双螺杆挤压机控制系统中前置控制单元的研究
|
摘要
现代微电子技术和计算机技术的迅猛发展，使传统的工业生产产生了深刻的变化。“机电一体化”作为一门新兴的交叉边缘学科具有旺盛的生命力和广泛的应用前景。工业控制计算机的普遍应用，将许多传统机械设备的控制技术提高到了一个崭新的阶段。
本课题中设计的双螺杆挤压机控制系统中的前置控制单元，可以在挤压机工作的同时，将各种数据经通信接口输入到计算机，实现实时采集与控制。由于数据直接存储到计算机硬盘上，也给以后使用数据带来方便。
本课题对系统的控制原理、硬件组成及控制方式等进行详细介绍。设计依据高精确度、高可靠性的原则完成以下工作：
(1)采用ATMEL公司的AT89C52单片机为主控单元。控制系统的硬件电路实现了数据采集、数据存储、温度控制、电机控制、抗干扰等功能；
(2)温度控制系统以E分度热电偶为感温元件，用温度传感器AD590测量环境温度，作为热电偶的冷端补偿。并采用固态继电器SSR作为加热器的开关元件。采用智能控制结合数字滤波，提高了测量精度。电机调速的方法采用改变电枢端电压调速。若使电压平滑变化，可得到平滑调速，调速范围宽，能耗小。
(3)该系统在控制策略上采用了模糊控制与PID控制相结合的控制算法。经实验证明，该控制系统具有满意的控制效果。
本系统中，温度控制系统的硬件设计方法和控制算法是针对具有大惯性、大滞后的被控对象设计的，可移植用于其它具有相似特点的被控对象的控制系统中；转速控制系统为一完整的工业实时控制系统，可用于某些转速实时控制系统中，在工程应用中具有一定的参考价值。
The fast development of modern micro-electronic and computer techniques brings about great change to traditional industrial production. "Electromechanical integration", as an intercrossing and interdisciplinary subject which is newly emerging, bears hopeful and far-raging prospect for application. The general application of industrial control unit advances many control technologies for traditional mechanical equipment to a new stage.
The design of the predictor control unit in the control system of two-screw extruder in this subject, can input all the data into the computer through the communication interface, also can achieve the real time collection and control when the extruder's working .It is convenient for using the data as it can save the data directly to the disk.
The project included the explanation of the control principle, the structure of the hardware, and the control mode. According to the principle of higher precision, higher reliability, the design finished the following work:
(l)The main control unit is AT89C52 which was made in ATMEL company. The whole system realized the functions of data collecting, data keeping, temperature control, electromotor control, anti-jamming etc.
(2)In the temperature control system, the temperature sensor is thermocouple of type E, use the AD590(temperature sensor) to measure the environmental temperature , as the compensation of cool-end of thermocouple. Adopted solid state relay (SSR) as the heater's switching component. The application of intelligent control and digital filter improves the precision of the measurement. The method of the governing speed of electromotor is to change the armature's voltage. If the voltage variety is smooth, the speed of electromotor changed smoothly. Applying the method there will be wide range of speed governing and lower power consumption.
(3)The system adopts the combination of the fuzzy control and PID control as its control strategy. The experiment proved the system to have satisfying control effect.
In the system, the design method of the temperature control system aims at the control object with larger inertia and lag, it can be transplanted to other control system with the controlled object having the similar characteristic; The control system of rotational speed is a whole industrial real time control system, it can be applied in several control system of rotational speed, it has equivalent referenced value in engineering application.
本课题中设计的双螺杆挤压机控制系统中的前置控制单元，可以在挤压机工作的同时，将各种数据经通信接口输入到计算机，实现实时采集与控制。由于数据直接存储到计算机硬盘上，也给以后使用数据带来方便。
本课题对系统的控制原理、硬件组成及控制方式等进行详细介绍。设计依据高精确度、高可靠性的原则完成以下工作：
(1)采用ATMEL公司的AT89C52单片机为主控单元。控制系统的硬件电路实现了数据采集、数据存储、温度控制、电机控制、抗干扰等功能；
(2)温度控制系统以E分度热电偶为感温元件，用温度传感器AD590测量环境温度，作为热电偶的冷端补偿。并采用固态继电器SSR作为加热器的开关元件。采用智能控制结合数字滤波，提高了测量精度。电机调速的方法采用改变电枢端电压调速。若使电压平滑变化，可得到平滑调速，调速范围宽，能耗小。
(3)该系统在控制策略上采用了模糊控制与PID控制相结合的控制算法。经实验证明，该控制系统具有满意的控制效果。
本系统中，温度控制系统的硬件设计方法和控制算法是针对具有大惯性、大滞后的被控对象设计的，可移植用于其它具有相似特点的被控对象的控制系统中；转速控制系统为一完整的工业实时控制系统，可用于某些转速实时控制系统中，在工程应用中具有一定的参考价值。
The fast development of modern micro-electronic and computer techniques brings about great change to traditional industrial production. "Electromechanical integration", as an intercrossing and interdisciplinary subject which is newly emerging, bears hopeful and far-raging prospect for application. The general application of industrial control unit advances many control technologies for traditional mechanical equipment to a new stage.
