全自动倾转式浇注机的浇注过程控制研究

摘要

随着我国铸造业生产力的不断发展，对铸造装备自动化水平的要求也越来越高。浇注机作为全自动造型线不可或缺的配套设备，与人工浇注相比，能改善工人的操作环境，提高生产效率。倾转式浇注机是目前铸造车间最为广泛使用的一种，具有操作简单、占地面积小、易于实现同步浇注等优点。然而，国产倾转式浇注设备自动化程度还不高，其浇注过程还需要人工进行控制，这就增加了时间和人力成本。目前，国内对倾转式自动浇注的浇注过程控制研究还不多，迫切需要研究开发出一套能够保证工艺的全自动倾转式浇注控制方案，使其不但能够对所浇注的熔体精确定量，而且还能够满足多品种铸件的浇注需要，且能方便地应用到现场可编程控制器(PLC)。
　　本文以三轴联动倾转式浇注机作为研究对象，首先对倾转浇注过程进行了动态分析和数学建模，对浇注过程方程进行离散化处理，结合PID控制法，设计了依靠角速度来估计流量的反馈控制系统。通过MATLAB软件对反馈系统进行仿真。现场试验结果表明模型准确，但是通过角速度估计流量过分依赖浇包的型腔尺寸，在浇包挂渣或烧损的情况下会导致误差增大。
　　为了克服上述控制方法的缺点，本文设计了金属液液面控制作为补充控制手段，判断浇注是否完成。液面控制包括预浇注、前馈和反馈三个部分，控制器依旧采用PID控制，利用IVC-Studio编程软件对浇口杯内液面高度进行实时监控，通过实时获得的液面高度数据不断调节倾转机构以改变输出，试验结果令人满意。
　　然而，单独依靠液面控制来判定浇注完成，往往使得浇口杯内存在大量剩余铁水。国外最新的浇注机，同时还通过精确重量控制作为补充，使浇注过程控制更加可靠有效。由于试验所用浇注机没有配备称重传感器，本文对浇注过程的称重系统进行了模拟计算，并利用非线性卡尔曼滤波器去除倾转式浇注控制系统中的称重干扰信号。为了方便此种算法应用于现场可编程控制器中，本文对浇注过程状态矩阵进行了简化，利用MATLAB对滤波过程进行了仿真计算，结果表明滤波结果良好，这为将来的精确定量、称重系统的结构设计和浇注系统控制方案打下了一定的理论基础。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 课题来源

1．2 铸造自动化

1．3 全自动浇注机的种类

1．4 全自动倾转式浇注机工业现场控制方法总结

1．5 倾转式浇注机国内外研究现状

1．6 本文的研究目的和内容

第二章 倾转式浇注过程的动态分析与数学建模

2．1 引言

2．2 倾转式浇注机结构简介

2．3 浇注过程分析与数学建模

2．4 流量反馈控制方案及模型验证

2．4．1 控制方案的设计

2．4．2 PID控制简述

2．5 试验过程

2．5．1 试验场地及设备

2．5．2 参数代入

2．5．3 试验结果分析

2．6 结论

第三章 液面控制方案研究

3．1 引言

3．2 倾转式浇注液面控制分析

3．2．1 对延迟环节的分析

3．2．2 液面高度数据的获得

3．3 液面控制方案设计

3．4 试验过程及结果分析

3．4．1 参数设置

3．4．2 试验结果与分析

3．5 结论

第四章 非线性卡尔曼滤波在倾转式浇注机上的应用

4．1 引言

4．2 倾转式浇注系统状态空间描述

4．3 噪声分析

4．4．最优非线性卡尔曼离散滤波

4．4．1 概述

4．4．2 离散线性系统的卡尔曼滤波

4．4．3 线性卡尔曼滤波的特点总结

4．5 非线性卡尔曼滤波

4．6 非线性卡尔曼滤波器仿真模拟试验

4．7 结论

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

致谢

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