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汽缸的体积测量,伺服或步进控制 点击:1427 | 回复:28



scmyzq

    
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发表于:2007-07-17 16:11:00
楼主
  虚心向大家求教一个问题,希望能拉我一把!最好的祝福送给你们!
  由于本人是搞过程控制出身,从没有做过与机械传动或者运动控制相关的东西。但对PLC,DCS以及部分电源,仪表,传感器,其他常规控制元件有些了解和应用。这里我提出的问题本身可能不是很严谨,很专业,还是希望大家能热心帮助我。

  我们公司实验室需要十几台实验设备。该设备最重要的一个功能就是需要一个汽缸来计量气体的体积变化。 设想的结构大致如下:

  首先汽缸的参数:汽缸容积要求是50或则100或则200毫升(一台设备一种规格),其他参数大约会被控制在:汽缸内径 = 50~80mm,行程 =80~200mm
  有个做直线运动的伺服运动装置控制单作用汽缸的活塞杆,汽缸的出气口与一个里面装满填料的容器A相连。在测量开始的时刻t0汽缸接近最大行程处,且汽缸里面的气体压力0.1~2.0MPa。经过1~3小时后到达时刻t1,容器A里面的填料会吸收气体使汽缸内的压力下降0.05~0.5MPa左右,此时伺服运动装置推动汽缸的活塞杆使汽缸内的压力又回到0.1~2.0MPa(汽缸完成最大行程动作的时间要小于5分钟)。测量t0到t1时刻汽缸活塞杆的行程就可计算出汽缸的体积变化了多少,从而得出容器A里面的填料在t0到t1这段时间吸收气体的体积。

  最难的问题是:怎么保证测量气体体积的精度。精度要求接近零误差。装置结构以及元件选择,一切都要为了保证其精度为终极目标!
  担心汽缸会漏气?控伺服运动装置的精度?压力测量变送器的精度(EJA430精度可以达到满量程的万分之七,或则更高精度的DRUCK压力校正仪)?关于气体的组分以及其压缩系数,这里由其他工艺计算来保证。

  由于本人对SIMENS的300,400PLC和PCS7有一定经验,为了便于组网,数据记录及分析,倾向用SIMENS的运动控制装置。

  这里不考虑价格限制,技术方案尽量可靠先进,希望大家热心提供方案和帮助选择元件,并做简单的经济预算。

联系人:sccdzq@163.com



scmyzq

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发表于:2007-07-17 17:24:00
1楼
我 UP UP UP

简单建议

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发表于:2007-07-18 11:03:00
2楼
简单建议:
1. 设置控制汽缸活塞杆的伺服电机做力矩模式控制,外围用PLC或专用控制器发送模拟量控制器伺服电机的转矩,同时PLC或专用控制器接收压力传感器信号做为转矩控制的反馈信号,根据压力目标的设定系统动态自动调节。
2. 在PLC或专用控制器上设置一个编码器接口,直接与伺服驱动器中的脉冲分频输出信号连接,用来测量伺服电机移动的距离,然后根据移动的距离计算出气体体积。
3. PLC做这些工作有些麻烦,建议用专用运动控制器,如TRIO的MC206x就可以胜任,它可以选配Profibus通讯子板,与西门子系统无缝连接。

波恩

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发表于:2007-07-18 19:22:00
3楼
气体压力的准确测量很重要,漏气问题也必须妥善解决。至于和运动控制相关的气缸行程测量则相对容易保证。

“精度要求接近零误差”———无论如何都是有限度的。

scmyzq

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发表于:2007-07-19 13:37:00
4楼
  根据波恩兄弟在论坛上的诸多留言,我觉得你对运动控制有足够的经验能解决的我面临的问题,你是否能对相关产品的选型,以及控制算策略做个介绍呢?希望能再次看到你的回复。
  漏气问题是最难解决的问题,气体压力的准确测量不是很担心。
  实际上要做到零误差是不可能的,或者说这个说法都是不科学的。我的本意是要做到一个最小误差,一个系统中实际可能存在的最小误差。

