（論文） 1 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 基于模糊控制技術(shù)擺動(dòng)式球磨機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) ： 本 科 ： 電氣 與信息學(xué)院 ： 自動(dòng)化 ： ： 講師 助理試驗(yàn)師 ： 2008年 6 月 20日 學(xué)生姓名 學(xué)歷層次 所在系部 所學(xué)專業(yè) 指導(dǎo)教師 教師職稱 完成時(shí)間 （論文） 2 摘 要 超微細(xì)粉碎技術(shù)是在伴隨納米技術(shù)和新材料而發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新的粉碎加工技術(shù)，隨著現(xiàn)代工程技術(shù)的發(fā)展，許多基礎(chǔ)工業(yè)對(duì)超微細(xì)粉末的粒度、粒度分布、粒形等特性提出了更高的要求。如何突破 物料的“粉碎極限”已成為制備 超微細(xì)粉末的關(guān)鍵技術(shù)。針對(duì)被控對(duì)像具有非線性、多變量強(qiáng)耦合、不確定性和大滯后以及獲得精確數(shù)學(xué)模型困難的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了模糊控制器。本系統(tǒng)經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)、安裝和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，能夠快速的突破物料的“粉碎極限”，取得較好的加工效果。 關(guān)鍵詞 超細(xì)粉末加工；模糊控制；單片機(jī)控制系統(tǒng)；球磨機(jī) is a As of to s so to a of of on In of is as as is be to 論文） 3 目 錄 1 引言 . 1 擺動(dòng)式球磨機(jī)模糊控制背景分析 . 1 動(dòng)式球磨機(jī)模糊控制的提出及研究意義 . 2 基于模糊控技術(shù)擺動(dòng)式球磨機(jī)電氣控制系統(tǒng)的研究 . 3 2 擺動(dòng)式球磨機(jī)控制系統(tǒng)方案的確定 . 4 擺動(dòng)式球磨機(jī)粉碎過(guò)程模 型解析 . 4 主電路方案的確定 . 6 控制系統(tǒng)的確定 . 7 輸入通道的確定 . 7 系統(tǒng)原理框圖 . 9 3 電氣控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) . 10 電氣控制系統(tǒng)的硬件組成 . 10 89片機(jī)應(yīng)用介紹 . 10 輸入檢測(cè)放大電路及 A/D 轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì) . 13 變頻驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) . 17 人機(jī)對(duì)話通道設(shè)計(jì) . 21 變頻調(diào)速主電路的設(shè)計(jì) . 26 4 模糊 控制算法的設(shè)計(jì) . 27 球磨過(guò)程的數(shù)學(xué)模型解析 . 27 模糊算法 . 28 模 糊控制器 . 29 模糊控制器的工作 . 36 5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) . 36 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)思路 . 36 （論文） 4 系統(tǒng)主程序流程圖 . 38 中斷保護(hù)程序 . 42 軟件抗干擾技術(shù) . 42 6 系統(tǒng)測(cè)試分析 . 43 系統(tǒng)測(cè)試 . 43 系統(tǒng)分析 . 44 7 總結(jié) . 44 參考文獻(xiàn) . 45 謝 辭 . 46 附錄 一 . 47 附錄 二 . 63 （論文） 1 1 引言 擺動(dòng)式球磨機(jī)模糊控制 背景分析 自 1893 年球磨機(jī)出現(xiàn)以來(lái)，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，球磨機(jī)也成為了陶 瓷工業(yè)中制粉 工序中不可缺少的機(jī)械設(shè)備。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，今后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)球磨機(jī)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(duì)球磨機(jī)的研究也受到了相關(guān)專家的高度重視。 1 球磨機(jī)是 制粉系統(tǒng)中 的大型重要設(shè)備，其安全可靠地運(yùn)行 與最佳工作狀況是設(shè)計(jì)單位所追求。但使用中還存在著一些急 待解決的問(wèn)題，最突出的是難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制， 運(yùn)動(dòng)軌跡過(guò)于單一不能有效的粉碎物料。 不能運(yùn)行在最佳經(jīng)濟(jì)出力。多變量禍合、多變量時(shí)滯和模型時(shí)變特性是球磨機(jī)控制的主要困難。 由于球磨機(jī)運(yùn)行具有純滯后、大慣性和非線性的顯著特點(diǎn)，事態(tài)特性復(fù)雜，數(shù)學(xué)模型難 以建立，采用常規(guī) 節(jié)難以奏效，所以，傳統(tǒng)的控制方案大多都是建立在精確測(cè)量 球磨機(jī)存物料為已知量 的基礎(chǔ)上，并且是人工手動(dòng)操作，其經(jīng)濟(jì)性完全取決于人員的操作水平、調(diào)整能力和工作責(zé)任心。