【正文】 ) 111)( )()( 22211 ????? sG sGsD f (38) 設(shè)計(jì)前饋解耦 控制器時(shí)還應(yīng)注意以下幾個(gè)問題 ： (1)當(dāng)前饋解耦只考慮靜態(tài)解耦 時(shí)，式 (34)和 式 (35)可寫成 ： 11121 kkDf ?? ；22212 kkDf ?? 實(shí)踐表明，在很多情況下， 特別是在 G12(s)與 G11(s)和 G21(s)與 G22(s)動(dòng)態(tài) 響應(yīng)相近時(shí)，用靜態(tài)解耦 就能取得很好的效果。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 增量式 PID 控制器設(shè)計(jì) 對(duì)于實(shí)際的過程控制，主控制器采用經(jīng)典的增量式 PID 控制算法，利用 PID 控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)行流量的快速調(diào)節(jié)。 (3)當(dāng)目標(biāo)函數(shù)矩陣為奇異矩陣時(shí)，即目標(biāo)函數(shù)矩陣的行列式為零時(shí)，采用 前饋時(shí)會(huì)使 Gij(s)Df1(s)為零矩陣。 對(duì)于雙輸入雙輸出系統(tǒng)，按不變性原理可得 ： G11(s)Df1(s)+G12(s)=0 (32) G22(s)Df2(s)+G21(s)=0 (33) 由式 (32)和式 (33)得： Df1(s)=)( )(1112sG sG? (34) Df2(s)=)( )(2221 sG sG? (35) 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 采用前饋補(bǔ)償解耦后， 可得 ： ??? )()(2111sG sG ???)()(2212sG sG ??? )(12 sDf ???1 )(1sDf = ????? ?0)()()()()(2221122211 sG sGsGsGsG ??????)()()()()(01121122211 sG sGsGsGsG (36) 可見，前饋解耦 后所得的仍是對(duì)角矩陣。 Gc (s)為控制器， Df(s)為解耦控制器， Gij(s)為系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。從MIMO 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的工程性、實(shí)用性的角度來出發(fā)以及為了使得加入解耦控制器后控制系統(tǒng)更加容易控制，采用前饋補(bǔ)償解耦法，通過改變系統(tǒng)的目標(biāo)矩陣 GA（ s），再設(shè)計(jì)一個(gè) PI 控制器，通過設(shè)計(jì)反饋控制系統(tǒng)的參數(shù)，使閉環(huán)控制系統(tǒng)達(dá)到期望的動(dòng)、靜態(tài)性能與較好的抗干擾能力。 解耦控制器的設(shè)計(jì)思路 在氧化鋅晶須加工過程控制系統(tǒng)的配氣過程中，兩個(gè)輸入量分別為空氣流量和尾氣流量，輸出量為混合后氣體的氧含量和流量，由于它們存在嚴(yán)重的耦合，且兩個(gè)回路的耦合程度有較大的差異，所以必須進(jìn)行解 耦設(shè)計(jì)。 進(jìn)一步確定各子系統(tǒng)的主導(dǎo)特性。而在本次設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型是給定的，其數(shù)學(xué)模型如下： ??????????????????????? ?? )( )(111121)()(2sQsQesessQsC ss (31) 式中， C， Q， Q1， Q2 分別表示混合后氣體氧含量、用氣流量、空氣流量和尾氣流量。本文依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，針對(duì)實(shí)際工藝配氣過程中存在滯后性和耦合性的特點(diǎn)，采用基于帶死區(qū)的增量式 PID 算法并加入前饋補(bǔ)償解耦 算法設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制器 。 (4)模擬量輸入輸出模塊 ： 型號(hào)為 SM334， 實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的采集和控制信號(hào)的輸出 。 它將 220V 交流 電壓轉(zhuǎn)變?yōu)樗璧?24V 直流工作電壓 ,輸出電流為 5A。 控制系統(tǒng)組成 控制系統(tǒng)采用兩級(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)， 如圖 所示。由于閥芯在閥體內(nèi)移動(dòng)，改變了閥芯與閥座之間的流通面積，即改變了閥的阻力系數(shù)，被控介質(zhì)的流量相應(yīng)地改變，從而達(dá)到調(diào)節(jié)工藝變量的目的。 圖 為電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)方框圖。三種變送器各用所長(zhǎng)，其中擴(kuò)散硅式差壓變送器是無杠桿變送器，它采用硅杯 壓阻傳感器為敏感元件，具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，精度也較高。 該型號(hào)流量計(jì)不僅能滿足控制精度，而且安裝方便，采用金屬管制造，持久耐用，不易破損，而且能耐一定壓力。目前最流行、最廣泛的分類法，即分為 ： 容積式流量計(jì)、差壓式流 量計(jì)、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、電磁流量計(jì)、流體振蕩流量計(jì)中的渦輪 流量計(jì)、質(zhì)量流量計(jì)等。至今為止，可供工業(yè)用的流量?jī)x表種類達(dá) 60 種之多。 