（机械电子工程专业论文）连续烧结炉温度场分析及温控专家系统的开发.pdf

济南大学硕士学位论文 摘要 金属粉末注射成形技术( m e t a li n j e c t i o nm o l d i n g ，简称m i m ) 是近年来粉末冶 金学科和工业中发展较快的领域。随着m i m 技术的规模产业化，m i m 产业的全面发 展更需要通过生产设备来提高企业的生产效率。正确选择和使用m i m 生产过程中的 各种设备，可提高产品的质量、产量以及劳动生产率，加速产业化发展。在此基础上， 提出连续烧结设备的概念。 连续式烧结炉由多个炉段组成，各个炉段之间在烧结过程中存在耦合，同时还受 到气氛、炉门等因素的影响使得温度控制精度较低。正是由于连续烧结炉具有典型的 大滞后、非线性、强耦合等复杂特点，所以很难建立起精确的数学模型来实现连续烧 结炉温度的精确控制。同时影响m i m 烧结零件质量的一个关键因素是温度控制精度， 烧结温度的一个微小变化就会导致零件的密度变化，甚至局部表面熔化。因此，提高 连续烧结炉温度控制精度，对降低零件的损坏率，减少能源浪费起到很重要的作用。 智能控制技术不需要有精确的数学模型作为基础，适合应用于像连续烧结炉温度控制 这样的复杂系统。论文在对多炉段连续烧结炉温度场分析的基础上，将专家控制系统 应用到连续烧结炉温度控制中，提高了控制精度和烧结产品质量，节约了资源，具有 一定的工程实用价值和学术理论研究价值。 论文首先阐述了传热学和有限元分析方法的基础理论知识。利用a n s y s 的热分 析功能模块，对连续烧结炉温度场进行分析：分析了气体因素影响下高温烧结段温度 场分布、炉门开关因素下低温段温度场分布；前区在加热时和不加热时对当前分析区 温度场的影响以及后区加热时和不加热时对其温度场的影响，得到各种情况下的烧结 炉温度场分布。分析结果得到的数据为专家系统的构建提供了依据，也对提高连续烧 结炉温度控制精度有一定的指导作用。其次论述了专家控制基础理论，主要包括专家 控制的基本思想、目标与实现、专家控制系统的特点和分类以及专家控制系统的结构。 在分析专家控制系统的基础上，借鉴专家控制在其他领域应用的成功实例，结合实际 工程项目，将专家控制系统应用于连续烧结炉温控系统的可行性进行了论证。重点介 绍了连续烧结炉专家控制系统的构建：专家系统数据库的设计，根据所获得的知识在 m i c r o s o f ta c c e s s2 0 0 0 环境下建立知识库，分别用来存储温度场分析结果、推理结果 和真实历史数据值；采用产生式规则编写连续烧结炉专家控制系统规则；采用c + + 连续烧结炉温度场分析及温控专家系统的开发 代码构建专家控制系统推理机模块，形成控制策略，从而完成专家控制系统推理机的 设计。论文最后介绍了连续烧结炉的组态监控设计，利用o d b c 技术解决专家系统 数据库与组态监控之间的数据通信问题，实现了两者的集成运行。从而实现了控制网 络与信息网络、信息网络与专家控制系统数据库数据的链接、交换；构造的人机界面 生动、友好，充分满足工程需要。 关键词：连续烧结炉；多炉段；温度场分析；专家控制系统；组态监控 济南人学硕士学位论文 a b s t r a c t m e t a li n j e c t i o nm o l d i n gt e c h n o l o g y ( s h o r t e n e df o r mm i m ) h a sb e e nr a p i d l y d e v e l o p i n gi np o w d e rm e t a l l u r g ya n di n d u s t r yf i e l di nr e c e n ty e a r s w i t hm i mt e c h n o l o g y i n d u s t r i a l i z a t i o n ，t h eg e n e r a lp r o d u c t i o ne q u i p m e n to ft h et r a d i t i o n a lp o w d e rm e t a l l u r g y i n d u s t r ya n di n j e c t i o nm o l d i n gi n d u s t r y , a sw e l la sav a r i e t yo fs p e c i a l i z e dm i me q u i p m e n t h a v eb e e nw i d e l yu s e di ni n d u s t r i a lp r o d u c t i o no fm e t a li n j e c t i o nm o l d i n g t h ea l l - s i d e d d e v e l o p m e n to fm i mi n d u s t r ye v e nm o r en e e d sp r o d u c t i v ee q u i p m e n tt oe n h a n c et h e i r p r o d u c t i v ee f f i c i e n c y c o r r e