基于模糊控制技術(shù)擺動式球磨機控制系統(tǒng)設(shè)計

1畢業(yè)設(shè)計(論文)基于模糊控制技術(shù)擺動式球磨機控制系統(tǒng)設(shè)計學(xué)生姓名:指導(dǎo)教師：教師職稱：_講師助理試驗師(論文)2超微細粉碎技術(shù)是在伴隨納米技術(shù)和新材料而發(fā)展起來的一項新的粉碎加工技超細粉末加工；模糊控制；單片機控制系統(tǒng)；球磨機technologywhichdevelopedwiththenanotechnologyandthenewmaterial.Asthemoderninstitutetechnologydeveloping,lotsofbasicindustrymissionshigheraboutmakingtheultrafinecomminution.principleofworkbasedonthefuzzycohasobtainthebetterprocessingeffect.Keywords:SuperfinePowderProcessing;FuzzyControl;Monol(論文)3 11.1擺動式球磨機模糊控制背景分析 11.2擺動式球磨機模糊控制的提出及研究意義 21.3基于模糊控技術(shù)擺動式球磨機電氣控制系統(tǒng)的研究 32擺動式球磨機控制系統(tǒng)方案的確定 42.1擺動式球磨機粉碎過程模型解析 42.2主電路方案的確定 62.3控制系統(tǒng)的確定 72.4輸入通道的確定 72.5系統(tǒng)原理框圖 93電氣控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 3.1電氣控制系統(tǒng)的硬件組成 3.289C52單片機應(yīng)用介紹 3.3輸入檢測放大電路及A/D轉(zhuǎn)換設(shè)計 3.4變頻驅(qū)動電路設(shè)計 3.5人機對話通道設(shè)計 3.6變頻調(diào)速主電路的設(shè)計 4模糊控制算法的設(shè)計 4.1球磨過程的數(shù)學(xué)模型解析 4.2模糊算法 4.3模糊控制器 4.4模糊控制器的工作 5系統(tǒng)軟件設(shè)計 5.1系統(tǒng)軟件設(shè)計思路 45.2系統(tǒng)主程序流程圖 5.3中斷保護程序 5.4軟件抗干擾技術(shù) 6系統(tǒng)測試分析 6.1系統(tǒng)測試 6.2系統(tǒng)分析 7總結(jié) 參考文獻 (論文)1自1893年球磨機出現(xiàn)以來，它就一直在礦業(yè)、冶金、建材、化工及電力部門等若干基礎(chǔ)行業(yè)的原料粉碎中得到廣泛的應(yīng)用。隨著陶瓷工業(yè)的發(fā)展，球磨機也成為了陶瓷工業(yè)中制粉工序中不可缺少的機械設(shè)備。從長遠來看，今后相當長的時期內(nèi)球磨機仍將是陶瓷工業(yè)中原料磨碎作業(yè)的主要設(shè)備，因此對球磨機的研究也受到了相關(guān)專家的高度重視。[球磨機是制粉系統(tǒng)中的大型重要設(shè)備，其安全可靠地運行與最佳工作狀況是設(shè)計單位所追求。但使用中還存在著一些急待解決的問題，最突出的是難以實現(xiàn)自動控制，運動軌跡過于單一不能有效的粉碎物料。不能運行在最佳經(jīng)濟出力。多變量禍合、多變量時滯和模型時變特性是球數(shù)學(xué)模型難以建立，采用常規(guī)PID調(diào)節(jié)難以奏效，所以，傳統(tǒng)的控制方案大多都是建立在精確測調(diào)整能力和工作責任心。這類方法投資大，改裝工作量也客觀，各制粉系統(tǒng)水平參差不齊，控制效果并不十分明顯，不適合我國采用。模糊控制是本世紀70年代才發(fā)展起來的一種新型控制算法，其本質(zhì)是一種非線性控制。它不需要知道被控對象的數(shù)學(xué)模型，并具有比常規(guī)控制系統(tǒng)更好的穩(wěn)定性和更強的魯棒性。模糊控制是建立在人工經(jīng)驗基礎(chǔ)之上的。對于一個熟練的操作人員，他往往憑借豐富的實踐試驗，采取適當?shù)膶Σ邅砬擅畹目刂埔粋€復(fù)雜過程。若能將這些熟練操作員的實踐試驗加以總結(jié)和描述，并用語言表達出來，就會得到一種定性的、不精確的控制規(guī)則。如果用模糊數(shù)學(xué)將其定量化，就轉(zhuǎn)化為模糊控制算法，從而形成模糊控制理論。(1)模糊控制不需要被控對象的數(shù)學(xué)模型。模糊控制是以人對被控對象的控制經(jīng)驗為依據(jù)(2)模糊控制是一種反映人類智慧的智能控制方法。模糊控制采用人類思維中的模糊量，(3)模糊控制易于被人接受。模糊控制的核心是控制規(guī)則，模糊規(guī)則是用語言來表示的，如“今天氣溫高，則今天天氣暖和”等，易于被一般人所接受。(4)構(gòu)造容易。模糊控制規(guī)則易于軟件實現(xiàn)。(論文)2(5)魯棒性和適應(yīng)性好。通過專家經(jīng)驗設(shè)計的模糊規(guī)則可以對復(fù)雜的對象進行有效的控制。模糊控制策略可以保證球磨機安全、經(jīng)濟運行，可以對球磨機負荷(裝物料的量)、球磨機‘出口’成品的溫度、球磨機罐內(nèi)負壓進行調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)球磨機負荷的任務(wù)就是保證球磨機在最經(jīng)濟工況下運行，維持球磨機罐內(nèi)負壓穩(wěn)定，達到球磨機溫度量恒定，從而維持粉碎的細度，還可防止粉末外噴，影響安全和環(huán)境衛(wèi)生。球磨機內(nèi)粉末混合物的溫度反映了物料的干濕度，同時也是防暴安全性的重要指標?；谀：刂频倪@些特點，可以確定為對球磨機的基本控制策略。[2]隨著先進控制理論和檢測手段以及計算機技術(shù)的發(fā)展，火電廠熱工過程控制水平有了大幅度的提高，制粉系統(tǒng)球磨機這一較難控制的系統(tǒng)開始受到重視，并取得了一些理論和應(yīng)用方面的研究成果。一批以多變量控制理論、模糊控制理論及自適應(yīng)優(yōu)化理論為基礎(chǔ)，在充分考慮了制粉系統(tǒng)特點的基礎(chǔ)上，針對不同被控過程的具體特性，基于不同控制理論的實用控制策略已被提出。這對球磨機制粉系統(tǒng)的自動控制和優(yōu)化運行起到一些積極的指導(dǎo)作用。1.2擺動式球磨機模糊控制的提出及研究意義(1)、擺動式球磨機模糊控制的提出球磨機制粉系統(tǒng)是一個典型的多變量非線性時變系統(tǒng)，球磨機罐內(nèi)的存料量、罐內(nèi)溫度、罐內(nèi)負壓及球磨機轉(zhuǎn)速等之間存在著相當嚴重的藕合，其運行軌跡單一，基于經(jīng)典PID控制器的控制系統(tǒng)很難正常投入運行，即使投入也難于保證球磨機處于最佳工況。因此實現(xiàn)球磨機的自動控制問題尤為關(guān)鍵。而擺動式球磨機的提出解決了這些問題。關(guān)于球磨機的運動為多維復(fù)合曲線運動。隨著自動控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用和自動控制水平的不斷提高，國內(nèi)外對球磨機的自動控制也在進行著大量的研究。傳統(tǒng)的控制方案大多都是建立在精確測量球磨機存料量的基礎(chǔ)上，并且是人工手動操作，其經(jīng)濟性完全取決于人員的操作水平、調(diào)整能力和工作責任心。這類方法投資大，改裝工作量也客觀，各制粉系統(tǒng)水平參差不齊，控制所帶來的經(jīng)濟效益很差，對于用電量需求巨大而經(jīng)濟技術(shù)落后的中國來說，不宜采用。為了保證球磨機安全運行，降低成本，提高經(jīng)濟效益，提高機組的自動投入率，本文在智能控制理論的基礎(chǔ)上，研究探討專家模糊控制系統(tǒng)在球磨機自動控制中的應(yīng)用，即總結(jié)歸納傳統(tǒng)控制思想，采用簡單的靜態(tài)解禍網(wǎng)絡(luò)與動態(tài)前饋補償相結(jié)合的解禍方法，采用模糊語言規(guī)則，存儲到計算機中進行數(shù)值運算，設(shè)計出了新型的球磨機智能控制系統(tǒng)。它不需要知道被控對象的數(shù)學(xué)模型，且具有比常規(guī)控制系統(tǒng)更好的穩(wěn)定性和更強的魯棒性。實驗證明，將它確定為球磨機的(論文)3基本控制策略是可行的。(2)、球磨機模糊控制的研究意義目前，國內(nèi)大部分球磨機控制都是人員手動操作。