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1、1基于模糊控制的擺動式球磨機控制系統設計開題報告一、開題的目的及意義隨著社會的進步，科學技術的發(fā)展，粉末工業(yè)是我國國民經濟基礎原料產業(yè)，幾乎所有的現代新興技術與產業(yè)發(fā)展都源于粉末制備技術的進步。粉末工業(yè)離不開粉末的加工設備球磨機。自1893年球磨機的出現以來，它就一直在礦業(yè)、冶金、建材、化工及電力部門等若干基礎行業(yè)的原料粉碎中得到廣泛的應用。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備。從長遠來看，今后相當長的時期內球蘑機仍將是陶瓷工業(yè)中原料磨碎作業(yè)的主要設備，因此對球蘑機的研究也受到了相關專家的高度重視，近年來國內外也取得了許多成果。球磨機作為制粉的設備，它以可靠
2、性高、能常時間使用、維護量小等優(yōu)點，在國內外仍被廣泛采用。球磨機制粉系統的任務是在保證球磨機安全運行的情況下，使磨出力達到最大，處于最佳經濟運行工況。由于模糊控制技術的發(fā)展，模糊控制技術也廣泛應用于球磨機控制系統中，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的一種計算數字控制，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。本課題為基于模糊控制技術的擺動式球磨機控制系統設計，其原理是運用模糊控制技術控制球磨機的罐體做多維往復運動中，球磨機內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生的微小形變的大小反映了球磨機內物料的物理狀態(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荷變化狀況特征量。特征量被采集后，經過放大器放大，由高精度A/D轉換器送給單片機處理，最后由單片機進行處理，通過模糊控制規(guī)則向球磨機的執(zhí)行機構發(fā)出控制命令。在球磨機研磨物料過程中，使磨介在罐內不規(guī)則運動時，產生巨大的沖擊力，延長磨介的運動軌跡、提高沖擊能、減少撞擊盲點。其工作效率是傳統工藝的十幾倍，可以顯著提高罐內磨介的沖擊能量和運動次數，使被粉碎的物質
4、顆粒達到納米級。同時，大大提高了被粉碎顆粒的均勻度。本設計主要包括交流變頻調速控制系統設計、罐內氣體（液體）壓力檢測系統的整體結構設計、工作機溫度監(jiān)測控制系統設計、模糊控制算法以及人機交互界面設計。本設計的主要目標是實現對多維擺動式球磨機整個工作過程的智能控制。2用傳統的方法加工超細粉末，由于被加工物質在有限的空間內做二維高速旋轉運動，產生較大的沖擊力，隨著被加工物質粒度的變細，而此時其物理、化學性質也發(fā)生巨大變化。如不對其進行必要的保護和實時監(jiān)測，會使加工不能正常進行，甚至造成重大事故。這就是傳統人工觀測法所無法實現的。針對以上的問題，本課題是通過檢測罐內氣體（液體）壓力來監(jiān)測罐體的安全狀況
5、。被加工物質在惰性氣體（液體）保護下加工是安全、可靠的。同時也解決了某些物質達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。機械法加工超細粉末的保護和保原問題，是超細粉末制備技術迫切需要解決的難題。二、文獻綜述經過對切題資料的詳細查詢和調研，對本設計題目的內容有了深刻的認識和了解。了解到智能控制與安全監(jiān)測自動化技術在工程應用中重要的作用。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驗和知識表示為語言規(guī)則去控制系統,這樣可以不依賴被控對象的精確數學模型,對被控對象的參數具有較強的魯棒性。模糊控制系統中的智能控制系統的本質是仿人或仿智，即宏觀結構上和行為功能上對人控制
6、器進行模擬，在人參與過程控制中，經驗豐富的操作者不是依據數學模型，而是根據積累的經驗和知識進行在線推理確定或變換控制策略。而這些經驗和知識反映系統運動狀態(tài)所有動態(tài)特征信息。多維擺動式球磨機控制系統控制復雜、綜合性強，它涉及信號的檢測與處理、控制算法選擇與實現、執(zhí)行機構的選擇與控制以及計算機控制系統的設計等1。另外，選用模糊控制的效果也比傳統的PID等控制方法有著明顯的優(yōu)，它具有達到設定轉速時間短、穩(wěn)態(tài)轉速波動小、反映靈敏、抗干擾能力強、節(jié)省電能等優(yōu)點。其主要設計思想是當轉速偏差較大時采用Fuzzy控制，加快響應速度；當轉速偏差較小進入穩(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
