【畢業(yè)學(xué)位論文】氧化鋅晶須生產(chǎn)過程自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用-模式識別與智能系統(tǒng)

分類號 密級 U D C 編號 士學(xué)位論文 論文題目 氧化鋅晶須生產(chǎn)過程自 動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用 學(xué)科、專業(yè) 模式識別與智能系統(tǒng) 研究生姓名 毛 友 志 導(dǎo)師姓名及 專業(yè)技術(shù)職稱 桂 衛(wèi) 華 教 授 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘 要 I 摘 要 氧化鋅晶須生產(chǎn)過程是一個較為復(fù)雜的過程。 由于長期依靠人工經(jīng)驗(yàn)， 現(xiàn)場操作缺乏科學(xué)的指導(dǎo)， 使得通入氧化爐的氣體參數(shù)不穩(wěn)定，導(dǎo)致氧化鋅晶須產(chǎn)品質(zhì)量低。為此開發(fā)氧化鋅晶須自動控制系統(tǒng)，將先進(jìn)的自動控制技術(shù)應(yīng)用于晶須生產(chǎn)過程，對穩(wěn)定工藝參數(shù)、提高晶須產(chǎn)品質(zhì)量以及實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程綜合自 動化具有非常重要的意義。 本文以氧化鋅晶須生產(chǎn)過程為研究對象。 在分析了氧化鋅晶須生產(chǎn)過程中氧化爐用氣參數(shù)與晶須質(zhì)量的關(guān)系后， 根據(jù)影響氧化爐用氣的兩個主要參數(shù)氧含量和流量， 進(jìn)行了配氣控制系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)。本文首先提出了該控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架，并總結(jié)了其功能特點(diǎn)；然后針對實(shí)際配氣系統(tǒng)存在時(shí)滯性和耦合性的特點(diǎn)， 以及配氣系統(tǒng)存在不確定外部因素干擾的特點(diǎn)，根據(jù) 其動態(tài)特性建立了數(shù)學(xué)模型，采用前饋解耦控制算法和增量式 法，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的控制器；最后開發(fā)了控制系統(tǒng)的監(jiān)控軟件，并給出了運(yùn)行結(jié)果。 應(yīng)用軟件采用 態(tài)軟件和 7列的 軟件編制，實(shí)現(xiàn)了配氣過程重要參數(shù)的監(jiān)視、氧含量和流量的穩(wěn)定控制和報(bào)警等功能。實(shí)際運(yùn)行情況表明系統(tǒng)可靠性高、實(shí)用性好。 關(guān)鍵詞： 氧化鋅晶須，解耦控制， 制，可編程序控制器 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 I is a As a of on of in to of is to a to of of of is as in to is to of At a of to of of is ID to is is is by 7of 南大學(xué)碩士學(xué)位論文 目 錄 錄 摘 要. . I . 一章 緒 論. 1 課題的來源及意義. 1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀. 2 化鋅晶須研究現(xiàn)狀. 2 制系統(tǒng)研究現(xiàn)狀. 6 研究內(nèi)容. 6 論文結(jié)構(gòu). 7 第二章 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì). 9 氧化鋅晶須生產(chǎn)工藝過程分析. 9 化爐內(nèi)晶須生長機(jī)理過程分析. 10 氣過程耦合分析. 12 產(chǎn)工藝中尾氣利用分析. 12 系統(tǒng)控制要求及難點(diǎn). 12 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想及方法. 13 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì). 15 件選型及特點(diǎn). 15 制系統(tǒng)組成. 18 摸屏、 者的通訊. 20 小結(jié). 22 第三章 控制器設(shè)計(jì). 23 配氣系統(tǒng)對象建模. 23 氣系統(tǒng)對象模型的描述. 23 統(tǒng)耦合的數(shù)學(xué)模型. 24 統(tǒng)控制回路選擇. 26 解耦控制器的設(shè)計(jì). 28 統(tǒng)建模方法 . 28 耦控制器的設(shè)計(jì)思路. 29 饋補(bǔ)償解耦控制器設(shè)計(jì)原理. 29 耦控制器的設(shè)計(jì). 31 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 目 錄 增量式 制器設(shè)計(jì) . 31 制原理. 31 制器設(shè)計(jì). 