對于運行經(jīng)驗不足的操作人員而言，長期手動控制球磨機的運行，不僅容易造成球磨機滿料、斷料、跑粉、超溫事件的發(fā)生，而且也不能使系統(tǒng)長期保持在最佳工況下運行。如何在保證球磨機安全運行的前提下，降低單位球磨機電耗，提高經(jīng)濟效益，提高機組的自動投入率，己經(jīng)成為自動控制中的一個非常重要的環(huán)節(jié)。此外，在經(jīng)濟全球化、節(jié)省能源和保持經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的背景下，球磨機這樣一個耗電大戶進行行之有效的自動控制也有十分重要的社會意義。本論文的意義主要表現(xiàn)在以下幾個方面：第一，提高了機組運行時的安全性，延長了設(shè)備的使用壽命；第二，降低了電耗，減輕了運行人員的勞動強度，提高了經(jīng)濟效益；第三，磨機控制目前仍是熱工過程控制中的一大技術(shù)難題，如果對此有較好的解決方案，必將促進其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，也會為更復(fù)雜系統(tǒng)的控制提供行之有效的方法，同時也會促進控制理論的進一步發(fā)展。1.3基于模糊控技術(shù)擺動式球磨機電氣控制系統(tǒng)的研究擺動式球磨機的電氣控制部分是球磨機的重要組成部分，本設(shè)計的電氣控制算法采用目前先進的模糊算法，模糊控制(FC)算法是20世紀70年代才發(fā)展起來的一種新型控制算法，其本質(zhì)是一種非線性控制，并具有比常規(guī)控制系統(tǒng)更好的穩(wěn)定性和更強的魯棒性。FC采用模糊變量，具有良好的抗噪性能，而且容易與人工操作經(jīng)驗相結(jié)合，它不需要知道被控對象，的數(shù)學(xué)模型，可以有效地應(yīng)付非線性對象?；谀：刂萍夹g(shù)的多維擺動式球磨機的控制系統(tǒng)，是通過使罐體進行多級復(fù)合運動，從而增加單位時間沖擊和接觸次數(shù)，延長運動軌跡，提高沖擊能，減少盲點，顯著提高球磨效率和罐體內(nèi)粉末度的均勻性。模糊控制技術(shù)的介入，將快速的突破物料的“粉碎極限”,極大提高了加工效率的同時，解決了超細粉末制備過程中迫切需要解決的難題---被加工物料的保護和保原問采用模糊控制實現(xiàn)多維擺動式球磨機的控制要求，本系統(tǒng)研究設(shè)計的主要內(nèi)容：(1)交流電機變頻調(diào)速電路的設(shè)計；(2)氣壓(真空度)監(jiān)測電路的設(shè)計；(論文)(3)工作機溫度監(jiān)測電路的設(shè)計；(4)氣壓(真空度)、溫度數(shù)據(jù)采集部分程序設(shè)計；(5)模糊控制算法的實現(xiàn)；(6)掉電后時間自動記憶功能的實現(xiàn)。本系統(tǒng)的控制對象是交流異步電機，這一被控對象具有強非線性、多變量耦合、不確定性和大滯后的特點，而且調(diào)速系統(tǒng)是一類不確定的復(fù)雜系統(tǒng)，其難以獲得精確的數(shù)學(xué)模型。因而用模糊控制解決其控制問題。為此設(shè)計了模糊控制器，通過對變頻器的控制，實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的自動調(diào)節(jié)；以AT89C52單片機為控制核心，溫度傳感器、壓力傳感器采集信號，并對采集信號做出相應(yīng)處理，實現(xiàn)了工作機溫度和罐內(nèi)氣體壓力的實時監(jiān)測；設(shè)計了時間記憶電路，保證掉電時間數(shù)據(jù)不丟失。以提高系統(tǒng)的可靠性；利用看門狗電路，提高系統(tǒng)的抗干擾能力，保證系統(tǒng)在工業(yè)的工作環(huán)境下能夠穩(wěn)定工作；設(shè)計友好的人機交互界面，使操作簡單、快捷。2擺動式球磨機控制系統(tǒng)方案的確定2.1擺動式球磨機粉碎過程模型解析2.1.1球磨機簡介擺動式球磨機它包括曲軸、曲軸支座、缸體支架、軸承、擺動專制、缸體及固定裝置，曲軸置于曲軸支座內(nèi)，曲軸與罐體支架通過軸承連接，罐體支架與罐體連接，所述固定裝置一端連接在罐體支架上另一端固定，可保證罐體支架及罐體不隨曲軸作圓周運動而只作一定幅度的多維擺動，罐體內(nèi)的磨球運動軌跡長且復(fù)雜，磨介的沖擊能量大，罐體內(nèi)幾乎無盲點，可大大地提高球磨效率和體內(nèi)粉末粒度的均勻性。球磨機工作時，研磨體由于重力、離心力、摩擦力作用貼在球磨機筒體內(nèi)壁上與筒體一道回轉(zhuǎn)，并被帶到一定高度后，由于重力大于離心力和摩擦力的合力，此時研磨體被拋落出去，下落時將筒體內(nèi)的物料擊碎，并靠磨介與罐壁的研磨作用使物料粉碎。影響球磨機產(chǎn)量的因素比較復(fù)雜，實踐證明，球磨機的回轉(zhuǎn)速度、物料粒度、物料水分和溫度、物料的易磨性、襯板結(jié)構(gòu)、筒體研磨體的填充系數(shù)、磨介等等都有直接的影響。還有一點常被忽略的是操作工人對磨機加料的控制，也同樣影響到球磨機的產(chǎn)量和質(zhì)量。uo2.1.2球磨機的粉碎過程球磨機制粉系統(tǒng)的特點是工作可靠性高，系統(tǒng)中發(fā)生故障不立即影響其它設(shè)備的運行，球磨(論文)5機的工作與外接設(shè)備工況不相牽連。因此，球磨機經(jīng)?？梢员３譂M負荷工作，以減少電能消耗，這對低負荷下工作經(jīng)濟性差的球磨機來說是非常重要的；此外運行靈活。球磨機結(jié)構(gòu)圖如圖2-1圖2-1球磨機結(jié)構(gòu)圖料及磨介放入罐內(nèi)，固定好后通過控制面板設(shè)定工作機罐體的溫度上限、罐內(nèi)壓力下限、加工時間、基本轉(zhuǎn)速、最高轉(zhuǎn)速、升降速時間以及加工類型，然后通過單向閥向罐內(nèi)注入保護氣體，注開啟冷卻風(fēng)扇，對罐體進行冷卻。按“啟動”鍵，使球磨機進入工作狀態(tài)。工作時，球磨機將按照預(yù)先設(shè)定的值進行工作，系統(tǒng)對執(zhí)行機構(gòu)進行智能控制，并實時顯示控制時間和工作情況4球磨機制粉系統(tǒng)是一個具有純遲延、強禍合的多變量非線性時變系統(tǒng)。球磨機本身是一個包含了機械能量轉(zhuǎn)換、熱交換和兩相流動的復(fù)雜過程，任何一個控制變量的改變都會造成所有被控變量發(fā)生變化，因此變量之間的相互干擾十分嚴重。同時，由于物料的品種不一，物料的粒度、水份、溫度、可磨性系數(shù)、揮發(fā)份等指標經(jīng)常發(fā)生變化，另外，磨介在運行過程中不斷被磨損，這些原因使得球磨機表現(xiàn)出時變系統(tǒng)的特征。此外，球磨機制粉系統(tǒng)還常受到一些不確定性干擾的影響，例如給料機斷料、堵料及料的自流等。擺動式球磨機被控對象包括3個控制量(罐內(nèi)負6壓p、罐內(nèi)風(fēng)粉混和物溫度T及球磨機的轉(zhuǎn)動速度)。若改進參數(shù)檢測方法，使用球磨機前軸瓦垂直振動分量萬代替差壓信號如表征存物料量，于是原來的對象就分解為一個禍合的兩輸入兩輸出對象和一個單輸入、單輸出對象。對兩輸入兩輸出對象按照工藝要求進行變量配對，使用熱風(fēng)量控制溫度，再循環(huán)風(fēng)量控制負路)仍有很強的關(guān)聯(lián)，則被控對象可描述為Y=GU,其中，G為傳遞函數(shù)矩陣由于整個建模過程主要是為控制系統(tǒng)的設(shè)計作參考，我們并不追求模型具有很高的精度，只要能反應(yīng)出制粉系統(tǒng)的特點以便正確設(shè)計控制系統(tǒng)。因此，在建模過程中作了如下簡化：①模型僅從整體上反映球磨機特性。②球磨機罐內(nèi)溫度是風(fēng)和物料混合物的溫度；③不考慮制粉系統(tǒng)內(nèi)熱損失。2.2主電路方案的確定本次設(shè)計的主電路采用交-直-交變頻電路如圖2-2通用變頻器的主電路主要有兩種類型，即交一交變頻(直接變頻)和交—直—交變頻(間接變頻)。由于交—交變頻主電路受到電網(wǎng)頻率及整流電路脈沖波數(shù)的限制，輸出功率較低，調(diào)頻范圍較窄(一般情況下，輸出最高頻率為電網(wǎng)的1/2--1/3),主電路元件多且元件利用率低，控制復(fù)雜，只適用于低速大功率拖動的場合。而交—直—交變頻是把一定電壓、定額的交流電，先經(jīng)過整流器整流成直流電，然后再經(jīng)過逆變器將此直流電變換成電壓和頻率都可以調(diào)的交流電。