基于微射流拋光系統(tǒng)的溫度精密控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張遠(yuǎn)志，車英，朱萬彬，魯秀娥

（1.長春理工大學(xué)　光電工程學(xué)院，長春　130022；2.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所　應(yīng)用光學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春　130033；3.長春相干光學(xué)機(jī)電技術(shù)有限公司，長春　130022）

基于微射流拋光系統(tǒng)的溫度精密控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張遠(yuǎn)志1，車英1，朱萬彬2，魯秀娥3

（1.長春理工大學(xué)光電工程學(xué)院，長春130022；2.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所應(yīng)用光學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春130033；3.長春相干光學(xué)機(jī)電技術(shù)有限公司，長春130022）

提出了一種超調(diào)制冷熱補(bǔ)償技術(shù)，解決了由于大功率制冷源導(dǎo)致的控制系統(tǒng)慣性大，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)間長的難題。該方法克服了傳統(tǒng)PID算法參數(shù)調(diào)整復(fù)雜，超調(diào)量大的缺點(diǎn)，將傳統(tǒng)大慣量時(shí)滯溫控系統(tǒng)的開機(jī)預(yù)熱穩(wěn)定平衡時(shí)間大范圍縮短。運(yùn)用該技術(shù)進(jìn)行拋光液恒溫供給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)了液體的溫度超高精度的控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)系統(tǒng)設(shè)定值與環(huán)境溫度溫差值在10℃以內(nèi)時(shí)，采用超調(diào)制冷熱補(bǔ)償方法，開機(jī)預(yù)熱時(shí)間控制在10min以內(nèi)，同時(shí)系統(tǒng)能夠獲得優(yōu)于0.01℃的穩(wěn)態(tài)精度和良好的動(dòng)態(tài)特性，能夠滿足工業(yè)控制領(lǐng)域恒溫系統(tǒng)的溫度精密控制要求。

超調(diào)制冷；熱補(bǔ)償；精密控制

隨著光電技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)關(guān)鍵部件表面粗糙度的要求越來越苛刻。尤其是在短波光學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)光學(xué)元件表面粗糙度甚為嚴(yán)格。

不同能量組合方式作用于拋光部件，結(jié)合先進(jìn)的控制方法，對(duì)傳統(tǒng)拋光方法的提升有了較高的突破，出現(xiàn)了諸多新的方法。其中非接觸超光滑液體拋光技術(shù)應(yīng)用了流體力學(xué)原理，實(shí)現(xiàn)了光學(xué)元件的超光滑加工。由于微射流拋光磨料粒子以恒溫、恒壓、恒流作用于工件表面時(shí)，不會(huì)對(duì)材料產(chǎn)生塑性形變，而只是破壞微觀粒子間的相互作用力，可獲納米級(jí)粗糙度值超光滑表面［1-6］。

本文在多軸加工數(shù)控機(jī)床的基礎(chǔ)上構(gòu)建了非接觸超光滑磨粒恒溫控制系統(tǒng)。通過對(duì)拋光液恒溫、恒壓、恒流綜合控制作用，從而滿足拋光液對(duì)五軸加工中心磨頭的供給，實(shí)現(xiàn)了脆硬材料的柔緩性加工，獲得光滑納米級(jí)表面。大量實(shí)驗(yàn)對(duì)各工藝參數(shù)進(jìn)行研究，諸如對(duì)影響拋光液流動(dòng)壓力的規(guī)律，探索出流體壓力大小、溫度高低、流速快慢對(duì)加工效果的影響［7-10］。利用該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)拋光液各參數(shù)的控制，提高了加工質(zhì)量和加工效率，為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化加工提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

如今溫控系統(tǒng)中廣泛采用的是PLC控制系統(tǒng)，研究發(fā)現(xiàn)，PLC控制系統(tǒng)中溫度的控制主要是采用PLC自身的控制器，其中PID控制器居多，它是一種控制線性系統(tǒng)的控制器，必須不斷地調(diào)整PID各參數(shù)，才能保持系統(tǒng)的控制性能。在大慣量時(shí)滯溫控系統(tǒng)中，其工藝控制過程復(fù)雜多變，系統(tǒng)慣性較大，延時(shí)作用較強(qiáng)，具有較多不確定性。因此先進(jìn)的控制理論方法對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性具有較大作用。本文提出一種超調(diào)制冷熱補(bǔ)償方法，利用系統(tǒng)自身壓縮機(jī)進(jìn)行超調(diào)制冷，然后利用PWM方法控制溫度加熱系統(tǒng)對(duì)溫度進(jìn)行連續(xù)可調(diào)補(bǔ)償，從而達(dá)到精密調(diào)節(jié)系統(tǒng)溫度的目的。