c tc h o i c ea n du s ei nm i mp r o d u c t i o np r o c e s se q u i p m e n t ，c a n i m p r o v ep r o d u c tq u a l i t y ；o u t p u t a n dl a b o rp r o d u c t i v i t y , a n da c c e l e r a t ei n d u s t r i a l d e v e l o p m e n t o nt h i sb a s i s ，p u tf o r w a r dt h ec o n c e p to fc o n t i n u o u s l ys i n t e r i n ge q u i p m e n t t h ec o n t i n u o u s l ys i n t e r i n gf u m a c ec o n s i s t so fs e v e r a lf u m a c es e c t i o n s ，a n de x i s t s h e a v yc o u p l i n gb e t w e e nt h ee v e r yf u r n a c es e c t i o n s ，b u ta l s oi n f l u e n c e db ya t m o s p h e r ea n d f u m a c ed o o rf a c t o r s ，a n ds ot e m p e r a t u r ec o n t r o lp r e c i s i o ni sl o w e r b e c a u s ei th a st h e c o m p l e xc h a r a c t e r i s t i c so ft y p i c a ll a r g el a g g i n g ，n o n l i n e a r , s t r o n gc o u p l i n ge ta l ，a n di ti s d i f f i c u l tt oe s t a b l i s hap r e c i s em a t h e m a t i c a lm o d e lt oa c h i e v et h ec o n t i n u o u s l ys i n t e r i n g f u r n a c et e m p e r a t u r ep r e c i s ec o n t r 0 1 a tt h es a m et i m e ，ak e yf a c t o ra f f e c t e dt h eq u a l i t yo f s i n t e r i n gp a r t si st h et e m p e r a t u r ec o n t r o lp r e c i s i o n ，t h es i n t e r i n gt e m p e r a t u r es u b t l ec h a n g e c a nl e a dt op a r t sd e n s i t yc h a n g e ，o re v e np a r t i a ls u r f a c em e l t i n g t h e r e f o r e ，r a i s i n gt h e c o n t i n u o u s l ys i n t e r i n gf u r n a c et e m p e r a t u r ec o n t r o lp r e c i s i o nc a np l a ya ni m p o r t a n tr o l ef o r r e d u c i n gb r e a k a g eo fp a n sa n de n e r g yc o n s u m p t i o n i n t e l l i g e n tc o n t r o lt e c h n o l o g yn e e d n t r e q u i r ep r e c i s em a t h e m a t i c a lm o d e l ，a n de s p e c i a l l ys u i t a b l ef o rc o m p l e xa p p l i c a t i o n ss u c h a st h ec o n t i n u o u s l ys i n t e r i n gf u r n a c es y s t e m t h ep a p e ro nt h eb a s i so ft h em u l t i - s e c t i o n f u r n a c et e m p e r a t u r ef i e l da n a l y s i s ，e x p e r tc o n t r o ls y s t e mi sa p p l i e dt ot h ec o n t i n u o u s l y s i n t e r i n gf