2024年10月20日发(作者：让小春)
四缸电液伺服同步举升实验系统设计
NI Jing;MENG Zhen;WU Shaofeng;WANG Zhiqiang
【摘 要】设计了一种基于工业PLC的四缸电液伺服同步举升教学实验系统.该系统
融合PID控制算法、电液伺服驱动技术、PLC控制技术、磁致伸缩位移传感器技
术、现场总线技术和机电传动与控制技术,形成了一套集机电液一体化的多功能进
阶型教学实验系统,既可以完成机电传动控制实验、液压传动实验、位移传感器技
术实验、PLC控制实验等基础性教学实验,还可以实施现场总线实验、单缸伺服
PID控制实验和四缸伺服同步PID控制实验等高科技水平的进阶型教学实验,具有
一定的教学实验创新性和先进性,能够有效地满足培养拔尖型大学生创新实践能力
的需要.
【期刊名称】《实验技术与管理》
【年(卷),期】2019(036)001
【总页数】6页(P104-109)
【关键词】液压传动;四缸同步举升;实验系统;电液伺服驱动;PID控制
【作 者】NI Jing;MENG Zhen;WU Shaofeng;WANG Zhiqiang
【作者单位】;;;
【正文语种】中 文
【中图分类】TH137.9-33
培养大学生的创新能力是我国新时代发展的必然要求,在当前创新创业浪潮驱动下,
有效提高大学生的整体培养质量,尤其有针对性的提高拔尖大学生的深度创新能力,
是保持国家核心竞争力的关键[1]。对于机械类大学生来说,机电一体化技术在实验
教学中起着越来越大的作用,而现有的教学实验平台大多存在综合性不强、实现功
能单一、实验关联性以及学生实操性低等缺点,难以实现多样化的教学实验要求[2],
更不用说满足拔尖型大学生创新能力的培养需要。本文面向大学生“深度应用与创
新能力”的培养需要,设计了一种基于工业PLC的四缸电液伺服同步举升教学实验
系统,融合了液压传动控制[3-8]、PLC自动控制[9-10]、精密传感器[11-12]和机电
传动控制[12-14]等方面的知识和技术,能有效地完成机械和自动化等专业的基础性
教学实训任务。同时,PID控制算法、单液压缸PID控制实验和四缸同步驱动PID
控制实验部分的加入,将同步驱动理论、自动控制理论与实验系统有机地结合在一
起,使实验系统实现了进阶化、精密化、创新化、先进化和工程化。通过本文设计
的教学实验系统的实训,可以极大地提高拔尖型大学生自主学习和自主创新实践能
力。
1 实验系统工作原理与性能指标
1.1 实验系统简介
实验系统采用如图1所示的整体框架结构,主要由底部框架、4个导向柱、活动框
架(负载)、顶部框架、4个阀控液压缸机构、液压油源和PLC控制柜组成。
图1 实验系统总体结构示意图
单阀控单缸伺服驱动工作原理:在每一个控制周期Ts内,控制系统首先根据加减速
时间,举升行程和最大速度来确定当前时刻单液压缸的指令位置数值r(t)；然后系统
对液压缸活塞实际位置数值y(t)采样,将指令曲线数值与实际位置数值做差形成跟
踪误差e(t)=r(t)-y(t)；再利用跟踪误差,进行如式(1)的PID控制运算,得到当前时刻
控制输出u(t),接着将计算输出u(t)进行数模变换后输出到比例阀线圈上,比例阀开
启相应的阀口开度,实现液压缸活塞相应的推出和缩回；最后通过不断重复每一个
控制周期,最终驱动液压缸达到指令位置r(t=te),te表示控制终止时间。当t=kTS,k
为正整数,式(1)就可转变为直接用于编程的数字式PID控制算法。
(1)
式中KP、KI和KD分别为比例、积分和微分控制参数。
(2)
四缸电液伺服同步举升工作原理:首先在每一个控制周期内,必须要以1号液压缸位