The design of the predictor control unit in the control system of two-screw extruder in this subject, can input all the data into the computer through the communication interface, also can achieve the real time collection and control when the extruder's working .It is convenient for using the data as it can save the data directly to the disk.
The project included the explanation of the control principle, the structure of the hardware, and the control mode. According to the principle of higher precision, higher reliability, the design finished the following work:
(l)The main control unit is AT89C52 which was made in ATMEL company. The whole system realized the functions of data collecting, data keeping, temperature control, electromotor control, anti-jamming etc.
(2)In the temperature control system, the temperature sensor is thermocouple of type E, use the AD590(temperature sensor) to measure the environmental temperature , as the compensation of cool-end of thermocouple. Adopted solid state relay (SSR) as the heater's switching component. The application of intelligent control and digital filter improves the precision of the measurement. The method of the governing speed of electromotor is to change the armature's voltage. If the voltage variety is smooth, the speed of electromotor changed smoothly. Applying the method there will be wide range of speed governing and lower power consumption.
(3)The system adopts the combination of the fuzzy control and PID control as its control strategy. The experiment proved the system to have satisfying control effect.
In the system, the design method of the temperature control system aims at the control object with larger inertia and lag, it can be transplanted to other control system with the controlled object having the similar characteristic; The control system of rotational speed is a whole industrial real time control system, it can be applied in several control system of rotational speed, it has equivalent referenced value in engineering application.
引文
1 文东辉，徐克非，郝文杰，胡荣生．国外双螺杆挤压膨化机的研究现状．食品与机械．1999年，第5期：535～537
2 余永权，汪明慧，黄英．单片机在控制系统中的应用．电子工业出版社．2003年：1～65
3 吴为民，王仁丽．温度控制系统的发展概况．工业炉．2002年，第2期：23～24
4 诸静．模糊控制原理与应用．机械工业出版社．2001年：231～402
5 宋明刚，樊尚春．一种高精度温度控制的复合方法及其应用．北京航空航天大学学报．2001年，第5期：123～125
6 刘美霞，刘春生，王凤如，温度控制中新FUZZY控制器研究．计算机仿真．2003年，第11期：36～39
7 杜坤梅，李铁才．电机控制技术．哈尔滨工业大学出版社．2002年：33～127
8 刘金琨．先进PID控制及其MATLAB仿真．电子工业出版社．2003年：1～189
9 赵相宾，年培新．谈我国变频调速技术的发展及应用．电气传动．2001年，第2期：3～6
10 刘美俊．基于PID模糊控制的陶瓷窑温度控制系统的设计．中国陶瓷工业．2002年，第4期：9～12
11 [日]雨宫好文．数字控制入门．科学出版社OHM社．2000年：1～89
12 王淳，靳东明．一种实用模糊控制器的研制．清华大学学报(自然科学版)．1999年，第3期：39～42
13 于军琪，吴涛，黄永宣，胡保生．大型游泳池水温的预测模糊控制．西安交通大学学报．2000年，第7期：111～113
14 逢玉台，王团部．集成温度传感器AD590及其应用．国外电子元器件．2002年，第7期：3～4
15 邱华，刘锋，谭季麓．汽包锅炉燃烧过程的模糊PID控制．武汉大学学报(工学版)．2001年，第3期：34～36
16 陈瑞．食品工业用烤箱的smith-模糊控制技术．机械自动化．2002年，第4期：73～75
17 任永德，张争争．基于DSP的无刷直流电动机控制系统．微特电机．2001年，第2期：29～32
18 让余奇，蔡汉强，鲁军勇，吴强．基于双单片机通信的无刷直流电动机控制系统．电子技术应用．2002年，第3期：23～26