u r n a c et e m p e r a t u r ec o n t r o l ，a n di tc a ni n c r e a s ec o n t r o lp r e c i s i o na n ds i n t e r i n g p r o d u c tq u a l i t y , e c o n o m i z er e s o u r c e ，h a v ec e r t a i np r a c t i c a lv a l u ea n da c a d e m i cr e s e a r c h v a l u e f i r s t l y , t h ep a p e re x p l a i n e dt h et h e o r e t i c a lk n o w l e d g ea b o u th e a tt r a n s f e ra n df i n i t e e l e m e n ta n a l y s i sm e t h o d u s i n ga n s y st h e r m a la n a l y s i sf u n c t i o nm o d u l e ，a n a l y z e dt h e i l i 连续烧结炉温度场分析及温控专家系统的开发 s i n t e r i n gf u r n a c et e m p e r a t u r ef i e l d ：t h eh i g h - t e m p e r a t u r es i n t e r i n gt e m p e r a t u r e f i e l d d i s t r i b u t i o ni n f l u e n c e db ya t m o s p h e r ef a c t o r , a n dt h el o w t e m p e r a t u r ef i e l dd i s t r i b u t i o n i n f l u e n c e db yf u r n a c ed o o r sf a c t o r ；t h ea n a l y s i sz o n et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni n f l u e n c e d b yt h en e x tz o n ea n dt h ea n t e r i o rz o n e ，w h i c hi sd i v i d e di n t ot w oc i r c sh e a t i n ga n ds t o p h e a t i n g t h ed a t ao b t a i n e df r o ma n a l y s i sr e s u l t sp r o v i d e df o rt h ea c a d e m i cb a s i st ot h e e x p e r tc o n t r o ls y s t e mb u i l d i n g ，a n da l s of o rt h eg u i d a n c ef u n c t i o nt oi m p r o v et e m p e r a t u r e c o n t r o lp r e c i s i o n s e c o n d l y , t h ep a p e rd i s c u s s e dt h ee x p e r tc o n t r o lb a s i st h e o r y , i n c l u d i n g t h eb a s i ci d e a ，o b j e c t i v e sa n di m p l e m e n t a t i o no ft h ee x p e r tc o n t r o ls y s t e m ，c h a r a c t e r i s t i c s a n dc l a s s i f i c a t i o n ，a sw e l la se x p e r tc o n t r o ls y s t e ms t r u c t u r e o nt h eb a s i so fa n a l y s i s e x p e r tc o n t r o ls y s t e m ，u s e d f o rr e f e r e n c es u c c e s s f u le x a m p l e sa b o u te x p e r tc o n t r o l a p p l i c a t i o ni no t h e rf i e l d s ，c o m b i n e dp r a c t i c a lp r o j e c t s ，d e m o n s t r a t e dt h ef e a s i b i l i t yt h a t e x p e r tc o n t r o ls y s t e mw o u l db eu s e df o rt h es