置y1(t)为基准,计算同步误差ei1(t)= yi(t)- y1(t),一旦同步误差|ei1(t)|≥em时,em
为一设定值,系统驱动将强制被停止,以保证驱动过程的安全；然后,才是类似单阀控
单缸的四阀控四缸各自伺服驱动过程。在每一个控制周期Ts内,采用“等同式”同
步控制理论,4个单阀控单缸驱动机构都以同样的r(t)为指令位置数值,而后获得各自
的跟踪误差ei(t)=r(t)- yi(t),i=1,2,3,4,从而以ei(t)为基础,分别执行四个PID控制算
法,获得和输出相应的ui(t),完成相应的驱动控制。
1.2 实验系统的具体性能指标
本文设计的实验系统的主要性能指标如下:
(1) 额定负载:1 000 kg(四缸驱动)；
(2) 同步举升行程:0～450 mm；
(3) 同步举升速度最大速度:200 mm/s；
(4) 加减速时间:0.5 s；
(5) 各液压缸间的稳态位移误差:≤0.02 mm；
(6) 各液压缸间的动态位移误差:≤0.05 mm。
2 实验系统的液压油源设计
实验系统涉及的液压油源,可以输出额定压力为10 MPa和额定流量为120 L/min
的液压能,其液压原理图如图2所示。具体液压油源由供油回路和冷却回路两大部
分组成,供油回路主要由两套叶片泵供油回路并联而成,冷却油路也由一套叶片泵供
油和换热回路串联而成。每一套叶片泵供油回路由过滤器5、叶片泵2、电磁溢流
阀6、压力表13和单向阀12组成。具体油泵的输出压力由电磁溢流阀调定。工
作油液的输出经过蓄能器4、压力继电器10和三路高压球阀11控制实现。
图2 实验系统液压油源原理图
3 实验系统电液伺服驱动机构设计
3.1 四阀控四缸伺服驱动液压原理设计
为安全可靠实现四缸同步举升实验,如图3所示,采用了4组单阀控单缸并联驱动回
路设计模式。每组单阀控单缸驱动回路分别由举升伺服液压缸、安全阀、背压阀、
锁紧阀和比例阀组成。安全阀是一种溢流阀,保证举升过程中液压缸两腔的安全压
力；背压阀也是一种溢流阀,用于抵消重力负载；锁紧阀是一种两位三通电磁球阀,
泄漏小,实现液压缸的长时间位置锁死；比例阀是一种换向滑阀,其开口大小与控制
信号成正比,从而可以实现向液压缸输送油液流量的控制。
图3 四阀控四缸同步举升液压原理图
3.2 伺服液压缸应用设计
伺服液压缸是本实验台的核心部件之一,是在普通液压缸结构的基础上,加装磁致伸
缩位移传感器(以下简称传感器)而成。具体伺服液压缸的内部结构如图4所示,由前
后端盖、缸筒、空心活塞、空心活塞杆、动密封、中间耳轴和传感器组成。传感器
安装于液压缸的后端盖处,其测量部分伸入活塞和活塞杆内,活动磁环安装于活塞上。
具体测量过程:首先由传感器的电子室产生电流脉冲,该电流脉冲在波导管内传输,在
波导管外产生一个圆周磁场；接着当该圆周磁场和活动磁环(套在波导管上作为位
置标记)的磁场相交时,就会产生磁致伸缩效应,即波导管内会再产生一个扭转应力波
脉冲信号；然后这个信号以固定的声音速度向电子室传输,并迅速被检测到。这样,
通过精确测量传输时间,就可以高度精确地确定这个距离,精度可以达到1 μm,响应
速度可达1 ms。
图4 伺服液压缸和位移传感器结构
4 实验系统电气控制设计
4.1 电气系统设计
4.1.1 实验系统配电原理设计
根据四缸同步举升速度和行程的要求,实验系统的配电系统设计如图5所示,主要由
两台主油泵电机供电回路、一台冷却油泵电机供电回路和相关开关电源供电回路组
成。开关电源回路主要向PLC的电源模块、数字输入回路、数字输出回路、模拟
量输出回路、比例阀供电回路和工控机供电。系统配电设计主要体现实验系统的总
功率消耗和主要用电器分布。
图5 实验系统配电原理设计
4.1.2 油泵电机的控制回路设计