這類方法投資大，改裝工作量也客觀，各制粉系統(tǒng)水平參差不齊，控制效果并不十分明顯，不適合我國(guó)采用。模糊控制是本世紀(jì) 70 年代才發(fā)展起來(lái)的一種新型控制算法，其本質(zhì)是一種非線性控制。它不需要知道被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，并具有比常規(guī)控制系統(tǒng)更好的穩(wěn)定性和更強(qiáng)的魯棒性。 模糊控制是建立在人工經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)之上的。對(duì)于一個(gè)熟練的操作人員，他往往憑借豐富 的實(shí)踐試驗(yàn)，采取適當(dāng)?shù)膶?duì)策來(lái)巧妙的控制一個(gè)復(fù)雜過(guò)程。若能將這些熟練操作員的實(shí)踐試驗(yàn)加以總結(jié)和描述， 并用語(yǔ)言表達(dá)出來(lái)，就會(huì)得到一種定性的、不精確的控制規(guī)則。如果用模糊數(shù)學(xué)將其定量化，就轉(zhuǎn)化為模糊控制算法，從而形成模糊控制理論。 模糊控制理論具有的特點(diǎn)： （ 1） 模糊控制不需要被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。模糊控制是以人對(duì)被控對(duì)象的控制經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)而設(shè)計(jì)的控制器， 故無(wú)須知道被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。 （ 2）模糊控制是一種反映人類智慧的智能控制方法。模糊控制采用人類思維中的模糊量，如“高”、“中”、“低”、“大”、“小”等，控制量由 模糊推理導(dǎo)出。這些模糊量和模糊推理是人類智能活動(dòng)的體現(xiàn)。 （ 3）模糊控制易于被人接受。模糊控制的核心是控制規(guī)則 ，模糊規(guī)則是用語(yǔ)言來(lái)表示的，如“今天氣溫高，則今天天氣暖和”等，易于被一般人所接受。 （ 4）構(gòu)造容易。模糊控制規(guī)則易于軟件實(shí)現(xiàn)。 （論文） 2 （ 5）魯棒性和適應(yīng)性好。通過(guò)專家經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的模糊規(guī)則可以對(duì)復(fù)雜的對(duì)象進(jìn)行有效的控制。 模糊控制策略可以保證球磨機(jī)安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，可以對(duì)球磨機(jī)負(fù)荷 (裝物料的 量 )、球磨機(jī)出口成品的 溫度、球磨機(jī)罐內(nèi) 負(fù)壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)球磨機(jī)負(fù)荷的任務(wù)就是保證 球磨機(jī)在最經(jīng)濟(jì)工況下運(yùn)行，維 持球磨機(jī)罐內(nèi)負(fù)壓穩(wěn)定，達(dá)到球磨機(jī)溫度 量恒定 ，從而維持粉碎的細(xì)度，還可防止粉末 外噴，影響安全和 環(huán)境衛(wèi)生。球磨機(jī) 內(nèi)粉末 混合物的溫度反映了物料 的干濕度，同時(shí)也是防暴安全性的重要指標(biāo)?；谀：刂频倪@些特點(diǎn)，可以確定為對(duì)球磨機(jī)的基本控制策略。 2 隨著先進(jìn)控制理論和檢測(cè)手段以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，火電廠熱工過(guò)程控制水平有了大幅度的提高，制粉系統(tǒng)球磨機(jī)這一較難控制的系統(tǒng)開(kāi)始受到重視，并取得了一些理論和應(yīng)用方面的研究成果。一批以多變量控制理論、模糊控制理論及自適應(yīng)優(yōu)化理論為基礎(chǔ)，在充分考慮了制粉系統(tǒng)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)不 同被控過(guò)程的具體特性，基于不同控制理論的實(shí)用控制策略已被提出。這 對(duì)球磨機(jī)制粉系統(tǒng)的自動(dòng)控制和優(yōu)化運(yùn)行起到一些積極的指導(dǎo)作用。 動(dòng)式 球磨機(jī)模糊控制 的 提出及研究意義 （ 1） 、 擺動(dòng)式 球磨機(jī)模糊控制的提出 球磨機(jī)制粉系統(tǒng)是一個(gè)典型的多變量非線性時(shí)變系統(tǒng)， 球磨機(jī) 罐 內(nèi)的存料 量、罐內(nèi)溫度、罐內(nèi)負(fù)壓及球磨機(jī)轉(zhuǎn)速等 之間存在著相當(dāng)嚴(yán)重的藕合， 其運(yùn)行軌跡單一， 基于經(jīng)典 制器的控制系 統(tǒng)很難正常投入運(yùn)行，即使投入也難于保證球磨機(jī) 處于最佳工況。因此實(shí)現(xiàn)球磨機(jī)的自 動(dòng)控制問(wèn)題尤為關(guān)鍵。而擺動(dòng)式球磨機(jī)的提出 解決了這些問(wèn)題。 關(guān)于球磨機(jī)的運(yùn)動(dòng) 為多維復(fù)合曲線運(yùn)動(dòng)。 隨著自動(dòng)控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用和自動(dòng)控制水平的不斷提高，國(guó)內(nèi)外對(duì)球磨機(jī)的自動(dòng)控制也在進(jìn)行著大量的研究。傳統(tǒng)的控制方案大多都是建立在精確測(cè)量球磨機(jī)存 料 量的基礎(chǔ)上，并且是人工手動(dòng)操作，其經(jīng)濟(jì)性完全取決于人員的操作水平、調(diào)整能力和工作責(zé)任心。