33 基于 控制系統(tǒng)仿真 . 35 塊庫介紹. 35 控制系統(tǒng)的建模. 36 真結(jié)果及分析. 37 小結(jié). 37 第四章 軟件設(shè)計(jì)及算法實(shí)現(xiàn). 38 應(yīng)用軟件的總體框架. 38 軟件開發(fā)平臺及開發(fā)工具. 38 態(tài)軟件介紹. 38 標(biāo)準(zhǔn)軟件包. 40 件調(diào)試方法. 40 軟件功能實(shí)現(xiàn). 41 件結(jié)構(gòu)及功能. 41 能模塊介紹. 41 程及算法實(shí)現(xiàn) . 43 態(tài) . 43 制邏輯分析. 44 法實(shí)現(xiàn). 45 小結(jié). 50 第五章 控制系統(tǒng)工業(yè)應(yīng)用. 51 操作臺設(shè)計(jì). 51 系統(tǒng)運(yùn)行效果. 52 系統(tǒng)性能評價(jià). 54 小結(jié). 55 第六章 結(jié)論與展望. 56 結(jié)論. 56 展望. 56 參考文獻(xiàn). 58 致 謝. . 63 參與科研項(xiàng)目及發(fā)表學(xué)術(shù)論文. 64 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒 論 1 第一章 緒 論 晶須是在人為控制條件下以單晶形式生成的形狀類似短纖維、 而尺寸遠(yuǎn)小于短纖維的須狀單晶體，由于它的直徑小到難以容納那種存在于大晶體中的缺陷，所以，它的結(jié)構(gòu)幾乎達(dá)到理想狀態(tài)，其高度有序的原子排列結(jié)構(gòu)使其強(qiáng)度和模量接近于材料的原子間價(jià)鍵的理論強(qiáng)度， 是一類力學(xué)性能十分優(yōu)異的新型復(fù)合材料的補(bǔ)強(qiáng)增韌材料31 。 氧化鋅晶須( 稱 是氧化鋅的單晶體，呈立體四針狀，即晶須有一核心，從核心徑向方向伸展出四根針狀晶體，每根針狀體均為單晶體微纖維，任兩個針狀體的夾角為 109，晶須的中心體直徑 ，針狀體根部直徑 ，針狀體長度 。它是迄今為止被發(fā)現(xiàn)的唯一具有三維空間結(jié)構(gòu)的晶體。 正是由于其獨(dú)特的三維空間結(jié)構(gòu)賦于了它許多特殊功能。作為結(jié)構(gòu)及功能添加材料，由它組成的復(fù)合材料呈各向同性，性能遠(yuǎn)優(yōu)于由單一纖維狀晶形組成的復(fù)合材料，具有增強(qiáng)耐磨、防爆、減震、降噪、抗菌以及吸波等優(yōu)異的綜合性能。因此，在國防、交通、化工、輕工、電子等領(lǐng)域也有著廣闊的應(yīng)用前景201 。 課題的來源及意義 氧化鋅晶須作為結(jié)構(gòu)及功能添加材料，有著十分廣泛的用途。把它添加到不 同的產(chǎn)品中可以制成各種不同的性能優(yōu)良的復(fù)合型材料。比如：輕質(zhì)多頻譜吸波隱身材料、氧化鋅晶須復(fù)合抗菌劑、氧化鋅晶須復(fù)合抗菌母粒(塑料、纖維） 、氧化鋅晶須抗菌防霉后處理劑、氧化鋅晶須抗靜電劑、氧化鋅晶須耐磨劑、氧化鋅晶須增強(qiáng)改性劑等等。因此，實(shí)現(xiàn)氧化鋅晶須的產(chǎn)業(yè)化能很好的促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，有著重大的意義10,9,6,3。 原有的氧化鋅晶須生產(chǎn)工藝沒有引入計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)， 從而導(dǎo)致了流量檢測不穩(wěn)定、氧含量等參數(shù)達(dá)不到指定的控制精度等問題。由此可以看出，好的制備工藝都要有先進(jìn)的控制技術(shù)作為基礎(chǔ)，否則，理論上的研究難以實(shí)現(xiàn)。利用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)氧化鋅晶須生產(chǎn)過程的自動檢測和全過程自動控制能夠保持生產(chǎn)過程中參數(shù)的穩(wěn)定、保證參數(shù)的控制精度、提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率、降低工人的操作失誤和勞動強(qiáng)度。因此，要真正實(shí)現(xiàn)氧化鋅晶須的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)在里面的作用是必不可少的。 正是如此，該項(xiàng)目由南縣科技工業(yè)園、中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院和中南中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒 論 2 大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院共同合作完成。南縣科技工業(yè)園出資金和廠房，中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院確定工藝流程及提出控制要求， 中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院提出控制策略，解決以前存在的問題，共同對原系統(tǒng)實(shí)行技術(shù)改造。