氣動控制回路步進動作控制模塊化設計

田竟超

摘要：近年來，我國的工程建設越來越多，氣動控制系統的應用也越來越廣泛。文章針對純氣動控制系統設計方面提出一種設計方法，即步進動作控制模塊化設計，其設計具備控制思路清晰，實現簡單，查找故障容易，節省成本等特點，且易于擴展，系統可靠，并使得氣動邏輯簡單化、標準化;并以一實例對其設計方法進行表述說明，其方法可為氣動控制系統設計提供一種設計思路及參考。

關鍵詞：控制回路;步進動作;模塊化設計;標準化

引言

氣動控制系統常被用于生產設備的自動化，控制范圍從簡單的小型設備到大型的自動化生產流水線。對于雙缸以上的多缸順序控制，前一個動作完成后，發出完成信號，并控制下一個動作開始執行。由于實際要求的動作順序是各式各樣的，這時設計者就應采用某種設計方法，設計出所需的回路。氣動順序回路的設計方法很多，有分組供氣法、信號動作狀態圖法（簡稱X-D圖法）、擴展卡諾圖法和步進控制回路法等，本文主要介紹步進控制回路法及其實現。

1 步進控制原理

步進控制原理是指將一個復雜的控制過程分解為若干個工作狀態，弄清各狀態的工作細節（狀態的功能、轉移條件和轉移方向），再依據總的控制順序要求，將這些狀態聯系起來，形成狀態轉移圖，進而根據狀態轉移圖設計各工作狀態的控制回路、轉移條件和轉移目標。步進控制的關鍵是當一個工作狀態執行完畢以后，要通過轉移條件切換到下一個工作狀態，同時中斷當前工作狀態的繼續執行。

2 氣動控制系統組成

1）輸入系統為控制系統外部對模塊的信號輸入，包括行程開關信號、按鈕開關信號、計數器信號、感應器信號等等，也可以是這些信號的組合，主要作用是檢測是否到位、是否確認等。（2）輸出系統為控制系統模塊對外的信號輸出，為氣壓信號，主要作用的對主控閥驅動，從而驅動外部設備的運動。（3）邏輯系統為內部傳遞信號，作用是實現輸入與輸出之間的信息傳遞。輸入，輸出系統一般固定不變，搭接它們間的橋梁就是邏輯系統，因此邏輯系統設計的好壞，決定著輸出系統是否實現要求的順序動作，文中所涉及就是此邏輯系統設計模塊標準工作。

3 設計原理

3.1氣路模塊設計

原理設計思路：（1）選取任意相鄰的2個動作;（2）動作傳遞（周而復始）：前一步動作→后一步準備→前一步到位后復位→后一步動作;（3）每一步都有邏輯關系開關（比如按鈕、現場行程開關等）;涉及元件：二位五通閥、到位開關、接頭、氣管等。設計其模塊原理見圖一。S02為前一模塊輸出信號（當前模塊準備信號）;S0.2為前一模塊動作到位輸出信號;S1為當前模塊動作到位信號;S1.1為當前模塊輸出信號;S1.2為當前模塊復位信號動作傳遞到后一模塊信號）;S12為后一模塊準備信號;其工作原理：（1）前一模塊輸出準備（S02）和動作傳遞（S0.2）后，二位五通閥模塊V1換向，模塊V1閥4口出氣（S1.1輸出），且信號準備輸出（S12），模塊V2閥換向。其結果是當前V1模塊輸出氣壓信號，當前所控制的設備動作，且為后一步做好輸出的準備，但此時V2無輸出。（2）當V1模塊動作到位，到位信號（S1）（此信號可增加手動干預開關）使得模塊V1閥復位，模塊V1閥2口出氣（S1.2）并傳遞到模塊V2閥進氣口。其結果是當前V1模塊停止輸出，后一步V2模塊產生輸出信號，完成當前V2模塊的輸出，并為后一個模塊做好輸出的準備。以上為任意2步動作之間的關系，按照此邏輯即把既定動作一步一步傳遞下去;需要說明的是，此種設計針對的是一種純氣動控制系統的設計，所有的信號都是氣壓信號，而且只是氣動控制系統的一部分，用它來控制、驅動外部控制氣缸的閥才能實現要求結果動作。簡單的說，“輸出”是控制系統對外的輸出，輸出氣壓驅動主控閥從而驅動設備運行;“到位/啟動”是外界對控制系統對內的輸入，包括行程開關、按鈕信號燈驅動控制模塊啟動工作;“后一步準備、動作傳遞到后一步”是控制模塊本身的邏輯關系，保證邏輯正常運行。每一步輸出動作是唯一的，且每一個輸出動作完成后，需本身的到位信號使得本動作控制閥復位后，才能開始下一步動作，這就使得對中間控制啟動/停止有多種方式：比如需連續動作，只需要將信號連接到到位開關信號即可實現;如中間停止后，需要人為驅動按鈕啟動，只需將驅動按鈕與到位開關串聯即可，這樣更方便設計及安裝、調試。