1　微射流溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法及原理

1.1傳統(tǒng)溫控方法的實(shí)現(xiàn)

傳統(tǒng)溫控方法多數(shù)采用PID控制，利用精密溫度傳感模塊采集被測(cè)物體的溫度信號(hào)，運(yùn)用PID控制器并根據(jù)被測(cè)值與設(shè)定值的偏差進(jìn)行比例、積分、微分運(yùn)算，將反饋控制信號(hào)傳送給中央處理單元，對(duì)個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，促使系統(tǒng)達(dá)到設(shè)定值，從而實(shí)現(xiàn)溫度的控制。比例運(yùn)算反映偏差與控制量的關(guān)系，參數(shù)設(shè)定值越大，系統(tǒng)靈敏度越低，比例設(shè)定值越小，系統(tǒng)靈敏度越高。積分運(yùn)算就是為消除系統(tǒng)自生偏差。積分時(shí)間越短，積分作用越強(qiáng)。比例運(yùn)算和積分運(yùn)算響應(yīng)較慢。微分運(yùn)算目的是為彌補(bǔ)以上作用缺點(diǎn)。微分作用針對(duì)偏差速度對(duì)輸出量進(jìn)行修正，使系統(tǒng)達(dá)到平衡值，微分作用時(shí)間是微分作用強(qiáng)度度量，作用時(shí)間越長，修正越強(qiáng)。

比例控制是PID控制中最基本的控制，起主導(dǎo)作用。系統(tǒng)一出現(xiàn)誤差，比例控制立即產(chǎn)生作用以減少偏差。比例系數(shù)P越大控制作用越強(qiáng)，但也容易引起系統(tǒng)不穩(wěn)定。比例控制可減少誤差，但無法消除偏差，控制結(jié)果會(huì)產(chǎn)生余差。積分作用與系統(tǒng)積分時(shí)間有關(guān)。積分作用后，波動(dòng)作用變大，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢，系統(tǒng)最終消除余差，提高了控制精度。微分輸出對(duì)比例控制起到補(bǔ)償作用，抑制了超調(diào)，減少了波動(dòng)，使調(diào)節(jié)時(shí)間變短，促使系統(tǒng)保持穩(wěn)定。

PID控制器各部分參數(shù)的選擇，在系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試中最后確定。數(shù)學(xué)分析表明，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)間與控制系統(tǒng)的慣量大小有關(guān)，系統(tǒng)慣量大，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)時(shí)間就越長，相反系統(tǒng)慣量小，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)時(shí)間就越短，而且對(duì)大慣量控制系統(tǒng)，采用傳統(tǒng)PID控制方法，其系統(tǒng)波動(dòng)周期較大，穩(wěn)態(tài)特性較差。

1.2系統(tǒng)溫度控制方法

在恒溫控制系統(tǒng)中，為了降低穩(wěn)態(tài)時(shí)間，往往加熱系統(tǒng)與制冷系統(tǒng)的供給源不能太小，對(duì)于熱源系統(tǒng)，可以改變功率實(shí)現(xiàn)非恒量功率，而制冷系統(tǒng)的制冷功率較難實(shí)現(xiàn)連續(xù)控制。這樣由于系統(tǒng)慣量較大相應(yīng)延時(shí)性也大，不僅導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)間過長，而且溫度波動(dòng)性很大，從而很難實(shí)現(xiàn)超高精度的溫度控制。如何精確控制系統(tǒng)的溫度，這一問題便成為本文研究的主要內(nèi)容。

