【正文】 (2)當需要動態(tài)解耦時， Df1(s)一般可采用1121 ??sTsTk的形式。其中： R R2 為設定值，分別表示混合氣體的氧含量、流量； U U2 為操縱變量，分別表示空氣流量和尾氣流量； Y Y2為被控變量的實際反饋值。 (2)設計解耦 控制器 ，使耦合的對象變成一個無耦 合的控制對象 ，或者耦 合程度極其輕微的控制對象 ， 成為單回路控制系統(tǒng) 。實驗方法 是在得到系統(tǒng)的模型結(jié)構(gòu)之后，根據(jù)系統(tǒng)的輸入輸出數(shù)據(jù)所提供的信息，估計出模型中有關(guān)參數(shù)的值。在本系統(tǒng)中有電磁閥的控制等。 本系統(tǒng)的實際工況是小流量的氣體，采用 V型球閥閥體比較合適， 它的內(nèi)置式電子伺服控制器和執(zhí)行器為一體化結(jié)構(gòu)，具有精度高、結(jié)構(gòu)緊湊和動作可靠等優(yōu)點。執(zhí)行機構(gòu)是指產(chǎn)生推力或位移的裝置，調(diào)節(jié)機構(gòu)是指直接改變能量或物料輸送量的裝置，通常稱調(diào)節(jié)閥。浮子流量計是僅次于差壓式流量計應用范圍最 寬廣的一類流量計，特別在小、微流量方面有舉足輕重的作用，具有以下特點： (1)玻璃錐管浮子流量計結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，缺點是耐壓力低，有玻 璃 易碎的較大風險 ； (2)適用于小管徑和低流速 ； (3)壓 力損失較低。 流量測量方法和儀表的種類繁多，分類方法也很多。隨著技術(shù)的進步，微處理器 (Microprocessor Unit，即 MPU)獲得廣泛應用，一些 PLC 生產(chǎn)廠家開始采用微處理器作為 PLC 的中央處理單元，大大加強了PLC 的功能，不僅具有邏輯控制功能，而且具有算術(shù)運算功能和對模擬量的控制功能。 PLC 與 PC 機通過 PLC專用的適配器連接，從而實現(xiàn)兩者的通訊。它是由 Roksenbom和 Hoodifol提出來的，他們最先將矩陣分析 法應用于多變量控制系統(tǒng)分析，分析了有關(guān)飛行器控制的問題，即如何通過分別控制燃料與推進器葉片角度來控制飛行器發(fā)動機的速度與功率，并使這兩個控制系統(tǒng)互不干涉。因此，采用前饋補償解耦控制算法來消除配氣過程中系統(tǒng)的耦 合，主回路采用帶死區(qū)的增量式 PID 控制算法。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)濟效益。 生產(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。 經(jīng)過大量實驗可得： 鋅蒸氣在溫度為 850℃ ， 900℃ ， 950℃ ， 980℃ 時不同氧化氣氛下的 at 曲線。 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。 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。而在解決這一類的氣體混合控制中，也有學者提出了一種集成的智能控制策略，通過將經(jīng)典 PID 控制、前饋控制、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。其主要缺點為 ： 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 合作用非常強烈，導致調(diào)節(jié) 精度不高。 (8)氧化鋅晶須復合抗菌劑 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菌及其殘骸，添加適量的氧化鋅晶須可制成的復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菌的殺滅率達 99%以上，且用于動物試驗無不良反應。氧化鋅晶須 /橡膠復合材料可廣泛用于上木建筑、機械結(jié)構(gòu)、鐵路隧道、 交通運輸?shù)阮I(lǐng)域作減振降噪材料。 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。 (2)靜電及導電高分子復 合材料 氧化鋅晶須的三維結(jié)構(gòu)，能形成非常有效的導電通道 (三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu) )，從而高效地賦予材料的導電性。陳化的鋅粉與白碳黑按比例混合均勻，將混合好的原料放入馬福爐 (900~1000℃ )，同時以一定的速度通入壓縮空氣，在白碳黑上層得到 ZnO 晶須絮團。 該法所用惰性氣體一般為 N2 或 Ar 等，對純度要求較高，反應溫度一般在900~1000℃ ，該法需要消耗大量惰性氣體， 生產(chǎn)成本較高 。 氧化鋅晶須國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 八十年代中后期，國外開始對四角狀氧化 鋅晶須進行較為深入 的研究。因此，在國防、交通、化工、輕工、電子等領(lǐng)域也有 著廣闊的應用前景 [5]。 氧化鋅晶須 (Zinc Oxide Whiskers，簡稱 Znow)，是 氧化鋅的單晶體， 有兩種典型形態(tài)：一種是纖維狀 (針狀 )晶須，另一種是四針狀晶須 (Tetrapodlike zinc oxide whiskers，簡稱 TZnow)。晶須主要有聚合物晶須、陶瓷晶須以及無機鹽晶須。這實現(xiàn)了對氧化鋅晶須生產(chǎn)自動控制系統(tǒng)的配氣過程重要參數(shù)的監(jiān)視、氧含量和流量的穩(wěn) 定控制和報警等功能。內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 畢業(yè)設計說明書畢業(yè)論文 基于 MCGS 的氧化鋅晶須生產(chǎn)過程系統(tǒng)設計 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 摘 要 氧化鋅晶須生產(chǎn)過程是一個較為復雜的過程。 關(guān)鍵詞： 氧化鋅晶須； PID 控制； MCGS；可編程控制器 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計 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 artificial experience and lack of scientific guidance in the practical operation,and then the gas parameters accessed to the oxidation furnace are ,the product quality of zinc oxide whiskers is ,developing automatic control system and using the advanced control technology to the zinc oxide whiskers production process have a very imperious to improve the product quality of the zinc oxide whiskers and realize integrated automation of the production process. Zinc oxide whiskers production process is considered as the research object in the analyzing the relationships between gas parameters accessed to the oxidation furnace and the whiskers quality, the gas distribution control system is researched and designed according to the request of the main factors— the oxygen content and the gas first,the paper propose a framework for the structure of the control system,and summarized its features。