【導(dǎo)讀】氧化鋅晶須生產(chǎn)過(guò)程是一個(gè)較為復(fù)雜的過(guò)程。由于長(zhǎng)期依靠人工經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)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。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。鋅晶須生產(chǎn)過(guò)程中的氧含量和流量進(jìn)行了控制。行了仿真驗(yàn)證；PID算法采用SiemensPLCS7-300系列的STEP7軟件編制。

　　

【正文】 到的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào) (電壓15V、電流 420mA)，它是基于負(fù)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(kuò)散硅式差壓變送器。三種變送器各用所長(zhǎng)，其中擴(kuò)散硅式差壓變送器是無(wú)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。 綜合上述優(yōu)點(diǎn)和實(shí)際情況， 采用 濺射薄膜壓力變送器，它是基于擴(kuò)散硅式差壓變送 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書（畢業(yè) 論文 ） 調(diào) 零 、 零 點(diǎn) 遷 移測(cè) 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(shí)際檢測(cè)的需要。 執(zhí)行器 執(zhí)行器由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是指產(chǎn)生推力或位移的裝置，調(diào)節(jié)機(jī)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(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)方框圖。 私 服 放 大 器 操 作 器 私 服 電 機(jī) 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(jī) 構(gòu) 圖 電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)方框圖 電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)有角行程和直行程兩種，它將輸入的直流電流信號(hào)線性地轉(zhuǎn)換成位移量。這兩種執(zhí)行機(jī)構(gòu)均是以兩相交流電機(jī)為動(dòng)力的位置伺服機(jī)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(jī)構(gòu)又稱調(diào)節(jié)閥，它和普通閥門一樣是一個(gè)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(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。 由于調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)直接與被控介質(zhì)接觸，為適應(yīng)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(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書（畢業(yè) 論文 ） 多級(jí)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(shí)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(dòng)作可靠等優(yōu)點(diǎn)。 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。 上位機(jī)為裝有 MCGS 組態(tài)軟件的 PC 機(jī)，下位機(jī) 采用西門子公司 S7300 系列的 PLC。 CPU 模塊為 CPU312，主要對(duì) 各個(gè)輸入模塊傳輸來(lái)的指令、信號(hào)和數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理，然后通過(guò)輸出模塊，輸出給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)需要的動(dòng)作 ； 數(shù)字量輸入模塊和模擬量輸入分別采集現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)字量信號(hào)和模擬量信號(hào)，送入 CPU 進(jìn)行處理，數(shù)字量輸出模塊和模擬量輸出模塊對(duì)繼電器、接觸器、電磁閥和電動(dòng)調(diào)節(jié)閥等執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)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(jī)儲(chǔ)氣罐壓力變送器一號(hào)空壓機(jī)工作信號(hào)用氣點(diǎn)流量計(jì)信號(hào)空氣流量計(jì)信號(hào)尾氣流量計(jì)信號(hào)氧含量檢測(cè)信號(hào)一號(hào)空壓機(jī)工作信號(hào)二號(hào)空壓機(jī)工作信號(hào)用氣點(diǎn)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制信號(hào)空氣電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制信號(hào)尾氣電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制信號(hào)電磁閥控制信號(hào)一號(hào)空壓機(jī)工作狀態(tài)指示信號(hào)二號(hào)空壓機(jī)工作狀態(tài)指示信號(hào)工作正常及報(bào)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(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書（畢業(yè) 論文 ） PLC 各模塊型號(hào)和具體功能如下： (1)電源模塊 ： 型號(hào)為 PS307,為 PLC 的 CPU 模塊 、 功能模塊和擴(kuò)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(hào)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(hào)為 SM323，實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的采集和控制信號(hào)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(hào)為 SM334， 實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的采集和控制信號(hào)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(duì)電動(dòng)調(diào)節(jié) 閥的控制。