這類方法投資大，改裝工作量也客觀，各制粉系統(tǒng)水平參差不齊，控制所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益很差，對(duì)于用電量需求巨大而經(jīng)濟(jì)技術(shù)落后的中國(guó)來(lái)說(shuō)，不宜采用。 為了保證球磨機(jī)安全運(yùn)行，降低成本，提高經(jīng)濟(jì)效益，提高機(jī)組的自動(dòng)投入率，本文在智能控制理論的基礎(chǔ)上，研究 探討專家模糊控制系統(tǒng)在球磨機(jī)自動(dòng)控制中的應(yīng)用，即總結(jié)歸納傳統(tǒng)控制思想，采用簡(jiǎn)單的靜態(tài)解禍網(wǎng)絡(luò)與動(dòng)態(tài)前饋補(bǔ)償相結(jié)合的解禍方法，采用模糊語(yǔ)言規(guī)則，存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行數(shù)值運(yùn)算，設(shè)計(jì)出了新型的球磨機(jī)智能控制系統(tǒng)。它不需要知道被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，且具有比常規(guī)控制系統(tǒng)更好的穩(wěn)定性和更強(qiáng)的魯棒性。實(shí)驗(yàn)證明，將它確定為球磨機(jī)的（論文） 3 基本控制策略是可行的。 （ 2） 、球磨機(jī)模糊控制的研究意義 目前，國(guó)內(nèi)大部分球磨機(jī)控制都是人員手動(dòng)操作。對(duì)于運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)不足的操作人員而言，長(zhǎng)期手動(dòng)控制球磨機(jī)的運(yùn)行，不僅容易造成球磨機(jī)滿料、斷料、跑粉 、超溫事件的發(fā)生，而且也不能使系統(tǒng)長(zhǎng)期保持在最佳工況下運(yùn)行。如何在保證球磨機(jī)安全運(yùn)行的前提下，降低單位球磨機(jī)電耗，提高經(jīng)濟(jì)效益，提高機(jī)組的自動(dòng) 投入率，己經(jīng)成為 自動(dòng)控制中的一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。此外，在經(jīng)濟(jì)全球化、節(jié)省能源和保持經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的背景下，球磨機(jī)這樣一個(gè)耗電大戶進(jìn)行行之有效的自動(dòng)控制也有十分重要的社會(huì)意義。 本論文的意義主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面 : 第一， 提高了機(jī)組運(yùn)行時(shí)的安全性，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命 ； 第二，降低了電耗，減輕了運(yùn)行人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了經(jīng)濟(jì)效益 ； 第三，磨機(jī)控制目前仍是熱工過(guò)程控制中的一大技 術(shù)難題，如果對(duì)此有較好的解決方案，必將促進(jìn)其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，也會(huì)為更復(fù)雜系統(tǒng)的控制提供行之有效的方法，同時(shí)也會(huì)促進(jìn) 控制理論的進(jìn)一步發(fā)展。 基于模糊控技術(shù)擺動(dòng)式球磨機(jī)電氣控制系統(tǒng)的研究 擺動(dòng)式球磨機(jī)的電氣控制部分是球磨機(jī)的重要組成部分，本設(shè)計(jì)的電氣控制算法采用目前先進(jìn)的模糊算法，模糊控制 (法是 20 世紀(jì) 70 年代才發(fā)展起來(lái)的一種新型控制算法，其本質(zhì)是一種非線性控制，并具有比常規(guī)控制系統(tǒng)更好的穩(wěn)定性和更強(qiáng)的魯棒性。 用模糊變量，具有良好的抗噪性能，而且容易與人工操作經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，它不需要知道被 控對(duì)象，的數(shù)學(xué)模型，可以有效地應(yīng)付非線性對(duì)象。 基于模糊控制技術(shù)的多維擺動(dòng)式球磨機(jī)的控制系統(tǒng)，是通過(guò)使罐體進(jìn)行多級(jí)復(fù)合運(yùn)動(dòng)，從而增加單位時(shí)間沖擊和接觸次數(shù)，延長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)軌跡，提高沖擊能，減少盲點(diǎn)，顯著提高球磨效率和罐體內(nèi)粉末度的均勻性。模糊控制技術(shù)的介入，將快速的突破物料的“粉碎極限”，極大提高了加工效率的同時(shí)，解決了超細(xì)粉末制備過(guò)程中迫切需要解決的難題 3。 采用模糊控制實(shí)現(xiàn)多維擺動(dòng)式球磨機(jī)的控制要求，本系統(tǒng)研究設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容： （ 1）交流電機(jī)變頻調(diào)速電路的設(shè)計(jì)； （ 2）氣壓 （真空度） 監(jiān)測(cè)電路的設(shè)計(jì)； （論文） 4 （ 3）工作機(jī)溫度監(jiān)測(cè)電路的設(shè)計(jì)； （ 4）氣壓 （真空度）、溫度 數(shù)據(jù)采集部分程序設(shè)計(jì)； （ 5）模糊控制算法的實(shí)現(xiàn)； （ 6）掉電后時(shí)間自動(dòng)記憶功能的實(shí)現(xiàn)。 