i n t e r i n gf u r n a c et e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m m a i n l yi n t r o d u c e dt h ee x p e r tc o n t r o ls y s t e mb u i l d i n g ：e x p e r ts y s t e md a t a b a s ed e s i g n ， b a s e do nt h eg a i n e dk n o w l e d g ei nt h em i c r o s o f ta c c e s s2 0 0 0e s t a b l i s h e dd a t a b a s et os t o r e t h ed a t ao ft e m p e r a t u r ef i e l da n a l y s i sa n dr e a s o n i n gr e s u l t sa n dr e a lh i s t o r i c a ld a t av a l u e ； c o m p i l e dt h es i n t e r i n gf u r n a c ee x p e r tc o n t r o ls y s t e mr u l e su s i n gp r o d u c t i o nr u l e s ； p r o g r a m m e dr e a s o n i n gm o d u l eb yc + + c o d et of o r mc o n t r o ls t r a t e g y , c o m p l e t e de x p e r t c o n t r o ls y s t e mr e a s o n i n gm a c h i n ed e s i g n l a s t l y , t h ep a p e ri n t r o d u c e dt h es i n t e r i n g f u r n a c ec o n f i g u r a t i o nm o n i t o r i n gd e s i g n ，u s e do d b ct e c h n o l o g yt os o l v et h ep r o b l e mo f d a t ac o m m u n i c a t i o na n dr e a l i z e dt h ei n t e g r a t i o nf u n c i o n ga b o u tt h ee x p e r tc o n t r o ls y s t e m a n dc o n f i g u r a t i o nm o n i t o r i n g t h u s ，i ta c h i e v e di n t e r l i n k a g ea n de x c h a n g eb e t w e e nc o n t r o l n e t w o r ka n di n f o r m a t i o nn e t w o r k ，i n f o r m a t i o nn e t w o r ka n de x p e r tc o n t r o ls y s t e md a t a b a s e ； t h em a n - m a c h i n ei n t e r f a c ei sl i v e l y , f r i e n d l y ，a n ds u f f i c i e n t l ym e e t sp r o j e c tn e e d s k e y w o r d s ：c o n t i n u o u s l ys i n t e r i n gf u r n a c e ，m u l t i - s e c t i o nf u r n a c e ，t e m p e r a t u r ef i e l da n a l y s i s ，e x p e a c o n t r o ls y s t e m ，c o n f i g u r a t i o nm o n i t o r i n g 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：刍l 丞鸳 日 l 一事2 期：鲨墨! 量：丝 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借鉴；本人授权济南大学可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和 汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：j 丞盔生导师签名： 济南大学硕士学位论文 1 1 论文研究的目的和意义 第一章绪论 金属粉末注射成形技术( m e t a li n j e c t i o nm o l d i n g ，简称m i m ) 是近年来粉末冶 金学科和工业中发展较快的领域，是先进的塑料注射成形技术和传统粉末冶金技术相 结合而形成的一种近、净成形技术。