实验系统的液压油源配置有两台叶片泵,分别由两台三相交流异步电动机驱动。每
一台油泵电动机的控制回路如图6所示,主要由强电和弱电回路组成。强电回路中
的3大接触器KM1、KM1Y和KM1△相互配合,完成电动机绕组“Y-△”接法的转
换。热继电器FR和空气开关QF2主要提供电动机的过流保护。弱电控制回路在
PLC程序的指引下,执行对3个接触器的控制动作。
图6 油泵电机的控制回路
4.1.3 PLC控制系统设计
根据四缸同步举升过程的高同步误差要求,实验系统采用西门子中高端S7-300PLC
实现,具体配置见表1。其中CPU315-2DP、SM321、SM322、SM338和
SM332组成主控制器,完成四缸同步举升过程的所有控制信号输入、运算和输出。
同时,CPU315-2DP基于PROFIBUS-DP总线,通过STEP7软件实现对CPU224的
组态和通信控制,完成对油源的起停控制。此外,CPU315-2DP通过CP5611卡实
现与上位监控电脑之间的数据交接。
表1 实验系统PLC系统硬件配置元件名称型号主要性能CPU1315-2DP 作为DP
主站通信卡CP5611 CPU与监控电脑通信数字输入模块SM321 16点数字输入
数字输出模块SM322 16点晶体管数字输出SSI模块SM338 与位移传感器匹配
模拟量输出模块SM332 4通道模拟量输出CPU2224作为DP从站,16点数字输
入,16点数字输出
4.2 PLC控制软件设计
基于西门子S7-300PLC编程STEP7软件平台,根据实验系统的工作原理,四阀控四
缸伺服同步举升过程PLC控制软件原理框图见图7。该控制软件主要由主程序
OB1块和定时中断OB35块组成。
图7 实验系统PLC程序原理框图
主程序模OB1块主要负责液压油源和操作面板等中数字量输入输出控制工作。
定时中断OB35块是核心模块提供1～10 ms的定时中断,即控制周期,主要负责四
阀控四缸的驱动控制,可以分为手动曲线发生FB1块(背景数据块DB1)、自动曲线
发生FB2块(背景数据块DB2)、PID运算FB3块和运行数据暂存FB4块(背景数据
块DB4)。FB1块(背景数据块DB1)和FB3(背景数据块DB3)用于实现按钮点动模
式下四缸同步举升的驱动过程；FB2块(背景数据块DB2)和FB3(背景数据块
DB31)用于实现按钮自动模式下四缸同步举升的驱动过程,即一键实现一段预定位
置的四缸同步举升的驱动过程；FB4块(背景数据块DB4)用于记录四缸同步举升过
程中四个液压缸的位移数据,供监控系统查询和绘制实验结果。此外,还有位置PV
读取和位置判断报警模块,主要是对ei1(t)的处理和系统安全保护。
4.3 监控软件系统设计
基于Borland C++编程软件平台,根据实验系统的工作原理,设计的四阀控四缸伺服
同步举升过程监控软件界面如图8所示。该监控软件主要由PLC通信模块、点动
调试模块、点动伺服模块和自动伺服块组成。
PLC通信模块基于CP5611卡和通信动态连接库函数,主要用于测试PLC与上位工
控机的通信连接,将PID控制参数下载到PLC和读取PLC采样的数据等功能。
点动调试模块主要用于测试单阀控单缸伺服驱动机构,可实现指令位置曲线生
成,PID控制参数调整,跟踪误差作图与评价等功能。
点动伺服模块的监控界面如图8所示,主要用于点动测试四阀控四缸同步举升机构,
可实现指令位置曲线生成,四缸PID控制参数调整,跟踪误差、速度曲线和同步误差
作图与评价等功能。
图8 四缸同步举升点动伺服监控界面
自动伺服模块主要用于在手动伺服模块的基础上,测试四阀控四缸同步举升机构的
一键完成指定距离运行性能。
5 实验设计
(1) 机电传动控制实验。本实验属于基础型实验,通过实验观察油泵三相交流异步电
