【導讀】氧化鋅晶須生產(chǎn)過程是一個較為復雜的過程。由于長期依靠人工經(jīng)驗，現(xiàn)場操作缺。乏科學的指導，使得通入氧化爐的氣體參數(shù)不穩(wěn)定，導致氧化鋅晶須產(chǎn)品質(zhì)量低。行了配氣控制系統(tǒng)的研究和設(shè)計。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。鋅晶須生產(chǎn)過程中的氧含量和流量進行了控制。行了仿真驗證；PID算法采用SiemensPLCS7-300系列的STEP7軟件編制。

　　

【正文】 到的壓力信號轉(zhuǎn)換為相應的統(tǒng)一標準信號 (電壓15V、電流 420mA)，它是基于負反饋原理工作的，如圖 所示。 常用的差壓變送器有力平衡式差壓變送器、電容式差壓變送器和擴散硅式差壓變送器。三種變送器各用所長，其中擴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)簡單和穩(wěn)定性好等優(yōu)點，精度也較高。 綜合上述優(yōu)點和實際情況， 采用 濺射薄膜壓力變送器，它是基于擴散硅式差壓變送 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 調(diào) 零 、 零 點 遷 移測 量 部 分 C 放 大 器 K反 饋 部 分 F輸 出輸 入+ 圖 變送器構(gòu)成原理圖 器的原理制造的，能滿足實際檢測的需要。 執(zhí)行器 執(zhí)行器由執(zhí)行機構(gòu)和調(diào)節(jié)機構(gòu)組成。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。 圖 為電動執(zhí)行機構(gòu)方框圖。 私 服 放 大 器 操 作 器 私 服 電 機 減 速 器位 置 發(fā) 生 器輸 入位 置 反 饋放 大 器閥 位顯 示輸 出執(zhí) 行 機 構(gòu) 圖 電動執(zhí)行機構(gòu)方框圖 電動執(zhí)行機構(gòu)有角行程和直行程兩種，它將輸入的直流電流信號線性地轉(zhuǎn)換成位移量。這兩種執(zhí)行機構(gòu)均是以兩相交流電機為動力的位置伺服機構(gòu)，兩者電氣原理完全相同，只是減速器不一樣。 調(diào)節(jié)機構(gòu)又稱調(diào)節(jié)閥，它和普通閥門一樣是一個局部阻力可以變化的節(jié)流元件。由于閥芯在閥體內(nèi)移動，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)的流量相應地改變，從而達到調(diào)節(jié)工藝變量的目的。 由于調(diào)節(jié)機構(gòu)直接與被控介質(zhì)接觸，為適應各種使用要求，閥芯、閥體有不同的結(jié)構(gòu)，使用的材料各不相同 。常見的閥芯型式有平板型閥芯、柱塞型閥芯、窗口型閥芯和內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 多級閥芯 ； 常見的閥體有直通單座調(diào)節(jié)閥、直通雙座調(diào)節(jié)閥、角形 閥、三通閥、蝶閥、套筒型調(diào)節(jié)閥、偏心旋轉(zhuǎn)閥和高壓調(diào)節(jié)閥等。 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。 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。 上位機為裝有 MCGS 組態(tài)軟件的 PC 機，下位機 采用西門子公司 S7300 系列的 PLC。 CPU 模塊為 CPU312，主要對 各個輸入模塊傳輸來的指令、信號和數(shù)據(jù)進行運算處理，然后通過輸出模塊，輸出給執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)需要的動作 ； 數(shù)字量輸入模塊和模擬量輸入分別采集現(xiàn)場的數(shù)字量信號和模擬量信號，送入 CPU 進行處理，數(shù)字量輸出模塊和模擬量輸出模塊對繼電器、接觸器、電磁閥和電動調(diào)節(jié)閥等執(zhí)行機構(gòu)進行控制。 