基于DSP的金剛石壓機智能控制系統(tǒng)設(shè)計

摘要：本文提出了一種金剛石壓機的新型控制模式—基于DSP（TMS320LF2407）的嵌入式控制系統(tǒng)，并介紹了該控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計。在算法上，根據(jù)工藝要求采用智能PID控制和模糊PID控制策略代替?zhèn)鹘y(tǒng)的PID控制，對人造金剛石生產(chǎn)中的工藝參數(shù)加熱功率和加壓壓力實現(xiàn)有效控制，極大地提高了人造金剛石的質(zhì)量和品級。
關(guān)鍵詞： 人造金剛石壓機、DSP、晶閘管、智能PID、模糊PID

0 引言

人造金剛石是一種重要的工業(yè)原材料，幾乎涉及國計民生的各個領(lǐng)域。我國目前是金剛石生產(chǎn)和出口大國，產(chǎn)量約占世界產(chǎn)量的2/3。但是，國產(chǎn)金剛石工業(yè)產(chǎn)值卻只占世界工業(yè)產(chǎn)值的1/3，這主要是由于質(zhì)量不高所造成。生產(chǎn)人造金剛石的主要設(shè)備是壓機，從我國目前生產(chǎn)金剛石的設(shè)備來看，大部分生產(chǎn)廠家使用六面頂壓機，隨著國內(nèi)六面頂腔體的大型化和對這一技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，與國外在技術(shù)裝備上的差距在進一步縮小。但是，國內(nèi)在壓機的控制水平上還相當(dāng)落后，阻礙了金剛石質(zhì)量的提高。因此，提高國內(nèi)金剛石壓機的控制水平成為當(dāng)務(wù)之急。

1 金剛石的合成工藝

   人造金剛石是由石墨片、觸煤片在一定的壓力、溫度條件下生成所得。目前,金剛石生產(chǎn)工藝過程中一個重要的技術(shù)環(huán)節(jié)是壓力的臺階型變化,即在金剛石合成初期，將壓力分成幾個壓力段，并在每個臺階壓力上保持一段時間。對于溫度控制, 目前廣泛采用的恒功率控制,該技術(shù)的最大弱點是:當(dāng)加熱時間足夠長時,石墨在催化劑中再結(jié)晶成片狀,不利于金剛石的生長。對于溫度的控制，我們可以通過對加熱電壓的間接控制來實現(xiàn)，且這種控制方法在實踐中也能達到很好的控制效果。                                                              

2.硬件設(shè)計方案

2.1 TMS320LF2407簡介

    TMS320LF2407片內(nèi)集成有32k FLASH，1.5k字的數(shù)據(jù)／程序RAM，544字的雙口RAM (DARAM)和2k字的單口RAM(SARAM)；10個10位ADC外圍接口，CAN總線接口，4個通用定時器和一個看門狗計時器；運算數(shù)率高，單個指令周期執(zhí)行時間僅為33ns；工作電壓為＋3.3V，工業(yè)級溫度范圍－40～＋8°C，特別適合于工業(yè)應(yīng)用。由此可以看出該DSP控制器將實時處理能力和控制器外設(shè)功能集于一身，為控制系統(tǒng)提高實時性、實現(xiàn)小型化和低成本提供了一個理想的解決方案。另外，壓機的控制變量和所接的外設(shè)較多。選用DSP控制器，正好利用它的實時控制能力強和集成外設(shè)豐富的優(yōu)點，故選用TMS320LF2407作為控制和數(shù)字化處理的核心。

根據(jù)壓機所需要實現(xiàn)的功能，以TMS320LF2407為核心的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

                      圖1 金剛石壓機控制系統(tǒng)原理圖

2.1 數(shù)據(jù)采集

該系統(tǒng)共有9路信號輸入，依次輸入DSP的ADIN0～ADIN8接口，分別為6路位移量、1路電壓量、1路壓力量、1路電流量。其中位移、電壓、壓力三個需反饋給處理器，從而構(gòu)成3個閉環(huán)控制，電流只是用作顯示。采樣過程中，需對信號進行濾波，根據(jù)要求我們選用二階有源濾波器，截至頻率為10Hz。

在控制系統(tǒng)中溫度控制可通過控制金剛石的加熱功率來實現(xiàn)，即 P＝U×I，在此我選用電壓控制方法－即控制金剛石的加熱電壓來間接控制溫度。金剛石加熱端電壓為0～6V，需進行變壓、濾波，后轉(zhuǎn)換成0～3.3V信號輸入DSP的ADIO口，考慮到實際工業(yè)現(xiàn)場干擾較多，在此濾波電路選用二階有源濾波，截至頻率為10Hz。同時選用TIL300芯片來實現(xiàn)光電隔離。                               