S7300 PLC 具有多種不同的通信接口，并通過多種通信處理器來連接ASI 總線接口和工業(yè)以太網(wǎng)總線系統(tǒng)；串行通信處理器用來連接點(diǎn)到點(diǎn)的通信系統(tǒng)；多點(diǎn)接口 （ MPI）集成在 CPU中，用于同時(shí)連接編程器、 PC機(jī)、人機(jī)界面系統(tǒng)及其他 SIMATIC S7/M7/C7 等自動(dòng)化控制系統(tǒng) [27]。 SIMATIC S7300 PLC 作為西門子公司的新一代產(chǎn)品，具有以下 特點(diǎn) ： S7300 PLC采用模塊化結(jié)構(gòu)，具備高速（ ~）的指令運(yùn)算速度；用浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算比較有效地實(shí)內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 現(xiàn)了更為復(fù)雜的算術(shù)運(yùn)算；一個(gè)帶標(biāo)準(zhǔn)用戶接口的軟件工具方便用戶給所有模塊進(jìn)行參數(shù)賦值；方便的人機(jī)界面服務(wù)已經(jīng)集成在 S7300 操作系統(tǒng)內(nèi)，人機(jī)對(duì)話的編程要求大大減少。 M C G S 工 控 組 態(tài) 軟 件主 控 窗 口 設(shè) 備 窗 口 用 戶 窗 口 實(shí) 時(shí) 數(shù) 據(jù) 庫(kù) 運(yùn) 行 策 略菜 單 設(shè) 計(jì)設(shè) 置 工 程 屬 性添 加 工 程 設(shè) 備連 接 設(shè) 備 變 量注 冊(cè) 設(shè) 備 驅(qū) 動(dòng)創(chuàng) 建 動(dòng) 畫 顯 示設(shè) 置 報(bào) 警 窗 口人 機(jī) 交 互 界 面定 義 數(shù) 據(jù) 變 量編 寫 控 制 流 程使 用 功 能 構(gòu) 件 圖 MCGS 組成結(jié)構(gòu) 它為用戶提供了解決實(shí)際工程問題的完整方案和開發(fā)平臺(tái)，能夠完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)和歷史曲線處理、報(bào)警和安全機(jī)制、流程控制、動(dòng)畫顯示、趨勢(shì)曲線和報(bào)表輸出以及企業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)等功能，具有操作簡(jiǎn)單、可視性好、可維護(hù)性強(qiáng)、高性能、高可靠性能等突出特點(diǎn)，已成功應(yīng)用于石油化工、鋼鐵行業(yè)、水處理、航空航天等領(lǐng)域，經(jīng)過各種現(xiàn)場(chǎng)的長(zhǎng)期實(shí)際運(yùn)行，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠 [19]。 PLC（ Programmable Logical Controller） 稱為可編程 邏輯控制器，是一種以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通訊技術(shù)發(fā)展起來的一種通用的工業(yè)自動(dòng)控制裝置，由于它擁有體積小、功能能強(qiáng)大、程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，特別是它適應(yīng)惡劣工業(yè)環(huán)境的能力和高可靠性，使它的應(yīng) 用越來越廣泛，稱為現(xiàn)代工業(yè)的三大支柱之一（即 PLC、機(jī)器人和 CAD/CAM）。 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 兩級(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 遵循“集中監(jiān)視，分散控制”的原則，本設(shè)計(jì)采用兩級(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。 1964 年 Man 在現(xiàn)代控制理論的框架下正式提出了多輸入多輸出線性系統(tǒng) (MIMO)的輸入輸出解耦 問題，即無交互系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問題 。同時(shí)，本系統(tǒng)中對(duì)于流量的控制在工業(yè)生產(chǎn)過程中屬于快速變化的系統(tǒng)。 (1)帶死區(qū)的增量式 PID 算法 隨著工業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展和各種先進(jìn)技術(shù)的廣泛應(yīng) 用，工業(yè)過程的自動(dòng)控制理論和技術(shù)已有了很大發(fā)展。氧化爐用氣的配置過程實(shí)質(zhì)是空氣和尾氣 (尾氣的氧含量還是不斷變化而且不確定的 )的兩者的相互混合的過程，是一個(gè) 雙輸入雙輸出系統(tǒng)，氧含量回路和流量回路之間互相關(guān)聯(lián)，存在嚴(yán)重的耦合，需要對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行分析，根 據(jù)已知的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)解耦 控制器，這樣才能消除回路之間的相互影響，使得控制效果達(dá)到要求。 (1)控制要求 通過上節(jié)對(duì)氧化鋅晶須生長(zhǎng)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。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)。第一，為了充分利用資源，降低生產(chǎn)成本。它是一個(gè)典型的雙輸入雙輸出的控制系統(tǒng)，包含氧含量和流量?jī)蓚€(gè)控制回路。圖中 N 線、 O 線、 F 線分別代表氧化氣氛 為 5%O2(體積分?jǐn)?shù) )+N 12%02(體積分?jǐn)?shù) )+N空氣，下標(biāo) 4 代表 4 個(gè)氧化溫度 ，如圖 所示 。