電 源模 塊C P U模 塊模 擬 量 模 塊4 A I / 2 A O模 擬 量 模 塊4 A I / 2 A O數(shù) 字 量 模 塊8 D I / 8 D O上 位 機儲氣罐壓力變送器一號空壓機工作信號用氣點流量計信號空氣流量計信號尾氣流量計信號氧含量檢測信號一號空壓機工作信號二號空壓機工作信號用氣點電動調(diào)節(jié)閥控制信號空氣電動調(diào)節(jié)閥控制信號尾氣電動調(diào)節(jié)閥控制信號電磁閥控制信號一號空壓機工作狀態(tài)指示信號二號空壓機工作狀態(tài)指示信號工作正常及報警指示燈適 配 器 圖 PLC 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） PLC 各模塊型號和具體功能如下： (1)電源模塊 ： 型號為 PS307,為 PLC 的 CPU 模塊 、 功能模塊和擴展模塊提供直流24V 電源 。 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。 (2)CPU 模塊：型號為 CPU312，是 PLC 的中央處理單元，適用于要求高速處理和 中等 I/O 規(guī)模的系統(tǒng)，能夠裝載較大規(guī)模的程序，且指令執(zhí)行速度也比較快，適合于本 系統(tǒng)的控制要求。 (3)數(shù)字量輸入輸出模塊 ：型號為 SM323，實現(xiàn)數(shù)字信號的采集和控制信號的輸出。在本系統(tǒng)中有電磁閥的控制等。 (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 。在本系統(tǒng)中輸入有流量 、 氧含量和壓力的數(shù)據(jù)采集 ， 輸出為對電動調(diào)節(jié) 閥的控制。 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 第三章 氧化鋅晶須生 產(chǎn)控制系統(tǒng)控制器設(shè)計 在氧化鋅晶須加工的過程中 ， 產(chǎn)品的品質(zhì)會受到通入氧 化爐的氣體氧含量、流量和氧化爐溫度等工藝過程變量的影響而變得不穩(wěn)定。在這些變量中，以氧化爐用氣的氧含量和流量的影響最大。本文依據(jù)現(xiàn)場情況，針對實際工藝配氣過程中存在滯后性和耦合性的特點，采用基于帶死區(qū)的增量式 PID 算法并加入前饋補償解耦 算法設(shè)計自動控制系統(tǒng)的控制器 。 系統(tǒng)的數(shù)學模型 建立系統(tǒng)的數(shù)學模型有兩種方法：機理分析方法和實驗方法。機理分析法需要深入分析系統(tǒng)的運動規(guī)律，利用己知的物理定律和方程，作為建立數(shù)學模型的依據(jù)。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。而在本次設(shè)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。 C和 Q 為被控變量， Q1 和 Q2為操作變量。 解耦控制器的設(shè)計 多輸入多輸出（ MIMO）系統(tǒng)建模方法 對于 MIMO 系統(tǒng)解耦控制器的設(shè)計，就是要求在充分了解被控系統(tǒng)耦合特性的基礎(chǔ)上， 確定期望性能指標和控制器類型和參數(shù)，消除耦合或者弱化耦合的影響，其基本思路是： (1)對實際被控系統(tǒng)進行輸入輸出特性分析 ,得到被控系統(tǒng)所固有的物理特性，即建立內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 對象的數(shù)學模型。 對于 MIMO 系統(tǒng)，設(shè)置一個輸入量（設(shè)為第 i個輸入量）為階躍信號，其余輸入量為穩(wěn)態(tài)恒定值，得到各輸出對此輸入信號的靈敏度 ,然后對其余的輸入做同樣的處理 ,最終得到整個被控系統(tǒng)的基本特性。 進一步確定各子系統(tǒng)的主導特性。因為對于 MIMO 系統(tǒng)，從理論上說，各個輸入都可對輸出量 j 產(chǎn)生影響，而且這些影響也會各有其不同響應特性。為了簡化系統(tǒng)設(shè)計，往 往通過輸入輸出特性分析得出輸出量 j 的主導特性，如果輸出量 j 對輸入量 i的靈敏度很小，就可以認為輸出量 j 基本不受輸入量 i 影響，從而為各子系統(tǒng)設(shè)計各自的閉環(huán)控制提供依據(jù)，簡化設(shè)計過程。 (2)設(shè)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) 。 解耦控制器的設(shè)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(shè)計。