scmyzq

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发表于:2007-07-19 14:55:00
5楼
回复 简单建议:
   首先我倾向于采用PLC + 伺服驱动器(或专用运动控制器) + 伺服电机的方式。
   对于你的第一个建议:我原来是这样考虑的,采用PID调节方式。PID的测量值为=汽缸压力值,设定值为系统要控制的目标值比如2.MPa,输出值为一个百分量信号(或则是某个比例信号)。我只是简单的认为只要测量值还没有达到目标设定值,输出值就不停的增大或减小,这样也就构成了一个闭环控制方式。运动控制的精度和速度由积分和微分运算来控制(这里我觉得系统有个特点是对控制系统反映速度基本上是可以不考虑的,5分钟时间已足够长了,当然如果有必要还可以引入自适应模糊控制的概念)。但这样的话我不知道伺服电机应该是做力矩模式控制还是位置,速度控制模式?
   对于第二个建议:是否可以直接让PLC与与一个测量位置的光栅连接。直接测量汽缸活塞运动的距离会不会更准确些呢?当然这可能使系统结构更繁杂,是否有这个必要呢?
   对于第三个建议:采用专用运动控制器的目的是为了提高系统的响应速度和使系统结构更简洁吗?但是专用运动控制器是否有足够的灵活度呢,比如有可能采用更复杂的自定义算法。

   感谢简单建议兄弟的建议,让我对伺服控制增加了一些了解。

笨鳥慢飛

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发表于:2007-07-19 15:45:00
6楼
你這個項目類似我多年前做的PCB檢驗設備 用伺服來取代氣壓缸 就是電子壓床應用(拉力測試機)
當活塞推動 體積變小 壓力變大 壓力是個變動值 他決定你系統成敗關鍵 也是你控制成本關鍵
要精度 要穩定系統 只有用伺服 外接光學尺沒必要 會增加機構設計風險(漏氣) 檢驗行程精度僅佔體積小部分 影響不大
怎樣控制 你心裡已有定見知道怎麼做 不多言

笨鳥慢飛

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发表于:2007-07-19 16:09:00
7楼
你的硬體架構還少一樣 幫你加上AD/DA模組

scmyzq

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发表于:2007-07-19 21:05:00
8楼

感谢笨鳥慢飛的友情帮助。



我顶。 

波恩

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发表于:2007-07-19 21:13:00
9楼
to 楼主:运动控制器的灵活度一般高于PLC,而且往往有丰富的算法函数和功能函数。

以气体压力为控制目标,构建伺服系统时,由于气体弹性很大,而且5分钟的气体吸收时间,间接意味这很大的系统惯性,闭环稳定型估计不容易保证。

个人建议,以高精度压力测量变送器作为触发源,令伺服较低的推进速度或推进量,做梆梆控制。

scmyzq

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发表于:2007-07-19 22:42:00
10楼
  感谢波恩兄弟提出的问题和建议,正是由于象你以及前面几位兄弟那样无私热情的帮助,让我对问题有进一步的认识,收益菲浅。

  关于以气体压力为控制目标构建伺服系统时带来的不确定性,是个难点,至于结果会怎样很难说。可能只有最后通过实验才能知道正确的结果。
  但目前是这样考虑的:容器A中填料经过1~3小时对气体的吸收已经达到饱和,0.5MPa的压差变化对最终压力的测量影响到底多大,可以通过最后数据收集起来做个分析,最后补偿。5分种的气体压缩,造成有很大的系统惯性,是否可以通过程序控制它在前120秒超调,第120秒时间开始稳定,最后60秒慢慢进给来进行最细微的调节呢?这些似乎都可以通过收集数据来分析,或做些算法来解决。

  由于有些东西本身就是暂时不确定的,我觉得很有可能会采用很多自定义算法,比如做些什么乱七八糟的所谓先进控制策略,优化算法,补偿等。运动控制器中的库函数往往可能是些很经典,很常规的算法,但还是没有自定义的灵活。我觉得要充分利用PLC强大的编程功能,将部分罗嗦的算法放在PLC里实现。就象过程控制中常常不用常规PID,串级,比值调节仪表来实现全部功能,而要用充分利用DCS,PLC一样。
   
  这几天我观察了下实验室中现有的手动测试实验台,它的汽缸结构似乎避免了漏气的问题。他们的汽缸结构是这样的:固定的缸筒上是内螺纹,活塞杆上有外螺纹与之配合,当用扳手旋转活塞杆时,活塞在旋转中进给。现在的问题是怎样设计结构使伺服系统一边旋转,同时还能轴向进给呢?????