本系統(tǒng)的控制對(duì)象是交流異步電機(jī)，這一被控對(duì)象具有強(qiáng)非線性、多變量耦合、不確定性和大滯后的特點(diǎn)，而且調(diào)速系統(tǒng)是一類不確定的復(fù)雜系統(tǒng)，其難以獲得精確的數(shù)學(xué)模型。因而用模糊控制解決其控制問(wèn)題。為此設(shè)計(jì)了模糊控制器，通過(guò)對(duì)變頻器的控制，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的自動(dòng)調(diào)節(jié)；以 片機(jī)為控制核心， 溫度傳感器 、 壓力傳感器 采集信號(hào)，并對(duì)采集 信號(hào)做出相應(yīng)處理，實(shí)現(xiàn)了工作機(jī)溫度和罐內(nèi)氣體壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；設(shè)計(jì)了時(shí)間記憶電路，保證掉電時(shí)間數(shù)據(jù)不丟失。以提高系統(tǒng)的可靠性；利用看門狗電路，提高系統(tǒng)的抗干擾能力，保證系統(tǒng)在工業(yè)的工作環(huán)境下能夠穩(wěn)定工作；設(shè)計(jì)友好的人機(jī)交互界面，使操作簡(jiǎn)單、快捷。 2 擺動(dòng)式球磨機(jī)控制系統(tǒng)方案的確定 擺動(dòng)式球磨機(jī)粉碎過(guò)程模型解析 球磨機(jī) 簡(jiǎn)介 擺動(dòng)式球磨機(jī) 它包括曲軸、曲軸支座、缸體支架、軸承、 擺動(dòng)專制、缸體及固定裝置，曲軸置于曲軸支座內(nèi)，曲軸與罐體支架通過(guò)軸承連接，罐體支架與罐體連接，所述固定裝置一端 連接在罐 體支架上另一端固定，可保證罐體支架及罐體不隨曲軸作圓周運(yùn)動(dòng)而只作一定幅度的多維擺動(dòng)，罐 體內(nèi)的磨球運(yùn)動(dòng)軌跡長(zhǎng)且復(fù) 雜，磨介的沖擊能量大，罐 體內(nèi)幾乎無(wú)盲點(diǎn)，可大大地提高球磨效率和 體內(nèi)粉末粒度的均勻性。 球磨機(jī)工作時(shí)，研磨體由于重力、離心力、摩擦力作用貼在球磨機(jī)筒體內(nèi)壁上與筒體一道回轉(zhuǎn)，并被帶到一定高度后，由于重力大于離心力和摩擦力 的合力，此時(shí)研磨體被拋落出去，下落時(shí)將筒體內(nèi)的物料擊碎，并靠磨介與罐 壁的研磨作用使物料粉碎。 影響球磨機(jī)產(chǎn)量的因素比較復(fù)雜，實(shí)踐證明，球磨機(jī)的回轉(zhuǎn)速度、 物料粒度、物 料水分和溫度、 物料的易磨性、襯板結(jié)構(gòu)、筒體研磨體的填充系數(shù)、磨介 等等都有直接的影響。還有一點(diǎn)常被忽略的是操作工人對(duì)磨機(jī)加料的控制，也同樣影響到球磨機(jī)的產(chǎn)量和質(zhì)量。 10 球磨機(jī)的 粉碎過(guò)程 球磨機(jī)制粉系統(tǒng)的特點(diǎn)是工作可靠性高，系統(tǒng)中發(fā)生故障不立即影響其它設(shè)備的運(yùn)行，球磨（論文） 5 機(jī)的工作與外接設(shè)備工況不相牽連。因此，球磨機(jī)經(jīng)?？梢员３譂M負(fù)荷工作，以減少電能消耗，這對(duì)低負(fù)荷下工作經(jīng)濟(jì)性差的球磨機(jī)來(lái)說(shuō)是非常重要的 ;此外運(yùn)行靈活。球磨機(jī) 結(jié)構(gòu)圖 如圖 2 2磨機(jī)結(jié)構(gòu)圖 基于模糊控制技術(shù)的 多維擺動(dòng)式球磨機(jī)控制系統(tǒng) 具體工作流程為：首先由操作者將被加工物料及磨介放入罐內(nèi)，固定好后通過(guò)控制面板設(shè)定工作機(jī)罐體的溫度上限、罐內(nèi)壓力下限、加工時(shí)間、基本轉(zhuǎn)速、最高轉(zhuǎn)速、 升降速時(shí)間以及加工類型，然后通過(guò)單向閥向罐內(nèi)注入保護(hù)氣體 ，注入壓力由壓力表檢測(cè) ，當(dāng)罐內(nèi)壓力達(dá)到要求值時(shí)。停止注入保護(hù)氣體，取下注氣管。關(guān)閉機(jī)器蓋，開(kāi)啟冷卻風(fēng)扇，對(duì)罐體進(jìn)行冷卻。按“啟動(dòng) ”鍵，使 球磨機(jī) 進(jìn)入工作狀態(tài)。工作時(shí)，球磨機(jī)將按照預(yù)先設(shè)定的值進(jìn)行工作，系統(tǒng) 對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行智能控制，并實(shí)時(shí)顯示控制時(shí)間和工作情況 4 球磨機(jī)制粉系統(tǒng)是一個(gè)具有純遲延、強(qiáng)禍合的多變量非線性時(shí)變系統(tǒng)。 球磨機(jī) 本身是一個(gè)包含了機(jī)械能量轉(zhuǎn)換、熱交換和兩相流動(dòng)的復(fù)雜過(guò)程，任何一個(gè)控制變量的改變都會(huì)造成所有被控變量發(fā)生變化，因此變量之間的相互干擾十分嚴(yán)重。同時(shí)，由于 物料的品種不一，物料 的粒 度、水份、溫度、可磨性系數(shù)、揮發(fā)份等指標(biāo)經(jīng)常發(fā)生變化，另外，磨介在運(yùn)行過(guò)程中不斷被磨損，這些原因使得球磨 機(jī)表現(xiàn)出時(shí)變系統(tǒng)的特 征。此外，球磨機(jī)制粉系統(tǒng)還常受到一些不確定性干擾的影響，例如給料機(jī)斷料、堵料及料 的自 流等。擺動(dòng)式 球磨機(jī)被控對(duì)象包括 3 個(gè)控制 量 （罐內(nèi) 負(fù)筒體 轉(zhuǎn) 動(dòng)軸 氣孔 筒蓋 加料口 漿葉 磨介 （論文） 6 壓 p、罐內(nèi)風(fēng) 粉混和物溫度 T 及球磨機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度 )。