与传统工艺相比，具有成形精度高、组织均匀、 性能优异，成本低等特点，特别适合于复杂、大批量及具有特殊要求的金属零件。目 前已广泛应用于电子信息工程、医疗器械、汽车、机械、五金、体育器械、兵器及航 空航天等工业领域。该技术具有常规粉末冶金工艺效率高、产品一致性好、少或无切 削，经济高效的优点，而且克服了传统制品密度低，材质不均匀等问题。特别适合大 批量、小型、复杂以及具有特殊要求的零件制造。传统的m i m 工艺采用脱脂、烧结、 冷却等单一工序，为提高产品质量，降低烧结过程中的废品率，因此考虑将传统的单 。 一工序集成为综合工序，便诞生了连续烧结炉的概念。 目前，烧结炉主要问题是温度控制精度不高，这样在生产过程中难以确定稳定的 生产工艺。而烧结质量主要是由温度的均匀性和烧结工艺的稳定性决定的，要求连续 烧结炉具有非常好的温度均匀性，使得产品达到各向同性收缩，才能减少烧结变形和 提高产品质量。也就是说，连续烧结炉温度控制精度的高低直接影响到产品烧结质量 的好坏。 烧结炉的加热过程是典型的多变量、大惯性、非线性、时变的复杂系统【1 1 。目前， 我国烧结炉加热过程大部分采用人工调节的方法，其控制完全依赖于操作人员的实际 经验和个人预测能力，可能造成温度的较大波动而超出允许范围，使烧结质量下降并 浪费能源，影响烧结设备的寿命。加热炉的温度受多种因素的影响，很难建立精确的 解析模型，采用常规的控制方法很难将温度控制在要求的精度范围内。因此，采用智 能的温度控制方法1 2 - 3 l 取代常规的温度控制方法已成为必然的发展趋势。智能控制是 一种先进的控制理论和技术，它对当代多种前沿学科、多种先进技术和多种科学方法 加以高度综合利用。智能控制主要用来解决那些用传统控制方法难以解决的复杂问 题，由于其高度的仿人智能特性，在处理工业生产过程复杂控制时，比传统控制方法 更为先进有效i j 。 专家控制e c ( e x p e r tc o n t r 0 1 ) 技术是智能控制的一个重要部分，它在将人工智 连续烧结炉温度场分析及温控专家系统的开发 能a i ( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ) 的理论和技术同控制理论及方法有机结合的基础上，在 未知环境下模仿专家的智能，实现对系统的有效控制【叨。专家控制的实质是基于控 制对象和规律的各种知识，并以智能方式利用这些知识使实时控制系统尽可能优化和 实用化，它反映出了智能控制的许多重要特征和功能。 专家控制能够处理各种非结构性问题，尤其是处理启发式的或不确定性的知识信 息，经过各种推理过程达到系统的控制目标，主要有以下特点：专家控制的核心是知 识信息处理系统，而不是数值信息处理系统，它依据知识表示技术确定问题，而不是 基于数学描述方法建立处理对象的计算模型；它主要采用知识推理的各种方法搜索求 解制定决策，而不是在固定程序控制下通过执行指令完成求解任务：专家系统通常由 组织级，协调级和执行级构成，其核心是组织级，并具有由低层至高层 智能逐级 升高、精度逐级降低的特点，即分级递阶控制结构。 将专家控制系统和传统p i d 调节【8 。9 】相结合应用于多炉段连续烧结炉温度场控制 系统，在工程实际应用方面对提高连续烧结炉温度控制系统的性能，大幅度节约能源 具有深远的意义。 1 2 国内外研究现状 智能控制是自动控制发展的高级阶段，是控制论、系统论、信息论和人工智能等 多种学科交叉和综合的产物，为解决那些用传统方法难以或不能很好解决的复杂系统 的控制提供了有效的理论和方法。自从智能控制的概念提出以来，智能控制理论和技 术得到了很大的发展，相继出现了人工神经网络控制、模糊控制、专家控制和遗传算 法控制等多种控制方法，并在许多领域得到广泛的应用。国内外学者及专家对智能控 制及其应用的研究同趋热烈。 从国内外相关文献来看，对于烧结炉温度控制的研究较少，大部分是对电阻炉、 锅炉、窑炉等加热炉温度控制的研究。 1 9 6 7 年l e o n d e s 等人首次正式使用“智能控制”一词。1 9 7 7 年g n s a r i d i s 提出 将智能控制领域扩大为三大要素：人工智能、自动控制系统和运筹学。智能控制理论 的研究与应用，是现代控制理论在深度和广度上的丌拓，因此受到各国著名学者的极 大关注，并在专家系统、神经网络、模糊控制和递阶控制等方面取得了可喜的进展。 大型工业加热炉温度控制，国外已经采用计算机控制，且将各种先进的智能控制 方法应用于温度控制1 1 0 1 。特别是模糊控制技术、专家控制技术，在炉温控制中取得了 良好的控制效果。在大型分布式计算机控制系统中，大多采用具有各种智能控制算法 济南大学硕士学位论文 和通信功能的温度控制单回路调节器实现。 美国学者r t o n g 试图模拟操作人员对受控过程的手动控制策略，把不同工况 下选择不同控制信号的经验表示为定性的语言变量规则，即模糊规则，取代了一般的 控制算法。m e r c e d e sr a m i r e z 掣1 1 】在常规p i d 控制的基础上引入基于知识规则的模糊 的控制器应用到多炉膛温度控制中，控制效果明显提高。