  最后我十分关心设备选型的问题,希望你们能进一步帮助。

笨鳥慢飛

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发表于:2007-07-19 23:18:00
11楼
參考拉力測試機可以給你一些想法
若你用位置控制模式去做 會走冤枉路 波恩看法是對的

做"梆梆控制"。這又是什麼 兄弟再解釋一下 這下我真的成"笨鳥"

scmyzq

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发表于:2007-07-20 08:47:00
12楼

  回复笨鳥慢飛兄弟,采用压力PID闭环控制,压力作为PID的设定值,PID的输出一个比例信号(此信号控制推进量或推进速度,当测量压力为到目标时加大控制量或速度,靠近目标时则减小制量或速度。最终逼近压力目标。)。至于选择什么控制模式的确定,我不知道选那种合适。
  光栅的目的只是用来当最后压力逼近目标后测量一个准确的位置,不会让他参与闭环控制。只是用来检测,计算。
  

笨鳥慢飛

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发表于:2007-07-20 12:10:00
13楼
兄弟 其實關鍵點我都幫你點出來 再說下去已經違背誠信原則 雖我已離開 
你的邏輯觀念是對的 但在運動控制的能力有些不足 "最终逼近压力目标" 這裡是比較辛苦
你要用光學尺 那表示精度要求很高 精度要求多少
你的壓力 是換算 (是實測  還是指標) 哪一個
對於你這樣項目 前公司有兩個現成控制器 只要局部修改就可上手
可外接光學尺形成全閉迴路
這控制器有用在觸控式面板壽命測試機(貼合機) 光纖研磨機 還有上述 
若你有興趣 給我訊息 我再幫你寫系統規劃書

scmyzq

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发表于:2007-07-20 14:28:00
14楼
  
  压力直接测量。准备使用精度为0.075%的EJA430或罗斯蒙特FB3051压变。当然还可采用DRUCK的压力校验仪。
  一定要形成压力闭环控制才行,本身控制的目标就是要求压力在5分种内回到2.0MPa。然后才测出位置,计算体积。
  我就是不知道常说的伺服控制三环,这里到底怎样使用?
  光學尺测量的位置精度有千分之一毫米即可。
  

波恩

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15楼
to “笨鸟”:所谓“梆梆控制”就是通断控制,开关切换控制。

to 楼主:利用现有的气缸结构,以伺服驱动活塞杆实现轴向旋转到轴向直线运动的变换。否则,也得用丝杠实现运动转换。

gnem

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发表于:2007-07-26 02:35:00
16楼
气体密封问题能不能选用五挥发油油膜密封呢?

波恩

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发表于:2007-07-26 09:54:00
17楼
“2.0MPa”的压力,20个大气压,油膜密封不知是否可行,不知磁流体的密封能力如何?

既然控制目标要求压力在5分种内回到2.0MPa,对于伺服控制而言,那是一个很漫长的时间,未必一定要形成压力闭环控制,个人以为既然有精度很高的压力检测仪器,还是以开关控制最为方便,而且5分钟走80~200mm的行程,伺服的运行速度很低很低了,一旦压力达到触发点,伺服很容易立刻停止,不会有什么过冲。

好好规划一下吧,以解决问题为目标,不必可以追求系统的复杂或简单。

scmyzq

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发表于:2007-08-04 18:59:00
18楼

  我不是很清楚采用什么密封。汽缸是公司里面搞机械设计的工程师在设计,他们说最大可以做到10MPa,但是要求活塞运动速度要小于1m/s,这里实际要求10mm~50mm/s足够。我相信他们这些专业人士能解决密封问题。

  这几天在看FESTO的电动执行器,Exlar电动缸,海顿的直线电机。  
  由于没有用过伺服控制系统,脑子里面乱糟糟。选型对于我来讲是个大问题。

波恩

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发表于:2007-08-05 12:30:00
19楼
伺服型的电动执行器或电动缸内部结构基本上就是旋转伺服加(滚珠)丝杠,如果不在乎成本,是一个好选择,还可以省了结构设计。海顿的所谓“直线电机”实质上就是一种旋转步进电机加丝杠(非滚珠)的电动执行器。
想做到“5分钟走80~200mm”,低速平稳性将会是是很高的要求,选不好就会出现爬行,不利于细微压力变化的精确测量。

scmyzq

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发表于:2007-08-06 00:01:00
20楼
   
   我查看了下FESTO的电动执行器,以及其他厂家的电动缸,其中有个技术指标是滚珠丝杠的位置重复精度是0.02~0.05mm ,是否并不能达到0.001mm的精度,可能是滚珠丝杠的螺纹间隙造成的。据说伺服系统的误差主要取决于测量传感器的误差,如果是上面哪个原因是否可以让滚珠丝杠在测量之前,先向需要测量的哪个方向运动一个距离即可消除这个0.02~0.05mm 的间隙误差呢?
   我上网搜看了下波恩兄弟说的:"Bang-Bang Contro"。但由于搜到的资料有限,希望波恩兄弟能提供一点这方面的详解资料。
   十分感谢波恩兄弟提供的哪个Bang-Bang Contro方法!!

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