2.2 同步和觸發(fā)

壓機的溫度大小通過加熱電壓來間接控制，加熱電壓的大小通過串聯(lián)到220V工頻電路上的加熱晶閘管的導(dǎo)通角大小來嚴(yán)格控制。在此，采用數(shù)字觸發(fā)方式來觸發(fā)晶閘管的門級。所以必須使得觸發(fā)脈沖與晶閘管的陽極電壓保持嚴(yán)格的相位關(guān)系。該系統(tǒng)中，由于晶閘管與工頻電串聯(lián)，所以晶閘管的陽級的電壓就是工頻電壓，所以采用過零檢測的辦法，檢測工頻電的過零點，也就確定了晶閘管的陽極電壓過零點。然后在此過零點的基礎(chǔ)上，再根據(jù)計算得出的導(dǎo)通角大小來在合適的時間輸出門級觸發(fā)脈沖。通過過零檢測電路，在每次的交流電壓過零點處產(chǎn)生一次脈沖，也即確定一次晶閘管陽級電壓過零點，從而觸發(fā)DSP的INT1中斷。選用為50Hz工頻交流電，周期為20ms，所以10ms一個過零點，也即10ms一次脈沖觸發(fā)INT1中斷。觸發(fā)脈沖輸出信號由DSP的IO口，經(jīng)數(shù)據(jù)鎖存器產(chǎn)生，通過觸發(fā)電路電路驅(qū)動晶閘管。觸發(fā)脈沖的寬度由控制器設(shè)定，考慮到控制系統(tǒng)為感性負(fù)載，觸發(fā)脈沖應(yīng)加大，在此設(shè)為1ms。

3.控制算法 

3.1 加壓控制

    根據(jù)工藝要求。加壓控制根據(jù)合成材料的不同分2～6段超壓、保壓，超壓到90MPa左右，再保壓幾分鐘后卸壓，完成一個工序，時間為幾分鐘到十幾分鐘?？刂七^程中，超壓采用主泵開關(guān)控制，保壓采用副泵補壓模糊PID控制。

   模糊控制具有控制速度快、過程參數(shù)變化適應(yīng)性強、可靠性高、不受工作環(huán)境影響、魯棒性好、靈敏度高、無需精確數(shù)學(xué)模型等特點。但模糊控制的穩(wěn)態(tài)性能較差，故采用模糊－PID復(fù)合控制地方法，以提高模糊控制的精度。如下圖所示，壓力控制策略是采用多模態(tài)分段控制算法來綜合比例、模糊、比例積分控制的長處、3種控制方式在系統(tǒng)工作過程中分段切換使用。在偏值大于某一閾值時，希望控制參數(shù)能快速跟蹤調(diào)整，所以采用比例控制；當(dāng)偏差減小到閾值以下時，切換轉(zhuǎn)入模糊控制，提高系統(tǒng)的阻尼性能，減小超調(diào)量。這樣，就綜合了比例控制和模糊控制的優(yōu)點。該方法中模糊控制的論域僅是整個論域的一部分，相當(dāng)于模糊控制的論域被壓縮，相當(dāng)于語言變量的語言值增加，提高了靈敏度和控制精度。在誤差語言變量的語言值為零時切換至PI控制，當(dāng)絕對誤差為零或積分飽和時，將積分器關(guān)閉。