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 化鋅晶須研究現(xiàn)狀 (1) 氧化鋅晶須制備的研究 在此領(lǐng)域,日本松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社走 在了世界的最前沿，他最早掌握了氧化鋅晶須的制備方法、裝置，并 實(shí)現(xiàn)了氧化鋅晶須的廣泛應(yīng)用10,9,6。國內(nèi)，則由西南交通大學(xué)11首先發(fā)明氧化鋅晶須的制備方法，使我國成為繼日本后全球第二個可生產(chǎn)該晶須的國家。此后，陸續(xù)有學(xué)者對氧化鋅晶須的制備方法進(jìn)行了研究，并進(jìn)行了相關(guān)報(bào)導(dǎo)2515,12,9,6,1 。具體方法如下： 1) 在惰性氣氛中將鋅粉先加熱氣化，然 后再以惰性氣體為載氣，將鋅蒸氣引入含氧氣體中，或?qū)⒑鯕怏w吹入鋅蒸氣中，通過接觸生成氧化鋅晶須。此法所用惰性氣體一般為2N 或 ， 對純度要求較高， 反應(yīng)溫度一般在 900生產(chǎn)成本較高。 2) 將鋅粉預(yù)氧化，使其表面覆蓋一層氧 化膜，然后在含氧的氣氛中直接加熱，氣化獲得氧化鋅晶須。這種方法對氧化膜的厚度有一定的要求。氧化膜太薄則得不到針狀氧化鋅晶須。制得的晶須外觀松散，密度較小，針狀氧化鋅晶須的產(chǎn)率較高。該法生產(chǎn)周期長，對設(shè)備要求也較高。 3) 將鋅粉與23或3 及 在規(guī)定條件下生成3再加熱到特定溫度，使3解形成氧化鋅晶須。該法容易控制，但產(chǎn)率低，對設(shè)備要求較嚴(yán)，不利于連續(xù)化生產(chǎn)。 4) 將表面含有一層氧化膜的鋅粉與沸石 混合后，在含氧的氣氛中加熱氣化制備氧化鋅晶須。制得的四針狀晶須為針體尾部尺寸約 右的長尾晶須，純度高，產(chǎn)率可達(dá) 95%以上。 5) 將鋅粉與碳粉混合后，采用碳還原劑 控制法來控制氧化鋅晶須生長，在大氣中加熱制備氧化鋅晶須。這種方法制得的氧化鋅晶須的形態(tài)及尺寸可控，產(chǎn)率相較高，成本較低。 6) 以鋅粉為原料，白碳黑為催化劑，壓 縮空氣為反應(yīng)氣體，采用高溫氣相氧化反應(yīng)法制備氧化鋅晶須。此法工藝及設(shè)備簡單，成本較低，可制得高產(chǎn)率的規(guī)整晶須，存在晶須開裂的現(xiàn)象。 7) 采用鋅粉直接氧化，通過控制反應(yīng)器 內(nèi)氣相的飽和度、蒸氣壓，制備氧中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒 論 3 化鋅晶須。此法可獲得高純、尺寸可控、結(jié)晶完整的四針狀氧化鋅晶須，產(chǎn)率可達(dá) 95%。 由此可見，現(xiàn)在人們已掌握了多種生產(chǎn)氧化鋅晶須的方法。但這些方法基本上仍屬于實(shí)驗(yàn)室階段，并未實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。如何實(shí)現(xiàn)氧化鋅晶須的低成本、高產(chǎn)率、高質(zhì)量的連續(xù)、工業(yè)化生產(chǎn)是今后研究的主要任務(wù)。 (2) 氧化鋅晶須生長機(jī)理的研究 關(guān)于氧化鋅晶須生長機(jī)理的研究，上世紀(jì)90年代就有報(bào)導(dǎo)。但是，對氧化鋅晶須生成機(jī)理的解釋，由于研究者的實(shí)驗(yàn)條件不同而所得結(jié)論不同1。 、 26、 H S 7等通過在表面氧化的鋅粉中加沸石作催化劑等制得氧化鋅晶須，認(rèn)為其生長過程是：鋅與氧在高溫下首先生成八面體晶核，而后在晶核表面逐漸長出四個針狀體。 9等則認(rèn)為氧化鋅晶須的生長機(jī)理是：首先形成八面體多變雙晶；接著在它們的生長過程中，一些雙晶的邊界發(fā)生開裂以釋放累積的變形勢能；由于生長速率具有較大的各向異性，進(jìn)一步的生長只發(fā)生在多變雙晶的四個 C 表面的 C 方向，由此形成四腳狀。 最近的報(bào)導(dǎo)是戴英8、裴新美12、陳爾凡14等人的研究報(bào)導(dǎo)。戴英等人是以鋅粉為原料，通過適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚砗螅b入反應(yīng)器中，并置于高溫爐中?？刂品磻?yīng)爐內(nèi)氣氛及氣體壓力，并于 1050750 保溫 30得氧化鋅晶須。裴新美12等人采用鋅粉直接氧化法，高溫合成氧化 鋅晶須。陳爾凡等人是以鋅粉為原料，先進(jìn)行陳化處理，即在去離子水(含質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 22 中以 60 r/0后在室溫下放置 24h，最后 150干燥 30們通過掃描電子顯微鏡觀察，都得出氧化鋅晶須是按照螺旋位錯的氣固(長機(jī)理生長的結(jié)論。 (3) 氧化鋅晶須表面處理的研究 晶須改性復(fù)合材料的性能好壞，除了與基體、晶須本身的性能、復(fù)合材料的加工工藝、設(shè)備等有關(guān)外，晶須的表面處理也是關(guān)鍵。目前，有關(guān)氧化鋅晶須表面處理及界面問題的報(bào)導(dǎo)很少。 