19 卢静，陈非凡，张高飞，施涌潮．基于单片机的无刷直流电动机控制系统设计．北京机械工业学院学报(综合版)．2002年，第4期：66～69
20 崔晓丽，闫治安，易萍虎．一种实用型数字化无刷直流电动机控制系统．微电机．2003年，第2期：10～12
21 核雪松，王旭永，冯止金．基于PC机的高速饲服注塑机转速控制的实现．组合机床
与自动化加工技术．2003年，第5期：15～17
22 陈春，聂丽，叶建华．测功系统中电机恒转速控制的改进与分析．上海电力学院学报．2002年，第2期：20～23
23 刘晓莉，张曙光，周少武，张兢．模糊自校正控制在加热炉温度控制中的应用．湘潭矿业学院学报．2001年，第3期：78～80
24 仲崇权，郑旭，杨素英，张立勇．基于模糊控制方法的智能温度控制仪的研制．电测与仪表．2001年，第4期：69～71
25 张持健，王元航，方明星．高精度模糊PID控制器及其在温度控制中的应用．自动化仪表．2002年，第7期：39～41
26 孙茂松，郭耀华，郭瑞芳．模糊控制在小型热水锅炉温度控制中的应用．机床电器．2001年，第4期：56～58
27 王鹏，温阳东，岳胜，王孝武．热压炉的温度控制．合肥工业大学学报．2001年，第3期：24～26
28 王迎旭，李晓秀，模块式单片机炉温控制系统的设计与应用．湖南工程学院学报．2001年，第3期：71～73
29 陆永耕．隧道窑温度控制系统的设计．工业加热．2002年，第1期：66～68
30 赵峥涛，陈其扬．煤气窑温度控制系统的研究．化工自动化及仪表．2000年，第1期37～40
31 郭淳．小流量、低压力燃气炉温度控制系统的设计与应用．硬质合金．2000．年，第3期：17～19
32 马喜春，邹新生．微型机—单片机分级温度控制系统及实验．实验技术与管理．2001年，第5期：132～134
33 李英顺，伦淑贤，皮红梅．基于模糊神经网络的PID温度控制系统．2002年，第6期：25～27
34 蒋英勇，高宏伟，韩耀鹏，付兴武．模糊恒压供水系统的设计．微计算机信息．2004年，第2期：20～22
35 孙传友，孙晓斌，李胜玉，张一．测控电路及装置．北京航空航天大学出版社．2002年：1～139
36 徐军，李欣．模糊控制技术在啤酒糖化温度控制系统中的应用．信息技术．2001年，第4期：98～101
37 高培先．提高实时系统数据采集质量的研究．电子应用技术．2002年，第3期：111～113
38 万百五．自动化(专业)概论．武汉理工大学出版社．2002年：116～230
39 刘金琨，马少华．MF-70型挤压机温度控制系统．吉林工学院学报．2002年，第2期：19～21
40 陈新，张树岭，李庆武．塑料挤出机智能化温度控制系统．河南师范大学学报．2000年，第3期：6～9
41 Cayot,-N, Bounie,-D., Baussart,-H. Dynamic modelling for a twin screw food extruder:
analysis of the dynamic behaviour through process variables. Elsevier Applied Science Publishers. 1995: 245～260.
42 Ahn,-H,Hsieh,-F,Clarke,-A.D, Huff,-H.E. Extrusion for producing low-fat pork and its use in sausages as affected by soy protein isolate. Institute of Food Technologists. 1999:134～155
43 Demirci, Mustafa. Foundations of fuzzy functions and vague algebra based on many-valued equivalence relations,part I:fuzzy functions and their applications.International Journal of General System 2003:123～155.
44 L.A. Zadeh. Fuzzy Sets[J]. Information and Control. 1965:321～335
45 Dery ,David. Fuzzy control. Peace Research Abstracts. 2002:763～957.
46 EI-Metwally. A Fuzzy Logic-Based PID for Power System Stabilization. Electric Power Components and Systems. 2001: 659～669.
47 Tannock. J. D. T. A fuzzy control charting methode for individuals. International Journal of Production Research. 2003:1017～1032.
48 M.T.Yan, H.P.Li, J.F.Liang. The Application of Fuzzy Strategy in Servo Feed Control of Wire Electrical Machining. Advanced Manufacturing Technology. 1999:780～784.
49 S.-J.Huang, C.-C.Lin. A Self-Organising Fuzzy Logic Controller for a Coordinate Machine. Advanced Manufacturing Technology. 2002:736～742.
50 L.Cammarata, A.Fichera, D.Guglielmino. Dynamic Control for a Circulartion Loop. Heat and Mass Transfer. 2003:605～611.
51 A.Kirecci, I.Eker, L.C.Dulger. Self-tuning Control as Conventional Method. Electrical Engineering. 2003:101～107.
52 S.K.Das, T.K.Dan. Transient Response of a Parallel Flow Shell-and-Tube Heat Exchanger and Its Control. Heat and Mass Transfer. 1996:231～236.
