基于模糊控制技術(shù)擺動式球磨機控制系統(tǒng)設(shè)計開題報告.doc

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1、1基于模糊控制的擺動式球磨機控制系統(tǒng)設(shè)計開題報告一、開題的目的及意義隨著社會的進(jìn)步，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，粉末工業(yè)是我國國民經(jīng)濟基礎(chǔ)原料產(chǎn)業(yè)，幾乎所有的現(xiàn)代新興技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展都源于粉末制備技術(shù)的進(jìn)步。粉末工業(yè)離不開粉末的加工設(shè)備球磨機。自1893年球磨機的出現(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，球蘑機也成為了陶瓷工業(yè)中粉磨工序中不可缺少的機械設(shè)備。從長遠(yuǎn)來看，今后相當(dāng)長的時期內(nèi)球蘑機仍將是陶瓷工業(yè)中原料磨碎作業(yè)的主要設(shè)備，因此對球蘑機的研究也受到了相關(guān)專家的高度重視，近年來國內(nèi)外也取得了許多成果。球磨機作為制粉的設(shè)備，它以可靠

2、性高、能常時間使用、維護量小等優(yōu)點，在國內(nèi)外仍被廣泛采用。球磨機制粉系統(tǒng)的任務(wù)是在保證球磨機安全運行的情況下，使磨出力達(dá)到最大，處于最佳經(jīng)濟運行工況。由于模糊控制技術(shù)的發(fā)展，模糊控制技術(shù)也廣泛應(yīng)用于球磨機控制系統(tǒng)中，模糊控制（fuzzycontrol,FC）是以模糊集合論、模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計算數(shù)字控制，是一種正在興起的能夠提高工業(yè)自動化能力的控制技術(shù)。本課題為基于模糊控制技術(shù)的擺動式球磨機控制系統(tǒng)設(shè)計，其原理是運用模糊控制技術(shù)控制球磨機的罐體做多維往復(fù)運動中，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，所釋放出能量的一部分轉(zhuǎn)化成瞬態(tài)變化的壓力波，即為

3、聲發(fā)射波。聲發(fā)射波在傳播過程中，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，聲發(fā)射波的變化將改變微小形變的大小。也就是說物體表而所產(chǎn)生的微小形變的大小反映了球磨機內(nèi)物料的物理狀態(tài)變化特征，而這一微小變化正是我們用來確定球磨機工作過程的負(fù)荷變化狀況特征量。特征量被采集后，經(jīng)過放大器放大，由高精度A/D轉(zhuǎn)換器送給單片機處理，最后由單片機進(jìn)行處理，通過模糊控制規(guī)則向球磨機的執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出控制命令。在球磨機研磨物料過程中，使磨介在罐內(nèi)不規(guī)則運動時，產(chǎn)生巨大的沖擊力，延長磨介的運動軌跡、提高沖擊能、減少撞擊盲點。其工作效率是傳統(tǒng)工藝的十幾倍，可以顯著提高罐內(nèi)磨介的沖擊能量和運動次數(shù)，使被粉碎的物質(zhì)

4、顆粒達(dá)到納米級。同時，大大提高了被粉碎顆粒的均勻度。本設(shè)計主要包括交流變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計、罐內(nèi)氣體（液體）壓力檢測系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計、工作機溫度監(jiān)測控制系統(tǒng)設(shè)計、模糊控制算法以及人機交互界面設(shè)計。本設(shè)計的主要目標(biāo)是實現(xiàn)對多維擺動式球磨機整個工作過程的智能控制。2用傳統(tǒng)的方法加工超細(xì)粉末，由于被加工物質(zhì)在有限的空間內(nèi)做二維高速旋轉(zhuǎn)運動，產(chǎn)生較大的沖擊力，隨著被加工物質(zhì)粒度的變細(xì)，而此時其物理、化學(xué)性質(zhì)也發(fā)生巨大變化。如不對其進(jìn)行必要的保護和實時監(jiān)測，會使加工不能正常進(jìn)行，甚至造成重大事故。這就是傳統(tǒng)人工觀測法所無法實現(xiàn)的。針對以上的問題，本課題是通過檢測罐內(nèi)氣體（液體）壓力來監(jiān)測罐體的安全狀況