恒溫控制系統(tǒng)之所以出現(xiàn)溫度波動(dòng)，主要有如下幾方面原因。其一是因?yàn)闇乜叵到y(tǒng)的制冷速率過大導(dǎo)致系統(tǒng)慣量較大，出現(xiàn)超調(diào)、延時(shí)現(xiàn)象。其二是因?yàn)闇乜叵到y(tǒng)的加熱源不能對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)熱量補(bǔ)償，導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象。針對(duì)以上原因本文提出了一種超調(diào)制冷熱補(bǔ)償?shù)姆椒ā?/p>

設(shè)計(jì)方法是預(yù)先給系統(tǒng)一個(gè)微小的制熱源，由初始狀態(tài)進(jìn)入工作狀態(tài)后，控制系統(tǒng)進(jìn)行初步溫度調(diào)整，當(dāng)達(dá)到基本平衡后，制冷系統(tǒng)給出超調(diào)量，與此同時(shí)啟動(dòng)PWM控制的加熱系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)可調(diào)，從而達(dá)到溫度精密調(diào)節(jié)。此過程當(dāng)中，壓縮機(jī)制冷量不能連續(xù)可調(diào)，但通過加熱量的連續(xù)可調(diào)實(shí)現(xiàn)溫度精密控制。

為了對(duì)微型加熱管的加熱功率進(jìn)行連續(xù)控制，系統(tǒng)采用了PWM技術(shù)，直接改變PWM方波占空比即電加熱管通斷占空比，從而可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的高精度閉環(huán)連續(xù)控制。

基于PWM控制算法的電加熱系統(tǒng)有效地解決了慣性滯后類現(xiàn)象易引起系統(tǒng)產(chǎn)生超調(diào)或是震蕩，從而使系統(tǒng)穩(wěn)定性降低的問題。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制精度高、超調(diào)小、可靠性高而且PWM周期可調(diào)。實(shí)際應(yīng)用過程中可根據(jù)具體控制對(duì)象測(cè)定慣性常數(shù)、滯后時(shí)間。在調(diào)試過程中，根據(jù)響應(yīng)特性作相應(yīng)調(diào)整，即可達(dá)到比較理想的結(jié)果。系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)原理圖

針對(duì)傳統(tǒng)大慣量PID時(shí)滯溫控系統(tǒng)存在的缺陷，上述方法使系統(tǒng)滯后時(shí)間大大縮短，提高了系統(tǒng)的靈活性和穩(wěn)態(tài)精度。

2　微射流溫控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方法

系統(tǒng)采用浴鍋的設(shè)計(jì)如圖2所示。拋光液處于內(nèi)膽中，內(nèi)膽外壁通過盛有中間夾層水的容器浴熱，中間夾層水浸入加熱管與蒸發(fā)管，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的熱源及制冷源的供給。其硬件結(jié)構(gòu)組成主要由PLC作為控制核心，溫度變量經(jīng)溫度傳感器采集后，經(jīng)A/ D轉(zhuǎn)換模塊后在PLC中處理，PLC將它與溫度設(shè)定值比較，并按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)算法對(duì)誤差進(jìn)行處理，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)閉環(huán)控制。

圖2　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖

系統(tǒng)硬件選擇：PLC的選擇主要應(yīng)從PLC機(jī)型、電源模塊、IO模塊、容量、特殊功能模塊、通信聯(lián)網(wǎng)功能等諸多方面進(jìn)行考慮。實(shí)驗(yàn)采用深圳市顧美科技有限公司的觸摸屏式PLC一體機(jī)，其型號(hào)為EX2N-16MR-70-2DA-S。

高精密溫度傳感器。選擇高精密pt100鉑電阻，在中低溫中區(qū)鉑電阻是最常用的溫度檢測(cè)器，其主要特點(diǎn)是測(cè)量精度高、性能穩(wěn)定。

溫度采集系統(tǒng)采用12路PT100溫度采集器。由于系統(tǒng)需要采集多路溫度信息，PLC模擬量IO端口有限，所以采用溫度采集器。溫度傳感器采集信號(hào)后，經(jīng)RS232通訊口與PLC系統(tǒng)連接。將溫度傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行采集并處理，通過RS232通訊端口與PLC主機(jī)通訊。這樣不僅解決端口問題，而且減輕了CPU負(fù)擔(dān)。