周祚萬28、島村喜代司29等人在對 究了用不同的表面處理劑處理的 果發(fā)現(xiàn)，用硅烷偶聯(lián)劑 們對造成幾種處理效果的可能原因進(jìn)行了推斷。 田雅娟30、陳爾凡31等人則對不同處理劑處理的氧化鋅晶須增強(qiáng)“尼龍 6”復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在所研究的處理劑中 用掃描電鏡拍攝到的拉伸斷口相，證明此時(shí)該復(fù)合材料中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒 論 4 體系中的氧化鋅晶須與基體界面結(jié)合良好。研究還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)偶聯(lián)劑用量為晶須質(zhì)量的 ，復(fù)合材料的強(qiáng)度提高最多。又利用 現(xiàn) 從目前報(bào)導(dǎo)的文獻(xiàn)來看， 對于氧化鋅晶須增強(qiáng)各種基體所適用的偶聯(lián)劑的選用，基本上還處于逐個嘗試、對比階段，獲得的數(shù)據(jù)不多。 (4) 氧化鋅晶須的應(yīng)用研究 氧化鋅晶須獨(dú)特的空間三維立體結(jié)構(gòu)、良好的單晶性，賦于了它許多獨(dú)特的功能，如導(dǎo)熱、壓電、壓敏、吸波、吸聲、減振、抗菌、防藻、催化等，這使它可在國防、電子、化工、交通等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用4130,16,12,9,6,1 。 1) 增強(qiáng)復(fù)合材料 氧化鋅晶須獨(dú)有的結(jié)構(gòu)，使得它與復(fù)合材料中的基體的抓著力更大，而且能各向同性地加強(qiáng)基體材料的機(jī)械性能，顯著地改善基體強(qiáng)度和加工性能，在復(fù)合材料中起骨架作用， 避免了單一針狀晶須增強(qiáng)時(shí)需大量加入從而導(dǎo)致復(fù)合材料難于加工，增強(qiáng)效果更顯著，硬度提高也較大。 氧化鋅晶須鋁基復(fù)合材料不僅綜合性能優(yōu)良，而且成本也較碳化硅晶須、鈦酸鉀晶須、氧化鋁晶須、金屬鎢晶須等增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料的成本低很多。氧化鋅晶須增強(qiáng)“尼龍 6”復(fù)合材料體系則不僅可以提高其強(qiáng)度，而且，復(fù)合材料的耐熱性、尺寸穩(wěn)定性都隨之提高。 國內(nèi)外對于氧化鋅晶須在這方面的應(yīng)用都較成熟。 2) 靜電及導(dǎo)電高分子復(fù)合材料 氧化鋅晶須的三維結(jié)構(gòu)，能形成非常有效的導(dǎo)電通道(三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu))，從而高效地賦予材料的導(dǎo)電性。它的導(dǎo)電性是基于其單晶體本身具有導(dǎo)電性，而不需要借助于表面涂層和電鍍等方式。因此，氧化鋅晶須可以高效地降低樹脂基復(fù)合材料的電阻，起到抗靜電作用。 由于氧化鋅晶須本身是無色透明的，不具有發(fā)色性，因此它可與其他顏料等組合，制成純白色或其它各種顏色的復(fù)合材料制品。 目前這類應(yīng)用處于推廣階段。 3) 耐磨及防滑材料 氧化鋅晶須具有良好的耐磨和提高 材料防滑的性能。試驗(yàn)表明32，將氧化鋅晶須應(yīng)用于橡膠、涂料、塑料都能取得滿意的耐磨防滑效果?？蓮V泛用于汽車輪胎、剎車片材料、耐磨齒輪、傳送皮帶、耐磨抗靜電涂料等要求耐磨和防滑的領(lǐng)域。 例如， 加入氧化鋅晶須的橡膠剎車片可使車輛在雨天的剎車距離大幅減少。在 作耐磨齒輪或軸承已獲得應(yīng)用。 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒 論 5 4) 電波吸收材料 作為一種 化鋅晶須是一種介電損耗材料。氧化鋅晶須及其復(fù)合材料具有優(yōu)異的電波吸收性能，可用于電波吸收體和微波發(fā)熱體。而在硅酸鹽水泥塊中適當(dāng)?shù)負(fù)饺胙趸\晶須則可極大地改變復(fù)合水泥塊的電磁波透射能力。目前已經(jīng)應(yīng)用到了微波加熱元件中。 5) 減振、抗沖及隔音材料 氧化鋅晶須能有效的將吸收的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能而損失掉， 起到明顯的減振阻尼作用。對塑料、橡膠、涂料、陶瓷和金屬材料的減振、降噪等性能具有明顯效果。氧化鋅晶須/橡膠復(fù)合材料可廣泛用于土木建筑、機(jī)械結(jié)構(gòu)、鐵路隧道、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域作減振降噪材料。氧化鋅晶須還可吸收聲振動轉(zhuǎn)化為熱能，使材料具有吸聲功能，達(dá)到隔音效果，被用于制造音響設(shè)備的內(nèi)部骨和外殼。 6) 陶瓷復(fù)合材料 在工藝陶瓷、結(jié)構(gòu)陶瓷、特種陶瓷等中加入適量的氧化鋅晶須，可使該增強(qiáng)陶瓷具有良好的各向同性，且明顯提高其抗碎裂和抗急冷性能。這類應(yīng)用目前處于試驗(yàn)階段。 