7、雜，在了解各個部分性能的基礎上設計電氣控制電路，并采用適合超微細粉碎的控制策略，采用模糊控制，解決球磨機粉碎中的關鍵的問題。本次設計單片機選用AT89C52，其經濟易用，性能可靠，易擴充，控制功能強。內部配置8KB的FlashMemory，無需擴展外部存儲器，可點擦寫，便于編程調試。AT89C52內部帶有存儲器件，不用擴展程序存儲器，減少硬件線路連接。其最大特點就是設計者可以根據自己的實際需要開發(fā)、設計一個單片機系統，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上擴展一些接口，如用于A/D、D/A轉換接口，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
8、用軟件，即可組成完整的單片機系統4。單片機系統的應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轉換，D/A轉換，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。要使一個設計更適用于實際應用，就必須完善設計在應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、高電阻率、化學、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生大量的熱量，當溫度過高時系統很容易爆炸。這樣要對擺動式球磨機系統進行溫度保護
10、，溫度保護有兩種，一氣體保護，是將罐體內充滿惰性氣體，或將罐體內抽成真空。二液體保護，將罐體內充入惰性液體。根據他們的實用性，本次設計采用氣體保護。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)電機對交流電機進行測速，可以構成閉環(huán)調速系統。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)電機對交流電機進行測速，可以構成閉環(huán)調速系統。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時，也有足夠的測速精度
11、3。綜上,基于模糊控制技術的多維擺動式球磨機控制系統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速系統是一類不確定的復雜系統，難以獲得精確的數學模型，采用傳統的PID控制無法達到希望的性能要求。根據相關技術目前的情況，4本次設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模塊組成的變頻調速電路，實現多維擺動式球磨機的智能控制。三、設計的內容和擬解決的關鍵問題本次設計主要應用了模糊控制技術，單片機技術，來實現擺動式球磨機的計算機自動控制。模糊控制技術與單片機技術的主要討論的內容如下：模糊控制器的設計，模糊控制技術是以模糊集合理
12、論為基礎的控制手段，它是模糊系統理論、模糊技術與自動控制技術相結合的產物、出發(fā)點是操作人員的控制經驗或相關專家的知識。為了使電機轉速被控制在理想值附近，以上的硬件部分是無法做出調節(jié)的，因此必須對電機轉速進行非線性處理。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，將選擇函數和分布函數以連續(xù)函數形式來表示，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的顆粒質量比。模型為了解析粉碎過程，引入了大量難以準確測定的選擇函數和破裂
13、分布函數，在數學上達到了很完善的程度。系統的軟件設計采用模糊控制的方法和單片機控制技術相結合，以使系統的性能指標最優(yōu)。這部分主要是按照工藝和設計要求，設計出系統的工作流程，畫出程序流程圖，包括主程序和信號轉換子程序、模糊控制子程序、鍵盤及顯示子程序等。系統的硬件設計包括最小系統的設計和主控芯片的選擇；溫度控制電路設計，開關電路的設計，信號采集、放大、轉換電路的設計；時間記憶電路的設計（系統采用時間芯片，實時記憶時間數據，掉電后時間數據不丟失）；鍵盤電路的設計（用于設定正常工作時的轉速值、最高轉速值、罐體溫度值和罐內壓力值）；顯示驅動電路的設計（用于顯示工作過程中的設定轉速值、最高轉速值、實時監(jiān)測溫度值和罐內壓力值）；預置設置輸入及報警電路的設計（用于預置罐內壓力最低值和設定最高溫度值超出預定范圍時聲光自動報警，同時關閉執(zhí)行機構的驅動電路動作）；三相交流電機變頻調速電路的設計等。以單片機為核心的球磨機模糊控制系統，編制一種響應速度快、控制性能好的查詢模糊控制表子程序，實現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的設計是以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處理，實現了工作機溫度和罐內氣體壓力的
基于模糊控制技術擺動式球磨機控制系統設計開題報告.doc
