（机械电子工程专业论文）gczsk型热处理设备控制系统设计与研究.pdf

中南人学硕 学位论文 摘要 摘要弋q 煞。2 l 、 1 阿罗4 二 感应热处理是一种清洁的热处理方式，在热处理行业得到广泛的 应用。高频感应热处理工艺具有高效节能的优点，一直以来国内外生 产厂家和研究机构都致力于高频感应热处理技术的研究，特别是高频 感应热处理设备的研究。 结合横向科研项“g c z s k 型热处理设备控制系统设计”，本文展 开了以下研究： 1 结合本料位系统的结构和特点，采用了模糊控制技术，设计 了智能料位控制系统，解决了设备的分度、定位难题； 2 在分析固态高频电源功率调节方式的基础上，采用三相桥式 全控整流，确保了工作的可靠性； 3 采用锁相环技术，对负载工作频率和相位进行跟踪和控制， 从而保证负载工作在谐振或准谐振状态下； 4 在对高频感应热处理过程中t 件表面温度特性进行了深入细 致的分析和研究的基础上，结合实验建立了温度控制系统模 型，设计了一种改进型的p i d 控制器，实现了淬火工件的表 面温度控制； 5 设计了工控系统，使得设备各组成部分的协调性更强。 关键词：g c z s k 型热处理设备，锁相环，模糊控制， p i d 控制 a b s t r a c t i n d u c t i o nh e a t t f e a t m e n ti sac l e a nm o d e ， a p p l i e dw i d e l yi n h e a f - i r e a t m e n ti n d u s l r y 。a t t r a c t e db yt h ea d v a n t a g e so f h i g hf r e q u e n c y i n d u c t i o nh e a t t r e a t m e n t ，m a n u f a c t u r e r sa n dr e s e a r c hi n s t i n l t i o n sf r o m m a i n l a n da n da b r o a dd e v o t et h e m s e l v e st ot h er e s e a r c h e si nt e c h n o l o g y o f h i g hf r e q u e n c yi n d u c t i o nh e a t t r e a t m e n t ，e s p e c i a n yi ni n d u c t i o n h e a t c r e a l m e n td e v i c e s 。 c o m b i n e dw i t ht b er e s e a r c hp r o j e c ln a m e d “g c z s kh e a t t r e a t m e n t d e v i c ec o n t r o l s y s t e md e s i g n ”， t h i st h e s i sr e s e a r c h e so nt h ef b l l o w i n g s u b j e c t s ： 1 c o m b i n e dw i t hs t m c t u r e sa n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h em a t e r i a ll e v e l c o n t r o ls y s t e m ， f u z z yc o n t r 0 1 i s a d o p t e d ，i n t e i g e n t m a t e r i a l l e v e lc o n t r o l s y s t e m i sa l s o d e s i g n e d ， a n dt h e p r o b l e m o f p o s i t i o nc o n t m l i ss o l v e d 。 2 o nt h eb a s i so fs o l i ds t a t eh i g hf t e q u b n c yp o w e rs u p p l yp o w e r m o d u l a t i o nm e t h o d ， t h r e e p h a s eb r i d g ec o m m u t a t i o nt e c h n i q u e i sa d o p t e d ，a n d w o r k i n gr e l i a b i l i f yi sa c h i e v e d ： 3 p h a s e 一1 0 c k e d 1 0 0 p ( p i j 0 i s a d o p t e d ，w o r k i n gf r e q u e n c ya n d p h a s eo ft h el o a da r et r a c e da n dc o n t r o l l e d ， a n dw o r k i n gi nt h e s t a t e0 fr e s o n a n c ei sg u a r a n t e e d ； 4 d e e pa n a l y s i sa i l dr e s e a r c h e sa r em a d e o nt h ew o r kp i e c ef a c i a l t e m p e r a t u r e c h a r a c l e r i s t i c si nt h e p r o c e s s o f h i g hf r e q u e n c y h e a t t i e a t m e n t ，c o m b i n e dw i t he x p e 五m e n t s ，t e m p e r a t u r ec o n t r o l s y s t e mm o d ei sd e s i g n e d ，a n da d v a n c e dp l d c o n t r o lm e t h o di s a l s oi n t r o d u c e d ；t h ec o n t r o lo fw o r kp i e c ef a c i a l t e m p e r a t u r ei s a c h i e v e d ： 5 1 p cs y s t e ma r e d e s i g n e d ，c h ew o r k i n ge f f i c i e n c yb e t w e e nt h e p a r f so ft h ed e v i c ea r ea c h i e v e d 。 