h y u n s i kk i m ，y o n g k u s h i n l l 2 1 设计完成了基于专家知识的模糊控制器，仿真结果表明该模糊控制器能够解决 实时控制系统的鲁棒性、滞后性等问题。 c a r m o n 根据控制系统工程师和操作人员的经验，总结p i d 控制器的参数调整知 识，以调整规则的形式存于知识库，同时构造模式分类器，识别系统运行期间对象的 特征行为，推理机利用调整规则和模式类比调整p i d 参数，整个调整过程在线、实时 的进行。又如m d el as e n ，j j m i n a m b r e s 掣1 3 l ，依靠实时专家系统技术对于自适应 控制器进行监控，使其能达到最佳的约束条件。 在国内，加热炉的温度控制也取得了许多成果。其中，采用智能控制技术的相关 研究应用成果较多。 针对烧结炉非线性、大滞后、时变等特点以及很难用数学方法建立精确的数学模 型，黄浩，申群泰【1 4 l 提出采用参数自调整的模糊控制技术，通过在线调整参数改善模 糊控制系统的响应速度，对真空烧结炉进行温度控制。 雷建军掣1 5 l 将f u z z y p i d 控制算法应用于电阻炉温度控制系统中，采用复合控 制，既具有模糊控制灵活、响应快和适应性能强的优点，又具有p i d 控制精度高的特 点，使系统能有效抑制纯滞后的影响，而且鲁棒性强。史旭华1 1 6 j 在电加热炉温度控制 中采用带积分的模糊s m i t h 预估器，应用证明，带积分的模糊s m i t h 预估器对纯滞后 的非线性时变系统有较理想的控制效果，比传统的s m i t h 预估控制对参数的变化更具 适应能力，在对象模型发生较大变化时也能获得较好的控制效果，而且通过误差积分 器的直接作用，消除了系统的稳态误差。 除了模糊控制技术在加热炉温度控制中得到广泛的应用外，数字仿真技术及专家 控制技术在加热炉温度控制中也取得了较好的效果。 针对目前烧结炉升温控制大多存在快速升温和超调量大的矛盾，詹会珍i l7 j 提出基 于三阶系统数字仿真求得最佳闭环传递函数，与实际烧结炉升温闭环系统比较来确定 最佳p i d 控制规律和状态反馈参数。该方法是基于数学模型的升温控制方法，由于烧 结炉的加热过程具有非线性、大滞后、大惯性、时变等特点，建立相应的数学模型具 3 连续烧结炉温度场分析及温控专家系统的开发 有一定的难度。 范晓慧等1 1 8 j 在研究烧结过程专家系统的结构和特点的基础上，提出了用面向对象 的方法来建造烧结过程专家系统骨架，系统提供了原型系统的生成平台和用于专家系 统开发的类代码；开发了由化学成分控制、烧结过程状态控制、能耗控制、异常诊断 四个子系统组成的烧结过程控制专家系统，取得了良好的效果。 在工业应用方面，很多实用的专家控制系统相继投入运行，如锅炉专家控制系统、 电厂汽轮机故障预测及寿命分析专家控制系统以及煤气混合加压站专家控制系统【1 9 1 等。李文杰【2 0 1 在武钢四号高炉冶炼专家系统的研制中介绍了武钢四号高炉冶炼专家系 统的开发背景，描述它的组成、网络结构和软件开发，详细分析它的主要功能、阐明 专家系统对保证武钢四号高炉稳定、顺行所起的重要作用。曾燕飞，李小伟【? 1 】在专家 系统在湘钢矿高炉的应用中介绍了湘钢钳高炉的冶炼专家系统的构成、软硬件组态 及其配置，对专家系统在炉温预测控制、高炉操作炉型管理两大部分的功能及其应用 情况进行了概述。该系统可以监控和预测炉温和炉况，并能针对异常炉温和炉况进行 报警和提出调控建议，减轻了工人的劳动强度，为高炉工艺提供了指导，同时提高了 高炉寿命。专家控制技术正在我国广泛地应用，可以预计，在这一高新技术领域中， 我国将逐渐缩小与世界发达国家之间的差距。 近年来，专家控制技术不断发展，要求从单一的实时控制专家系统的模式中脱颖 出来。寻求新的理论和方法，形成新的研究方向已成为众望所归。目前，与之相关的 新理论和方法主要有模糊理论、人工神经网络技术、遗传算法、内模控制1 2 2 l 等，而新 的研究方向则主要集中在模糊专家控制1 2 3 l 和神经网络专家控制系统方面【2 4 1 。 连续烧结炉这样的控制对象，具有多变量、非线性、强耦合以及较大的滞后性， 而且烧结炉的升温、保温是靠电阻丝加热，降温则是依靠自然环境冷却。因此，温度 一旦超调就无法使用控制手段使其降温。正是由于该控制对象具有这些复杂特点，所 以很难建立起精确的数学模型来实现连续烧结炉的温度控制。智能控制理论正是针对 复杂控制对象、环境的不确定性提出来的，它不需要有精确的数学模型作为基础，适 合应用于连续烧结炉温度控制系统中。 至今为止，还未见专家控制系统在连续烧结炉温度场控制中应用的报道，但是专 家控制在其他领域的成功应用为专家控制在连续烧结炉温度场控制中的应用提供了 可靠的理论基础和实践经验。将专家控制系统和传统p i d 调节相结合应用于连续烧结 炉温度场控制系统中，在工程实际应用方面能够提高连续烧结炉温度场控制系统运行 4 济南大学硕士学位论文 的稳定性和可靠性，并且能降低资源消耗。因此，专家控制技术在连续烧结炉系统中 的应用研究是可行的，并且具有研究价值。 1 3 课题的来源及主要工作 本课题来源于山东省优秀中青年科学家科研奖励基金项目一一金属零件注射成 形模具c a d 及连续烧结炉温控系统开发与应用。