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)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(jì) 在氧化鋅晶須加工的過(guò)程中 ， 產(chǎn)品的品質(zhì)會(huì)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(guò)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(chǎng)情況，針對(duì)實(shí)際工藝配氣過(guò)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 。 系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型有兩種方法：機(jī)理分析方法和實(shí)驗(yàn)方法。機(jī)理分析法需要深入分析系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，利用己知的物理定律和方程，作為建立數(shù)學(xué)模型的依據(jù)。實(shí)驗(yàn)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(jì)出模型中有關(guān)參數(shù)的值。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。 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(jì) 多輸入多輸出（ MIMO）系統(tǒng)建模方法 對(duì)于 MIMO 系統(tǒng)解耦控制器的設(shè)計(jì)，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(biāo)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(duì)實(shí)際被控系統(tǒng)進(jìn)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(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書（畢業(yè) 論文 ） 對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。 對(duì)于 MIMO 系統(tǒng)，設(shè)置一個(gè)輸入量（設(shè)為第 i個(gè)輸入量）為階躍信號(hào)，其余輸入量為穩(wěn)態(tài)恒定值，得到各輸出對(duì)此輸入信號(hào)的靈敏度 ,然后對(duì)其余的輸入做同樣的處理 ,最終得到整個(gè)被控系統(tǒng)的基本特性。 進(jìn)一步確定各子系統(tǒng)的主導(dǎo)特性。因?yàn)閷?duì)于 MIMO 系統(tǒng)，從理論上說(shuō)，各個(gè)輸入都可對(duì)輸出量 j 產(chǎn)生影響，而且這些影響也會(huì)各有其不同響應(yīng)特性。為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，往 往通過(guò)輸入輸出特性分析得出輸出量 j 的主導(dǎo)特性，如果輸出量 j 對(duì)輸入量 i的靈敏度很小，就可以認(rèn)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(jì)各自的閉環(huán)控制提供依據(jù)，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程。 (2)設(shè)計(jì)解耦 控制器 ，使耦合的對(duì)象變成一個(gè)無(wú)耦 合的控制對(duì)象 ，或者耦 合程度極其輕微的控制對(duì)象 ， 成為單回路控制系統(tǒng) 。 解耦控制器的設(shè)計(jì)思路 在氧化鋅晶須加工過(guò)程控制系統(tǒng)的配氣過(guò)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)。典型的解耦設(shè)計(jì)方法有對(duì)角矩陣解耦和改變目標(biāo)矩陣的解耦。對(duì)角矩陣解耦的一個(gè)重要特性是解耦目標(biāo)矩陣 GA（ s）保留了原耦合矩陣的主對(duì)角線上的元素，而非主對(duì)角線上的元素為零。而改變目標(biāo)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(shí)改變各個(gè)控制通道的特性，使各個(gè)獨(dú)立的控制系統(tǒng)變得更加容易控制，前饋補(bǔ)償解耦法就是其中一種。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(lái)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(guò)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(guò)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。前饋補(bǔ)償解耦法具有運(yùn)算簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)偏差小、響應(yīng)速度快、內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書（畢業(yè) 論文 ） 過(guò)渡時(shí)間短、容易在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)。 前饋補(bǔ)償解耦控制器設(shè)計(jì)原理 圖 為前饋補(bǔ)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(shí)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(bǔ)償解耦控制系統(tǒng)方框圖 前饋補(bǔ)償解耦 法實(shí)際上是把某通道的調(diào)節(jié)器輸出對(duì)另外通道的影響看作是 擾動(dòng)作用，然后應(yīng)用前饋控制的原理，解除控制回路之間的耦 合。例如， U1 會(huì)影響 Y2，對(duì)第二個(gè)回路來(lái)說(shuō)是一個(gè)擾動(dòng)因素，通過(guò)解耦 裝置的 Df2(s)環(huán)節(jié)產(chǎn)生的控制作用 U2 來(lái)補(bǔ)償 U1對(duì) Y2 的影響。因此，可以按前饋控制的不變性原理來(lái)設(shè)計(jì) 解耦 控制器 Df1(s)和 Df2(s)。 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(shuō)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。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(lái)的傳遞函數(shù) G11(s)了。 通過(guò)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(jì)前饋解耦 控制器時(shí)還應(yīng)注意以下幾個(gè)問(wèn)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。 (2)當(dāng)需要?jiǎng)討B(tài)解耦時(shí)， Df1(s)一般可采用1121 ??sTsTk的形式。 (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。因此，對(duì)于雙 輸入雙輸出系統(tǒng)，當(dāng) G11(s)G22(s)和 G12(s)G21(s)很接近時(shí)，解耦時(shí)比較困難的。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)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(guò)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)。 PID 控制原理 PID 控制器包括比例、積分和微分三部分，其