發(fā)熱管及PWM加熱驅(qū)動(dòng)。發(fā)熱管材質(zhì)采用特種金屬材質(zhì)的電熱管內(nèi)芯，外套鐵氟龍管（PTFE）制做，因PTFE管耐強(qiáng)腐蝕性及不粘性，所以廣泛用于液體拋光等各種高要求化學(xué)藥液的加熱。加熱驅(qū)動(dòng)器的選擇對(duì)系統(tǒng)的控制效果可靠性及使用壽命有著較大的影響。目前，廣泛應(yīng)用的有接觸器、可控硅、絕緣柵型晶體管、固態(tài)繼電器等。PLC可編程控制器自生攜帶PWM脈沖發(fā)生模塊，通過改變脈沖方波占空比來控制加熱管功率放大模塊，從而實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)控制器件連續(xù)控制熱量輸出。

制冷裝置。制冷裝置由PLC控制變頻控制器，再由變頻器控制變頻壓縮機(jī)制冷。壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速的快慢決定制冷量的大小，所以通過控制變頻器的頻率改變制冷量大小。當(dāng)系統(tǒng)所需較小制冷量時(shí)，壓縮機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)，減少壓縮機(jī)由于頻繁啟動(dòng)造成的能量損耗。同時(shí)減少了系統(tǒng)停機(jī)造成系統(tǒng)高低壓失衡，開機(jī)又必須重新建立平衡造成的能量損耗。變頻器采用低頻低壓?jiǎn)?dòng)方式，控制系統(tǒng)啟動(dòng)電流，減輕了對(duì)電網(wǎng)的沖擊，尤其是在用電高峰期，經(jīng)常由于電網(wǎng)負(fù)荷大而使系統(tǒng)不能正常工作。系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)框圖

3　系統(tǒng)性能測(cè)試與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)熱源供給系統(tǒng)分為三部分：制冷系統(tǒng)，粗調(diào)加熱系統(tǒng)，精調(diào)加熱裝置。在對(duì)拋光液供給系統(tǒng)進(jìn)行精密調(diào)節(jié)控制以前，分別對(duì)上述各溫控部分進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，實(shí)驗(yàn)過程中拋光液體積為30L，攪拌電機(jī)轉(zhuǎn)速為80r/min，實(shí)驗(yàn)過程中沒有外部突變擾動(dòng)，得到的實(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4　變頻壓縮機(jī)制冷和粗調(diào)加熱系統(tǒng)加熱效果圖

圖4是變頻壓縮機(jī)制冷和粗調(diào)加熱系統(tǒng)加熱效果圖。變頻壓縮機(jī)制冷的工作方式是通過改變壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速來改變冰箱的制冷量，所以當(dāng)變頻壓縮機(jī)以固定頻率工作時(shí)，制冷去曲線圖近似為直線。粗調(diào)加熱系統(tǒng)采用電熱管作為系統(tǒng)的加熱器件，當(dāng)加熱器一固定功率工作時(shí)，加熱量一定，所以加熱曲線圖也近似為直線。

圖5　精調(diào)加熱裝置對(duì)30L拋光液進(jìn)行連續(xù)加熱的加熱效果圖

圖5是精調(diào)加熱裝置對(duì)30L拋光液進(jìn)行連續(xù)加熱的加熱效果圖。本控制方法采用PWM控制模塊為驅(qū)動(dòng)控制器件，能發(fā)出連續(xù)方波對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)加熱，同時(shí)可以通過改變PWM方波的占空比來改變制熱功率。從圖中可以看出微調(diào)加熱裝置制熱功率非常小，可以看出所以其可以作為整個(gè)系統(tǒng)的精密調(diào)節(jié)裝置。

圖6　超調(diào)制冷熱補(bǔ)償方法溫控曲線圖

圖7PID溫控曲線圖

圖6是整個(gè)系統(tǒng)的溫控曲線圖，圖7是PID溫控曲線，比較發(fā)現(xiàn)，在系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)間和波動(dòng)性能方面有了較大的提升，初始狀態(tài)時(shí)系統(tǒng)采用粗調(diào)加熱系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)加熱當(dāng)達(dá)到26℃時(shí)關(guān)閉加熱裝置，但是由于系統(tǒng)慣量大，溫度繼續(xù)走高，啟動(dòng)制冷裝置，變頻壓縮機(jī)開始工作，溫度開始慢慢下降，當(dāng)達(dá)到26℃時(shí)，PLC改變變頻壓縮機(jī)工作頻率，壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速降低，制冷量控制在一個(gè)恒定值，即本文所述的超調(diào)制冷，然后啟動(dòng)微調(diào)加熱系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)可調(diào)加熱，經(jīng)過幾次溫度波動(dòng)后溫度保持在恒定值，從而使系統(tǒng)達(dá)到恒溫精確控制。

