金剛石制品燒結(jié)機(jī)智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

梁萬用，江泳，李世忠

(1.鄭州輕工業(yè)學(xué)院電氣信息工程學(xué)院，河南鄭州450002;2.鄭州機(jī)械研究所，河南鄭州450052)

金剛石制品熱壓燒結(jié)機(jī)廣泛應(yīng)用于金剛石鋸片、金剛石砂輪等產(chǎn)品的生產(chǎn)，生產(chǎn)過程中控制系統(tǒng)對(duì)溫度和壓力的控制精度對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響。目前，國內(nèi)的燒結(jié)機(jī)控制系統(tǒng)均采用了成品PID儀表控制方案。但PID 儀表在該系統(tǒng)中的應(yīng)用存在幾個(gè)方面的問題:工藝參數(shù)設(shè)置操作復(fù)雜;不具備自適應(yīng)功能，加工對(duì)象改變時(shí)，必須重新整定控制參數(shù);成品PID 儀表均采用數(shù)碼管或小型液晶屏顯示，不能實(shí)時(shí)顯示控制曲線，用戶不能判斷整個(gè)工藝過程的控制效果;成本高?；诖?，作者介紹一種燒結(jié)機(jī)智能控制系統(tǒng)，提出一種基于繼電整定的模糊PID控制算法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度、壓力的精確控制，同時(shí)采用LCD顯示實(shí)時(shí)加工工藝曲線，成本低，使用方便。

1 設(shè)計(jì)要求及系統(tǒng)工作原理

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

設(shè)計(jì)要求:能根據(jù)溫度壓力設(shè)定曲線進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，溫度控制誤差小于0.4 ℃，壓力控制誤差小于0.2 kN;在不同加工對(duì)象下具有自適應(yīng)控制功能;具有實(shí)時(shí)控制曲線顯示功能。

1.2 控制算法原理設(shè)計(jì)

由于燒結(jié)機(jī)屬于典型的大延遲、非線性系統(tǒng)，且加工對(duì)象經(jīng)常改變，一般的PID控制不能達(dá)到溫度控制要求，該系統(tǒng)采用了基于繼電整定的模糊PID控制算法，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 基于繼電整定的模糊PID控制器算法結(jié)構(gòu)圖

首先通過繼電整定得出PID 參數(shù)KP0、KI0、KD0作為模糊PID的初始比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù);然后采用模糊推理的方法，根據(jù)不同的系統(tǒng)偏差e 和偏差變化率ec，在線實(shí)時(shí)調(diào)整PID的參數(shù)KP、KI和KD，使PID控制器具有自適應(yīng)能力，從而使系統(tǒng)時(shí)刻處于最優(yōu)的控制狀態(tài)下，達(dá)到更高要求的控溫效果。

1.3 系統(tǒng)組成及工作原理

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，主要包含微處理器及外圍電路、顯示及鍵盤電路、數(shù)據(jù)采集及處理電路、控制輸出電路幾個(gè)部分。

圖2 燒結(jié)機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 微處理器選擇

微處理器選用了STC12C5A48S2 單片機(jī)，該處理器具有48 kB程序代碼區(qū)、16 kB 掉電不丟失的EEPROM，執(zhí)行速度高，能滿足該系統(tǒng)程序代碼量大、算法相對(duì)復(fù)雜、要求工藝曲線存儲(chǔ)等需求。

2.2 采集電路設(shè)計(jì)

考慮到該系統(tǒng)的復(fù)雜使用環(huán)境及精度要求，系統(tǒng)采集電路采用了多路模擬開關(guān)CD4051 和AD 轉(zhuǎn)換器ICL7135 相結(jié)合的方案，實(shí)現(xiàn)了溫度、壓力、電壓和電流4 路模擬量的采集。

2.3 輸出電路設(shè)計(jì)