7) 涂料 由于氧化鋅晶須在涂層中均勻嵌布起骨架作用， 將其加到涂料中不僅可提高其觸變性，有利于施工使涂層表面光滑平整，而且使涂料抗沖擊、抗碎裂強(qiáng)度提高，發(fā)泡性、耐磨性能改善。可廣泛用于汽車車體的中間涂層、船體外表面涂層以及水泥、礦粉、谷物的管道和設(shè)備的內(nèi)表面保護(hù)涂層。用含氧化鋅晶須的涂料作公路路標(biāo)標(biāo)記，具有耐磨、抗溫差能力強(qiáng)，敷設(shè)很厚也不發(fā)生龜裂，且路標(biāo)的反光性和可見性也較好。此外，由于其特殊的構(gòu)型氧化鋅晶須，對水狀介質(zhì)、油狀介質(zhì)和樹脂介質(zhì)均有較強(qiáng)適應(yīng)性，適用于各種涂料，應(yīng)用很廣。 8) 氧化鋅晶須復(fù)合抗菌劑 利用四腳氧化鋅晶須尖端具有納米活性，能高效殺滅和消除細(xì)菌及其殘骸，添加適量的氧化鋅晶須可制成的復(fù)合抗菌劑及抗菌材料，對金黃色葡萄球菌、大腸桿菌、白色念珠球菌和沙門氏菌等常見細(xì)菌的殺滅率達(dá) 99%以上，且用于動物試驗(yàn)無不良反應(yīng)。可用于制備抗菌、脫臭材料，目前正在積極的試驗(yàn)中。 9) 其它用途 除上述各種應(yīng)用外，晶須還有很多其它用途。如用于空氣清新除臭劑，除去空氣中的 有害氣體；作為氧化還原反應(yīng)的催化劑或載體；與樹脂或玻璃料混合用作濾料； 作為水處理中活性污泥的沉降劑； 也可用作濕度傳感器，具有高的靈敏性、穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度；還可用于制造軟磁性材料、高強(qiáng)度陰極電池等。這些領(lǐng)域的應(yīng)用，目前尚處于試驗(yàn)階段。 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒 論 6 制系統(tǒng)研究現(xiàn)狀 在國內(nèi)兩種不同的氣體相互混合來控制混合后氣體的總流量和某一組分的含量的控制系統(tǒng)中，歸納而言，采用的控制手段主要有如下幾種。 (1) 傳統(tǒng)過程控制的方法。即確定一種氣 體為主導(dǎo)氣體(一般是氧化爐出來的尾氣，因?yàn)槲矚饬髁勘容^大)，根據(jù)它來控制混合后氣體的總流量，這就是混合后流量控制回路 ； 控制另一種氣體流量來進(jìn)行配比，這就是氧含量調(diào)節(jié)回路。 這種控制策略的主要優(yōu)點(diǎn)是：控制器設(shè)計(jì)簡單，參數(shù)整定方便。其主要缺點(diǎn)為：采用的是變量回路匹配的方法，即被調(diào)量和調(diào)節(jié)量之間的適當(dāng)匹配來消除系統(tǒng)的耦合， 由于系統(tǒng)中流量調(diào)節(jié)與氧含量調(diào)節(jié)(流量配比調(diào)節(jié))之間的耦合作用非常強(qiáng)烈，導(dǎo)致調(diào)節(jié)的精度不高。在工況穩(wěn)定的情況下，系統(tǒng)也需要經(jīng)過一段時(shí)間的震蕩才能過渡到穩(wěn)態(tài)；抑制擾動的能力不強(qiáng)，而系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的工況較不穩(wěn)定，擾動很大，導(dǎo)致實(shí)際的控制效果大打折扣。 出于對這種方法的改進(jìn)，國內(nèi)有工程人員提出了一種改進(jìn)型的控制策略，用前饋補(bǔ)償?shù)姆椒▉磉M(jìn)行解耦，就是將其中一種變量作為擾動引入進(jìn)來，設(shè)計(jì)前饋補(bǔ)償器。該方法考慮了耦合的影響，調(diào)節(jié)的精度有了很大的提高，但該方法實(shí)際上也是一種靜態(tài)解耦的方式，只能對系統(tǒng)的耦合進(jìn)行一定程度的補(bǔ)償，對于工況的劇烈變化，也就是擾動的大幅波動，效果有限4742 。 (2) 智能控制的方法。由于某些實(shí)際的控制系統(tǒng)很難建立數(shù)學(xué)模型，從而采用的是智能控制的方法。其具體的控制思路有如下兩種： 1) 以傳統(tǒng)的過程控制思想為指導(dǎo)，即根據(jù)主導(dǎo)氣體流量的大小而成比例地調(diào)節(jié)另一種氣體流量，但是在控制器的設(shè)計(jì)上不采用 采用模糊控制或其它智能控制方法，這種方法與傳統(tǒng)的方法并沒有本質(zhì)區(qū)別，同樣沒有考慮系統(tǒng)耦合的問題。2) 采用先進(jìn)控制的思想，設(shè)計(jì)了智能解耦的控制策略，對系統(tǒng)的耦合有較為深入的理解，但其控制效果與解耦策略以及相應(yīng)的閥門的控制策略都有很大的關(guān)系， 而且需要在現(xiàn)場整定比較多的參數(shù)，在類似控制系統(tǒng)的推廣方面有一定的局限性5448 。 在國外對氣體混合過程控制的研究中， 有學(xué)者提出了一種無模型的自適應(yīng)控制策略 (解決這一問題54。而在解決這一類的氣體混合控制中，也有學(xué)者提出了一種集成的智能控制策略55，通過將經(jīng)典 饋控制、專家控制結(jié)合起來發(fā)揮各自的長處來解決這一類的問題。 研究內(nèi)容 為了設(shè)計(jì)一個滿意的控制系統(tǒng)， 必須事先掌握描述系統(tǒng)運(yùn)動規(guī)律的數(shù)學(xué)模型及其隨機(jī)環(huán)境等變動的情況，然后用數(shù)學(xué)方法求解。