4　結(jié)論

針對(duì)拋光液供給系統(tǒng)的溫度精密調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，本文以文本一體邏輯可編程控制器作為控制核心，具有編程靈活、操作方便、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)。采用超調(diào)制冷熱補(bǔ)償方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行溫度精密調(diào)節(jié)，克服了系統(tǒng)慣量大致使系統(tǒng)延時(shí)較長，溫度波動(dòng)較大的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了溫度精密調(diào)節(jié)，取得了良好閉環(huán)控制效果。溫度控制范圍為15～35℃，精度達(dá)到±0.01℃。

［1］馬占龍，劉健，王君林，等.射流拋光材料去除機(jī)理及影響因素分析［J］.應(yīng)用光學(xué)，2011，32（6）：1206-1211.

［2］劉健，馬占龍，王君林.光學(xué)元件亞表面損傷檢測(cè)技術(shù)研究現(xiàn)狀［J］.激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2011，47（8）：15-21.

［3］袁巨龍，王志偉，文東輝，等.超精密加工現(xiàn)狀綜述［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2007，43（1）：35-48.

［4］費(fèi)祥麟.高等流體力學(xué)［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，1989.

［5］方慧，郭培基，余景池.液體噴射拋光材料去除機(jī)理的研究［J］.光學(xué)技術(shù)，2004，30（2）：248-250。

［6］章本照.流體力學(xué)數(shù)值方法［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

［7］Shorey Aric B，Jacobs Kordonski.Experiments and observations regarding the mechanisms of glass removalinmagnetorheologicalfinishing［J］.Applied Optics，2001，40（1）：20-33.

［8］武建芬，盧振武，張紅鑫，等.光學(xué)元件離子束加工駐留時(shí)間優(yōu)化求解［J］.光學(xué)學(xué)報(bào)，2010，30（1）：192-197.

［9］袁巨龍，張飛虎，戴一帆，等.超精密加工領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)發(fā)展研究［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2010，46（15）：161-177.

［10］戴一帆，周林，謝旭輝，等.應(yīng)用離子束進(jìn)行光學(xué)鏡面確定性修形的實(shí)現(xiàn)［J］.光學(xué)學(xué)報(bào)，2008，28（6）：1131-1135.

The Design of Precise Temperature Control System Based on Micro Jet Polishing

ZHANG Yuanzhi1，CHE Ying1，ZHU Wanbin2，LU Xiue3

（1.School of Optoelectronic Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；2.State Key Laboratory of Applied Optics，Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033；3.Changchun Coherent Optics，Mechanical and Electrical Technology Co.，LTD，Changchun 130022）

This paper proposes a technology which can adjust the heat and thermal co-mpensation and solve the problem that large refrigeration source of inertia due to big difficult.This method overcomes the disadvantage of traditional adjustment of PID which have complex algorithm parameter and large amount of overshoot of faults.Shortened a wide range of stable equilibrium time large time.Using this technique，the design of the polishing liquid temperature supply system finally achieved the liquid of high precision temperature control.Experimental results show that when the system Settings and temperature difference value within 10℃，environment temperature cold heat compensation methods is made of super modulation control within 10mim warm-up time，at the same time the system can achieve 0.01℃ high steady state accuracy and good dynamic characteristics which can also satisfy the thermostat supply system in the domain of industrial control precision temperature control adjustment.

overshoot refrigeration；thermal compensation；micromanipulation

TH744

A

1672-9870（2016）03-0019-04

2015-11-19

吉林省科技發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目（20130101010JC，20150307036GX，20150307039JX）作者簡(jiǎn)介：張遠(yuǎn)志（1987-），男，碩士研究生，E-mail：1004045661@qq.com

朱萬彬（1963-），男，副研究員，E-mail：13704368108@163.com