(論文)7這種方式克服了交—交變頻的缺點，應(yīng)用極為廣泛，結(jié)合控制系統(tǒng)的特點和性能要求，本設(shè)計采用交一直—交變頻電路。2.3控制系統(tǒng)的確定本次設(shè)計選用單片機的控制。其最大特點就是設(shè)計者可以根據(jù)自己的實際需要開發(fā)、設(shè)計一個單片機系統(tǒng)，因而更加方便，更加靈活，并且成本低。其基本方法是在單片機的基礎(chǔ)上擴展一些接口，如用于A/D、D/A轉(zhuǎn)換接口，用于人機對話的鍵盤處理接口，LED和LCD顯示接口等。然后開發(fā)一些應(yīng)用軟件。即可組成完整的單片機系統(tǒng)。[根據(jù)擺動式球磨機的工作模型和對目前單片機市場的調(diào)查，本次設(shè)計選用的單片機AT89C52,選用單片機的原因是其經(jīng)濟易用，性能可靠，易擴充，控制功能強。內(nèi)部配置8KB的FlashMemory,無需擴展外部存儲器，可點擦寫，便于編程調(diào)試。AT89C52內(nèi)部帶有存儲器件，不用擴展程序存儲器，減少硬件線路連接。其最大特點就是設(shè)計者可以根據(jù)自己的實際需要開發(fā)、設(shè)計一個單片機系統(tǒng)，因而更加方便，更加靈活，并且成本低。根據(jù)多維擺動式球磨機的特點及實現(xiàn)的功能，微機控制系統(tǒng)實現(xiàn)的功能主要有以下幾點：(1)實現(xiàn)對交流電機的速度控制；(2)實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集并做出相應(yīng)處理；(3)實現(xiàn)實時記憶功能，保證時間數(shù)據(jù)掉電不丟失；(4)實現(xiàn)簡單、直觀的人機交互界面。2.4輸入通道的確定2.4.1溫度傳感器的確定由于擺動式球磨機在研磨物料過程中，球磨機內(nèi)的物料受磨介和罐體的作用，其物理形狀發(fā)生改變，釋放出能量，球磨機內(nèi)物料碰撞周圍物體，由于壓力作用使物體表而產(chǎn)生微小的形變，球磨機內(nèi)部產(chǎn)生很高的溫度。所以需要傳感器的穩(wěn)定性和耐高溫的要求要很高。根據(jù)設(shè)計要求本設(shè)計采用熱電偶溫度檢測。熱電偶是工業(yè)上最常用的溫度檢測元件之一，熱電偶工作原理是基于賽貝克(seeback)效應(yīng)，即兩種不同成分的導(dǎo)體兩端連接成回路，如兩連接端溫度不同，則在回路內(nèi)產(chǎn)生熱電流的物理現(xiàn)象。其優(yōu)點是：①測量精度高。因熱電偶直接與被測對象接觸，不受中間介質(zhì)的影響。②測量范圍廣。常用的熱電偶從-50~+1600℃均可連續(xù)測量，某些特殊熱電偶最低可測到-269℃(論文)8(如金鐵鎳鉻),最高可達+2800℃(如鎢-錸)。熱電偶測溫基本原理是將兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)如圖2-3所示。當導(dǎo)體A和B的兩個執(zhí)著點1和2之間存在溫差時，兩者之間便產(chǎn)生電動勢，因圖2-3熱電偶常用熱電偶可分為標準熱電偶和非標準熱電偶兩大類。所調(diào)用標準熱電偶是指國家標準規(guī)定了其熱電勢與溫度的關(guān)系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標準分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示分度表，主要用于某些特殊場合的測量。本次設(shè)計使用標準熱電偶。標準化熱電偶我國從1988年1月1日起，熱電偶和熱電阻全部按IEC國際標準生產(chǎn)，并指定S、B、E、K、R、J、T七種標準化熱電偶為我國統(tǒng)一設(shè)計型熱電偶。[熱電偶的結(jié)構(gòu)形式為了保證熱電偶可靠、穩(wěn)定地工作，對它的結(jié)構(gòu)要求如下：③補償導(dǎo)線與熱電偶自由端的連接要方便可靠；罐內(nèi)氣體壓力檢測系統(tǒng)來監(jiān)測罐體的安全狀況是很必要的。機械法加工超細粉末的保護和保原問題，是超細粉末制備技術(shù)迫切需要解決的難題。當罐內(nèi)氣體壓力低于要求時，系統(tǒng)采用緊急9(論文)停車，并且報警，避免了被加工物料的氧化和事故的發(fā)生。這里選用PTP708F壓力傳感器，其工作原理是：陽極相對于陰極施加正向電壓，在陰極形成電場，使陰極產(chǎn)生電子發(fā)射。當敏感陽極膜受壓變形時，陰陽極間距變化，陰極發(fā)射的電流發(fā)生變化。從而通過陰極發(fā)射電流的變化反映陽極膜所受壓力的變化。該傳感器上的施加在傳感器上的壓力在25g～100g范圍內(nèi)，其壓力與輸出電壓的曲線呈線性關(guān)系，從而反映出施加在傳感器上的壓力與傳感器發(fā)射的電流成線性變化關(guān)系2.5系統(tǒng)原理框圖在主電路和控制電路的基礎(chǔ)上加上必需的輔助和驅(qū)動電路，就構(gòu)成了本次設(shè)計的整個系統(tǒng)，其系統(tǒng)原理圖如圖2-4所示。由圖可知，本次設(shè)計以AT89C52單片機為控制器，以交流電動機為控制對象，以直流測速發(fā)電機為速度傳感器，構(gòu)成了閉環(huán)控制系統(tǒng)；針對交流電動機具有非線性、多變量強耦合以及獲得精確數(shù)學(xué)模型困難的特點，設(shè)計了模糊控制器，通過對變頻器的控制，實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的自動調(diào)節(jié)；通過人機交互界面的設(shè)計，實現(xiàn)了加工時間、間歇時間、最高轉(zhuǎn)速、升速時間、降速時間、允許溫升范圍、超強加工、柔性加工等設(shè)置；通過溫度傳感器、壓力傳感器，實現(xiàn)了工作機溫度和罐內(nèi)氣體壓力的監(jiān)測。變頻驅(qū)動電路變頻驅(qū)動電路報警單片機人機接口看門狗A/D裝換傳感器電機(論文)3電氣控制系統(tǒng)硬件設(shè)計置通用8位中央處理器(CPU)和Flash存儲單元，功能強大AT89C52單片機適合于許多較為復(fù)雜控制應(yīng)用場合。單片機芯片的管腳描述如圖3-1和表3-1所示。2456817cpl6 (論文)助字符名稱和功能接地電源P3口RXD(P3.0):串行輸入口TXD(P3.1):串行輸出口INTO(P3.2):外部中斷INT1(P3.3):外部中斷復(fù)位端地址鎖存使能端程序存儲器使能端外部訪問使能編程電壓提供晶振1晶振2AT89C52提供以下標準功能：8k字節(jié)Flash閃速存儲器，256字節(jié)內(nèi)部RAM,32個I/0口線，3個16位定時/計數(shù)器，一個6向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘時鐘電路為單片機提供時鐘控制信號，本系統(tǒng)路可以在單片機正常工作中如需要一個復(fù)位信號，以便使單片機上電或按下復(fù)位開關(guān)時能從頭開序不跑飛。提高系統(tǒng)可靠性。其具體電路如圖3-2:(論文)pllpl2pl3pl4pl5pl68B96本次設(shè)計的時鐘芯片采用DS1302。如圖3-3一25388t(論文)過簡單的串行接口與單片機進行通信。DS1302與單片機之間能簡單地采用同步串行的方式進行字節(jié)或多達31個字節(jié)的字符組方式通信。DS1302工作時功耗很低保持數(shù)據(jù)和時鐘信息時，功率晶振管腳地復(fù)位腳數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳串行時鐘電源供電管腳3.3輸入檢測放大電路及A/D轉(zhuǎn)換設(shè)計檢測放大電路在整個控制系統(tǒng)中都具有重要作用，其檢測精度可以直接影響系統(tǒng)控制精度。在本系統(tǒng)中檢測放大電路可分為真空壓力檢測放大電路、溫度檢測放大電路和測速發(fā)電機檢測放壓力是工業(yè)生產(chǎn)中的重要參數(shù)之一，為了保證其正常運行，必須對壓力進行監(jiān)測和控制，但需說明的是，這里所說的壓力，實際上是物理概念中的壓強，即垂直作用在單位面積上的力。在壓力測量中，常用絕對壓力、表壓力、負壓力或真空度之分。所謂絕對壓力是指被測介質(zhì)作用在容器單位面積上的全部壓力，用符號pj表示。