基于模糊控制技术摆动式球磨机控制系统设计开题报告.doc

1基于模糊控制的摆动式球磨机控制系统设计开题报告一、开题的目的及意义随着社会的进步，科学技术的发展，粉末工业是我国国民经济基础原料产业，几乎所有的现代新兴技术与产业发展都源于粉末制备技术的进步。粉末工业离不开粉末的加工设备球磨机。自1893年球磨机的出现以来，它就一直在矿业、冶金、建材、化工及电力部门等若干基础行业的原料粉碎中得到广泛的应用。随着陶瓷工业的发展，球蘑机也成为了陶瓷工业中粉磨工序中不可缺少的机械设备。从长远来看，今后相当长的时期内球蘑机仍将是陶瓷工业中原料磨碎作业的主要设备，因此对球蘑机的研究也受到了相关专家的高度重视，近年来国内外也取得了许多成果。球磨机作为制粉的设备，它以可靠性高、能常时间使用、维护量小等优点，在国内外仍被广泛采用。球磨机制粉系统的任务是在保证球磨机安全运行的情况下，使磨出力达到最大，处于最佳经济运行工况。由于模糊控制技术的发展，模糊控制技术也广泛应用于球磨机控制系统中，模糊控制（fuzzycontrol,FC）是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种计算数字控制，是一种正在兴起的能够提高工业自动化能力的控制技术。本课题为基于模糊控制技术的摆动式球磨机控制系统设计，其原理是运用模糊控制技术控制球磨机的罐体做多维往复运动中，球磨机内的物料受磨介和罐体的作用，其物理形状发生改变，释放出能量，所释放出能量的一部分转化成瞬态变化的压力波，即为声发射波。声发射波在传播过程中，碰撞周围物体，由于压力作用使物体表而产生微小的形变，声发射波的变化将改变微小形变的大小。也就是说物体表而所产生的微小形变的大小反映了球磨机内物料的物理状态变化特征，而这一微小变化正是我们用来确定球磨机工作过程的负荷变化状况特征量。特征量被采集后，经过放大器放大，由高精度A/D转换器送给单片机处理，最后由单片机进行处理，通过模糊控制规则向球磨机的执行机构发出控制命令。在球磨机研磨物料过程中，使磨介在罐内不规则运动时，产生巨大的冲击力，延长磨介的运动轨迹、提高冲击能、减少撞击盲点。其工作效率是传统工艺的十几倍，可以显著提高罐内磨介的冲击能量和运动次数，使被粉碎的物质颗粒达到纳米级。同时，大大提高了被粉碎颗粒的均匀度。本设计主要包括交流变频调速控制系统设计、罐内气体（液体）压力检测系统的整体结构设计、工作机温度监测控制系统设计、模糊控制算法以及人机交互界面设计。本设计的主要目标是实现对多维摆动式球磨机整个工作过程的智能控制。2用传统的方法加工超细粉末，由于被加工物质在有限的空间内做二维高速旋转运动，产生较大的冲击力，随着被加工物质粒度的变细，而此时其物理、化学性质也发生巨大变化。如不对其进行必要的保护和实时监测，会使加工不能正常进行，甚至造成重大事故。这就是传统人工观测法所无法实现的。针对以上的问题，本课题是通过检测罐内气体（液体）压力来监测罐体的安全状况。被加工物质在惰性气体（液体）保护下加工是安全、可靠的。同时也解决了某些物质达到纳米级时很难在空气中存在的问题，是主要的测量项目之一。机械法加工超细粉末的保护和保原问题，是超细粉末制备技术迫切需要解决的难题。二、文献综述经过对切题资料的详细查询和调研，对本设计题目的内容有了深刻的认识和了解。了解到智能控制与安全监测自动化技术在工程应用中重要的作用。模糊控制是一种较为典型的智能控制方法2,其最大的特点是将专家的经验和知识表示为语言规则去控制系统,这样可以不依赖被控对象的精确数学模型,对被控对象的参数具有较强的鲁棒性。模糊控制系统中的智能控制系统的本质是仿人或仿智，即宏观结构上和行为功能上对人控制器进行模拟，在人参与过程控制中，经验丰富的操作者不是依据数学模型，而是根据积累的经验和知识进行在线推理确定或变换控制策略。而这些经验和知识反映系统运动状态所有动态特征信息。多维摆动式球磨机控制系统控制复杂、综合性强，它涉及信号的检测与处理、控制算法选择与实现、执行机构的选择与控制以及计算机控制系统的设计等1。另外，选用模糊控制的效果也比传统的PID等控制方法有着明显的优，它具有达到设定转速时间短、稳态转速波动小、反映灵敏、抗干扰能力强、节省电能等优点。其主要设计思想是当转速偏差较大时采用Fuzzy控制，加快响应速度；当转速偏差较小进入稳态过程，则由程序切换到PID控制，消除静差。球磨机的组成复杂，在了解各个部分性能的基础上设计电气控制电路，并采用适合超微细粉碎的控制策略，采用模糊控制，解决球磨机粉碎中的关键的问题。本次设计单片机选用AT89C52，其经济易用，性能可靠，易扩充，控制功能强。内部配置8KB的FlashMemory，无需扩展外部存储器，可点擦写，便于编程调试。AT89C52内部带有存储器件，不用扩展程序存储器，减少硬件线路连接。其最大特点就是设计者可以根据自己的实际需要开发、设计一个单片机系统，因而更加方便，更加灵活，并且成本低。