53 Young T.OH, Gi D.Kim, Chong N.Chu. Design of a Drilling Torque Controller for a Machining Center. Advanced Manufacturing Technology. 2003:1～15.
54 D.Wang, C.Li. Self-Adaptive Dynamic Matrix Control for High-Speed Machining Servo Control. Advanced Manufacturing Technology. 2003:733～738.
55 Y, Frayman, L.Wang. A Dynamically-Constructed Fuzzy Neural Controller for Direct Model Reference Adaptive Control of Multi-lnput-Multi-Output Nonlinear Processes.Soft Computing. 2002:244～253
56 J.H.Kim, S.J.oh . A Fuzzy PID Controller for Nonlinear and Uncertain Systems.Soft Computing. 2000:123～129.
2 余永权，汪明慧，黄英．单片机在控制系统中的应用．电子工业出版社．2003年：1～65
3 吴为民，王仁丽．温度控制系统的发展概况．工业炉．2002年，第2期：23～24
4 诸静．模糊控制原理与应用．机械工业出版社．2001年：231～402
5 宋明刚，樊尚春．一种高精度温度控制的复合方法及其应用．北京航空航天大学学报．2001年，第5期：123～125
6 刘美霞，刘春生，王凤如，温度控制中新FUZZY控制器研究．计算机仿真．2003年，第11期：36～39
7 杜坤梅，李铁才．电机控制技术．哈尔滨工业大学出版社．2002年：33～127
8 刘金琨．先进PID控制及其MATLAB仿真．电子工业出版社．2003年：1～189
9 赵相宾，年培新．谈我国变频调速技术的发展及应用．电气传动．2001年，第2期：3～6
10 刘美俊．基于PID模糊控制的陶瓷窑温度控制系统的设计．中国陶瓷工业．2002年，第4期：9～12
11 [日]雨宫好文．数字控制入门．科学出版社OHM社．2000年：1～89
12 王淳，靳东明．一种实用模糊控制器的研制．清华大学学报(自然科学版)．1999年，第3期：39～42
13 于军琪，吴涛，黄永宣，胡保生．大型游泳池水温的预测模糊控制．西安交通大学学报．2000年，第7期：111～113
14 逢玉台，王团部．集成温度传感器AD590及其应用．国外电子元器件．2002年，第7期：3～4
15 邱华，刘锋，谭季麓．汽包锅炉燃烧过程的模糊PID控制．武汉大学学报(工学版)．2001年，第3期：34～36
16 陈瑞．食品工业用烤箱的smith-模糊控制技术．机械自动化．2002年，第4期：73～75
17 任永德，张争争．基于DSP的无刷直流电动机控制系统．微特电机．2001年，第2期：29～32
18 让余奇，蔡汉强，鲁军勇，吴强．基于双单片机通信的无刷直流电动机控制系统．电子技术应用．2002年，第3期：23～26
19 卢静，陈非凡，张高飞，施涌潮．基于单片机的无刷直流电动机控制系统设计．北京机械工业学院学报(综合版)．2002年，第4期：66～69
20 崔晓丽，闫治安，易萍虎．一种实用型数字化无刷直流电动机控制系统．微电机．2003年，第2期：10～12
21 核雪松，王旭永，冯止金．基于PC机的高速饲服注塑机转速控制的实现．组合机床
与自动化加工技术．2003年，第5期：15～17
22 陈春，聂丽，叶建华．测功系统中电机恒转速控制的改进与分析．上海电力学院学报．2002年，第2期：20～23
23 刘晓莉，张曙光，周少武，张兢．模糊自校正控制在加热炉温度控制中的应用．湘潭矿业学院学报．2001年，第3期：78～80
24 仲崇权，郑旭，杨素英，张立勇．基于模糊控制方法的智能温度控制仪的研制．电测与仪表．2001年，第4期：69～71
25 张持健，王元航，方明星．高精度模糊PID控制器及其在温度控制中的应用．自动化仪表．2002年，第7期：39～41
26 孙茂松，郭耀华，郭瑞芳．模糊控制在小型热水锅炉温度控制中的应用．机床电器．2001年，第4期：56～58
27 王鹏，温阳东，岳胜，王孝武．热压炉的温度控制．合肥工业大学学报．2001年，第3期：24～26
28 王迎旭，李晓秀，模块式单片机炉温控制系统的设计与应用．湖南工程学院学报．2001年，第3期：71～73
29 陆永耕．隧道窑温度控制系统的设计．工业加热．2002年，第1期：66～68
30 赵峥涛，陈其扬．煤气窑温度控制系统的研究．化工自动化及仪表．2000年，第1期37～40
31 郭淳．小流量、低压力燃气炉温度控制系统的设计与应用．硬质合金．2000．年，第3期：17～19
32 马喜春，邹新生．微型机—单片机分级温度控制系统及实验．实验技术与管理．2001年，第5期：132～134
33 李英顺，伦淑贤，皮红梅．基于模糊神经网络的PID温度控制系统．2002年，第6期：25～27
34 蒋英勇，高宏伟，韩耀鹏，付兴武．模糊恒压供水系统的设计．微计算机信息．2004年，第2期：20～22
35 孙传友，孙晓斌，李胜玉，张一．测控电路及装置．北京航空航天大学出版社．2002年：1～139
36 徐军，李欣．模糊控制技术在啤酒糖化温度控制系统中的应用．信息技术．2001年，第4期：98～101
37 高培先．提高实时系统数据采集质量的研究．电子应用技术．2002年，第3期：111～113
38 万百五．自动化(专业)概论．武汉理工大学出版社．2002年：116～230