用來測量絕對壓力的儀表稱為絕對壓力表。用來測量大氣氣壓力的儀表叫氣壓表。絕對壓力與大氣壓力之差，稱為表壓力。用符號pb表示。即pb=pj-pq。當絕對壓力值小于大氣壓力值時，表壓力為負值(即負壓力),此負壓力值的絕對值，稱為真空度，用符號pz表示。PTP708F壓力傳感器采用全不銹鋼封焊結(jié)構(gòu)，具有良好的防潮能力及優(yōu)異的介質(zhì)兼容性。廣泛用于工業(yè)設(shè)備、化工、醫(yī)療、空調(diào)等壓力測量與控制，綜合精度(論文)供電電壓介質(zhì)溫度環(huán)境溫度負載電阻電壓輸出型：大于50KQ絕緣電阻大于2000MQ長期穩(wěn)定性能0.1%FS/年振動影響在機械振動頻率20Hz~2000Hz內(nèi)，輸出變化小于0.1%FS四芯屏蔽線、緊線螺母本設(shè)計使用的PTP708F空氣壓力傳感器，電路如圖3-4所示，本電路測量壓力范圍為-1.5MP~4MP。傳感器到輸入放大器A1之間用雙絞線聯(lián)結(jié)，可避免干擾，并可提高測量精度。當PTP708F上的壓力發(fā)生變化時，其兩端的電壓降隨之線性變化(約1.66V/MP)。經(jīng)Al放大后，送入A2。A2接成反相放大器。將被測信號送給AD574。通過調(diào)節(jié)R6,使壓力P=-1MP時，A2端輸出為0V。當壓力變化范圍為OMP-4.99MP時，A2輸出電壓變化范圍為0-4.98V。從而實現(xiàn)了壓力、電壓轉(zhuǎn)換。3.3.2溫度檢測放大電路本次設(shè)計采用的熱電偶溫度傳感器，型號為WRB(鉑銠13-鉑),它采用恒流源電路來獲取溫度信號。本系統(tǒng)是采用價格低廉的運放為核心來構(gòu)成的，恒流效果十分理想。隨著近年來微電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了不少專用的高性能放大芯片，AD620、AD623都具有運放結(jié)構(gòu)，在本設(shè)計中我選用了AD620作為放大器電路的首級放大。AD620是低價格、低功耗放大(論文)器，它只需要一只外部電阻就可設(shè)置1～1000倍的放大增益，它具有較低的輸入偏置電流、較快的建立時間和較高的精度。士由于多維擺動式球磨機中的電機在工作過程中是隨罐體擺動而運動的，工作過程中震動較大。這里采用測速發(fā)電機對交流電機進行測速，可以構(gòu)成閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。測試電路采用高精度放大電路，使得即便是在電動機低速運轉(zhuǎn)時，也有足夠的測速精度。電阻網(wǎng)絡(luò)R2~R4組成分壓器，分別供給A1、A2同相端以基準電壓。A1組成恒流源電路，其電流Io等于V3/(R7+R6)=2V/(R7+R6)。恒流源大小可通過R6控制，恒流電流Io流過傳感器，其輸其電路圖如3-6所示：在單片機的應(yīng)用系統(tǒng)中，被測量的對象上的有關(guān)變量，如溫度、壓力、速度、的非物理量，需經(jīng)過傳感器轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的模擬電信號(電壓或電流),這些模擬電信號必須轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后才能在單片機中用軟件進行處理。單片機處理完畢的數(shù)字量，也常常需要轉(zhuǎn)換為模擬信號。實現(xiàn)模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的器件稱為A/D轉(zhuǎn)換器。實現(xiàn)數(shù)字量轉(zhuǎn)換模擬量的器件稱為D/A轉(zhuǎn)換器。如下圖3-7及表3-4。一 圖3-7AD574管腳圖表3-4AD574功能表分辨率位非線性誤差小于±1/2LBS或±1LBS轉(zhuǎn)換速率模擬電壓輸入范圍0—±5V和0—±10V兩檔四種數(shù)據(jù)輸出格式12位/8位全速工作模式和單一工作模式(論文)本設(shè)計使用的是AD574是美國模擬數(shù)字公司(Analog)推出的單片高速12位逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置雙極性電路構(gòu)成的混合集成轉(zhuǎn)換顯片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特點，并且具有自動校零和自動極性轉(zhuǎn)換功能，只需外接少量的阻容件即可構(gòu)成一個完整的A/D轉(zhuǎn)換器，其管腳及主要特性。3.3.5多路開關(guān)多路開關(guān)也稱為多路轉(zhuǎn)換器或采樣開關(guān)，它的作用是將輸入信號按一定順序送到放大器或采樣保持器。為了提高過程參數(shù)的測量精度，系統(tǒng)對多路開關(guān)也提出了較高的要求。理想的多路開關(guān)其開路電阻為無窮大，其導(dǎo)通時的電阻為零。此外，還應(yīng)具備切換速度快、噪聲小、壽命長、工作可靠等特點。在計算機控制系統(tǒng)中多采用集成電路多路開關(guān)，其種類、型號較多，有8通道、16通道、32通道等多種。常用的多路開關(guān)有CD4051(或MC14051)、AD7501、LF13508等。CD4051是8通道多路開關(guān)，由邏輯電平轉(zhuǎn)換、二進制譯碼器和8個開關(guān)電路組成。CD4051的引腳如圖3-8所示，圖中A、B、C是二進制的控制輸入端，INH是允許輸入端。當INH為高電平時，不論從A、B、C端輸入何值，8個通道均不通；當INH為低電平時，允許由A、B、C端輸入3位二進制數(shù)，在8路通道中選擇一路將輸入和輸出接通。圖3-8CD4051為管腳圖。789ABC35243.4變頻驅(qū)動電路設(shè)計近十多年來，隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)及現(xiàn)代控制理論向交流電氣傳動領(lǐng)域的滲透，變頻交流調(diào)速已逐漸取代了過去的滑差調(diào)速、變極調(diào)速、直流調(diào)速等調(diào)速系統(tǒng)。幾乎可以說，有交流電動機的地方就有變頻器的使用。其最主要的特點是具有高效率的驅(qū)動性能及良好的控制特性?，F(xiàn)在通用型的變頻器一般包括以下幾個部分：整流橋、逆變橋、中間直流電路、預(yù)充電電路、(論文)脈沖發(fā)生器，它在實現(xiàn)高精度方面采取了以下措施。(1)調(diào)制波形采用16位數(shù)度(以前的產(chǎn)品為12位精度),這樣用戶可以獲取更高的控制數(shù)(2)每相輸出波形的幅值可以單獨控制。這樣用戶可以對三相不平衡負載，通過三個獨立閉環(huán)分別控制，有效地實施補償，使三相電壓在不平衡負載下輸出精度大大提高，尤其適用于靜止逆變器及不間斷電源(UPS)。[(3)內(nèi)部集成“看門狗”定時器，加強了監(jiān)控，提高了運行的可靠性。SA8282為28引腳，有雙列直插式和貼片式兩種封裝，引腳如圖3-9所示。其中AD?-AD;為位地址與數(shù)據(jù)復(fù)用總線，用來從微處理器接收地址和數(shù)據(jù)。3條控制線(引腳6,7,8)在采用IntelYPHB,BPHT,BPHB為三相(以R、Y、B標記)PWM信號的六個輸出端 AD7ZPPR (論文)由SA8282構(gòu)成的變頻調(diào)速系統(tǒng)如圖3-10所示。首先由鍵盤輸入給定的轉(zhuǎn)速n?(rpm),單片機把它換算成變頻器將要輸出的頻率和電壓的控制字，寫入到SA8282的控制寄存器，啟動TRIP端上，只要有一個故障發(fā)生，就會使SETTRIP端為高電平，起動SA8282內(nèi)部的故障保護動逆變時鐘測速放大電路電機目前已有許多廠商把該電路與整流電路、控制電路、驅(qū)動電路、保護電路及傳感為一個模塊，稱為智能功率模塊——IPM(IntelligentPowerModule)這樣使主電路結(jié)構(gòu)緊湊，(1)含驅(qū)動電路，設(shè)定最佳IGBT驅(qū)動條件；(2)含過流、過熱、欠壓、短路保護電路，出現(xiàn)異常時給出報警信號，以控制逆變器停止(3)含制動電路，可直接外接制動電阻Ri;(論文)SA8282輸出的6路控制信號是TTL電平的，它們不能直接驅(qū)動IPM中的6個IGBT。