动机“Y-△”起动和停止情况,认识开关电源、空气开关、继电器和接触器,以及常
用电缆、端子、端子排、线槽和线扎等电气附件,并应用机电传动知识绘制电动机
控制强电和弱电回路图,让学生在操作中理解掌握机电传动知识。
(2) 液压传动实验。本实验属于基础型实验,通过实验观察液压传动回路动作,认识
油源中油箱、蓄能器、滤油器、叶片泵、电磁溢流阀、球阀、单向阀、电磁比例阀
和液压缸等常用液压元件,结合应用液压传动知识绘制液压传动原理图,组织学生拆
装电磁换向阀,增加学生的实验参与度和对液压系统的认识。
(3) PLC逻辑编程实验。本实验属于基础型实验,通过使用编程软件STEP7,编写实
验台油源中三相异步电动机的“Y-△”起停控制程序和4个比例阀控制4个液压缸
的顺序动作程序,让学生认识PLC的程序执行过程,培养学生的逻辑思维和编译能力。
(4) 磁致伸缩位移传感器实验。本实验属于基础型实验,通过观察磁环在不同位置时
的传感器信号输出,让学生认识与理解磁致伸缩位移传感器的工作原理,感受精密和
高精密测量技术。
(5) Profibus-DP总线实验。本实验属于进阶型实验,通过使用编程软件STEP7,使
用S7-300PLC实现S7-200PLC的组态,并完成数字量、模拟量和特殊功能模块地
址分配,加深学生对现场总线技术的理解,感受总线通信与现场总线控制技术的前沿。
(6) PID控制编程实验。本实验属于进阶型实验,通过对PID控制算法结构框图的理
解,学生自行编写PID控制程序,并进行单个液压缸的伺服驱动控制实验,体会伺服控
制过程中比例,积分和微分参数的调整对液压缸运动所带来的精度、响应速度和振
动等影响,增强学生的学习兴趣。
(7) 四缸同步举升实验。本实验属于高阶型实验,通过对四缸同步驱动控制算法结构
框图的理解,学生自行编写四缸同步举升PID控制程序,并进行相应的控制实验,深入
体会影响同步驱动误差和同步驱动速度的因素,培养学生的创新实践能力。
6 结语
本文设计的四缸电液伺服同步举升系统具有以下特色与创新之处;
(1) 实验系统配置了PID控制技术、电液伺服驱动技术、位移传感技术、机电传动
控制技术、现场总线技术和PLC控制技术,能有效地满足不同高等院校机械和自动
化学科多专业的基础型单项教学实验任务。
(2) 本系统集液压伺服执行机构、电气元件、PLC硬件、PLC控制软件和上位监控
软件与一体,功能完备,实训难易程度可以根据教学目标设定调整,能有效满足拔尖型
大学生进阶型培养所需的实验要求。
(3) 实验系统融合同步控制理论、PID控制算法、高精度位移传感器和现场总线技
术,充分体现了现代机电液一体化控制技术水平,保证了教学实验系统的先进性与创
新性。
参考文献
【相关文献】
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2024年10月20日发(作者：让小春)
四缸电液伺服同步举升实验系统设计
NI Jing;MENG Zhen;WU Shaofeng;WANG Zhiqiang
【摘 要】设计了一种基于工业PLC的四缸电液伺服同步举升教学实验系统.该系统
融合PID控制算法、电液伺服驱动技术、PLC控制技术、磁致伸缩位移传感器技
术、现场总线技术和机电传动与控制技术,形成了一套集机电液一体化的多功能进
阶型教学实验系统,既可以完成机电传动控制实验、液压传动实验、位移传感器技
术实验、PLC控制实验等基础性教学实验,还可以实施现场总线实验、单缸伺服
PID控制实验和四缸伺服同步PID控制实验等高科技水平的进阶型教学实验,具有
一定的教学实验创新性和先进性,能够有效地满足培养拔尖型大学生创新实践能力
的需要.