溫度輸出控制電路選用了TI 公司的TLC5615 數(shù)模轉(zhuǎn)換器，壓力控制采用PWM控制方式，開關(guān)管選用了IRF540。

2.4 硬件電路可靠性設(shè)計(jì)

由于燒結(jié)機(jī)復(fù)雜的使用環(huán)境，抗干擾能力是系統(tǒng)的重要指標(biāo)，該系統(tǒng)中對(duì)系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)進(jìn)行了以下幾個(gè)方面的處理: (1)器件選擇上，均選用了工業(yè)級(jí)集成電路;(2)系統(tǒng)輸入、輸出及核心電路均采用獨(dú)立的隔離電源供電，實(shí)現(xiàn)了輸入、輸出及微處理器電路之間的完全電氣隔離;(3)采用了合理的接地技術(shù)。

3 軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的軟件編程是該系統(tǒng)的核心部分。硬件電路往往具有通用性，因此各個(gè)具體功能的實(shí)現(xiàn)都是靠軟件實(shí)現(xiàn)，特別是控制算法的實(shí)現(xiàn)。

3.1 主程序設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)主程序主體流程圖如圖3所示，該圖主要突出了整個(gè)程序的主體部分，沒有體現(xiàn)系統(tǒng)的啟停、故障判斷等開關(guān)量。

圖3 系統(tǒng)主程序流程圖

3.2 PID控制算法程序設(shè)計(jì)

模糊PID控制算法的程序流程圖如圖4所示，圖中y(k)是當(dāng)前溫度采樣值，e(k)、e(k－1)分別為當(dāng)前誤差和上次采樣誤差，ec(k)為當(dāng)前誤差變化率，u(k)是PID 運(yùn)算結(jié)果。

圖4 PID控制算法流程圖

3.3 繼電自整定的程序設(shè)計(jì)

在該系統(tǒng)中，采樣周期T為1 s，振蕩周期TC是通過定時(shí)器在一個(gè)振蕩周期內(nèi)的計(jì)數(shù)來獲得;振蕩幅值A(chǔ) 是一個(gè)周期內(nèi)采樣溫度的最大和最小值差的一半。然后可以通過以下兩個(gè)公式得到系統(tǒng)的振蕩頻率ωC和增益KC，即

其中:d 為控制輸出幅值的一半。

由于繼電整定出PID 參數(shù)只是用作一個(gè)估計(jì)參數(shù)，所以不需要很精確，因此可以用Ziegler-Nichols臨界比例法計(jì)算出系統(tǒng)的PID 參數(shù)。具體計(jì)算公式為:KP=0.6Ku，TI=0.5TC，TD=0.125TC。

4 結(jié)論

該系統(tǒng)主要用來進(jìn)行金剛石、石墨等超硬材料的加工，在冶金行業(yè)有很大的實(shí)用價(jià)值，目前已經(jīng)在國內(nèi)市場(chǎng)大量投入使用，部分出口至印度、巴基斯坦等地。系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)及實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)表明:該系統(tǒng)溫度控制精度高，在400～1 000 ℃內(nèi)，控制誤差小于0.4℃;壓力控制在10～300 kN 內(nèi)，誤差小于0.2 kN;工作效率高，運(yùn)行穩(wěn)定，具有友好的人機(jī)接口。解決了使用成品PID 控制儀表參數(shù)設(shè)置、工藝設(shè)置繁瑣、工藝數(shù)量少和不能實(shí)時(shí)顯示工藝曲線等不足之處，操作簡單，使用方便。

【1】邵惠鶴.工業(yè)過程高級(jí)控制[M].上海:上海交通大學(xué)出版社，2003.

【2】梁萬用.超硬材料燒結(jié)爐控制系統(tǒng)的研制[D].鄭州:鄭州大學(xué)，2005.

【3】陶永華.新型PID控制及其應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

【4】李昕，曲夢(mèng)可，榮譽(yù).基于MSP430 單片機(jī)的模糊溫濕度控制器的設(shè)計(jì)[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2007，20(4):805 －808.