原因有兩個：1)IGBT需要的開關(guān)信號幅值約為±10V,TTL電平不能勝任；2)逆變橋中三個下橋臂是23456了89NC1NC2NC3圖3-11IR2136S管腳圖如圖3-11,IGBT的管腳圖，IGBT一般用集成電路芯片來驅(qū)動，這里使用IR2136S驅(qū)動芯片，IR2136S是功率半導(dǎo)體專家國際整流器公司(InternationalRectifier,簡稱IR)推出的三相高電壓柵驅(qū)動器，并融合多元化的保護功能，采用28腳的DIP封裝。IR2136S集成電路系列適用于省電節(jié)能的電子驅(qū)動式變速電機，有助降低成本和簡化電路結(jié)構(gòu)。IR2136集成電路能兼容CMOS輸出或LSTTL輸出，提供低至3.3120mA/250mA輸出源/承電流。此外，全新集成電路支持堅固耐用的設(shè)計，提供高達50V/nsdV/dt的耐量和較低的di/dt驅(qū)動電流，防止噪音干擾。輸入端光耦的隔離電壓達到3000V,輸入電流為5-10mA,可以驅(qū)動100A/600V的IGBTI2|。IR2136S集成電路的性能超過光耦和變壓器，并支持高頻工作，死區(qū)時間低至250ns,一般接通/關(guān)斷時間為400ms。輸出驅(qū)動器設(shè)有專為降低驅(qū)動器交叉?zhèn)鲗?dǎo)的大脈沖電流緩沖級。該集成電路集成了交叉?zhèn)鲗?dǎo)防護邏輯，以消除短路情況。單一集成電路封裝內(nèi)6個通道的傳播延遲可互相配合，確保穩(wěn)定的高頻工作，從而在低速下發(fā)揮更完善的電機轉(zhuǎn)矩性能，并降低可聞噪音。還可在過電流時切斷6個輸出電流，這項功能也可從外部電流傳感電阻器產(chǎn)生。每當過電流或欠電壓而導(dǎo)致工作停止時，主控制器會收到一個開漏故(論文)障信號，可同時關(guān)斷全部6個輸出。所有過電流狀態(tài)都會經(jīng)外設(shè)于R-C網(wǎng)絡(luò)的延遲程序自動清除。損壞的部件。因此IGBT模塊的保護工作顯得十分重要。為此應(yīng)做到以下幾點：(1)選用智能型IGBT模塊。IPM中一般都有過流、過熱、短路、欠壓保護電路，當任一情(2)對SA8282編程時，設(shè)置合理的效防止同一橋臂上、下開關(guān)元件的共態(tài)導(dǎo)通；后者可降低開關(guān)損耗，減少發(fā)熱。(3)本電路分別設(shè)計了主電路過電流保護和主電路過溫保護電路。當主電路過流或溫度過件的保護。圖3-12由SA4828組成的變頻調(diào)速電路原理圖人機交互是一個微機控制系統(tǒng)必備的功能，它實現(xiàn)了操作者和控制系統(tǒng)之間建立聯(lián)系、交換實現(xiàn)。這樣，操作者可以通過系統(tǒng)顯示的內(nèi)容、及時掌握系統(tǒng)運行情況，并可通過鍵盤輸入數(shù)據(jù)、傳遞命令，對微機控制系統(tǒng)進行人工干預(yù)，以使其隨時按照操作人員的意圖工作。如圖3-13操作面板設(shè)計。代碼設(shè)定代碼設(shè)定運行時間液晶顯示工作參數(shù)指示燈停止按鈕啟動按鈕設(shè)置應(yīng)用清零設(shè)定代碼1加工時間，設(shè)定范圍(00h00m00s~99h59m59s)2單次工作時間，設(shè)定范圍(00h00m00s~99h59m59s)3間歇時間，設(shè)定范圍(00h00m00s~99h59m59s)4基本轉(zhuǎn)速，設(shè)定范圍(0r/min~3000.0s)5最高轉(zhuǎn)速，設(shè)定范圍(0r/min~3000.0s)6升速時間，設(shè)定范圍(0.01~9999.99S)7降速時間，設(shè)定范圍(0.01~9999.99S)8允許工作機溫升范圍(0~999℃)9罐內(nèi)壓力設(shè)定范圍(0~4.99MPa)(論文)本系統(tǒng)采用的具體控制面板的設(shè)計如圖3-13所示：球磨機在工作前，需要根據(jù)被加工物料的特性和加工要求，預(yù)先進行一系列的參數(shù)設(shè)定(如加工時間、基本轉(zhuǎn)速、最高轉(zhuǎn)速、升降速時間等),一般都是通過控制面板進行的。為了區(qū)分設(shè)置的不同參數(shù)，本文將它們與特定的功能碼一一對應(yīng)，用這些功能碼來表示各個參數(shù)。具體參數(shù)如表3-5所示。(1)按“設(shè)置”鍵，藍色指示等亮，在按“設(shè)置”使控制器功能碼設(shè)定狀態(tài)，這時藍色指示(2)按數(shù)字增減鍵(A、√),找出需要預(yù)置的功能碼，其中按入鍵增加，按v鍵減少；(3)選中需要預(yù)置的功能碼后，再次按“設(shè)置”鍵，進入?yún)?shù)設(shè)定狀態(tài)，本控制面板采用位(4)若需修改，則通過數(shù)字增減鍵(^、√或<、>)來設(shè)定數(shù)據(jù)；(5)如設(shè)定完畢，按“應(yīng)用”鍵，綠色指示燈亮一秒，退到功能碼設(shè)定狀態(tài)，可進行其他功能碼設(shè)定，具體設(shè)定同(3)、(4)。(6)全部設(shè)定結(jié)束后，連按兩次“退出設(shè)定”鍵，退出參數(shù)設(shè)定。(7)按“啟動”鍵，球磨機開始按設(shè)定工作。(8)按“停止”鍵，球磨機停止工作。(9)按“清零”鍵，黃色指示燈亮一秒，球磨機控制系統(tǒng)恢復(fù)到本次設(shè)定后最初狀態(tài)。其原理圖如圖3.14所示：在本系統(tǒng)中要采用鍵盤和SMG12864Z液晶顯示器來實現(xiàn)人機交互功能的。在本系統(tǒng)中要通過鍵盤輸入實現(xiàn)總體工作時間的設(shè)定、分段輸入轉(zhuǎn)速給定值、設(shè)定代碼的命令。SMG12864Z液晶顯示要實現(xiàn)顯示總體工作時間、現(xiàn)工作時間以及所選功能代碼等。鍵盤使用P1.0~P1.5組成3×3鍵盤，(論文)(論文)間法雕鍵麗賦向謂辯￥NCNCPSBDB7DB4DB1≥9865432--手三寫營二管不=○5~本次設(shè)計使用的是北京集粹電子設(shè)備制造有限公司生產(chǎn)的SMG12864Z液晶顯示，北京集粹電子設(shè)備制造有限公司是一家專業(yè)從事液晶顯示器件的開發(fā)、生產(chǎn)和經(jīng)營的高科技企業(yè)。多年來公司一直致力于改進技術(shù)、提高質(zhì)量和完善服務(wù)。從產(chǎn)品的形式上，公司目前可以生產(chǎn)TN型、HTN型、STN型和FSTN型等多種標準液晶顯示屏和液晶顯示模塊。液晶顯示模塊是128×64點陣的漢字圖形型液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，內(nèi)置國標可與CPU直接接口，提供兩種界面來連接微處理機：8-位并行及串行兩種連接方式。具有多種功能：光標顯示、畫面移位、睡眠模式等。SMG12864Z液晶顯示的顯示資料RAM提供64×2個位元組的空間，最多可以控制4行16字字型；ST7920A可以顯示三種字型，分別是半寬的三種字型的選擇，由在DDRAM中寫入的編碼選擇，在0000H—0006H的編碼中將自動的結(jié)合下一個位元組，組成兩個位元組的編碼達成中文字型的編碼(A140—D75F),各種字型詳細編碼如1、顯示半寬字型：將8位元資料寫入種編碼。工作。電路圖如下所示。 本次設(shè)計的變頻調(diào)速器的主電路主要由整流電路和逆變電路兩部分組成。其主電路的基本結(jié)構(gòu)如圖3.17所示(1)整流電路(交—直部分)該功率較大，所以一般采用三相380V電源，整流電路為三相橋式全波整流電路。圖中所示為不可控整流電路，采用大電容進行濾波，形成電壓源型整流電路結(jié)構(gòu)。由于整流電路輸出的整流電壓是脈動的直流電壓，必須加以濾波。濾波電容的作用是：消除輸出電壓的波紋外，還在電源與逆變電路之間起去藕作用，以消除相互干擾，這就給作為感性負載的電動機提供必要的無功功率。因此，中間直流電路的電容量必須較大，起到儲能的作用，所以中直流電路的電容又稱儲能電容。l(2)逆變器部分(直—交部分)逆變管Q3～Q8組成IGBT逆變橋，把D4～D9整流后的直流電，再“逆變”成頻率、幅值都可調(diào)的交流電。這是變頻器實現(xiàn)變頻的執(zhí)行環(huán)節(jié)，因此是變頻器的核心部分。在電路中我們采用的逆變管是有絕緣柵雙極晶體管。Q3～Q8進行逆變的基本工作過程：同一橋臂的兩個逆變管，處于不停的交替導(dǎo)通和截止狀態(tài)。