【期刊名称】《实验技术与管理》
【年(卷),期】2019(036)001
【总页数】6页(P104-109)
【关键词】液压传动;四缸同步举升;实验系统;电液伺服驱动;PID控制
【作 者】NI Jing;MENG Zhen;WU Shaofeng;WANG Zhiqiang
【作者单位】;;;
【正文语种】中 文
【中图分类】TH137.9-33
培养大学生的创新能力是我国新时代发展的必然要求,在当前创新创业浪潮驱动下,
有效提高大学生的整体培养质量,尤其有针对性的提高拔尖大学生的深度创新能力,
是保持国家核心竞争力的关键[1]。对于机械类大学生来说,机电一体化技术在实验
教学中起着越来越大的作用,而现有的教学实验平台大多存在综合性不强、实现功
能单一、实验关联性以及学生实操性低等缺点,难以实现多样化的教学实验要求[2],
更不用说满足拔尖型大学生创新能力的培养需要。本文面向大学生“深度应用与创
新能力”的培养需要,设计了一种基于工业PLC的四缸电液伺服同步举升教学实验
系统,融合了液压传动控制[3-8]、PLC自动控制[9-10]、精密传感器[11-12]和机电
传动控制[12-14]等方面的知识和技术,能有效地完成机械和自动化等专业的基础性
教学实训任务。同时,PID控制算法、单液压缸PID控制实验和四缸同步驱动PID
控制实验部分的加入,将同步驱动理论、自动控制理论与实验系统有机地结合在一
起,使实验系统实现了进阶化、精密化、创新化、先进化和工程化。通过本文设计
的教学实验系统的实训,可以极大地提高拔尖型大学生自主学习和自主创新实践能
力。
1 实验系统工作原理与性能指标
1.1 实验系统简介
实验系统采用如图1所示的整体框架结构,主要由底部框架、4个导向柱、活动框
架(负载)、顶部框架、4个阀控液压缸机构、液压油源和PLC控制柜组成。
图1 实验系统总体结构示意图
单阀控单缸伺服驱动工作原理:在每一个控制周期Ts内,控制系统首先根据加减速
时间,举升行程和最大速度来确定当前时刻单液压缸的指令位置数值r(t)；然后系统
对液压缸活塞实际位置数值y(t)采样,将指令曲线数值与实际位置数值做差形成跟
踪误差e(t)=r(t)-y(t)；再利用跟踪误差,进行如式(1)的PID控制运算,得到当前时刻
控制输出u(t),接着将计算输出u(t)进行数模变换后输出到比例阀线圈上,比例阀开
启相应的阀口开度,实现液压缸活塞相应的推出和缩回；最后通过不断重复每一个
控制周期,最终驱动液压缸达到指令位置r(t=te),te表示控制终止时间。当t=kTS,k
为正整数,式(1)就可转变为直接用于编程的数字式PID控制算法。
(1)
式中KP、KI和KD分别为比例、积分和微分控制参数。
(2)
四缸电液伺服同步举升工作原理:首先在每一个控制周期内,必须要以1号液压缸位
置y1(t)为基准,计算同步误差ei1(t)= yi(t)- y1(t),一旦同步误差|ei1(t)|≥em时,em
为一设定值,系统驱动将强制被停止,以保证驱动过程的安全；然后,才是类似单阀控
单缸的四阀控四缸各自伺服驱动过程。在每一个控制周期Ts内,采用“等同式”同
步控制理论,4个单阀控单缸驱动机构都以同样的r(t)为指令位置数值,而后获得各自
的跟踪误差ei(t)=r(t)- yi(t),i=1,2,3,4,从而以ei(t)为基础,分别执行四个PID控制算
法,获得和输出相应的ui(t),完成相应的驱动控制。
1.2 实验系统的具体性能指标
本文设计的实验系统的主要性能指标如下:
(1) 额定负载:1 000 kg(四缸驱动)；
(2) 同步举升行程:0～450 mm；
(3) 同步举升速度最大速度:200 mm/s；
(4) 加减速时间:0.5 s；
(5) 各液压缸间的稳态位移误差:≤0.02 mm；
(6) 各液压缸间的动态位移误差:≤0.05 mm。
2 实验系统的液压油源设计
实验系统涉及的液压油源,可以输出额定压力为10 MPa和额定流量为120 L/min
的液压能,其液压原理图如图2所示。具体液压油源由供油回路和冷却回路两大部
分组成,供油回路主要由两套叶片泵供油回路并联而成,冷却油路也由一套叶片泵供
油和换热回路串联而成。每一套叶片泵供油回路由过滤器5、叶片泵2、电磁溢流
阀6、压力表13和单向阀12组成。具体油泵的输出压力由电磁溢流阀调定。工
