现直线上升的趋势。经过对比可知,所提方法的协调控制误差最低,这主要是由于所提方法在实际应用得过程中在引入了PCL技术,这样促使整个系统的协调控制误差得到有效降低,能够获取较为满意的协调控制效果。

2)执行效率/%

以下实验测试将执行效率作为评价指标,利用图5详细给出三种不同方法的执行效率对比结果。

图5 不同方法的执行效率对比

分析图5中的实验数据可知,文献[5]方法和文献[6]方法的执行效率随着测试的增加均呈直线下降趋势,但是所提方法的执行效率却一直趋于稳定的状态。主要原因在于,所提方法在实际研究的过程中引入了PLC技术,促使整个方法的控制误差得到有降低,同时整个方法的执行效率也随之增加。

5 结束语

针对传统方法存在的一系列问题,设计并提出一种基于PLC技术的机电设备作动系统协调控制方法。通过实验得出以下结论:

1)当样本数量为50个时,提出方法的系统协调控制误差仅为0.124,说明所提协调控制误差明显降低。

2)当测试数据为20次时,本文方法的执行效率为99%,本文方法的执行效率明显提高。

但是由于环境以及人为因素的限制,导致所提方法存在一定的弊端,后续将重点针对以下几方面的内容展开研究:

1)在现有的PLC程序中,并没有在研究的系统中安装顺序控制器,后续将在其中加入,同时进一步激发模型中变迁的激发顺序,以更好地描述PLC的工作原理。

2)对组建的模型进行简化处理,在降低状态搜索的同时,还需要降低整个方法的工作量。

3)现阶段研究的过程中,还存在人力物力浪费严重的现象,后续也将针对该方面的内容展开研究。

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