 圖2  壓力控制策略

3.2 功率控制

    人造金剛石生產(chǎn)工藝要求加熱控制是在超壓達到30MPa以后開始的，加熱控制也分加溫、保溫幾段進行，幾分鐘或十幾分鐘后停止加熱。該系統(tǒng)中，通過控制金剛石的加熱電壓來控制加熱功率，實踐中，這也是一種很好的控制方法。為了精確控制加熱功率和溫度，加熱功率采用基于模式識別的專家智能自整定PID控制算法，如圖5所示。在輸出和給定存在偏差或系統(tǒng)受到擾動時對系統(tǒng)誤差e的時間特性進行模式識別，分別識別出該過程響應(yīng)曲線的多個特性參數(shù)，如超調(diào)量、阻尼比、衰減振蕩周期、上升時間。所測出的各特性參數(shù)值與實現(xiàn)設(shè)定好的特性參數(shù)值進行比較，其偏差量送入專家系統(tǒng)，專家系統(tǒng)在線推斷出為消除各特征量的偏差，控制器參數(shù)所應(yīng)有的校正量Δkp、Δki、Δkd，將它們送入常規(guī)的PID控制器，以修正控制器各參數(shù)，輸出控制信號控制被控對象加熱電壓，使加熱電壓響應(yīng)曲線的特征參數(shù)滿足工藝要求。設(shè)計專家式自整定控制器的核心是：在系統(tǒng)閉環(huán)運行時，合理選定描述系統(tǒng)暫態(tài)誤差特性的各個特征參數(shù)，獲取特定參數(shù)的偏差量與PID控制器參數(shù)的校正量Δkp、Δki、Δkd之間的關(guān)系。被控對象特征撮弄數(shù)的選擇方法是先測試被控對象的階躍響應(yīng)，再用Cohn－Coon公式計算出特征參數(shù)K、Tp、τ。

     K＝Δy/ΔR=(y2-y1)/(R2-R1);     Tp=1.5(t0.632-t0.28); τ=1.5(t0.8-t0.632/3)

    式中：Δy為系統(tǒng)輸出響應(yīng)；ΔR為系統(tǒng)階躍響應(yīng)；t0.28為系統(tǒng)輸出響應(yīng)曲線中對應(yīng)0.28Δy時的時間；t0.632為系統(tǒng)輸出響應(yīng)曲線中對應(yīng)0.632Δy時的時間。

                             圖3 加熱功率控制策略

4.系統(tǒng)的軟件設(shè)計

4.1 系統(tǒng)主程序

    系統(tǒng)軟件主程序流程見圖6，采用模塊化結(jié)構(gòu)。軟件采用C和匯編混合編程，在TI的DSP Code Composer下編譯和調(diào)試。在控制程序中將采樣后的采樣值與設(shè)定值相比，得出誤差和誤差變化率，再根據(jù)制定好的控制規(guī)則來控制電磁閥和晶閘管的通斷，從而保證壓機能按照設(shè)定的時序要求運行。

圖4主程序流程                                    

4.2 中斷程序

該系統(tǒng)實際為實現(xiàn)3個信號的閉環(huán)實時控制，考慮到實時性，所用中斷較多。主要有過零檢測中斷、定時中斷、采樣中斷、鍵盤中斷。定時器2、4 中斷程序負(fù)責(zé)時間控制以便進行相應(yīng)的壓力、電壓時序控制步驟，定時器1、3中斷程序控制兩個可控硅的控制角大小。電壓過零檢測中斷程序確定與電壓同步以便觸發(fā)，鍵盤中斷控制中斷鍵的響應(yīng)。其中，在工頻為50Hz，周期T為20ms的條件下，電壓過零檢測中斷每10ms發(fā)生一次。選用的雙向晶閘管需在每半個周期內(nèi)觸發(fā)一次?？刂平铅梁陀|發(fā)時刻Tθ之間的關(guān)系為：Tθ＝ α＝0.056α   由于需要對導(dǎo)通角的精確控制，過零檢測中斷需要及時得到執(zhí)行，故該中斷優(yōu)先級為最高。

4.3 數(shù)據(jù)采集和閉環(huán)控制

    在每次信號采樣時，為消除隨機誤差，數(shù)據(jù)采用平均濾波法，其濾波公式為 ＝     采樣次數(shù)N越大，X越接近真值。實際應(yīng)用中，為了提高實時控制速度，采用去極值平均濾波法。在此，即為連續(xù)采樣8次，去掉一個最大值和最小值，再求余下6個采樣值的平均值。

根據(jù)金剛石的生成工藝要求，壓力和電壓需保持為設(shè)定的階梯狀變化。在上升階段為加壓和加熱階段，此時只需開啟交流泵和兩個加熱接觸器即可。在水平階段為保壓和保溫階段，此時需根據(jù)采樣時刻相應(yīng)的偏差值和偏差變化率，根據(jù)相應(yīng)的控制策略來控制。

5.結(jié)語   

該控制系統(tǒng)具有較好的工業(yè)意義，它較PLC的金剛石壓機控制器便宜，市場前景更大。同時，DSP(TMX320LF2407)內(nèi)有CAN總線，便于系統(tǒng)升級，可通過CAN總線將多臺壓機與上位機構(gòu)成一網(wǎng)絡(luò)，便于控制管理。

參考文獻：

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