在交替導(dǎo)通和截止的換相過程中也需要二極管進行保護。根據(jù)以上的知識，以及對電動機的參數(shù)計算，按下列式子進行選擇IGBT。00電路工作時，流過每個IGBT的電流為通過上述設(shè)計，完成了硬件電路的設(shè)計。4模糊控制算法的設(shè)計4.1球磨過程的數(shù)學(xué)模型解析球磨過程解析模型最初是由愛潑斯汀(Epstein)在1948年提出的。他從統(tǒng)計觀點確定了分別描述顆粒破碎概率的選擇函數(shù)和破碎產(chǎn)物粒度分布的破裂分布函數(shù)，并建立如下微分一積分方程其中，P(x)是第P次粉碎破碎產(chǎn)物粒徑小于x的質(zhì)量比，B(x,Y)表示粒徑為Y的顆粒被粉(論文)碎后成粒徑為x的顆粒質(zhì)量比。1962年古丁與麥勞意等人利用貝斯建立的微分方程，將選擇函數(shù)和分布函數(shù)以連續(xù)函數(shù)形式來表示，建立了偏微分一積分方程。同年，戈得若和奧斯汀對連續(xù)粉碎過程建立了如下微分一積菲利浦從純數(shù)學(xué)角度對粉碎過程的研究，也得到了同上式相同的模型。以上各種解析模型的建模思想都是基于粉碎選擇函數(shù)和破裂分布函數(shù)，其相互之間也存在著可以用數(shù)學(xué)演算進行相互轉(zhuǎn)換的規(guī)律。迄今，在歐美一些國家中對粉碎過程的研究基本上沒有脫模型為了解析粉碎過程，引入了大量難以準確測定的選擇函數(shù)和破裂分布函數(shù)，在數(shù)學(xué)上達到了很完善的程度，但由于缺少磨機操作工藝參數(shù)，使模型應(yīng)用受到了限制。因此，近年來對置身模型進行了改造：以輸入能量代替時間參數(shù)，將選擇函數(shù)表示為能量輸入與物料滯留量的函數(shù)基于模糊控制技術(shù)的多維擺動式球磨機控制的控制對象是交流異步電機，這一被控對象具有強非線性、多變量耦合、不確定性和大滯后的特點而且調(diào)速系統(tǒng)是一類不確定的復(fù)雜系統(tǒng)，其難以獲得精確的數(shù)學(xué)模型，這些問題增加了控制難度，用普通的傳統(tǒng)控制算法已不能滿足生產(chǎn)工藝的要求。而模糊控制理論為解決這一難題提供了一種新途徑。模糊控制核心部分為模糊控制器。模糊控制器的控制規(guī)律由計算機的程序?qū)崿F(xiàn)，實現(xiàn)模糊控制算法的過程是這樣的：微機采樣獲取被控制量的精確值號E和誤差變化率EC。選取誤差信號E和誤差變化率EC作為模糊控制器的輸入量，把輸入量的精確量進行模糊化變成模糊量，模糊量可用相應(yīng)的模糊語言表示。至此，得到了模糊語言集合的子集。再由模糊子集和控制規(guī)則(模糊關(guān)系)根據(jù)推理的合成規(guī)則進行模糊決策，得到模糊控制量。為了對被控對象施加精確的控制，還需要將模糊量轉(zhuǎn)換成精確量，這一步驟稱為非模糊化處理。得到了精確的數(shù)字控制量后，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換變?yōu)榫_的模擬量送給執(zhí)行機構(gòu)，對被控對象進(1)根據(jù)本次采樣得到的系統(tǒng)輸出值，計算所選擇的系統(tǒng)的輸入變量；(論文)(2)將輸入變量的精確值變?yōu)槟：浚?3)根據(jù)輸入變量(模糊量)及模糊控制規(guī)則，按模糊推理合成規(guī)則計算控制量(模糊量);(4)由上述得到的控制量(模糊量)計算精確量。模糊控制器(FuzzyController)在模糊自動控制系統(tǒng)中具有舉足輕重的作用，它的硬件結(jié)構(gòu)由單片機最小系統(tǒng)組成，在軟件上采用模糊控制算法軟件，即使其采用模糊控制方式來實現(xiàn)控(1)確定模糊控制器的輸入變量和輸出變量；(2)設(shè)計模糊控制器的控制規(guī)則；(3)確立模糊化和非模糊化的方法；(4)選擇模糊控制器的輸入變量及輸出變量的論域并確定模糊控制器的參數(shù)(如量化因子、比例因子);(5)編制模糊控制算法的應(yīng)用程序；(6)合理選擇模糊控制算法的采樣時間。本設(shè)計中采用基本的“查詢表”方式的模糊控制器，這種控制器將模糊控制規(guī)則最終轉(zhuǎn)化為一個查詢表又稱控制表，存儲在計算機中供在線控制時使用。這種形式的模糊控制器具有結(jié)構(gòu)簡單，使用方便的特點。模糊控制器結(jié)構(gòu)的設(shè)計是指確定模糊控制器的輸入變量和輸出變量。選擇轉(zhuǎn)速誤差E和誤差變化率EC為模糊控制器的輸入變量，選擇輸入變頻器的控制輸入量U為輸出變量。減小甚至消除交流電機輸出偏差是本設(shè)計的最終目的。仿照人控制這類問題的經(jīng)驗，根據(jù)“查詢表”方式模糊控制器的規(guī)律以及變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計情況，這種模糊控制器稱為二維模糊控制器，模糊控制器的維數(shù)越高，控制越精細。但是維數(shù)過高，模糊控制規(guī)則變得過于復(fù)雜，控制算法得實現(xiàn)相當困難。二維模糊控制器是目前在模糊控制中應(yīng)用較廣泛的一種模糊控制器結(jié)構(gòu)，它在實際應(yīng)用中收到了很好的工程性能效果，也很適合本系統(tǒng)的實際要求。模糊控制器的輸入變量誤差、誤差變化和被控對象所要求的控制量實際變化范圍稱為這些變量的基本論域?？紤]到交流電機實際運行情況和模糊控制的需要，設(shè)定誤差及誤差變化率基本論域均為[-100,+100]。由于模糊控制器的輸出是由單片機最小系統(tǒng)的模擬量輸出來實現(xiàn)的，故模糊控制器的輸出變量的基本論域為[0,5]。對于變量語言變量的論域選擇，一般選誤差論域的N≥6,選誤差變化的論域的M≥6,選控制量的論域L≥7。這是因為語言變量的詞集多半選為七個，這樣能滿足模糊集論域中所含元素個數(shù)為模糊語言詞集總數(shù)的二倍以上，確保諸模糊集能較好地覆蓋論域，避免出現(xiàn)失控現(xiàn)象。所以誤差及誤差變量所取的語言變量論域定義為：輸出控制量的語言變量論域定義為：當由計算機實現(xiàn)模糊控制算法進行模糊控制時，每次采樣得到的被控制量須經(jīng)計算機計算，便得到模糊控制器的輸入變量誤差及誤差變化。為了進行模糊化處理，必須將輸入變量從基本論域轉(zhuǎn)換到相應(yīng)的模糊集的論域，這中間需將輸入變量乘以相應(yīng)的因子。量化因子一般用K表示，誤差的量化因子K。及誤差變化的量化因子K。分別由下面兩個公式來確定，即此外，每次采樣經(jīng)模糊控制算法給出的控制量(精確量),還不能直接控制對象，還必須將其轉(zhuǎn)換到為控制對象所接受的基本論域中去。輸出控制量的比例因子由下式確定，即由于控制量的基本論域為一連續(xù)的實數(shù)域，所以，從控制量的模糊集論域到基本論域的變換，可以利用(4-4)計算，即式中!;為控制量模糊集論中的任一元素或為控制量的模糊集所判決得到的確切控制量，y.為控制量基本論域中的一個精確量，K。為比例因子。量化因子和比例因子的選擇并不是唯一的，可能有幾組不同的值，都能使系統(tǒng)獲得較好的響應(yīng)特性。2.各模糊變量的模糊子集的定義(論文)模糊控制器的控制規(guī)則表現(xiàn)為一組模糊控制條件語句，在條件語句中描述輸入輸出變量的一些詞匯(如“正大”、“負小”等)的集合，稱為這些變量的詞集。一般都選“大、中、小”三個詞匯來描述模糊控制器的輸入、輸出變量的狀態(tài)。由于人的行為在正、負兩個方向的判斷基本上是對稱的，將大、中、小再加上正、負兩個方向并考慮變量的零狀態(tài)，共有七個詞匯，即{負大，負中，負小，零，正小，正中，正大}一般用英文字頭縮寫為：選擇較多的詞匯描述輸入、輸出變量，可以使制定規(guī)則方便，但是控制規(guī)則相應(yīng)變得復(fù)雜。選擇詞匯過少，使得描述變量變得粗糙，導(dǎo)致控制器性能變壞。一般情況下，選擇上述七個詞匯。定義一個模糊子集，實際上就是要確定模糊子集隸屬函數(shù)曲線的形狀。將確定的隸屬函數(shù)曲線離散化，就得到了有限個點上的隸屬度，便構(gòu)成了一個相應(yīng)的模糊變量的模糊子集。隸屬函數(shù)曲線形狀較尖的模糊子集其分辨率較高，控制靈敏度也較高；相反，隸屬函數(shù)形狀較緩，控制特性也較平緩，系統(tǒng)的穩(wěn)定性較好。至于隸屬函數(shù)μ(e)曲線的具體形狀都對控制特性影響不大。