3.2氣動彈性主動控制

氣動彈性控制是一門由結構動力學、空氣動力學和控制理論相結合的科學，目的是通過引入主動控制量來改善系統的氣動彈性特性，與傳統控制理論相比，氣動彈性控制的難度更高，挑戰性更強，因為飛行器的動力特性會隨飛行條件的改變而不斷改變。氣動彈性控制的研究主要是提高飛行器的氣動彈性行為，主要有以下三個方面：1）主動顫振控制，這是目前氣動彈性控制領域研究最多的問題，目的是提高顫振速度，獲得更大的飛行顫振包線。主要是通過主動控制實現，即將系統Laplace域中的極點由右半平面移到穩定的左半平面。2）突風減緩，通過主動控制來實現外部力干擾響應最小化，從而實現提高飛機的安全性、延長機體壽命、改善乘坐舒適性等目的，這里的突風是指陣風載荷和非定常氣動力。3）增強機動能力，目的是提高飛行器機動飛行時所需要的升力與力矩的能力，其核心是優化升力面產生的升力和力矩的作用效能。

3.3氣路模塊應用

（1）目標：兩組氣缸按照既定順序動作工作（分別為A、B）。（2）動作要求：A夾緊→B夾緊→B打開→B再次夾緊→（工作完成按鈕）B打開→A打開。（3）說明：根據條件及動作要求，共6個動作，需要6個模塊，一個啟動按鈕、一個工作完成按鈕。原理動作過程說明：啟動→模塊一閥換向輸出、模塊二閥換向準備→A組氣缸伸出，1S11檢測到位，輸出信號使得模塊一輸入復位→模塊二輸出、模塊三換向準備→B組氣缸伸出，完成模塊一轉向模塊二的傳遞工作。同理可以依次完成模塊二轉向模塊三、模塊三轉向模塊四等后續模塊的轉向傳遞工作，即也是B組氣缸夾緊、打開工作的傳遞。需要注意的是：中間過程如需暫停，可增加“工作完成”工藝按鈕，使得上一個模塊信號暫時不下傳，等到需要時驅動此工藝按鈕，動作繼續;最后一個模塊的功能是將信號傳遞到第一個模塊進行下一個循環的準備。

結束語

綜上所述，文中提出的設計模塊是在相鄰兩動作之間的邏輯關系的基礎上進行，因此適用于任意有規律順序動作的純氣動控制系統，特別是動作過程多，有重復的動作的控制系統，并具備控制思路清晰，實現簡單，查找故障容易，節省成本的特點。且此模塊化設計是純氣動系統中的邏輯部分標準化，屬控制核心，既有固定邏輯部分，又有可供設計者個性化設計部分，可為設計者提供一種新的設計參考。

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（作者單位：河南中煙工業有限責任公司黃金葉生產制造中心）