作油液的输出经过蓄能器4、压力继电器10和三路高压球阀11控制实现。
图2 实验系统液压油源原理图
3 实验系统电液伺服驱动机构设计
3.1 四阀控四缸伺服驱动液压原理设计
为安全可靠实现四缸同步举升实验,如图3所示,采用了4组单阀控单缸并联驱动回
路设计模式。每组单阀控单缸驱动回路分别由举升伺服液压缸、安全阀、背压阀、
锁紧阀和比例阀组成。安全阀是一种溢流阀,保证举升过程中液压缸两腔的安全压
力；背压阀也是一种溢流阀,用于抵消重力负载；锁紧阀是一种两位三通电磁球阀,
泄漏小,实现液压缸的长时间位置锁死；比例阀是一种换向滑阀,其开口大小与控制
信号成正比,从而可以实现向液压缸输送油液流量的控制。
图3 四阀控四缸同步举升液压原理图
3.2 伺服液压缸应用设计
伺服液压缸是本实验台的核心部件之一,是在普通液压缸结构的基础上,加装磁致伸
缩位移传感器(以下简称传感器)而成。具体伺服液压缸的内部结构如图4所示,由前
后端盖、缸筒、空心活塞、空心活塞杆、动密封、中间耳轴和传感器组成。传感器
安装于液压缸的后端盖处,其测量部分伸入活塞和活塞杆内,活动磁环安装于活塞上。
具体测量过程:首先由传感器的电子室产生电流脉冲,该电流脉冲在波导管内传输,在
波导管外产生一个圆周磁场；接着当该圆周磁场和活动磁环(套在波导管上作为位
置标记)的磁场相交时,就会产生磁致伸缩效应,即波导管内会再产生一个扭转应力波
脉冲信号；然后这个信号以固定的声音速度向电子室传输,并迅速被检测到。这样,
通过精确测量传输时间,就可以高度精确地确定这个距离,精度可以达到1 μm,响应
速度可达1 ms。
图4 伺服液压缸和位移传感器结构
4 实验系统电气控制设计
4.1 电气系统设计
4.1.1 实验系统配电原理设计
根据四缸同步举升速度和行程的要求,实验系统的配电系统设计如图5所示,主要由
两台主油泵电机供电回路、一台冷却油泵电机供电回路和相关开关电源供电回路组
成。开关电源回路主要向PLC的电源模块、数字输入回路、数字输出回路、模拟
量输出回路、比例阀供电回路和工控机供电。系统配电设计主要体现实验系统的总
功率消耗和主要用电器分布。
图5 实验系统配电原理设计
4.1.2 油泵电机的控制回路设计
实验系统的液压油源配置有两台叶片泵,分别由两台三相交流异步电动机驱动。每
一台油泵电动机的控制回路如图6所示,主要由强电和弱电回路组成。强电回路中
的3大接触器KM1、KM1Y和KM1△相互配合,完成电动机绕组“Y-△”接法的转
换。热继电器FR和空气开关QF2主要提供电动机的过流保护。弱电控制回路在
PLC程序的指引下,执行对3个接触器的控制动作。
图6 油泵电机的控制回路
4.1.3 PLC控制系统设计
根据四缸同步举升过程的高同步误差要求,实验系统采用西门子中高端S7-300PLC
实现,具体配置见表1。其中CPU315-2DP、SM321、SM322、SM338和
SM332组成主控制器,完成四缸同步举升过程的所有控制信号输入、运算和输出。
同时,CPU315-2DP基于PROFIBUS-DP总线,通过STEP7软件实现对CPU224的
组态和通信控制,完成对油源的起停控制。此外,CPU315-2DP通过CP5611卡实
现与上位监控电脑之间的数据交接。
表1 实验系统PLC系统硬件配置元件名称型号主要性能CPU1315-2DP 作为DP
主站通信卡CP5611 CPU与监控电脑通信数字输入模块SM321 16点数字输入
数字输出模块SM322 16点晶体管数字输出SSI模块SM338 与位移传感器匹配
模拟量输出模块SM332 4通道模拟量输出CPU2224作为DP从站,16点数字输
入,16点数字输出
4.2 PLC控制软件设计
基于西门子S7-300PLC编程STEP7软件平台,根据实验系统的工作原理,四阀控四
缸伺服同步举升过程PLC控制软件原理框图见图7。该控制软件主要由主程序
OB1块和定时中断OB35块组成。
图7 实验系统PLC程序原理框图
主程序模OB1块主要负责液压油源和操作面板等中数字量输入输出控制工作。
定时中断OB35块是核心模块提供1～10 ms的定时中断,即控制周期,主要负责四
阀控四缸的驱动控制,可以分为手动曲线发生FB1块(背景数据块DB1)、自动曲线
发生FB2块(背景数据块DB2)、PID运算FB3块和运行数据暂存FB4块(背景数据
块DB4)。FB1块(背景数据块DB1)和FB3(背景数据块DB3)用于实现按钮点动模