5、。被加工物質(zhì)在惰性氣體（液體）保護下加工是安全、可靠的。同時也解決了某些物質(zhì)達(dá)到納米級時很難在空氣中存在的問題，是主要的測量項目之一。機械法加工超細(xì)粉末的保護和保原問題，是超細(xì)粉末制備技術(shù)迫切需要解決的難題。二、文獻(xiàn)綜述經(jīng)過對切題資料的詳細(xì)查詢和調(diào)研，對本設(shè)計題目的內(nèi)容有了深刻的認(rèn)識和了解。了解到智能控制與安全監(jiān)測自動化技術(shù)在工程應(yīng)用中重要的作用。模糊控制是一種較為典型的智能控制方法2,其最大的特點是將專家的經(jīng)驗和知識表示為語言規(guī)則去控制系統(tǒng),這樣可以不依賴被控對象的精確數(shù)學(xué)模型,對被控對象的參數(shù)具有較強的魯棒性。模糊控制系統(tǒng)中的智能控制系統(tǒng)的本質(zhì)是仿人或仿智，即宏觀結(jié)構(gòu)上和行為功能上對人控制

6、器進(jìn)行模擬，在人參與過程控制中，經(jīng)驗豐富的操作者不是依據(jù)數(shù)學(xué)模型，而是根據(jù)積累的經(jīng)驗和知識進(jìn)行在線推理確定或變換控制策略。而這些經(jīng)驗和知識反映系統(tǒng)運動狀態(tài)所有動態(tài)特征信息。多維擺動式球磨機控制系統(tǒng)控制復(fù)雜、綜合性強，它涉及信號的檢測與處理、控制算法選擇與實現(xiàn)、執(zhí)行機構(gòu)的選擇與控制以及計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計等1。另外，選用模糊控制的效果也比傳統(tǒng)的PID等控制方法有著明顯的優(yōu)，它具有達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速時間短、穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速波動小、反映靈敏、抗干擾能力強、節(jié)省電能等優(yōu)點。其主要設(shè)計思想是當(dāng)轉(zhuǎn)速偏差較大時采用Fuzzy控制，加快響應(yīng)速度；當(dāng)轉(zhuǎn)速偏差較小進(jìn)入穩(wěn)態(tài)過程，則由程序切換到PID控制，消除靜差。球磨機的組成復(fù)

7、雜，在了解各個部分性能的基礎(chǔ)上設(shè)計電氣控制電路，并采用適合超微細(xì)粉碎的控制策略，采用模糊控制，解決球磨機粉碎中的關(guān)鍵的問題。本次設(shè)計單片機選用AT89C52，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。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3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)

8、用軟件，即可組成完整的單片機系統(tǒng)4。單片機系統(tǒng)的應(yīng)用在擺動式球磨機的各種外圍器件與單片機的連接,包括A/D轉(zhuǎn)換，D/A轉(zhuǎn)換，譯碼器，鎖存器，鍵盤與顯示電路等與球磨機控制電路的連接借鑒了許多文獻(xiàn)的優(yōu)秀成果。多維擺動式球磨機的硬件核心是單片機及變頻調(diào)速電路，其它一些電源電路，報警電路，看門狗電路等都是不可或缺的部分。要使一個設(shè)計更適用于實際應(yīng)用，就必須完善設(shè)計在應(yīng)用中可能遇到的問題。因此，外圍的集成電路部分是必不可少的。為了提高單片機自身的抗干擾能力，防止程序在運行過程中發(fā)生跑飛，造成單片機程序“死循環(huán)”等情況，增加看門狗電路。由于擺動式球磨機在加工物料時根據(jù)物料的不同加工時間也不同所以還要增加時

9、鐘電路56。物料在擺動式球磨機在高速運動時，物料與周圍的碰撞其物理形狀發(fā)生改變，釋放出能量，產(chǎn)生熱量。為了能很好的監(jiān)視和控制擺動式球磨機在運動時的溫度，在控制電路加溫度傳感器，溫度傳感器選用熱電阻式溫度傳感器，其中將溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻變化的稱為熱電阻傳感器。熱電阻傳感器可分為金屬熱電阻式和半導(dǎo)體熱電阻式兩大類，前者簡稱熱電阻，后者簡稱熱敏電阻。常用的熱電阻材料有鉑、銅、鎳、鐵等，它具有高溫度系數(shù)、高電阻率、化學(xué)、物理性能穩(wěn)定、良好的線性輸出特性，且價格便宜。壓力測量選用真空壓力傳感器件。多維擺動式球磨機在高速運動中產(chǎn)生大量的熱量，當(dāng)溫度過高時系統(tǒng)很容易爆炸。這樣要對擺動式球磨機系統(tǒng)進(jìn)行溫度保護