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度、模量及耐熱性等特點。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。 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?，F(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。 (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。與其它方法相比，該方法簡化了制備工藝及設備，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。它的導電性是基于其單晶體本身具有導電性，而不需要借助于表面涂層和電鍍等方式。在 PEEK、 PES、 PPS 等樹脂中加入 ZnOw，用作耐磨齒輪或軸承己獲得應用。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，達到隔音效果，被用于制造音響設備的內(nèi)部骨和外殼?？捎糜谥苽淇咕?、脫臭材料，目前正在積極的試驗中。在工況穩(wěn)定的情況下，系統(tǒng)也需要經(jīng)過一段時間的震蕩才能過渡到穩(wěn)態(tài) ；抑制擾動的能力不強，而系統(tǒng)運行時的工況較不穩(wěn)定， 擾動很大，導致實際的控制效果大打折扣。 研究內(nèi)容 本次設計 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，分別采用前饋補償解耦 算法和增量式 PID 控制算法實現(xiàn)氣體混合后流量和氧含量的恒定。并在此基礎上，從自動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的控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架和功能特點 。尾氣存放在與氧化爐相連的尾氣儲氣罐中，通過尾氣壓縮機將其抽出，與空氣壓縮機出來的空氣進行混合，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，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。圖中 N 線、 O 線、 F 線分別代表氧化氣氛 為 5%O2(體積分數(shù) )+N 12%02(體積分數(shù) )+N空氣，下標 4 代表 4 個氧化溫度 ，如圖 所示 。第一，為了充分利用資源，降低生產(chǎn)成本。 (1)控制要求 通過上節(jié)對氧化鋅晶須生長機理過程的分析可以看出，較高的轉(zhuǎn)化率和較快的轉(zhuǎn)化速度是實際工藝生產(chǎn)過程所希望得到的。 (1)帶死區(qū)的增量式 PID 算法 隨著工業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展和各種先進技術(shù)的廣泛應 用，工業(yè)過程的自動控制理論和技術(shù)已有了很大發(fā)展。 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)的設計問題 。 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，綜合了現(xiàn)代計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和通訊技術(shù)發(fā)展起來的一種通用的工業(yè)自動控制裝置，由于它擁有體積小、功能能強大、程序設計簡單、維護方便等優(yōu)點，特別是它適應惡劣工業(yè)環(huán)境的能力和高可靠性，使它的應 用越來越廣泛，稱為現(xiàn)代工業(yè)的三大支柱之一（即 PLC、機器人和 CAD/CAM）。 SIMATIC S7300 PLC 作為西門子公司的新一代產(chǎn)品，具有以下 特點 ： S7300 PLC采用模塊化結(jié)構(gòu)，具備高速（ ~）的指令運算速度；用浮點數(shù)運算比較有效地實內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 現(xiàn)了更為復雜的算術(shù)運算；一個帶標準用戶接口的軟件工具方便用戶給所有模塊進行參數(shù)賦值；方便的人機界面服務已經(jīng)集成在 S7300 操作系統(tǒng)內(nèi)，人機對話的編程要求大大減少。至今為止，可供工業(yè)用的流量儀表種類達 60 種之多。 該型號流量計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。 圖 為電動執(zhí)行機構(gòu)方框圖。 控制系統(tǒng)組成 控制系統(tǒng)采用兩級計算機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)， 如圖 所示。 (4)模擬量輸入輸出模塊 ： 型號為 SM334， 實現(xiàn)模擬信號的采集和控制信號的輸出 。而在本次設計中，系統(tǒng)的數(shù)學模型是給定的，其數(shù)學模型如下： ??????????????????????? ?? )( )(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。 解耦控制器的設計思路 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，由于它們存在嚴重的耦合，且兩個回路的耦合程度有較大的差異，所以必須進行解 耦設計。 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)。 (3)當目標函數(shù)矩陣為奇異矩陣時，即目標函數(shù)矩陣的行列式為零時，采用 前饋時會使 Gij(s)Df1(s)為零矩陣。 通過前面的分析，可以由 式 (34)和式 (35)求得系統(tǒng)的解耦控制器，得： 5 2 3 2111)()()(11121 ??????????ssfesessGsGsD (37) 111)( )()( 22211 ????? sG sGsD f (38) 設計前饋解耦 控制器時還應注意以下幾個問題 ： (1)當前饋解耦只考慮靜態(tài)解耦 時，式 (34)和 式 (35)可寫成