式下四缸同步举升的驱动过程；FB2块(背景数据块DB2)和FB3(背景数据块
DB31)用于实现按钮自动模式下四缸同步举升的驱动过程,即一键实现一段预定位
置的四缸同步举升的驱动过程；FB4块(背景数据块DB4)用于记录四缸同步举升过
程中四个液压缸的位移数据,供监控系统查询和绘制实验结果。此外,还有位置PV
读取和位置判断报警模块,主要是对ei1(t)的处理和系统安全保护。
4.3 监控软件系统设计
基于Borland C++编程软件平台,根据实验系统的工作原理,设计的四阀控四缸伺服
同步举升过程监控软件界面如图8所示。该监控软件主要由PLC通信模块、点动
调试模块、点动伺服模块和自动伺服块组成。
PLC通信模块基于CP5611卡和通信动态连接库函数,主要用于测试PLC与上位工
控机的通信连接,将PID控制参数下载到PLC和读取PLC采样的数据等功能。
点动调试模块主要用于测试单阀控单缸伺服驱动机构,可实现指令位置曲线生
成,PID控制参数调整,跟踪误差作图与评价等功能。
点动伺服模块的监控界面如图8所示,主要用于点动测试四阀控四缸同步举升机构,
可实现指令位置曲线生成,四缸PID控制参数调整,跟踪误差、速度曲线和同步误差
作图与评价等功能。
图8 四缸同步举升点动伺服监控界面
自动伺服模块主要用于在手动伺服模块的基础上,测试四阀控四缸同步举升机构的
一键完成指定距离运行性能。
5 实验设计
(1) 机电传动控制实验。本实验属于基础型实验,通过实验观察油泵三相交流异步电
动机“Y-△”起动和停止情况,认识开关电源、空气开关、继电器和接触器,以及常
用电缆、端子、端子排、线槽和线扎等电气附件,并应用机电传动知识绘制电动机
控制强电和弱电回路图,让学生在操作中理解掌握机电传动知识。
(2) 液压传动实验。本实验属于基础型实验,通过实验观察液压传动回路动作,认识
油源中油箱、蓄能器、滤油器、叶片泵、电磁溢流阀、球阀、单向阀、电磁比例阀
和液压缸等常用液压元件,结合应用液压传动知识绘制液压传动原理图,组织学生拆
装电磁换向阀,增加学生的实验参与度和对液压系统的认识。
(3) PLC逻辑编程实验。本实验属于基础型实验,通过使用编程软件STEP7,编写实
验台油源中三相异步电动机的“Y-△”起停控制程序和4个比例阀控制4个液压缸
的顺序动作程序,让学生认识PLC的程序执行过程,培养学生的逻辑思维和编译能力。
(4) 磁致伸缩位移传感器实验。本实验属于基础型实验,通过观察磁环在不同位置时
的传感器信号输出,让学生认识与理解磁致伸缩位移传感器的工作原理,感受精密和
高精密测量技术。
(5) Profibus-DP总线实验。本实验属于进阶型实验,通过使用编程软件STEP7,使
用S7-300PLC实现S7-200PLC的组态,并完成数字量、模拟量和特殊功能模块地
址分配,加深学生对现场总线技术的理解,感受总线通信与现场总线控制技术的前沿。
(6) PID控制编程实验。本实验属于进阶型实验,通过对PID控制算法结构框图的理
解,学生自行编写PID控制程序,并进行单个液压缸的伺服驱动控制实验,体会伺服控
制过程中比例,积分和微分参数的调整对液压缸运动所带来的精度、响应速度和振
动等影响,增强学生的学习兴趣。
(7) 四缸同步举升实验。本实验属于高阶型实验,通过对四缸同步驱动控制算法结构
框图的理解,学生自行编写四缸同步举升PID控制程序,并进行相应的控制实验,深入
体会影响同步驱动误差和同步驱动速度的因素,培养学生的创新实践能力。
6 结语
本文设计的四缸电液伺服同步举升系统具有以下特色与创新之处;
(1) 实验系统配置了PID控制技术、电液伺服驱动技术、位移传感技术、机电传动
控制技术、现场总线技术和PLC控制技术,能有效地满足不同高等院校机械和自动
化学科多专业的基础型单项教学实验任务。
(2) 本系统集液压伺服执行机构、电气元件、PLC硬件、PLC控制软件和上位监控
软件与一体,功能完备,实训难易程度可以根据教学目标设定调整,能有效满足拔尖型
大学生进阶型培养所需的实验要求。
(3) 实验系统融合同步控制理论、PID控制算法、高精度位移传感器和现场总线技
术,充分体现了现代机电液一体化控制技术水平,保证了教学实验系统的先进性与创
新性。
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