然而，在許多工業(yè)生產(chǎn)中，中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒 論 7 由于過程規(guī)模大、設(shè)備關(guān)聯(lián)嚴(yán)重，因此存在著名目繁多的不確定性和隨機(jī)性，使得生產(chǎn)過程操作不穩(wěn)定。這些不確定性和隨機(jī)因素，是工業(yè)生產(chǎn)過程中一種最普遍而又最難控制的一類對象，它們有的是可測的，大多數(shù)卻是突加的和隨機(jī)的，并以非模型化的動態(tài)時(shí)變特性出現(xiàn)在運(yùn)行過程之中，如不采取措施，將會嚴(yán)重地制約著控制質(zhì)量的提高，甚至顯著地降低自動控制的效益和運(yùn)行可靠性。 基于上述思想，本文以氧化鋅晶須生產(chǎn)過程為研究對象，將混合氣體配置系統(tǒng)作為被控對象，分別采用前饋補(bǔ)償解耦算法和增量式 制算法實(shí)現(xiàn)氣體混合后流量和氧含量的恒定。由于配氣系統(tǒng)是一個多輸入多輸出系統(tǒng)，常規(guī)方法不適合氣體混合過程的控制， 尤其是在其中一種氣體(尾氣)的氧含量成分時(shí)刻變化并有耦合的情況下。因此，如何將先進(jìn)控制技術(shù)與傳統(tǒng)方法綜合集成起來，依據(jù)氣體混合過程的數(shù)學(xué)模型建立控制器，消除耦合和干擾，提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對氧化鋅晶須生產(chǎn)工藝有非常重要的意義。為此，本文靈活運(yùn)用了前饋補(bǔ)償解耦控制和增量式 節(jié)相結(jié)合的先進(jìn)控制技術(shù)。 此外，由于氧化鋅晶須生產(chǎn)流程工藝連續(xù)，反應(yīng)機(jī)理復(fù)雜，非線性、時(shí)變、強(qiáng)耦合嚴(yán)重，生產(chǎn)數(shù)據(jù)復(fù)雜，處理量大，如果某一關(guān)鍵設(shè)備因?yàn)楣收隙鵁o法繼續(xù)運(yùn)行，往往會波及整個生產(chǎn)流程的進(jìn)行，甚至出現(xiàn)人身安全事故，而恢復(fù)整個生產(chǎn)流程的正常運(yùn)行需要花費(fèi)很長的時(shí)間，從而造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，為了讓氧化鋅晶須生產(chǎn)工藝流程安全可靠的運(yùn)行，設(shè)置了各個變量參數(shù)的故障報(bào)警，為工業(yè)過程的安全生產(chǎn)提供了保障。 論文結(jié)構(gòu) 本文針對氧化鋅晶須加工過程中參數(shù)控制不穩(wěn)定及存在耦合的實(shí)際情況， 采用前饋補(bǔ)償解耦控制系統(tǒng)，主控制器為帶死區(qū)的增量式 制器，構(gòu)建了氧化鋅晶須的生產(chǎn)過程自動控制系統(tǒng)。 解決了系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中因流量控制長時(shí)間振蕩不能穩(wěn)定而使得通入氧化爐的混合氣體氧含量不滿足要求、 壓力及流量的控制不穩(wěn)定等問題，使得控制精度得到提高，改善了氧化鋅晶須產(chǎn)品的質(zhì)量，發(fā)揮了極大的經(jīng)濟(jì)效益；同時(shí)，設(shè)計(jì)了操作臺，操作員可以方便的對整個生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)控和管理，降低了他們的勞動強(qiáng)度。 文章首先介紹了氧化鋅晶須的概念和成功制備高品質(zhì)氧化鋅晶須的意義， 并詳細(xì)介紹了氧化鋅晶須及氣體混合控制系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。 針對實(shí)際系統(tǒng)給出了本文的研究內(nèi)容， 闡明了自動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用對氧化鋅晶須生產(chǎn)工藝的意義。 第二章介紹了氧化鋅晶須的生產(chǎn)工藝，分析了生產(chǎn)工藝中耦合因素、尾氣利用因素等對生產(chǎn)過程的影響。并在此基礎(chǔ)上，從自動控制的基本思想出發(fā)，提出中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒 論 8 以穩(wěn)定氧化爐用氣的氧含量和流量為目標(biāo)的控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架和功能特點(diǎn)。 闡述了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想及方法，給出了控制系統(tǒng)的硬件配置。 第三章在具體分析了現(xiàn)場配氣系統(tǒng)的特性后，建立了系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，采用了前饋補(bǔ)償解耦技術(shù)和 制技術(shù)相結(jié)合的設(shè)計(jì)思想。