若改進(jìn)參數(shù)檢測(cè)方法，使用球磨機(jī)前軸瓦垂直振動(dòng)分量萬(wàn)代替差壓信 號(hào)如表征存物料 量， 于是原來(lái)的對(duì)象就分解為一個(gè)禍合的兩輸入兩輸出對(duì)象和一個(gè)單輸入、單輸出對(duì)象。 對(duì)兩輸入兩輸出對(duì)象按照工藝要求進(jìn)行變量配對(duì)，使用熱風(fēng)量控制溫度，再循環(huán)風(fēng)量控制負(fù)壓，即輸出信號(hào) ，輸入信號(hào) ，兩個(gè)回路 (溫度回路與負(fù)壓回路 )仍有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)，則被控對(duì) 象可描述為 Y=中， G 為傳遞函數(shù)矩陣 )( )()( )()( 22122111 sG 們并不追求模型具有很高的精度，只要能反應(yīng)出制粉系統(tǒng)的特點(diǎn)以便正確設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)。因此， 在建模過(guò)程中作了如下簡(jiǎn)化 : 模型僅從整體上反映 球磨機(jī)特性。 球磨機(jī)罐內(nèi)溫度是風(fēng)和物料 混合物的溫度 ; 不考慮制粉系統(tǒng)內(nèi)熱損失。 主電路方案的確定 本次設(shè)計(jì)的主電路采用交 交變頻電路 如圖 22 1圖 2通用變頻器的主電路主要有兩種類型，即交 交變頻（直接 變頻）和交 直 交變頻（間接變頻）。由于交 交變頻主電路受到電網(wǎng)頻率及整流電路脈沖波數(shù)的限制，輸出功率較低，調(diào)頻范圍較窄（一般情況下，輸出最高頻率為電網(wǎng)的 1/2），主電路元件多且元件利用率低，控制復(fù)雜，只適用于低速大功率拖動(dòng)的場(chǎng)合。而交 直 交變頻是把一定電壓、定額的交流電，先經(jīng)過(guò)整流器整流成直流電，然后再經(jīng)過(guò)逆變器將此直流電變換成電壓和頻率都可以調(diào)的交流電。（論文） 7 這種方式克服了交 交變頻的缺點(diǎn)，應(yīng)用極為廣泛，結(jié)合控制系統(tǒng)的特點(diǎn)和性能要求，本設(shè)計(jì)采用交 直 交變頻電路 5。 控制系統(tǒng) 的確定 本次設(shè)計(jì)選用 單片機(jī) 的控制 。其最大特點(diǎn)就是設(shè)計(jì)者可以根據(jù)自己的實(shí)際需要開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)一個(gè)單片機(jī)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(jī)的基礎(chǔ)上擴(kuò)展一些接口，如用于 A/D、 D/A 轉(zhuǎn)換接口，用于人機(jī)對(duì)話的鍵盤處理接口， 示接口等。然后開(kāi)發(fā)一些應(yīng)用軟件。即可組成完整的單片機(jī)系統(tǒng)。 6 根據(jù)擺動(dòng)式球磨機(jī)的工作模型和對(duì)目前單片機(jī)市場(chǎng)的調(diào)查 ， 本次設(shè)計(jì)選用的單片機(jī) 用單片機(jī)的原因是其經(jīng)濟(jì)易用，性能可靠，易擴(kuò)充，控制功能強(qiáng)。內(nèi)部配置 8 需擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器，可點(diǎn)擦寫， 便于編程調(diào)試 。 部帶有存儲(chǔ)器件，不用擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器，減少硬件線路連接。其最大特點(diǎn)就是設(shè)計(jì)者可以根據(jù)自己的實(shí)際需要開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)，因而更加方便，更加靈活，并且成本低。 根據(jù)多維擺動(dòng)式球磨機(jī)的特點(diǎn)及實(shí)現(xiàn)的功能，微機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能主要有以下幾點(diǎn)： （ 1）實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電機(jī)的速度控制； （ 2）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集并做出相應(yīng)處理； （ 3）實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)記憶功能，保證時(shí)間數(shù)據(jù)掉電不丟失； （ 4）實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、直觀的人機(jī)交互界面。 輸入通道的確定 度傳感器的確定 由于 擺動(dòng)式球 磨機(jī)在研磨物料過(guò)程中，球磨機(jī)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，球磨機(jī)內(nèi)物料碰撞周圍物體，由于壓力作用使物體表而產(chǎn)生微小的形變，球磨機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生很高的溫度。所以需要傳感器的穩(wěn)定性和耐高溫的要求要很高 。根據(jù)設(shè)計(jì)要求本設(shè)計(jì)采用熱電偶溫度檢測(cè)。 熱電偶是工業(yè)上最常用的溫度檢測(cè)元件之一，熱電偶工作原理是基于賽貝克 (應(yīng) ,即兩種不同成分的導(dǎo)體兩端連接成回路，如兩連接端溫度不同，則在回路內(nèi)產(chǎn)生熱電流的物理現(xiàn)象。其優(yōu)點(diǎn)是： 測(cè)量精度高。因熱電偶直接與被測(cè)對(duì)象接觸，不受中間介 質(zhì)的影響。 