DF（PLC）-I型控制系统，是采用小型PLC控制的数控飞锯电气控制系统，被授予国家专利。
DF（PLC）-I型控制系统采用了独特设计的柔性控制技术，小车起、制动加速度和回程限幅速度随机组线速度和定尺长度自动计算、自动控制，从而有效地减小了飞锯机械冲击和磨损，可提高机械使用寿命。同时由于无需人工干预，控制系统自动实现柔性控制，给用户使用带来了方便。笔者将就此控制技术作些介绍和探讨。
1 数控飞锯柔性控制原理
我们知道，理想定位系统线性加速的过程，其起、制动距离是最短。图1是飞锯小车在一个锯切周期的速度运行图。
图1锯车锯切周期速度变化示意图
其中（t2 ~ t3）同步段的时间由夹紧、锯切、抬锯、松夹控制外，其它四个曲线段的加、减速斜率和回程速度限幅值1b的大小均可采取柔性控制。其中最重要和最为复杂的是正向起动段加速斜率的控制。
我们以一个实例来加以说明。比如当一个机组最高线速度Vam=100m/min=1.667m/S时，前提是使用的数控飞锯驱动装置、驱动电机和飞锯机械配合时，可以在小于或等于0.4S内由停止起动到加速达到同步速度vam，那么我们在控制系统中可以将vam =1.667m/S 作为机组线速度，把正向起动加速时间控制为0.4S，由此可以计算出小车正向起动的加速度为：a=va/△t=1.667+0.4=4.167m/S2，并可以计算出，小车在△t=0.4S 时间内线性加速时的距离为：S=vam*△t+2=0.333 m（即为图l 中的阴影部分面积）；钢管在△t=0.4S 时运行的长度为：L=vam*△t =0. 6667m。由于vam=100m/min 为飞锯机械可以达到的最高线速度，也是飞锯机械允许的机组最高线速度，那么飞锯小车的极限加速度为4.167m/S2。目前一般数控飞锯的电气控制系统在设计时，将正向起动加速度固定为极限加速度不变，即不论机组实际运行线速度如何变化，正向起动加速度是固定的极限加速度。同样小车回程速度的限幅值也是按照最高线速度来选择最大值而固定不变的。这样不论机组线速度如何变化，正向起动加速度、回程速度限幅值都是处于最大值。而机组实际线速度在最高值运行的时间一般较少，较多的是在（0.2~0.8）vam范围内使用。同样定尺长度也在2~20m 范围内变化。所以上述设计方法虽然控制简单，但是导致数控飞锯机械低速运行时过大的机械冲击和磨损，同时实践表明，过大的机械冲击还带来实物定尺偏差的增大。我们可以理解：为满足精确定尺和正常运行，我们应该要求小车返回时必须在起始位置有一个稳定的停留时间，但是这一稳定停留时间的长短对定尺精度并无影响。我们由此可以要求这一停留时间尽可能的短一些，这样就有可能在机组线速度降低时，允许把加（ 减）速度、回程速度限幅值成比例地降低。而降低的程度（ 比例的选择）以确保小车返回时在起始位置仍有一定的停留时间即可。同理，在机组线速度不变时，设定长度变长，那么数控飞锯一个锯切周期变大，则也可以相应的降低加（ 减）速度和回程速度限幅值。上述就是实现柔性控制的原理所在。
2 锯切过程的柔性控制
2.1 正向起动加速度的控制
图2为正向起动的运行图，我们仅以机组线速度变化为例来加以说明。
图2锯车正向起动运行速度示意图
（1）当选择机组线速度val= 100m/min=1.667m/S、起动时间△t1=t2-t1 = 0.4S时，加速度a1= 4.167m/S2，小车起动距离S1=0.333m，钢管运行长度L1=0. 6667m。
现在定尺长度不变，而机组线速度改变为va2= 50m/min=0.833m/S，加速度仍选择a1=4.167m/S2时，可求出：小车由停止到起动达到同步的加速时间△t2=t3-t1 =va2/a1=0.2S，小车起动距离S2=va2*△t2/2=0.0833 m，钢管运行长度L2 = 2*S2=0.1667 m。
上述两种不同线速度情况相比较：△t2 =0.5△t1；S2=0.25S1；L2=0.25L1。
比较结果表明：小车达到同步的时间和达到同步的起动距离都成比例下降。但是由于飞锯机械的有效行程的大小是按机组最高线速度和锯切、抬锯时间等因素来设计的，即齿条的长度和飞锯床身的长度是一定的，所以小车同步时间和小车起动距离的减小并无太多实际的好处，带来的结果只是小车在起始位置停留的时间更长一些而已。而此时加速度a=a1，则机械冲击程度和va= va1=1.667m/S时相同，而加速度过大造成的机械损害则是严重的。在机组线速度为100m/min时，因为高速运行，其必须要求加速度a 比较大，这样才能满足数控飞锯正常运行。而在机组线速度为50m/min 时，由于线速度下降一半，则可以将加速度同比例降下来，也可以满足数控飞锯的正常运行