運(yùn)用這一思想，在已建構(gòu)的系統(tǒng)模型基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了前饋補(bǔ)償解耦控制器和和增量式 制器，并對控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真試驗(yàn)和效果說明。 第四章詳細(xì)提出了系統(tǒng)軟件的總體框架，介紹了軟件的功能模塊：包括實(shí)時(shí)監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)和通訊功能的實(shí)現(xiàn)等；完成了前饋補(bǔ)償解耦算法、帶死區(qū)的增量式 法和連鎖控制技術(shù)在 的實(shí)現(xiàn)。 第五章為控制系統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用， 設(shè)計(jì)了操作臺， 給出了系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)際結(jié)果，并對系統(tǒng)性能作了評價(jià)。 第六章為結(jié)束語，對氧化鋅晶須生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)予以總結(jié)，并指出下一步的研究工作。 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 9 第二章 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 氧化鋅晶須生產(chǎn)工藝過程分析 氧化鋅晶須生產(chǎn)過程是將純度為 上的鋅片放到氧化爐中，在特定的工藝條件下進(jìn)行加熱，形成所需要的四針狀的氧化鋅晶須的過程，生產(chǎn)工藝流程圖如圖 2示。 生產(chǎn)工藝可以分為兩部分： 第一部分為氧化爐用氣的配置過程；第二部分為氧化爐加熱過程。 氧化爐的用氣由在氧化爐加熱后剩余的氣體尾氣和空氣混合配置而成。尾氣存放在與氧化爐相連的尾氣儲氣罐中，通過尾氣壓縮機(jī)將其抽出，與空氣壓縮機(jī)出來的空氣進(jìn)行混合，通過電動調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)尾氣流量和空氣流量的大小，使得混合后的氣體的氧含量符合工藝生產(chǎn)的要求，然后經(jīng)過過濾器和干燥機(jī)，再通過后面的電動調(diào)節(jié)閥將流量控制到需要的值，將其通入到氧化爐中。 氧化爐中的鋅片分三部分進(jìn)行加熱，每個部分溫度各不相同，每個部分都有上下兩個熱電偶檢測其溫度。鋅片被切成規(guī)整的小片狀放入鍋中，再將鍋(氧化爐中一共有 18 個鍋)放入氧化爐中進(jìn)行加熱。每個鍋并排的放入氧化爐中，通過液壓推舟的方式將鍋一個一個向前推，每 10 分鐘推一次。出來一鍋，再向氧化爐內(nèi)添加新的一鍋，加料方式是靠人工手動操作完成的。如此反復(fù)，保證氧化爐氧化加熱過程的連續(xù)。 尾氣罐 氧化爐 空壓機(jī) 流量計(jì) 電動調(diào)節(jié)閥 電磁閥 儲氣罐 壓力變送器 精密過濾器 冷凍干燥機(jī) T 級過濾器 氧分析儀 圖 2氧化鋅晶須生產(chǎn)工藝流程空氣 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 10 化爐內(nèi)晶須生長機(jī)理過程分析 鋅蒸氣在不同氧化氣氛和溫度下生成的氧化鋅有無定形、顆粒狀、單針狀、四針狀、多針狀等五種典型的結(jié)晶形貌。那么，鋅蒸氣在什么條件下才能我們所需要的是四針狀的氧化鋅晶須呢？這就必須研究鋅蒸氣的氧化動力學(xué)。只有如此，才能把結(jié)晶形貌與晶體生長過程的物理化學(xué)環(huán)境由表及里地聯(lián)系起來，使晶體生長的微觀反應(yīng)和結(jié)晶形態(tài)的宏觀表象得到統(tǒng)一的認(rèn)識。 鋅蒸氣氧化是質(zhì)量增加的過程，在保證鋅蒸氣不溢出反應(yīng)器的前提下，可以采用在不同氣氛條件下的熱重法來研究鋅蒸氣的氧化行為， 這種方法避免了反應(yīng)區(qū)間內(nèi)鋅、氧分壓都不能確定的困難，因而，用熱重法得出的氧化動力學(xué)規(guī)律更能反映鋅蒸氣氧化過程的實(shí)質(zhì)56。 圖 2示的是研究氧化鋅晶須生長過程的實(shí)驗(yàn)室裝置，是由自制的石英管和石英反應(yīng)器構(gòu)成的。它跟實(shí)際生產(chǎn)中的氧化爐結(jié)構(gòu)基本一致。 圖 2化裝置示意圖 為了消除試樣量的影響，采用轉(zhuǎn)化率。 表示反應(yīng)物 轉(zhuǎn)化率，0m 、 m 分別表示 反應(yīng)開始時(shí)和反應(yīng)進(jìn)行到 時(shí)刻的質(zhì)量，那么： 00= (2以 R 分別表示氧化過程的質(zhì)量增加和質(zhì)量增加率，則： 0 (2從( 2可得到任意時(shí)刻 的質(zhì)量增加率 R ，再由式( 2氧化反應(yīng)的化學(xué)計(jì)量關(guān)系，得到轉(zhuǎn)化率與質(zhì)量增加率的關(guān)系為： (2中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 11 按( 2可以求得任意時(shí)刻的轉(zhuǎn)化率 ，作出相應(yīng)的 線。