測(cè)量范圍廣。常用的熱電偶從 1600 均可 連續(xù) 測(cè)量，某些特殊熱電偶最低可測(cè)到 論文） 8 （如金鐵鎳鉻），最高可達(dá) +2800 （如鎢 構(gòu)造簡(jiǎn)單，使用方便。熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成，而且不受大小和開(kāi)頭的限制，外有保護(hù)套管，用起來(lái)非常方便。 熱電偶測(cè)溫基本原理 是 將兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體 焊接起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)閉合回路，如圖 2示。當(dāng)導(dǎo)體 A 和 B 的兩個(gè)執(zhí)著點(diǎn) 1 和 2 之間存在溫差時(shí)，兩者之間便產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì) ,因而在回路中形成一個(gè)大小的電流 ,這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。熱電偶就是利 用這一效應(yīng)來(lái)工作 。 圖 2電偶 常用熱電偶可分為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶兩大類。所調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是指國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢(shì)與溫度的關(guān)系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶在使用范圍或數(shù)量級(jí)上均不及標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，一般也沒(méi)有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場(chǎng)合的測(cè)量。 本次設(shè)計(jì)使用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶。 標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶我國(guó)從 1988年 1 月 1 日起，熱電偶和熱電阻全部按 際標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，并指定 S、 B、 E、 K、 R、 J、 T 七種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶為我國(guó)統(tǒng)一設(shè)計(jì)型熱電偶。 11 熱電偶的結(jié)構(gòu)形式為了保證熱電偶可靠、穩(wěn)定地工作，對(duì)它的結(jié)構(gòu)要求如下： 組成熱電偶的兩個(gè)熱電極的焊接必須牢固； 兩個(gè)熱電極彼此之間應(yīng)很好地絕緣，以防短路； 補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶自由端的連接要方便可靠； 保護(hù)套管應(yīng)能保證熱電極與有害介質(zhì)充分隔離。 由于擺動(dòng)式球磨機(jī)測(cè)量高溫所以本次設(shè)計(jì)采用 熱電偶溫度傳感器。 氣體壓力傳感器 罐內(nèi)氣體壓力檢測(cè)系統(tǒng)來(lái)監(jiān)測(cè)罐體的安全狀況是很必要的。機(jī)械法加工超細(xì)粉末的保護(hù)和保原問(wèn)題，是超細(xì)粉末制備技術(shù)迫切需要解決的難題。 當(dāng)罐內(nèi)氣體壓力低于要求時(shí)，系統(tǒng)采用緊急加熱點(diǎn) 金屬 b 金屬 a + （論文） 9 停車，并且報(bào)警，避免了被加工物料的氧化和事故的發(fā)生。 這里選用 力傳感器 ，其 工作原理是：陽(yáng)極相對(duì)于陰極施加正向電壓，在陰極形成電場(chǎng)，使陰極產(chǎn)生電子發(fā)射。當(dāng)敏感陽(yáng)極膜受壓變形時(shí)，陰陽(yáng)極間距變化，陰極發(fā)射的電流發(fā)生變化。從而通過(guò)陰極發(fā)射電流的變化反映陽(yáng)極膜所受壓力的變化。該傳感器上的施加在傳感器上的壓力在 25g 100g 范圍內(nèi)，其壓力與輸出電壓的曲線呈線性關(guān)系，從而反映出施加在傳感器上的壓力與傳感器發(fā)射的電流成線性變化關(guān)系 系統(tǒng)原理框圖 在主 電路和控制電路的基礎(chǔ)上加上必需的輔助和驅(qū)動(dòng)電路，就構(gòu)成了本次設(shè)計(jì)的整個(gè)系統(tǒng)，其系統(tǒng)原理圖如圖 2示。 由圖可知，本次設(shè)計(jì)以 片機(jī)為控制器，以交流電動(dòng)機(jī)為控制對(duì)象，以直流測(cè)速發(fā)電機(jī)為速度傳感器，構(gòu)成了閉環(huán)控制系統(tǒng)；針對(duì)交流電動(dòng)機(jī)具有非線性、多變量強(qiáng)耦合以及獲得精確數(shù)學(xué)模型困難的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了模糊控制器，通過(guò)對(duì)變頻器的控制，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的自動(dòng)調(diào)節(jié)；通過(guò)人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了加工時(shí)間、間歇時(shí)間、最高轉(zhuǎn)速、升速時(shí)間、降速時(shí)間、允許溫升范圍、超強(qiáng)加工、柔性加工等設(shè)置；通過(guò) 溫度傳感器 、 壓力傳感器 ，實(shí)現(xiàn) 了工作機(jī)溫度和罐內(nèi)氣體壓力的監(jiān)測(cè)。 