m i m 产品需要经过混料、注射成形、 脱脂、烧结等多道工序，每一道工序必须保证质量，否则便可能造成质量上的缺陷。 传统的m i m 工艺采用单一工序，黏结剂脱除后的坯体几乎没有强度，极易受到破坏 造成废品，造成了资源的浪费。因此为了尽量减少工序间的运输与人为操作，减少零 件的重复加热次数，有必要考虑将脱脂、烧结等单一工序综合为统一工序，同时尽可 能提高自动化控制水平，从而提高烧结产品的质量。 目前，广泛采用的p i d 调节很难满足实际的连续烧结炉温度控制的要求，系统的 各项性能指标往往不能令人满意，烧结温度控制精度的高低直接影响着烧结产品的质 量。在研究过程中对课题进行反复论证后，作者决定在对连续烧结炉温度场分析的基 础上将专家控制技术引入到连续烧结炉温度场控制系统中，以提高整个温度控制系统 的控制精度和烧结产品质量，大幅度节约资源。 研究中作者主要完成了以下几方面的工作： ( 1 ) 连续烧结炉结构设计。通过对产品成形工艺进行广泛的调研与功能分析， 在与企业技术人员交流的基础上，确定连续烧结炉结构方案； ( 2 ) 连续烧结炉温度场分析。连续烧结炉温度场受各种因素的影响，比如工艺 气体的充入、废气的排出、炉门的开关以及各区之间的相互影响等。采用有限元热分 析功能模块，对连续烧结炉预热段和高温烧结段温度场进行分析； ( 3 ) 对专家控制的基本原理、基本思想和控制目标进行了分析。着重阐述专家 控制系统的基本结构及其特点，以及构建专家控制系统的基本要求和设计原则； ( 4 ) 专家控制系统数据库设计。本系统的数据库采用m i c r o s o f ta c c e s s2 0 0 0 开发。 在数据库中，各类信息的存储载体主要是表。根据连续烧结炉温度场分析结果，建立 知识库，用来存储分析得到的知识、存储推理结果值和真实历史数据； ( 5 ) 专家控制系统规则库的建立。连续烧结炉专家控制系统规则采用i f “条件” t h e n “结论”的方式，或i f ( 事实1 ) ，( 事实2 ) ( 事实n ) t h e n ( 事实1 ) ， ( 事实2 ) ( 事实1 1 ) 的方式表达，编写专家系统控制规则； 连续烧结炉温度场分析及温控专家系统的开发 ( 6 ) 专家控制系统推理机设计。采用正向推理方法，构建了烧结炉专家控制系 统推理机，主要包括推理前一些变量的设置、实时推理、以及根据推理结果给出相应 控制量； ( 7 ) 在v i s u a lc + + 环境下，完成烧结炉温控系统的组态监控界面设计。其中包 括数据的通讯、读参数和写参数等。利用o d b c 技术解决专家系统数据库和组态之 间的通信问题，实现专家控制系统和组态监控之间的集成运行。 6 济南大学硕士学位论文 第二章连续烧结炉结构设计及温控系统总体架构 为了提高传统工艺下烧结产品质量以及减少零件重复加热造成的能源浪费，将脱 脂、烧结、冷却等单一工序集成为综合工序。本章主要在对烧结炉功能分析的基础上 设计连续烧结炉以及温控系统总体架构。 2 1 连续烧结炉的提出 金属粉末注射成形基本工艺过程是：将微细的金属或陶瓷粉末与有机黏结剂均匀 混合成为具有流变性的物质，采用先进的注射机注入具有零件形状的模腔形成坯件， 采用新技术脱除黏结剂，并经过烧结使其高度质密成为制品，必要时还可以进行后处 理。金属粉末注射成形工艺流程如图2 1 所示。 图2 1m l m 工艺流程图 传统的金属粉末注射成形工艺各个工序都是单一的。对于脱脂工序，由于脱脂是 相关行业中以前从未涉及过的领域，其原理为：在保证注射成形所得的零件不变形的 前提下，运用黏结剂中各种成分随着温度的升高不断的发生物理、化学变化的原理， 逐渐变为气态或液态物质，脱离丌注射成形毛坯，以达到把黏结剂脱出的目的。脱脂 工序在整个m i m 技术中的地位显得尤其的特殊和重要，烧结后的缺陷很多是在这个阶 段产生的。 传统粉末冶会工业大部分采用批料式炉，脱脂后的零件几乎没有任何强度，稍微 有些振动都有可能使零件遭到破坏，所以坯体脱脂后在运往烧结炉的过程中极有可能 造成人为的破坏。另一方面，由于新材料和新工艺的出现，以及用户对m i m 认识的提 高，m i m 已经将它的应用领域和产品数量大大提高。为了满足同益增长的需求，增加 7 连续烧结炉温度场分析及温控专家系统的开发 批料式炉的效率和运行成本，批料式炉的尺寸做的越来越大，随之而来的是保证工艺 的均匀性越来越困难，除此之外，大尺寸的批料炉，它的操作和装料也比较复杂。同 时，为了使脱脂、烧结阶段尽可能地减少零件重复加热造成的能源浪费，考虑将传统 的脱脂、烧结、冷却等单一工序集成为综合工序，这样可以减少生产中不确定的因素， 提高成形零件质量，也大大提高了生产效率。综合工序的提出，便诞生了连续烧结设 备的概念。 2 2 连续烧结炉功能分析 连续烧结炉，由脱脂、烧结、冷却三段组成，坯体在传送装置的输送下，依次经 过脱脂、烧结、冷却等炉段，最终烧结成形。通过对产品成形工艺进行广泛的调研与 分析，确定功能需求如下： 。 ( 1 ) 由于烧结段需要气氛保护，又由于坯体在烧结炉内间断式不断送进，坯体 由脱脂进入烧结段的瞬间，难免会造成脱脂段含有粘结剂成分的废气进入烧结段，或 烧结段保护气氛大量流入脱脂段而造成浪费，为此需考虑烧结段内部气氛保护问题。 ( 2 ) 低温脱脂后的零件坯体几乎没有任何强度，稍微的振动或冲击都有可能使 坯体受到破坏，如何考虑烧结段内部的坯体传送机构平稳性是非常重要的。 ( 3 ) 结构设计阶段，必然要考虑温度、气氛控制元件的安放位置，使之不致于 与坯体运动或炉体结构发生干涉；脱脂段、冷却段以及烧结炉外传送机构的具体结构 形式、电机安放位置、整体布局等。 ( 4 ) 烧结设备自动化。烧结质量虽然与各个工序都有关系，但是最主要的还是 由温度的均匀性和烧结工艺的稳定性决定的。所以，要求用于金属粉末注射成形的烧 结设备具有非常好的温度均匀性，使得m i m 产品达到各向同性收缩，从而减少烧结变 形和提高产品精度；要求烧结炉密封性能好，漏气率小，保证所需温度和压力及气氛， 从而实现烧结质密化；要求温度准确，控制灵敏，可实现m i m 产品稳定的批量化生产。 综上所述，连续烧结设备的理想目标为： ( 1 ) 融合传统的单一工序，实现脱脂、烧结、热处理等工序的综合。增加热处 理功能段，在烧结后对零件直接进行热处理，可以大大节省生产成本，降低生产周期， 同时更能保证生产质量。 ( 2 ) 实现脱脂区域和高温烧结区域温度及产品在区域内停留时| 日j 等的灵活控制， 这样可以满足有不同 ：艺要求的各类产品生产需要，同时也可以改善因控制不灵活而 耽误生产的状况。 8 济南火学硕士学位论文 ( 3 ) 提高设备自动化控制与自调节能力，提高设备运行可靠性，降低操作人员 劳动强度，提高生产效率。 2 3 连续烧结炉结构设计 通过上一节对连续烧结炉功能分析，确定连续烧结炉结构方案如下： ( 1 ) 为保护烧结段的气氛，避免脱脂段的废气进入烧结段，在烧结段与脱脂段之 间布置两道炉门，为节省空间，炉门采用上下运动方式实现闭合或开启。从脱脂段到 烧结段方向，依次称之为第一、二道上下式炉门。比如，当坯体由最右端的脱脂段进 入烧阶段，第一道上下式炉门打开，坯体进入第一、第二道炉门之间，然后第一道炉 门关闭，闭合后，首先抽除该空间中的混合气体，再通过注入新的保护气体，使其中 气氛与烧结段的气氛成分、压力都相向，然后第二道上下式炉门打开。随着第二道炉 门的打开，坯体开始进入烧结段。完全进入后，第二道炉门关闭。如此实现坯体的进 入，又保证烧结炉段的气氛不致于流失。 另外，在冷却段的出口处也设置两道炉门，工艺气体的入口布置在冷却段。这样， 冷却段在冷却烧结产品的同时也给充进炉膛的工艺气体进行预热；此外，工艺气体也 具有还原性，在参与生产的同时也有着保护烧结产品不被氧化的作用。在冷却段设置 两道炉门的主要原因是工艺气体必须与大气进行隔绝，以免发生爆炸和造成大气污 染。 ( 2 ) 烧结段的坯体送进，采用步进梁结构。当静止时，盛放坯体的料舟两端托放 在炉体侧面上的两个托板( 两个托板之间有一定的距离，但小于料舟的宽度，使得既 能托住料舟，又便于步进梁的托架上下运动) 上。当料舟需要前进时，步进梁的托架 上移一段距离，使之高于托板，托起料舟，然后步进梁托架前移一段距离，达到设定 好的位置，托架下移，料舟在托板上的又一个位置，然后托架下移到原来的高度，再 回退到同一高度的后端位置，准备下一次的步进运动。 ( 3 ) 脱脂段采用链传动，冷却段采用网带传动，烧结段两道炉门之间采用滚动轮 传动，烧结段采用步进梁传动、炉外采用导轨式小车传动，以上每种传动形式分别采 用电机驱动，在结构设计时已经予以考虑对应的安装位置。 ( 4 ) 每一炉段的温度控制元件以及烧结段气氛压力检测元件的安装位置也应该充 分考虑，比如，通过分析最终确定在烧结段顶板上安装热电偶以及气氛压力传感器， 并具体确定安装位置与高度。 9 连续烧结炉温度场分析及温控专家系统的开发 经过以上几个方面的综合分析，设计连续烧结炉如图2 2 所示。 。 图2 2 连续烧结炉结构 2 4 连续烧结炉温控系统总体架构 连续式烧结炉和传统的批料式炉相比，它是由多个炉段组成，各个炉段之间在烧 结过程中存在耦合，使得温度控制精度降低。正是由于连续烧结炉具有典型的大滞后、 升温单向性，同时又具有非线性、强耦合等复杂特点，所以很难建立起精确的数学模 型来实现连续烧结炉温度的精确控制。同时影响m i m 烧结零件质量的一个关键因素是 温度控制精度，烧结温度的一个微小变化就会导致零件的密度变化，甚至局部表面熔 化。因此，提高连续烧结炉温度控制精度，对降低零件的损坏率，减少能源消耗起到 很重要的作用。 传统的控制采用单点单表的形式，对于连续烧结炉多点的温度控制该方式受到了 一定的限制。该设计在使用温控仪表调节炉温的基础上，引入专家控制系统来提高炉 温的控制精度，使用多点多表的形式以解决系统的大滞后、强耦合性的问题。 2 4 1 专家控制在连续烧结炉温控系统中应用的可行性分析 p i d 控制是目前烧结炉温控系统主要采用的控制方式。p i d 调节的实质就是根据 输入的偏差值，按比例、积分、微分的函数关系，进行运算，将其运算结果作为输出 控制量，经功率放大后驱动执行元件，即p i d 温度调节器根据温度传感器测得的炉内 温度和设定温度的差值，按p i d 的函数关系进行运算，运算结果经功率放大后驱动固 态继电器。 p i d 调节控制系统能满足一般要求不高的场所，但是p i d 调节存在一些不