（2）当我们选择va=va2=50m/min=0.833m/S，a=0.5a1=2.083m/S2 时，那么可知此时小车达到同步的时间△t=△t1=0.4S。由此可计算出：S=va*△t/2=0.1667m；L=2*S=0.333m。和va1=100m/min，a1= 4.167m/S2 相比较，可知：va =0.5va1；a= 0.5a1；△t = △t1；S=0.5S1；L=0.5L1。
由于加速度a下降一半，则正向起动动态转矩可以下降一半，机械冲击明显下降。柔性控制的曲线并不是唯一的，应根据实际可能进行设计选择。我们根据数控飞锯控制系统的闭环传递函数可以求出正向起动的加速度a的表达式，而闭环传递函数中几乎所有参数都可以对加速度a发生影响。这样就应该选择一个或两个最容易来实现控制的参数，根据机组线速度的实际值、定尺长度的设定值来进行自动计算、自动调整。
（3）对于正向起动曲线实现柔性控制，我们曾做过二个方案的实验。
方案一：选择位置环内一或两个参数来进行加速度控制。这样的结果是位置环的输出曲线的斜率如图2 所示，自动随线速度、定长而改变。
图3锯车理想线性加速示意图
方案二：位置环内参数不改变，只是在位置环输出后面添加一个加速度限制环节。如果va = va2= 50m/min 时，位置环输出的曲线斜率仍为a=4.167m/S2，而加速度限制环节设定的加速度为a'=2.083 m/ S2 的曲线运行，由于a>a'，将导致位置环输出超调，小车运行速度的最大值将超过va = 50 m/ min，从而使同步调整时间加大，当随着（a-a'）/a比值的增加，则位置环输出超调将趋于严重，并可能导致定尺偏差的增大。
上述两种方案经实验表明，第一种方案较好，但控制复杂。我们在DF（PLC）-I型控制系统中使用软件方法综合了两种方案，首先在位置环内对正向起动加速度进行自动计算、自动调整，使va = va1=100m/min 时，位置环输出曲线的斜率为加速度a=a1=4.167m/S2，当va=va2=50m/min 时，将输出曲线的斜率自动控制为加速度a=a2= 2.083m/S2。其次在位置环后面添加了加速度限制环节，选择为a'>a ，即在va=va1=100 m/ min 时，加速度限制环节自动设定加速度a'> 4.167m/S2。这样，加速度限制环节并不去改变位置环输出曲线的斜率，其作用只是为了保护驱动系统和机械，避免产生非正常的过大的加速度。
2.2 冲击的控制
我们知道在位置伺服系统中，冲击r定义为：r=da/ dt
在图3 所示的理想线性加速时，虽然其起动距离最短，但是在t=t1、t=t2时有两个拐点，冲击值很大。为了减小冲击，则应使拐点平滑过渡。我们在DF（PLC）-I型控制器中实现图4 所示的控制，即在t1~t2时间段加速度线性增长，在t3~t4时间段加速度线性下降，从而达到对冲击值的限制。（t1~t2）和（t3~t4）时间段的大小，将影响冲击值的大小。时间段取值大一些，冲击值将小一些，但小车从停止到起动达到同步的时间将加长，小车达到同步时的起动距离将加大。所以这两个时间段的大小应综合考虑，一般在飞锯机械有效行程较长时，可以适当加大。反之则减小。
图4锯车实际线性加速示意图
2.3 回程速度限幅值和其它曲线段的柔性控制
当对正向起动段的加速度、冲击控制有了深入的了解后，那么回程速度限幅值和其他曲线段的柔性控制就十分容易理解了，二者控制的原理是相同的。
3 结束语
焊管、冷弯机组的规格型号很多，要设计一个通用的控制程序去适应各种规格的机组应用，需要我们去做大量的实验工作，采集大量数据，并由此建立一个适用性广的数学模型，从而实现适用于各种规格数控飞锯的柔性控制。实践表明，我们已达到既定的目标。采用柔性控制后，数控飞锯运行柔和平稳，提高了机械寿命，也提高了定尺精度。
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本文标题：数控飞锯电气系统的柔性控制数控技术
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