圖 2傳感器 單片機(jī) 人機(jī)接口 看門狗 A/D 裝換 時(shí)鐘電 路 報(bào) 警 變頻驅(qū)動(dòng)電路 電機(jī) 檢測(cè)電 路 （論文） 10 3 電氣控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 電氣控制系統(tǒng)的硬件組成 系統(tǒng)的硬件組成主要由五部分：?jiǎn)纹瑱C(jī)最小系統(tǒng)，時(shí)間記憶電路，檢測(cè)放大電路，變頻驅(qū)動(dòng)電路以及人機(jī)交互電路。 本系統(tǒng)的 實(shí)現(xiàn)對(duì)多維擺動(dòng)式球磨機(jī)整個(gè)工作流程的智能控制， 單片機(jī)選用 濟(jì)易用， 性能可靠，無(wú)須擴(kuò)展外部存貯器 ，可多次修改程序，便于編程調(diào)試 ?？刂茖?duì)象是一臺(tái)功率為 3籠式三相交流異步電動(dòng)機(jī)，使用的主要元器件為 制系統(tǒng)采用的是閉環(huán)，運(yùn)用了 弦脈寬調(diào)制方式進(jìn)行交流電機(jī)的調(diào)速，提高粉末的加工細(xì)度。 89片機(jī)應(yīng)用介紹 單片機(jī) 98紹 美國(guó) 司生產(chǎn)的低電壓，高性能 位單片機(jī)，片內(nèi)含 8可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器（ 和 256隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ 器件采用 易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，與標(biāo)準(zhǔn) 51 指令系統(tǒng)及 8052 產(chǎn)品引腳兼容，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器（ 儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大 片機(jī)適合于許多較為復(fù)雜控制應(yīng)用場(chǎng)合 7。 單片機(jī)芯片的管腳描述如圖 3表 3示。 T 113I N T 012 / V S E E E / 039P 0138P 0237P 0336P 0435P 0534P 0633P 0732P 2021P 2122P 2223P 2324P 2425P 2526P 2627P 2728A T 89C 52圖 3腳圖 （論文） 11 表 3腳詳盡功能描述 助字符 名稱和功能 地 源 0口 1口 2口 3口 串行輸入口 串行輸出口 外部中斷 外部中斷 （ 外部輸入腳 （ 外部輸入腳 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的寫入控制信號(hào) 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的讀取控制信號(hào) 位端 址鎖存使能端 序存儲(chǔ)器使能端 外部訪問(wèn)使能編程電壓提供 振 1 振 2 功能特性概述： 供以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k 字節(jié) 速存儲(chǔ)器， 256 字節(jié) 內(nèi)部 32 個(gè) I/O 口線，3 個(gè) 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器，一個(gè) 6 向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)， 降至 0靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式。空閑方式停止 工作，但允許 時(shí) /計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存 的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。 單片機(jī)最小系統(tǒng) 單片機(jī)最小系統(tǒng)包括：時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、看門狗電路以及使單片機(jī)正常工作的電源電路。時(shí)鐘電路為單片機(jī)提供時(shí)鐘 控制信號(hào)，本系統(tǒng)采用了 6M 的晶振作為 內(nèi)部時(shí)鐘源；復(fù)位電路可以在單片機(jī)正常工作中如需要一個(gè)復(fù)位信號(hào)，以便使單片機(jī)上電或按下復(fù)位開(kāi)關(guān)時(shí)能從頭開(kāi)始工作，它的復(fù)位信號(hào)低電平有效；看門狗電路 單片機(jī)受外界干擾時(shí)，保證單片機(jī)程序不跑飛。提高系統(tǒng)可靠性 12。其具體電路如圖 3 （論文） 12 T 113I N T 012 / V S E E E / 039P 0138P 0237P 0336P 0435P 0534P 0633P 0732P 2021P 2122P 2223P 2324P 2425P 2526P 2627P 2728A T 89 C 52V C X 81 3M H 95V C 單片機(jī)最小系統(tǒng) 時(shí)間記憶電路設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)的時(shí)鐘芯片采用 如圖 3 2 8 K H 25 .6 15 .6 b a 1 3 0 25 時(shí)間記憶電路 （論文） 13 司推出的涓流充電時(shí)鐘芯片，內(nèi)含 有一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘和 31字節(jié)靜 通過(guò)簡(jiǎn)單的串行接口與單片機(jī)進(jìn)行通信。 