圖 2示為鋅蒸氣在溫度為 850， 900， 950， 980時(shí)不同氧化氣氛下的 t 曲線。圖中 N 線、 O 線、 F 線分別代表氧化氣氛為 5%2O (體積分?jǐn)?shù))2N 、 12%2O (體積分?jǐn)?shù))2N 、空氣，下標(biāo) 1、 2、 3、 4 代表 4 個氧化溫度。圖 2示為不同條件下觀察到的 晶形貌56。 圖 2蒸氣在相同溫度不同氧化氣氛下的 t 曲線 )a( ： 850； )b( ： 900； )c( ： 950； )d( ： 980 圖 2同氧化條件下氧化鋅的結(jié)晶形貌 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 12 氣過程耦合分析 通過工藝介紹可以看出， 氧化爐用氣的配氣過程實(shí)質(zhì)就是兩種組分不同的氣體相互混合的調(diào)合過程，即：流量為1Q 、氧含量為1C 的空氣與流量為2Q 、氧含量為2C (其中尾氣的氧含量2C 是不斷變化和不確定的)的尾氣相互混合，得到實(shí)際生產(chǎn)所需要的流量為 Q、氧含量為 C 的混合氣體。混合氣體的流量 是需要控制的參數(shù)，空氣流量和尾氣流量作為調(diào)節(jié)手段。它是一個典型的雙輸入雙輸出的控制系統(tǒng)，包含氧含量和流量兩個控制回路。當(dāng)調(diào)節(jié)其中空氣的流量時(shí)，不僅會影響混合氣體的流量，而且會影響其氧含量；同理，當(dāng)調(diào)節(jié)尾氣的流量時(shí)，也會同時(shí)影響到混合氣體的流量和氧含量。由此可見，兩個回路之間是相互關(guān)聯(lián)的，它們之間存在著明顯的耦合作用。 產(chǎn)工藝中尾氣利用分析 利用氧化爐的尾氣與空氣混合配置氧化爐的用氣有兩個目的。第一，為了充分利用資源，降低生產(chǎn)成本。第二，為了不使氧化爐內(nèi)氣體壓力過大，影響晶須的生長。 氧化爐氣體壓力過大還會導(dǎo)致操作工人在加入新的一鍋鋅片或者取出已經(jīng)氧化好的晶須時(shí)爐內(nèi)大量高溫氣體涌出，危害操作工人的安全，影響整個生產(chǎn)過程的連續(xù)。 實(shí)際生產(chǎn)中不可能保證氧化爐完全密封，因此氧化爐內(nèi)的氣壓不能為負(fù)壓，否則會導(dǎo)致外部的氣體進(jìn)入氧化爐內(nèi)，改變爐內(nèi)混合氣體的氧含量，破壞生產(chǎn)工藝的要求。 這就意味著通過尾氣壓縮機(jī)將氧化爐內(nèi)多余的氣體抽出時(shí)流量不能過大，因此要根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的壓縮機(jī)。同時(shí)，尾氣壓縮機(jī)在工藝進(jìn)行過程中不能停止，否則會使得氧化爐的氣體不能及時(shí)的排出，因此，當(dāng)尾氣壓縮機(jī)的壓力過大時(shí)，設(shè)置一個電磁閥將尾氣壓縮機(jī)排空，保證其連續(xù)不斷的運(yùn)轉(zhuǎn)。 系統(tǒng)控制要求及難點(diǎn) 原有的氧化鋅晶須生產(chǎn)過程沒有引入計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)， 所有參數(shù)變量的監(jiān)測和調(diào)節(jié)都是人工手動完成，這大大降低了控制精度，并且很多情況下無法讓工藝參數(shù)穩(wěn)定在生產(chǎn)工藝所要求的條件下，使得氧化鋅晶須的生產(chǎn)過程難以連續(xù)進(jìn)行，產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)不到要求。因此，氧化鋅晶須自動控制系統(tǒng)主要解決的問題就是穩(wěn)定生產(chǎn)過程中各個工藝參數(shù)值(氧化爐 的進(jìn)氣流量和氧含量等)和提高控制精度，從而提高氧化鋅晶須的產(chǎn)品品質(zhì)，獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益。 (1) 控制要求 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 13 通過上節(jié)對氧化鋅晶須生長機(jī)理過程的分析可以看出， 較高的轉(zhuǎn)化率和較快的轉(zhuǎn)化速度是實(shí)際工藝生產(chǎn)過程所希望得到的。圖 2示了鋅蒸氣在氧含量為12%(體積分?jǐn)?shù))的氧化氣氛下有較快的轉(zhuǎn)化速度和轉(zhuǎn)化率；溫度控制在 950左右時(shí)，鋅蒸氣的轉(zhuǎn)化率和轉(zhuǎn)化速度都能達(dá)到比較理想的狀態(tài)。 因此在實(shí)際生產(chǎn)過程中，將工藝參數(shù)中的溫度控制在 960，誤差范圍在10以內(nèi)；混合氣體的氧含量控制在 13%(體積分?jǐn)?shù))，誤差范圍在一個百分點(diǎn)以內(nèi)；流量穩(wěn)定控制在 大偏差不能低于或超過 氣罐的壓力控制在 4大氣壓。 (2) 控制難點(diǎn) 在氧化鋅晶須生產(chǎn)過程自動控制系統(tǒng)中， 氧化爐用氣的氧含量和流量的穩(wěn)定是控制系統(tǒng)的難