其基本方法是在单片机的基础上扩展一些接口，如用于A/D、D/A转换接口，用于人机对3话的键盘处理接口，LED和LCD显示接口等，然后开发一些应用软件，即可组成完整的单片机系统4。单片机系统的应用在摆动式球磨机的各种外围器件与单片机的连接,包括A/D转换，D/A转换，译码器，锁存器，键盘与显示电路等与球磨机控制电路的连接借鉴了许多文献的优秀成果。多维摆动式球磨机的硬件核心是单片机及变频调速电路，其它一些电源电路，报警电路，看门狗电路等都是不可或缺的部分。要使一个设计更适用于实际应用，就必须完善设计在应用中可能遇到的问题。因此，外围的集成电路部分是必不可少的。为了提高单片机自身的抗干扰能力，防止程序在运行过程中发生跑飞，造成单片机程序“死循环”等情况，增加看门狗电路。由于摆动式球磨机在加工物料时根据物料的不同加工时间也不同所以还要增加时钟电路56。物料在摆动式球磨机在高速运动时，物料与周围的碰撞其物理形状发生改变，释放出能量，产生热量。为了能很好的监视和控制摆动式球磨机在运动时的温度，在控制电路加温度传感器，温度传感器选用热电阻式温度传感器，其中将温度变化转换为电阻变化的称为热电阻传感器。热电阻传感器可分为金属热电阻式和半导体热电阻式两大类，前者简称热电阻，后者简称热敏电阻。常用的热电阻材料有铂、铜、镍、铁等，它具有高温度系数、高电阻率、化学、物理性能稳定、良好的线性输出特性，且价格便宜。压力测量选用真空压力传感器件。多维摆动式球磨机在高速运动中产生大量的热量，当温度过高时系统很容易爆炸。这样要对摆动式球磨机系统进行温度保护，温度保护有两种，一气体保护，是将罐体内充满惰性气体，或将罐体内抽成真空。二液体保护，将罐体内充入惰性液体。根据他们的实用性，本次设计采用气体保护。在温度保护中还要注意罐体的密封性。由于多维摆动式球磨机中的电机在工作过程中是随罐体摆动而运动的，工作过程中震动较大。这里采用测速发电机对交流电机进行测速，可以构成闭环调速系统。测试电路采用高精度放大电路，使得即便是在电动机低速运转时，也有足够的测速精度。由于多维摆动式球磨机中的电机在工作过程中是随罐体摆动而运动的，这里采用测速发电机对交流电机进行测速，可以构成闭环调速系统。测试电路采用高精度放大电路，使得即便是在电动机低速运转时，也有足够的测速精度3。综上,基于模糊控制技术的多维摆动式球磨机控制系统的控制对象具有强非线性、多变量耦合、不确定性和大滞后的特点而且调速系统是一类不确定的复杂系统，难以获得精确的数学模型，采用传统的PID控制无法达到希望的性能要求。根据相关技术目前的情况，4本次设计将以单片机为核心，采用模糊控制算法，选用DS1302作为时间记忆芯片，利用SA8282和IPM模块组成的变频调速电路，实现多维摆动式球磨机的智能控制。三、设计的内容和拟解决的关键问题本次设计主要应用了模糊控制技术，单片机技术，来实现摆动式球磨机的计算机自动控制。模糊控制技术与单片机技术的主要讨论的内容如下：模糊控制器的设计，模糊控制技术是以模糊集合理论为基础的控制手段，它是模糊系统理论、模糊技术与自动控制技术相结合的产物、出发点是操作人员的控制经验或相关专家的知识。为了使电机转速被控制在理想值附近，以上的硬件部分是无法做出调节的，因此必须对电机转速进行非线性处理。比较各种控制算法的优缺点，选择模糊控制为本设计的控制算法。球磨过程解析模型是由1962年古丁与麦劳意等人利用贝斯建立的微分方程，将选择函数和分布函数以连续函数形式来表示，建立了偏微分-积分方程：max0(,)(,0)()()txyxpxtpxSyByxdydtB(x，Y)表示粒径为Y的颗粒被粉碎后成粒径为x的颗粒质量比。模型为了解析粉碎过程，引入了大量难以准确测定的选择函数和破裂分布函数，在数学上达到了很完善的程度。系统的软件设计采用模糊控制的方法和单片机控制技术相结合，以使系统的性能指标最优。这部分主要是按照工艺和设计要求，设计出系统的工作流程，画出程序流程图，包括主程序和信号转换子程序、模糊控制子程序、键盘及显示子程序等。系统的硬件设计包括最小系统的设计和主控芯片的选择；温度控制电路设计，开关电路的设计，信号采集、放大、转换电路的设计；时间记忆电路的设计（系统采用时间芯片，实时记忆时间数据，掉电后时间数据不丢失）；键盘电路的设计（用于设定正常工作时的转速值、最高转速值、罐体温度值和罐内压力值）；显示驱动电路的设计（用于显示工作过程中的设定转速值、最高转速值、实时监测温度值和罐内压力值）；预置设置输入及报警电路的设计（用于预置罐内压力最低值和设定最高温度值超出预定范围时声光自动报警，同时关闭执行机构的驱动电路动作）；三相交流电机变频调速电路的设计等。以单片机为核心的球磨机模糊控制系统，编制一种响应速度快、控制性能好的查询模糊控制表子程序，实现了多维摆动式球磨机的计算机自动控制，且具有较理想的动态控制性能。本次的摆动式球磨机系统的设计是以AT89C52单片机为控制核心，通过温度传感器、压力传感器采集信号，并对采集信号做出相应处理，实现了工作机温度和罐内气体压力的