單片機(jī)之間能簡(jiǎn)單地采用同步串行的方式進(jìn)行通信僅需用到三個(gè)口線， 1 2 I/3 讀 /寫數(shù)據(jù)以一個(gè)字節(jié)或多達(dá) 31個(gè)字節(jié)的字符組方式通信。 作時(shí)功耗很低保持?jǐn)?shù)據(jù)和時(shí)鐘信息時(shí)，功率小于 1表 3腳功能表 振管腳 地 復(fù)位腳 I/O 數(shù)據(jù)輸入 /輸出引腳 行時(shí)鐘 電源供電管腳 輸入檢測(cè)放大電路及 A/D 轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì) 檢測(cè)放大電路在整個(gè)控制系統(tǒng)中都具有重要作用，其檢測(cè)精度可以直接影響系統(tǒng)控制精度。在本系統(tǒng)中檢測(cè)放大電路可分為真空壓力檢測(cè)放大電路、溫度檢測(cè)放大電路和測(cè)速發(fā)電機(jī)檢測(cè)放大電路三部分組成。 壓力檢測(cè)電路 壓力是工業(yè)生產(chǎn)中的重要參數(shù)之一，為了保證 其正常 運(yùn)行，必須對(duì)壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，但需說(shuō)明的是，這里所說(shuō)的壓力，實(shí)際上是物理概念 中的壓強(qiáng)，即垂直作用在單位面積上的力。 在壓力測(cè)量中，常用絕對(duì)壓力、表壓力、負(fù)壓力或真空度之分。所謂絕對(duì)壓力是指被測(cè)介質(zhì)作用在容器單位面積上的全部壓力，用符號(hào) 示。用來(lái)測(cè)量絕對(duì)壓力的儀表稱為絕對(duì)壓力表。用來(lái)測(cè)量大氣氣壓力的儀表叫氣壓表。絕對(duì)壓力與大氣壓力之差 ， 稱為表壓力 。 用符號(hào) 示。即 pb=絕對(duì)壓力值小于大氣壓力值時(shí)，表壓力為負(fù)值（即負(fù)壓力），此負(fù)壓力值的絕對(duì)值，稱為真空度，用符號(hào) 示。 力傳感器采用全不銹鋼封焊結(jié)構(gòu)，具有良好的防潮能力及優(yōu)異的介質(zhì)兼容性。廣泛 用于工業(yè)設(shè)備、化工、醫(yī)療、空調(diào)等壓力測(cè)量與控制 ， 綜合精度 : S、 S。 （論文） 14 表 3能表 供電電壓 24 36介質(zhì)溫度 200 環(huán)境溫度 95 負(fù)載電阻 電壓輸出型：大于 50緣電阻 大于 2000期穩(wěn)定性能 S/年 振動(dòng)影響 在機(jī)械振動(dòng)頻率 202000，輸出變化小于 S 電氣接口 (信號(hào)接口 ) 四芯屏蔽線、緊線螺母 本設(shè)計(jì)使用的 氣 壓力傳感器 ，電路如圖 3示，感器到輸入放大器 間用雙絞線聯(lián)結(jié)，可避免干擾，并可提高測(cè)量精度。當(dāng)?shù)膲毫Πl(fā)生變化時(shí)，其兩端的電壓降隨之線性變化（約 P）。經(jīng) 大后，送入 成反相放大器。將被測(cè)信號(hào)送給 過(guò)調(diào)節(jié) 壓力 P=， 輸出為 0V。當(dāng)壓力變化范圍為 ， 出電壓變化范圍為 而實(shí)現(xiàn)了壓力、電壓轉(zhuǎn)換。 10 010 910 810 510 610 40 u 723184 1 A+ 1 2 2 4- 1 2 0 A+ 1 2 V+ 1 2 2 P 7 0 8 F 真空壓力傳感P T P 7 0 8 溫度檢測(cè)放大電路 本次設(shè)計(jì)采用 的熱電偶溫度傳感器，型號(hào)為 鉑銠 13 ，它采用恒流源電路來(lái)獲取溫度信號(hào)。本系統(tǒng)是采用價(jià)格低廉的運(yùn)放為核心 來(lái)構(gòu)成的，恒流效果十分理想。 隨著近年來(lái)微電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了不少專 用的高性能放大芯片， 具有運(yùn)放結(jié)構(gòu)，在本設(shè)計(jì)中我選用了 為放大器電路的首級(jí)放大。 低價(jià)格、低功耗放大（論文） 15 器，它只需要一只外部電阻就可設(shè)置 1 1000 倍的放大增益，它具有較低的輸入偏置電流、 較快的建立時(shí)間和較高的精度。 865147A D 92 08147*8147O P 07101103+518R P 2100102 熱電偶1+5 3R P 4+5電機(jī)速度檢測(cè)電路 由于多維擺動(dòng)式球磨機(jī)中的電機(jī)在工作過(guò)程中是隨罐體擺動(dòng)而運(yùn)動(dòng)的，工作過(guò)程中震動(dòng)較大。這里采用測(cè)速發(fā)電機(jī)對(duì)交流電機(jī)進(jìn)行測(cè)速，可以構(gòu)成閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。測(cè)試電路采用高精度放大電路，使得即便是在電動(dòng)機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，也有足夠的測(cè)速精度。 電阻網(wǎng)絡(luò) 4組成分壓器，分別供給 電流 3/（ 6） =2V/（ 6）。恒流源大小可通過(guò) 流電流 輸出電壓 V=12接 +15出 電壓限制在 5V8。其電路圖如 3 41 0 0 0 u F / 3 0 0 50 .1 u 00 .1 u 623184 1 A 5 310 2- 1 2+ 1 2圖 3機(jī)速度檢測(cè)電路 （論文） 16 A/D 轉(zhuǎn)換器接口 在單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)中，被測(cè)量的對(duì)象上的有關(guān)變量，如溫度、壓