在本設(shè)計中，隸屬函數(shù)的形狀選為常用的三角形。選擇描述某一模糊變量的各個模糊子集時，要使它們在論域上的分布合理，即它們應(yīng)該較好的覆蓋整個論域。在定義這些模糊子集時要使論域中任何一點對這些模糊子集的隸屬度的最大值不能太小，否則會在這樣的點附近出現(xiàn)不靈敏區(qū)，以至于造成失控，使模糊控制系統(tǒng)控制性能變壞。當論域中元素總數(shù)為模糊子集總數(shù)的二到三倍時，模糊子集對論域的覆蓋程度較好。兩個模糊子集交集的最大隸屬度值一般選取為0.4～0.8。其值過大過小都是不利的，值過大會造成兩個模糊子集難以區(qū)分，使控制靈敏度顯著降低。為滿足上述要求，在本設(shè)計中為系統(tǒng)輸入、輸出語言變量都選取7個語言值：NB,NM,NS,0,PS,PM,PB,并根據(jù)實踐經(jīng)驗，確定出在各語言變量論域上用以描述模糊子集NB,M,NS,0,PS,PM,PB的隸屬函數(shù)μ(e)、μ(ec)、μ(u)即所謂的對模糊變量賦值，就是確定論域內(nèi)元素對模糊變量的隸屬度.模糊變量E、EC、及u的賦值分別如表4.1、4.2、4.3所示，它們是根據(jù)不同的對象的實際情況確定的。μeE0123456(論文)0000000000000000000000000O000000000000000000000000000000000000表4-2模糊變量EC的賦值表μEP01234560000000000000000000000000O000000000000000000000000000000000000表4-3模糊變量u的賦值表(01234567PB000000000001480PM000000000270720PS0000000408410000000000505000000NS000148040000000NM027072000000000NB084110000000000模糊控制器的控制規(guī)則是基于手動控制策略，而手動控制策略又是人們通過學(xué)習(xí)、實驗以及長期經(jīng)驗積累而逐漸形成的，存儲在操作者頭腦中的技術(shù)知識的集合。手動控制的作用同自動控制系統(tǒng)中的控制器的作用是基本相同的，所不同的是手動控制決策是基于操作系統(tǒng)經(jīng)驗和技術(shù)知可以把語言歸納的手動控制策略上升為數(shù)值運算，于是可以采用微機完成這個任務(wù)以代替人的手動控制，實現(xiàn)所謂的模糊自動控制。模糊控制規(guī)則，實質(zhì)上是將操作者在控制過程中的實踐經(jīng)驗選擇完模糊關(guān)系就要把操作過程中要遇到的各種可能出現(xiàn)的情況和相應(yīng)的控制策略匯總為(論文)模糊控制。確定模糊控制規(guī)則的原則是必須使系統(tǒng)輸出響應(yīng)的動靜態(tài)特性達到最佳。首先考慮誤差為負的情況，當誤差為負大時，若誤差變化為負，這時誤差有增大的趨勢，為盡快消除已有的負大誤差并抑制誤差變化大，所以控制量的變化取正大。當誤差為負而誤差變化為正時，系統(tǒng)本身已有減少的趨勢，所以為盡快消除誤差且又不超調(diào)，應(yīng)取較小的控制量。當誤差為負大且誤差變化為正小時，控制量的變化取為正中。若誤差變化正大或正中時，控制量不宜增加，否則造成超調(diào)會產(chǎn)生正誤差，因此這時控制量變化取0等級。當誤差為負中時，控制量的變化應(yīng)該使誤差盡快消除，基于這種原則，控制量的變化選取同誤差變化為負大時相同。當誤差為負小時，系統(tǒng)接近穩(wěn)態(tài)，若誤差變化為負時，選取控制量的變化為正中，以抑制誤差負方向變化；若誤差變化為正時，系統(tǒng)本身有消除負小誤差的趨勢，選取控制量變化為正小即可。上述選取控制量變化的原則是：當誤差大或較大時，選擇控制量以盡快消除誤差為主；而當誤差較小時，選擇控制量要注意防止超調(diào)，以系統(tǒng)的穩(wěn)定性為主要出發(fā)點。誤差為正時與誤差為負時相類同，相應(yīng)的符號都4.建立模糊控制表上述描寫模糊控制的21條模糊條件語句之間是或的關(guān)系，由第1條語句所確定的控制規(guī)則可以計算出ui。由第1條語句所確定的模糊關(guān)系可用式(4-5)寫出，即R=[(NB+NM)×PB?]·[(NBEc+NMEc)×PB]如果令此刻采樣所得到的實際誤差量e且誤差的變化為ec。通過合成關(guān)系運算可以算出控制量為對于e及ec的隸屬函數(shù)值對應(yīng)于所量化的等級上取1,其余均為零值，這樣可使式(4-7)u=min{max[uNB(i)uNM?(i)];max[uNB?(j);uNM(j)];upB第1個元素(即令測量得到的誤差為第i等級)的隸屬函數(shù)，而uNB。(j);uNMg(j)是模糊集合NBgc和NMgc第j個元素(令測量得到的誤差變化為第j等級)的隸屬度。同理，可以由其余各條語句分別求出控制量u?到uzi,則控制量為模糊集合u,表示為(論文)由式(4-9)計算出的模糊控制量可以選用一種判決方法，將控制量由模糊量變?yōu)榫_量。進行模糊判決時可采用最大隸屬度法，選取控制量模糊集合u中隸屬度最大的元素u*作為控制量，若u*僅為一個，則選擇該值作為控制量。若u*有多個，且ui≤u?≤…≤u,,則取(ui+u)/2作為控制量。[u]按以上方法，對論域中的全部元素的所有組合計算出相應(yīng)的以控制量；論域元素表示的精確量，然后列出表4.4模糊控制表。μ0123456600050004000300002121201222200044451104445441000444544410076666663007676777422000666666644200076767774420004.4模糊控制器的工作上面的四步工作都是離線進行的，通常在求得模糊控制表后，都把它存在計算機的內(nèi)存中，并編制一個相應(yīng)的查找控制表的子程序。而在實際控制過程中，模糊控制器只需進行以下幾步的(論文)第一步在每一控制周期中采樣系統(tǒng)的輸出Y(k),并求取實際的即時誤差e(k)和誤差變化率ec(k)如下：T是采樣時間，合理的選擇采樣時間對于系統(tǒng)的動靜態(tài)特性提高是很關(guān)鍵的。香農(nóng)采樣定理給出了選擇采樣周期的上限，即式中omax采樣信號的信號的上限角頻率。在此范圍內(nèi)，采樣周期越小，就越接近連續(xù)控制。綜合考慮各方面因素，本系統(tǒng)的采樣周期選擇為1秒。第二步將實際的e(k)和ec(k)分別乘以量化因子K。和K。,取得以相應(yīng)論域元素表征的查找控制表所需的E和EC值，即第三步以E和EC查找控制表(表4-2模糊控制表)的行和列，可得輸出控制量的論域值U第四步將查表得到的控制量的論域值U乘以比例因子K,,便可得到實際的控制量輸出去法實時計算量大，耗時多，響應(yīng)速度慢的缺點，提高了系統(tǒng)的實時控制能力。[15系統(tǒng)軟件設(shè)計模糊控制在線部分的工作完全由軟件來實現(xiàn)。完成模糊查表算法，需計算轉(zhuǎn)速誤差和轉(zhuǎn)速誤差變化率，若計算轉(zhuǎn)速誤差和轉(zhuǎn)速誤差變化率就必須與轉(zhuǎn)速給定值進行比較計算，在本系統(tǒng)中，序，鍵盤輸入程序功能要有以下4個方面：盤上行線全高電平),則鍵盤上沒有閉合鍵，若其不全為“1”,則有鍵閉合。(論文)2.去除鍵的機械抖動，其方法為判別出鍵盤上有鍵閉合后，延遲一段時間再判別鍵盤的態(tài)，若仍有鍵閉合，則認為鍵盤上有一個鍵處于穩(wěn)定的閉合期，否則認為是鍵的抖動。3.判別閉合鍵的鍵號，方法為對鍵盤的列線進行掃描，從P1.3到P1.5依次輸出低電平，相應(yīng)的依次讀出P1口的狀態(tài)，若P1.3～P1.5為全“1”,則列線為“0”的這一列上沒有鍵閉合，閉合鍵號等于為低電平的列號加上為低電平的行的首鍵號。4.使CPU對鍵的一次閉合僅做一次處理，采用的方法為等待閉合鍵釋放以后再處理。按以上四條就可以編寫鍵盤輸入子程序，完成鍵盤輸入，從鍵盤讀入轉(zhuǎn)速的給定值后，由于從鍵盤讀入的轉(zhuǎn)速給定值是以BCD碼的形式輸入到單片機控制系統(tǒng)當中的，若要使其參加系統(tǒng)的控制運算，必須通過BCD碼到十六進制轉(zhuǎn)換的子程序，將其轉(zhuǎn)換為可參加運算處理的十六進制數(shù)。將轉(zhuǎn)換后的數(shù)值存放到8051內(nèi)存單元079H、080H中，再調(diào)用顯示子程序顯示轉(zhuǎn)速給定值。