典型的解耦設(shè)計方法有對角矩陣解耦和改變目標矩陣的解耦。對角矩陣解耦的一個重要特性是解耦目標矩陣 GA（ s）保留了原耦合矩陣的主對角線上的元素，而非主對角線上的元素為零。而改變目標矩陣的解耦方法是在加入一組解耦網(wǎng)絡(luò)以后，在解除系統(tǒng)間的耦合之外，同時改變各個控制通道的特性，使各個獨立的控制系統(tǒng)變得更加容易控制，前饋補償解耦法就是其中一種。從MIMO 控制系統(tǒng)設(shè)計方法的工程性、實用性的角度來出發(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，采用前饋補償解耦法，通過改變系統(tǒng)的目標矩陣 GA（ s），再設(shè)計一個 PI 控制器，通過設(shè)計反饋控制系統(tǒng)的參數(shù)，使閉環(huán)控制系統(tǒng)達到期望的動、靜態(tài)性能與較好的抗干擾能力。前饋補償解耦法具有運算簡單、動態(tài)偏差小、響應速度快、內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 過渡時間短、容易在計算機上實現(xiàn)等特點。 前饋補償解耦控制器設(shè)計原理 圖 為前饋補償解耦控制系統(tǒng)的方框圖。其中： R R2 為設(shè)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。 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)。 D f 1 ( s )G c 2 ( s )D f 2 ( s )G c 1 ( s ) G 1 1 ( s )G 2 1 ( s )G 1 2 ( s )G 2 2 ( s )R 1+R 2U 1U 2Y 1Y 2+++++++++ 圖 前饋補償解耦控制系統(tǒng)方框圖 前饋補償解耦 法實際上是把某通道的調(diào)節(jié)器輸出對另外通道的影響看作是 擾動作用，然后應用前饋控制的原理，解除控制回路之間的耦 合。例如， U1 會影響 Y2，對第二個回路來說是一個擾動因素，通過解耦 裝置的 Df2(s)環(huán)節(jié)產(chǎn)生的控制作用 U2 來補償 U1對 Y2 的影響。因此，可以按前饋控制的不變性原理來設(shè)計 解耦 控制器 Df1(s)和 Df2(s)。 對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)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 采用前饋補償解耦后， 可得 ： ??? )()(2111sG sG ???)()(2212sG sG ??? )(12 sDf ???1 )(1sDf = ????? ?0)()()()()(2221122211 sG sGsGsGsG ??????)()()()()(01121122211 sG sGsGsGsG (36) 可見，前饋解耦 后所得的仍是對角矩陣。這樣也完全解除了各回路之間的關(guān)聯(lián)，但是各條通道的傳遞函數(shù)并不是原來的傳遞函數(shù) G11(s)了。 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(shè)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 ： 11121 kkDf ?? ；22212 kkDf ?? 實踐表明，在很多情況下， 特別是在 G12(s)與 G11(s)和 G21(s)與 G22(s)動態(tài) 響應相近時，用靜態(tài)解耦 就能取得很好的效果。 (2)當需要動態(tài)解耦時， Df1(s)一般可采用1121 ??sTsTk的形式。 (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。因此，對于雙 輸入雙輸出系統(tǒng)，當 G11(s)G22(s)和 G12(s)G21(s)很接近時，解耦時比較困難的。 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 增量式 PID 控制器設(shè)計 對于實際的過程控制，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)簡單、易于實現(xiàn)、可靠性高等優(yōu)點，進行流量的快速調(diào)節(jié)。 PID 控制原理 PID 控制器包括比例、積分和微分三部分，其