39 刘金琨，马少华．MF-70型挤压机温度控制系统．吉林工学院学报．2002年，第2期：19～21
40 陈新，张树岭，李庆武．塑料挤出机智能化温度控制系统．河南师范大学学报．2000年，第3期：6～9
41 Cayot,-N, Bounie,-D., Baussart,-H. Dynamic modelling for a twin screw food extruder:
analysis of the dynamic behaviour through process variables. Elsevier Applied Science Publishers. 1995: 245～260.
42 Ahn,-H,Hsieh,-F,Clarke,-A.D, Huff,-H.E. Extrusion for producing low-fat pork and its use in sausages as affected by soy protein isolate. Institute of Food Technologists. 1999:134～155
43 Demirci, Mustafa. Foundations of fuzzy functions and vague algebra based on many-valued equivalence relations,part I:fuzzy functions and their applications.International Journal of General System 2003:123～155.
44 L.A. Zadeh. Fuzzy Sets[J]. Information and Control. 1965:321～335
45 Dery ,David. Fuzzy control. Peace Research Abstracts. 2002:763～957.
46 EI-Metwally. A Fuzzy Logic-Based PID for Power System Stabilization. Electric Power Components and Systems. 2001: 659～669.
47 Tannock. J. D. T. A fuzzy control charting methode for individuals. International Journal of Production Research. 2003:1017～1032.
48 M.T.Yan, H.P.Li, J.F.Liang. The Application of Fuzzy Strategy in Servo Feed Control of Wire Electrical Machining. Advanced Manufacturing Technology. 1999:780～784.
49 S.-J.Huang, C.-C.Lin. A Self-Organising Fuzzy Logic Controller for a Coordinate Machine. Advanced Manufacturing Technology. 2002:736～742.
50 L.Cammarata, A.Fichera, D.Guglielmino. Dynamic Control for a Circulartion Loop. Heat and Mass Transfer. 2003:605～611.
51 A.Kirecci, I.Eker, L.C.Dulger. Self-tuning Control as Conventional Method. Electrical Engineering. 2003:101～107.
52 S.K.Das, T.K.Dan. Transient Response of a Parallel Flow Shell-and-Tube Heat Exchanger and Its Control. Heat and Mass Transfer. 1996:231～236.
53 Young T.OH, Gi D.Kim, Chong N.Chu. Design of a Drilling Torque Controller for a Machining Center. Advanced Manufacturing Technology. 2003:1～15.
54 D.Wang, C.Li. Self-Adaptive Dynamic Matrix Control for High-Speed Machining Servo Control. Advanced Manufacturing Technology. 2003:733～738.
55 Y, Frayman, L.Wang. A Dynamically-Constructed Fuzzy Neural Controller for Direct Model Reference Adaptive Control of Multi-lnput-Multi-Output Nonlinear Processes.Soft Computing. 2002:244～253
56 J.H.Kim, S.J.oh . A Fuzzy PID Controller for Nonlinear and Uncertain Systems.Soft Computing. 2000:123～129.
© 2004-2018 中国地质图书馆版权所有 京ICP备05064691号 京公网安备11010802017129号 地址：北京市海淀区学院路29号 邮编：100083 电话：办公室：(+86 10)66554848；文献借阅、咨询服务、科技查新：66554700 |