气动控制回路步进动作控制模块化设计

田竟超

摘要：近年来，我国的工程建设越来越多，气动控制系统的应用也越来越广泛。文章针对纯气动控制系统设计方面提出一种设计方法，即步进动作控制模块化设计，其设计具备控制思路清晰，实现简单，查找故障容易，节省成本等特点，且易于扩展，系统可靠，并使得气动逻辑简单化、标准化;并以一实例对其设计方法进行表述说明，其方法可为气动控制系统设计提供一种设计思路及参考。

关键词：控制回路;步进动作;模块化设计;标准化

引言

气动控制系统常被用于生产设备的自动化，控制范围从简单的小型设备到大型的自动化生产流水线。对于双缸以上的多缸顺序控制，前一个动作完成后，发出完成信号，并控制下一个动作开始执行。由于实际要求的动作顺序是各式各样的，这时设计者就应采用某种设计方法，设计出所需的回路。气动顺序回路的设计方法很多，有分组供气法、信号动作状态图法（简称X-D图法）、扩展卡诺图法和步进控制回路法等，本文主要介绍步进控制回路法及其实现。

1 步进控制原理

步进控制原理是指将一个复杂的控制过程分解为若干个工作状态，弄清各状态的工作细节（状态的功能、转移条件和转移方向），再依据总的控制顺序要求，将这些状态联系起来，形成状态转移图，进而根据状态转移图设计各工作状态的控制回路、转移条件和转移目标。步进控制的关键是当一个工作状态执行完毕以后，要通过转移条件切换到下一个工作状态，同时中断当前工作状态的继续执行。

2 气动控制系统组成

1）输入系统为控制系统外部对模块的信号输入，包括行程开关信号、按钮开关信号、计数器信号、感应器信号等等，也可以是这些信号的组合，主要作用是检测是否到位、是否确认等。（2）输出系统为控制系统模块对外的信号输出，为气压信号，主要作用的对主控阀驱动，从而驱动外部设备的运动。（3）逻辑系统为内部传递信号，作用是实现输入与输出之间的信息传递。输入，输出系统一般固定不变，搭接它们间的桥梁就是逻辑系统，因此逻辑系统设计的好坏，决定着输出系统是否实现要求的顺序动作，文中所涉及就是此逻辑系统设计模块标准工作。

3 设计原理

3.1气路模块设计

原理设计思路：（1）选取任意相邻的2个动作;（2）动作传递（周而复始）：前一步动作→后一步准备→前一步到位后复位→后一步动作;（3）每一步都有逻辑关系开关（比如按钮、现场行程开关等）;涉及元件：二位五通阀、到位开关、接头、气管等。设计其模块原理见图一。S02为前一模块输出信号（当前模块准备信号）;S0.2为前一模块动作到位输出信号;S1为当前模块动作到位信号;S1.1为当前模块输出信号;S1.2为当前模块复位信号动作传递到后一模块信号）;S12为后一模块准备信号;其工作原理：（1）前一模块输出准备（S02）和动作传递（S0.2）后，二位五通阀模块V1换向，模块V1阀4口出气（S1.1输出），且信号准备输出（S12），模块V2阀换向。其结果是当前V1模块输出气压信号，当前所控制的设备动作，且为后一步做好输出的准备，但此时V2无输出。（2）当V1模块动作到位，到位信号（S1）（此信号可增加手动干预开关）使得模块V1阀复位，模块V1阀2口出气（S1.2）并传递到模块V2阀进气口。其结果是当前V1模块停止输出，后一步V2模块产生输出信号，完成当前V2模块的输出，并为后一个模块做好输出的准备。以上为任意2步动作之间的关系，按照此逻辑即把既定动作一步一步传递下去;需要说明的是，此种设计针对的是一种纯气动控制系统的设计，所有的信号都是气压信号，而且只是气动控制系统的一部分，用它来控制、驱动外部控制气缸的阀才能实现要求结果动作。简单的说，“输出”是控制系统对外的输出，输出气压驱动主控阀从而驱动设备运行;“到位/启动”是外界对控制系统对内的输入，包括行程开关、按钮信号灯驱动控制模块启动工作;“后一步准备、动作传递到后一步”是控制模块本身的逻辑关系，保证逻辑正常运行。每一步输出动作是唯一的，且每一个输出动作完成后，需本身的到位信号使得本动作控制阀复位后，才能开始下一步动作，这就使得对中间控制启动/停止有多种方式：比如需连续动作，只需要将信号连接到到位开关信号即可实现;如中间停止后，需要人为驱动按钮启动，只需将驱动按钮与到位开关串联即可，这样更方便设计及安装、调试。

3.2气动弹性主动控制

气动弹性控制是一门由结构动力学、空气动力学和控制理论相结合的科学，目的是通过引入主动控制量来改善系统的气动弹性特性，与传统控制理论相比，气动弹性控制的难度更高，挑战性更强，因为飞行器的动力特性会随飞行条件的改变而不断改变。气动弹性控制的研究主要是提高飞行器的气动弹性行为，主要有以下三个方面：1）主动颤振控制，这是目前气动弹性控制领域研究最多的问题，目的是提高颤振速度，获得更大的飞行颤振包线。主要是通过主动控制实现，即将系统Laplace域中的极点由右半平面移到穩定的左半平面。2）突风减缓，通过主动控制来实现外部力干扰响应最小化，从而实现提高飞机的安全性、延长机体寿命、改善乘坐舒适性等目的，这里的突风是指阵风载荷和非定常气动力。3）增强机动能力，目的是提高飞行器机动飞行时所需要的升力与力矩的能力，其核心是优化升力面产生的升力和力矩的作用效能。

3.3气路模块应用

（1）目标：两组气缸按照既定顺序动作工作（分别为A、B）。（2）动作要求：A夹紧→B夹紧→B打开→B再次夹紧→（工作完成按钮）B打开→A打开。（3）说明：根据条件及动作要求，共6个动作，需要6个模块，一个启动按钮、一个工作完成按钮。原理动作过程说明：启动→模块一阀换向输出、模块二阀换向准备→A组气缸伸出，1S11检测到位，输出信号使得模块一输入复位→模块二输出、模块三换向准备→B组气缸伸出，完成模块一转向模块二的传递工作。同理可以依次完成模块二转向模块三、模块三转向模块四等后续模块的转向传递工作，即也是B组气缸夹紧、打开工作的传递。需要注意的是：中间过程如需暂停，可增加“工作完成”工艺按钮，使得上一个模块信号暂时不下传，等到需要时驱动此工艺按钮，动作继续;最后一个模块的功能是将信号传递到第一个模块进行下一个循环的准备。

结束语

综上所述，文中提出的设计模块是在相邻两动作之间的逻辑关系的基础上进行，因此适用于任意有规律顺序动作的纯气动控制系统，特别是动作过程多，有重复的动作的控制系统，并具备控制思路清晰，实现简单，查找故障容易，节省成本的特点。且此模块化设计是纯气动系统中的逻辑部分标准化，属控制核心，既有固定逻辑部分，又有可供设计者个性化设计部分，可为设计者提供一种新的设计参考。

参考文献：

[1] 朱梅.基于机械手的全气动或电气动控制设计[J].液压与气动，2004，（1）：3-4

[2] SMC（中国）有限公司.现代实用气动技术[M].北京：机械工业出版社，2004：513-535

[3] 胡海清.利用步进块实现气动顺序动作控制[J].现代制造技术与装备，2009，（4）：44-46

（作者单位：河南中烟工业有限责任公司黄金叶生产制造中心）