10、，溫度保護有兩種，一氣體保護，是將罐體內(nèi)充滿惰性氣體，或?qū)⒐摅w內(nèi)抽成真空。二液體保護，將罐體內(nèi)充入惰性液體。根據(jù)他們的實用性，本次設(shè)計采用氣體保護。在溫度保護中還要注意罐體的密封性。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(jìn)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。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，這里采用測速發(fā)電機對交流電機進(jìn)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

11、3。綜上,基于模糊控制技術(shù)的多維擺動式球磨機控制系統(tǒng)的控制對象具有強非線性、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)，難以獲得精確的數(shù)學(xué)模型，采用傳統(tǒng)的PID控制無法達(dá)到希望的性能要求。根據(jù)相關(guān)技術(shù)目前的情況，4本次設(shè)計將以單片機為核心，采用模糊控制算法，選用DS1302作為時間記憶芯片，利用SA8282和IPM模塊組成的變頻調(diào)速電路，實現(xiàn)多維擺動式球磨機的智能控制。三、設(shè)計的內(nèi)容和擬解決的關(guān)鍵問題本次設(shè)計主要應(yīng)用了模糊控制技術(shù)，單片機技術(shù)，來實現(xiàn)擺動式球磨機的計算機自動控制。模糊控制技術(shù)與單片機技術(shù)的主要討論的內(nèi)容如下：模糊控制器的設(shè)計，模糊控制技術(shù)是以模糊集合理

12、論為基礎(chǔ)的控制手段，它是模糊系統(tǒng)理論、模糊技術(shù)與自動控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物、出發(fā)點是操作人員的控制經(jīng)驗或相關(guān)專家的知識。為了使電機轉(zhuǎn)速被控制在理想值附近，以上的硬件部分是無法做出調(diào)節(jié)的，因此必須對電機轉(zhuǎn)速進(jìn)行非線性處理。比較各種控制算法的優(yōu)缺點，選擇模糊控制為本設(shè)計的控制算法。球磨過程解析模型是由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-積分方程：max0(,)(,0)()()txyxpxtpxSyByxdydtB(x，Y)表示粒徑為Y的顆粒被粉碎后成粒徑為x的顆粒質(zhì)量比。模型為了解析粉碎過程，引入了大量難以準(zhǔn)確測定的選擇函數(shù)和破裂

13、分布函數(shù)，在數(shù)學(xué)上達(dá)到了很完善的程度。系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用模糊控制的方法和單片機控制技術(shù)相結(jié)合，以使系統(tǒng)的性能指標(biāo)最優(yōu)。這部分主要是按照工藝和設(shè)計要求，設(shè)計出系統(tǒng)的工作流程，畫出程序流程圖，包括主程序和信號轉(zhuǎn)換子程序、模糊控制子程序、鍵盤及顯示子程序等。系統(tǒng)的硬件設(shè)計包括最小系統(tǒng)的設(shè)計和主控芯片的選擇；溫度控制電路設(shè)計，開關(guān)電路的設(shè)計，信號采集、放大、轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計；時間記憶電路的設(shè)計（系統(tǒng)采用時間芯片，實時記憶時間數(shù)據(jù)，掉電后時間數(shù)據(jù)不丟失）；鍵盤電路的設(shè)計（用于設(shè)定正常工作時的轉(zhuǎn)速值、最高轉(zhuǎn)速值、罐體溫度值和罐內(nèi)壓力值）；顯示驅(qū)動電路的設(shè)計（用于顯示工作過程中的設(shè)定轉(zhuǎn)速值、最高轉(zhuǎn)速值、實時監(jiān)測溫度值和罐內(nèi)壓力值）；預(yù)置設(shè)置輸入及報警電路的設(shè)計（用于預(yù)置罐內(nèi)壓力最低值和設(shè)定最高溫度值超出預(yù)定范圍時聲光自動報警，同時關(guān)閉執(zhí)行機構(gòu)的驅(qū)動電路動作）；三相交流電機變頻調(diào)速電路的設(shè)計等。以單片機為核心的球磨機模糊控制系統(tǒng)，編制一種響應(yīng)速度快、控制性能好的查詢模糊控制表子程序，實現(xiàn)了多維擺動式球磨機的計算機自動控制，且具有較理想的動態(tài)控制性能。本次的擺動式球磨機系統(tǒng)的設(shè)計是以AT89C52單片機為控制核心，通過溫度傳感器、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