金剛石制品燒結機智能控制系統設計

梁萬用，江泳，李世忠

(1.鄭州輕工業學院電氣信息工程學院，河南鄭州450002;2.鄭州機械研究所，河南鄭州450052)

金剛石制品熱壓燒結機廣泛應用于金剛石鋸片、金剛石砂輪等產品的生產，生產過程中控制系統對溫度和壓力的控制精度對產品質量有著至關重要的影響。目前，國內的燒結機控制系統均采用了成品PID儀表控制方案。但PID 儀表在該系統中的應用存在幾個方面的問題:工藝參數設置操作復雜;不具備自適應功能，加工對象改變時，必須重新整定控制參數;成品PID 儀表均采用數碼管或小型液晶屏顯示，不能實時顯示控制曲線，用戶不能判斷整個工藝過程的控制效果;成本高?；诖?，作者介紹一種燒結機智能控制系統，提出一種基于繼電整定的模糊PID控制算法，實現了對溫度、壓力的精確控制，同時采用LCD顯示實時加工工藝曲線，成本低，使用方便。

1 設計要求及系統工作原理

1.1 系統設計要求

設計要求:能根據溫度壓力設定曲線進行實時控制，溫度控制誤差小于0.4 ℃，壓力控制誤差小于0.2 kN;在不同加工對象下具有自適應控制功能;具有實時控制曲線顯示功能。

1.2 控制算法原理設計

由于燒結機屬于典型的大延遲、非線性系統，且加工對象經常改變，一般的PID控制不能達到溫度控制要求，該系統采用了基于繼電整定的模糊PID控制算法，其結構圖如圖1所示。

圖1 基于繼電整定的模糊PID控制器算法結構圖

首先通過繼電整定得出PID 參數KP0、KI0、KD0作為模糊PID的初始比例系數、積分系數和微分系數;然后采用模糊推理的方法，根據不同的系統偏差e 和偏差變化率ec，在線實時調整PID的參數KP、KI和KD，使PID控制器具有自適應能力，從而使系統時刻處于最優的控制狀態下，達到更高要求的控溫效果。

1.3 系統組成及工作原理

系統結構框圖如圖2所示，主要包含微處理器及外圍電路、顯示及鍵盤電路、數據采集及處理電路、控制輸出電路幾個部分。

圖2 燒結機控制系統結構框圖

2 硬件電路設計

2.1 微處理器選擇

微處理器選用了STC12C5A48S2 單片機，該處理器具有48 kB程序代碼區、16 kB 掉電不丟失的EEPROM，執行速度高，能滿足該系統程序代碼量大、算法相對復雜、要求工藝曲線存儲等需求。

2.2 采集電路設計

考慮到該系統的復雜使用環境及精度要求，系統采集電路采用了多路模擬開關CD4051 和AD 轉換器ICL7135 相結合的方案，實現了溫度、壓力、電壓和電流4 路模擬量的采集。

2.3 輸出電路設計

溫度輸出控制電路選用了TI 公司的TLC5615 數模轉換器，壓力控制采用PWM控制方式，開關管選用了IRF540。

2.4 硬件電路可靠性設計

由于燒結機復雜的使用環境，抗干擾能力是系統的重要指標，該系統中對系統的可靠性設計進行了以下幾個方面的處理: (1)器件選擇上，均選用了工業級集成電路;(2)系統輸入、輸出及核心電路均采用獨立的隔離電源供電，實現了輸入、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。

3 軟件設計

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

3.1 主程序設計

控制系統主程序主體流程圖如圖3所示，該圖主要突出了整個程序的主體部分，沒有體現系統的啟停、故障判斷等開關量。

圖3 系統主程序流程圖

3.2 PID控制算法程序設計

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

圖4 PID控制算法流程圖

3.3 繼電自整定的程序設計

在該系統中，采樣周期T為1 s，振蕩周期TC是通過定時器在一個振蕩周期內的計數來獲得;振蕩幅值A 是一個周期內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公式得到系統的振蕩頻率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 參數只是用作一個估計參數，所以不需要很精確，因此可以用Ziegler-Nichols臨界比例法計算出系統的PID 參數。具體計算公式為:KP=0.6Ku，TI=0.5TC，TD=0.125TC。

4 結論

該系統主要用來進行金剛石、石墨等超硬材料的加工，在冶金行業有很大的實用價值，目前已經在國內市場大量投入使用，部分出口至印度、巴基斯坦等地。系統的實驗及實際運行數據表明:該系統溫度控制精度高，在400～1 000 ℃內，控制誤差小于0.4℃;壓力控制在10～300 kN 內，誤差小于0.2 kN;工作效率高，運行穩定，具有友好的人機接口。解決了使用成品PID 控制儀表參數設置、工藝設置繁瑣、工藝數量少和不能實時顯示工藝曲線等不足之處，操作簡單，使用方便。

【1】邵惠鶴.工業過程高級控制[M].上海:上海交通大學出版社，2003.

【2】梁萬用.超硬材料燒結爐控制系統的研制[D].鄭州:鄭州大學，2005.

【3】陶永華.新型PID控制及其應用[M].北京:機械工業出版社，2003.

【4】李昕，曲夢可，榮譽.基于MSP430 單片機的模糊溫濕度控制器的設計[J].傳感技術學報，2007，20(4):805 －808.