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(dòng)操作完成的。尾氣存放在與氧化爐相連的尾氣儲(chǔ)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(dòng)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(dòng)調(diào)節(jié)閥將流量控制到需要的值，將其通入到氧化爐中。 第六章為結(jié)束語(yǔ)，對(duì)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)。并在此基礎(chǔ)上，從自動(dòng)控制的基本思想出發(fā)，提出以穩(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) 。因此，為了讓氧化鋅晶須生產(chǎn)工藝流程內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 安全可靠的運(yùn)行，設(shè)置了各個(gè)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。 研究?jī)?nèi)容 本次設(shè)計(jì) 以氧化鋅晶 須生產(chǎn)過程 為研究對(duì)象，將混合氣體配置系統(tǒng)作為被控對(duì)象，分別采用前饋補(bǔ)償解耦 算法和增量式 PID 控制算法實(shí)現(xiàn)氣體混合后流量和氧含量的恒定。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 PID，而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。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(dòng)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(dòng)很大，導(dǎo)致實(shí)際的控制效果大打折扣。 控制系統(tǒng)研究現(xiàn)狀 在國(guó)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?？捎糜谥苽淇咕?、脫臭材料，目前正在積極的試驗(yàn)中?？蓮V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。氧化鋅晶須還可吸收聲振動(dòng)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。目前己經(jīng)應(yīng)用到了微波加熱元 件中。在 PEEK、 PES、 PPS 等樹脂中加入 ZnOw，用作耐磨齒輪或軸承己獲得應(yīng)用。 (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。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。 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、欽酸鉀晶須、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。與其它方法相比，該方法簡(jiǎn)化了制備工藝及設(shè)備，降低了成本，并較大幅度地 提高了 ZnO 晶須的收率及規(guī)整度。該方法對(duì)原料勿需進(jìn)行預(yù)處理，對(duì) Zn 的粒度無苛刻要求 ； 生產(chǎn)周期短，每批樣品僅需 15min 左右 ； 產(chǎn)品收率及純度高，產(chǎn)品為白內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 色疏松狀固體，顯微結(jié)構(gòu)為立體四針狀，針長(zhǎng) 10~200μm，根部直徑為 ~10μm； 成本低，設(shè)備投資少，由于沒有特殊的預(yù)處理和預(yù)氧化等工藝，反應(yīng)在大氣環(huán)境下進(jìn)行，且原料來源廣泛，價(jià)廉易得 ，所以生產(chǎn)成本 較低。 (3)將鋅粉與 CO32(或 HCO3)及 H2O 按一定比例混合，在規(guī)定條件下生成 ZnCO3，然 后加熱至特定溫度， ZnCO3 則慢慢分解形成 ZnO 晶須。 氧化鋅晶須制備方法的研究 氧化鋅晶須的制備和生產(chǎn)主要有以下幾類方法 [3]： (1)將 Zn粉預(yù)氧化使其表面覆蓋氧化膜，再對(duì)這種帶膜的鋅粉在 1000℃ 左右加熱 1h，制成 ZnO 晶須。現(xiàn)已有比較成熟的制備工藝和工業(yè)規(guī)模的生產(chǎn)裝置。 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(cè)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。 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。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。針狀的氧化鋅晶須是氧化鋅晶體由單一方向發(fā)育形成，其外形如線條狀，截面呈柱狀，無色透明，表象為極高凸起，平行光滑，正延長(zhǎng)。其有多種優(yōu)良的物理性能并廣泛應(yīng)用于橡膠、陶瓷、涂料以及光電子等領(lǐng)域。陶瓷質(zhì)晶須主要指各種氧化物、碳化物、氮化物及石墨等晶須，與其它晶須相比，這些晶須具有更高的強(qiáng)度、模量及耐熱性等特點(diǎn)。MCGS。 關(guān)鍵詞： 氧化鋅晶須； PID 控制； MCGS；可編程控制器 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） The production of zinc oxide whisker system design based on MCGS Abstract The production process of zinc oxide whiskers are a more plex a result of relying on a