從鍵盤上讀入命令后，執(zhí)行相關(guān)的操作輸出對變頻器控制信號。從而啟動電機。AD574采用軟件延時方式進行采樣，采樣后的信號范圍為00H～FFH,與給定轉(zhuǎn)速信號標度不同還無法進行比較運算，需先進行標度值的變換按以下公式將采樣的反饋值標度轉(zhuǎn)換為雙字節(jié)十六進制數(shù)，A0——轉(zhuǎn)速測量的下限；NO——轉(zhuǎn)速測量下限所對應(yīng)的數(shù)字量；NM——轉(zhuǎn)速測量下限所對應(yīng)的數(shù)字量；NX——測量值所對應(yīng)的數(shù)字量；為了提高運算的精度可先將采樣值擴大100倍，在運算完畢后再縮小100倍，這樣做大大提高了采樣反饋值的精度。然后，再求反饋值和給定值的誤差值，由于是雙字節(jié)運算就需調(diào)用雙字節(jié)加減法和除法子程序。求完差值后，通過判斷運算結(jié)構(gòu)是否溢出來確定誤差值的正負，若為負，需將其結(jié)果轉(zhuǎn)換為其絕對值，用專門的內(nèi)存單元來存放表示其正負的信息。將誤差值的精確值乘以誤差值的量化因子轉(zhuǎn)化模糊子集論域中。本次誤差值去減上次誤差值(若為第一次設(shè)定前一次的誤差值為0)求的誤差變化率。再將誤差變化率的精確值乘以誤差變化率的量化因子將其轉(zhuǎn)換到模糊子集論域中。還需判斷誤差是否在設(shè)定的誤差基本論域內(nèi)，若超出基本論域且是遠小于給定值，需將輸出加到最大值，若是遠大于給定值則輸出減到最小值，否則繼續(xù)執(zhí)行模糊調(diào)速程序，(論文)再判斷誤差變化率是否超出給定基本論域范圍，若超出且小于給定值，則將其對應(yīng)模糊子集論域中的值設(shè)為+6,若大于給定值，則將其對應(yīng)模糊子集論域中的值設(shè)為-6,否則繼續(xù)執(zhí)行模糊調(diào)速程序。計算出誤差值和誤差變化率對應(yīng)于模糊子集論域中的值，執(zhí)行查表程序從模糊控制表中查出對應(yīng)輸出的控制量值，輸出到變頻器控制端進行變頻調(diào)速。然后，若無中斷則繼續(xù)采樣進行變頻調(diào)速。若在主程序執(zhí)行過程中，有中斷信號產(chǎn)生則執(zhí)行中斷子程序。進入中斷子程序后先要保護現(xiàn)場，然后執(zhí)行相應(yīng)操作，退出中斷后要先恢復(fù)現(xiàn)場再返回到主程序。其具體流程圖如圖5.1在系統(tǒng)啟動時，應(yīng)先要求操作者根據(jù)實際情況由鍵盤輸入穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速的給定值、最高轉(zhuǎn)速給定值、工作時間、加工類型等，根據(jù)操作者輸入的鍵值命令通過輸出電路向變頻器輸出對應(yīng)的信號啟動交流電機。在電機運行后，模糊控制器根據(jù)系統(tǒng)采樣過來的轉(zhuǎn)速信號，執(zhí)行相應(yīng)的模糊控制查表程序而后輸出控制信號控制變頻驅(qū)動電路，然后再采樣，再進行模糊算法調(diào)速，這樣不斷的循環(huán)調(diào)速直到定時結(jié)束(或由鍵盤鍵入“停止”鍵)其系統(tǒng)主程序流程圖如圖5.2所示。開始否計算機查表地址求實際控制量送變頻驅(qū)動電路采樣時間到?否返回圖5-1模糊控制算法流程圖否否(論文)開始初始化否是否有鍵按是否顯示程參數(shù)設(shè)定子否顯示程參數(shù)設(shè)定子否是否按下是否有故障?否讀入設(shè)定值否‘停止’鍵是否按下否設(shè)定時間到報警是是是停止是(論文)在主程序運行時，若有中斷信號，則執(zhí)行中斷子程序來判斷是否有入鍵、v鍵、<鍵、>鍵按下，按順序依次判斷入鍵、v鍵、<鍵、>鍵中哪一個被按下，然后執(zhí)行顯示子程序，并返回主程序其調(diào)用鍵盤子程序和顯示子程序流程圖分別如圖5.3程序入口程序入口否是有鍵閉合調(diào)用顯示子程序延時6ms是是5.3中斷保護程序(論文)斷服務(wù)程序中，單片機除了要給SA8282發(fā)立即停止命令外，還要在顯示屏上顯示故障，以提示工作人員。只有在工作人員排除故障后脈沖封鎖才能由復(fù)位信號解除。該中斷服務(wù)程序的流程圖如圖5.5所示。中斷入口中斷入口保護現(xiàn)場報警故障排除?是中斷返回圖5-5中斷服務(wù)程序的流程圖球磨機控制系統(tǒng)的現(xiàn)場運行環(huán)境惡劣，干擾嚴重，對單片機運行的可靠性和安全性有很高的要求。除了在硬件電路上需要安排一些必要的抗干擾措施外，還需要軟件系統(tǒng)的密切配合。當噪聲干擾竄入單片機內(nèi)部時，后果非常嚴重，可能使系統(tǒng)失控。最典型的故障就是破壞程(論文)序計數(shù)器PC的狀態(tài)，導(dǎo)致程序從一個區(qū)域跳轉(zhuǎn)到另一個區(qū)域，或者程序在地址空間內(nèi)跑飛，甚至陷入“死循環(huán)”。為了將亂飛的、或陷入死循環(huán)的程序納入正軌，轉(zhuǎn)到指定的錯誤處理程序入口，以盡可能地減少損失，就必須采取一些必要的軟件抗干擾措施，這里采用“看門狗”技術(shù)。PC受到干擾而失控，引起程序亂飛，也可能使程序陷入“死循環(huán)”。軟件陷阱技術(shù)不能使失控的程序擺脫“死循環(huán)”的困境，這時只有采用“看門狗”技術(shù)使程序脫離“死循環(huán)”?！翱撮T狗”技術(shù)就是不斷監(jiān)視程序循環(huán)運行時間，若發(fā)現(xiàn)時間超過循環(huán)設(shè)定時間，則認為系統(tǒng)陷入了“死循環(huán)”,然后強迫程序進入錯誤處理程序，使系統(tǒng)運行納入正軌。在本設(shè)計中，利用了專用集成電記時器來監(jiān)視系統(tǒng)程序的運行。正常運行時，系統(tǒng)會定時就會向單片機發(fā)外部中斷信號，迫使程序進入正軌?？梢栽诤艽蟪潭壬媳苊獯蟮沫h(huán)境噪聲引起的程序工作異常對整個變頻器系統(tǒng)和電機造成的破壞，有效地保護了系統(tǒng)的正常運行。6.1系統(tǒng)測試圖6.1為系統(tǒng)測試輸出響應(yīng)曲線，由其輸出響應(yīng)曲線可看出本系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)很好，幾乎無(論文)超調(diào)、調(diào)節(jié)時間為1s,完全可滿足系統(tǒng)性能指標：超調(diào)量小于5%、調(diào)節(jié)時間小于1s,缺點是穩(wěn)態(tài)時系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩。由于模糊控制理論本身模糊化時的離散化使得輸出控制量在模糊論域中的值是離散階躍。通過系統(tǒng)調(diào)試可知，由單片機控制的變頻調(diào)速電路各項指標已達到工程實際要求，基于模糊控制技術(shù)的多維擺動式球磨機控制系統(tǒng)經(jīng)過測試分析，各項性能指標達到設(shè)計要求。由于采用看門狗電路，和硬件抗干擾技術(shù)，系統(tǒng)抗干擾能力大大增強。采用DS1302時間芯片使系統(tǒng)在掉電后時間數(shù)據(jù)不丟失，并且該數(shù)據(jù)長時間有效。罐體溫度檢測系統(tǒng)性能可靠，檢測溫度誤差在3℃之內(nèi)。壓力檢測系統(tǒng)和電機速度測試系統(tǒng)性能可以達到球磨機高速轉(zhuǎn)動下的抗震動要求。本設(shè)計的球磨機采用的模糊算法對球磨機控制可以達到加工的需要，電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計的控制芯片采用市場成熟的產(chǎn)品提高了機器在運行時的可靠系數(shù)，電氣傳動方面采用IPM模塊進一通過系統(tǒng)的測試分析可得，本次設(shè)計的系統(tǒng)有如下特點：1.加工效率高。因為本次設(shè)計所采用了模糊控制算法，使加工時間大大縮短，提高了該設(shè)備的效率。2.可操作性好。本系統(tǒng)操作簡單，外圍電路比較少，各部分均采用典型電路，使用和維修都比較方便。3.經(jīng)濟效益高。系統(tǒng)的性價比高，因為采用的均為一些低成本的元件，投入產(chǎn)出的能耗較小，對環(huán)境的影響不大。隨著對粉體加工技術(shù)要求的提高，系統(tǒng)的控制要求也提高，系統(tǒng)的整體設(shè)計是一個