k e yw 0 r d s ：g c z s kh e a t - t r e a t m e n td e v i c e ， p h a s e j o c k e d l o o p ( p l l ) ， f u z z y c o n t r o l ，p i dc o n t r 0 1 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。 作者签名：耋叠鹭日期：趔年笪月生i _ 日 f 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名到导师签名监日期：盟年量月丛日 中南大学硕士学位论第一章绪论 第一章绪论 感应热处理是一种清洁的热处理方式【1 捌，由于其符合现代化工业生产的3 s 标准( s u r e 一可靠，s a f e 安全，s a v i n g 一节约) ，因而在热处理行业中已得到越来 越广泛的应用，感应热处理设备也由原来的功能单一型、拼凑型、粗糙型向智能 化、紧凑化、生产线化、柔性化、多轴化及计算机化方向发展【孙。 集高频电源、淬火机床、设备冷却水循环系统、淬火液循环系统、感应器为 一体的感应热处理设备，具有自动化程度高、功能完善、操作方便、生产效率高、 占地面积小等优点，因而，应用前景非常广阔，近年来己成为国际热处理行业的 一大研究热点j 。 1 1 感应热处理设备的研究与发展现状 1 1 1 感应热处理设备的国外研究及发展现状 国外对高频成套设备的全自动化研究开展较早，德国、日本、美国在这方面 的成果较为显著【4 ，轴l 。日本高周波热炼株式会社川崎工厂、德国a l f i n g 公司、 美国p i l l a r 工业公司经已研制出多个系列的高性能感应热处理设备。 日本兴业抹式会社设计的曲轴感应热处理设备【7 】，采用了先进的淬火条件设 定监视装置一“d p l 3 0 2 ”，能够实现对生产过程中的各种运行参数的设定和监 控，鳃决了只用程序装置进行控制时由于程序装置的处理速度不均匀而带来的淬 火质量问题。同时，该设备可用图象监视每个圆盘变压器的加热功率的变化，因 而能更精确地监视加工状态。 日本高周波热炼株式会社川崎工厂的卧式半轴热处理设备采用计算机控制1 2 j ， 可以髓控并屏幕显示淬火过程和工艺参数，跟踪全部操作过程，如发现故障或工 艺参数偏离给定值，便自动修正或自动列出不合格零件，使控制系统暂停工作并 报警，同时屏幕上显示故障性质和所要修正的动作。该设各自动化程度较高，全 过程除校直、荧光探伤检查需一名工人外，其余全部自动进行。 在9 6 年上海国际热处理和金属加工技术及设备展览会上川，德国 a e g e l o t h e r m 公司展出该公司近年研制的滑动连杆颈热处理设备及由该设备加 工的滑动连杆颈淬火样品。滑动连杆颈两颈相连，但不在一个轴线上。淬硬层的 控制特别是淬硬层的连接一直是热处理行业的难题。由样品的金相分析报告可以 看出，该设备很好地解决了这一难题。 美国p i l l a r 工业公司生产的g t p i 型热处理设备i l 】，采用微机控制，电源为 中南大学硕士学位论第一章绪论 全固态型。其特点是采用加压密闭式冷却系统，冷却水中不含有空气。该设 备自动化、智能化程度较高，能够根据零件自动生成加工工艺，而且还有自学习 功能。 1 1 2 感应热处理设备的国内研究及发展现状 国内感应淬火技术的应用始于5 0 年代【4 6 l ，长期以来在设备的研制方面停留 在较低的水平，大都沿用前苏联的技术，特别是在高频电源的研究和控制技术方 面远远落后于欧美和臼本。 九十年代以来，国内研究机构在消化国外进口设备的基础上，结合我国热处 理行业的现状，开始对成套设备进行国产化研究，并取得一定成效。天津高频设 备厂在引进日本先进技术的基础上己开发出一系列商性能高频淬火设备，并实现 了产品化。近年来，一汽集团在依靠自身技术优势和引进日本先进技术的基础上 开发出一系列具有国际先进水平的感应热处理设备。它们的特点是：关键元件和 关键技术从国外引进，整体性能主要参照国外先进设备。 虽然国内在高频设备的制造和设计方面，取得了长足的进步，但和国外相比 还有很大的差距，集电源、淬火机床、设备冷却水、淬火液循环系统、感应器为 一体的感应热处理设备国外早有应用，而在我国仍然是一项空白。多工位、多功 能的感应热处理设备仍需进口。 1 2 热处理设备关键部件的研究现状 热处理设备系统较为复杂，它主要包括高频电源、淬火机床、淬火感应器等 i 引。其研究涉及机械学、电磁学、材料学、控制学等领域。随着传感器、高频电 源、机械传动、控制等技术的进步及对材料感应热处理机理认识的深入，热处理 设备得到了长足的发展。下面介绍热处理设备关键部件中的高频电源和淬火机床 的研究现状。 1 2 1 高频电源的研究及其发展现状 感应加热电源是感应加热的关键部件一，感应加热电源的发展与电力电子学 及电力半导体器件的发展密切相关。 在5 0 年代前，感应加热电源主要有：工频感应熔炼炉、电磁倍频器、中频发 电机组和电子管振荡器式高频电源。5 0 年代木硅晶闸管的出现引起了感应加热 电源技术以致整个电力电子学的一场革命，感应加热电源及应用得到了飞速发 展。 2 中南大学硕士学位论第一章绪论 m o s 管与双极晶体管的优点，i g b t 结构除增加一n 层外非常象m o s 管结构，因此在 其通态压降低的同时开关速度加快，自1 9 8 8 年解决了挚住闯题后( 由寄生n p n 晶 体管引起) ，大功率高速i g b t 已成为众多加热电源的首选器件，频率高达l o o l ( l z ， 功率高达m l v 级电源已可实现。 7 0 年代末和8 0 年代初，现代半导体微集成加工技术与功率半导体技术的结 合，为开发新型功率半导体器件提供了条件，相继出现了一大批全控型电力电子 半导体器件，极大地推动了电力电子学发展，为固态超音频、高频电源的研制提供 了坚实的基础。 随着半导体电力器件的发展，具有良好开关特性的自关断器件的高频化、大 容量化、高耐压化，历来为电子管所占领的高频加热领域( 2 0 4 0 0 k h z ) ，开始 向半导体方向转变。 国外已生产出效率高、性能好的全固态感应加热电源。日本、德国、美国全 固态电源已形成系列1 7 l ，工作频率最高达4 0 0 k h z ，最大功率可达1 0 0 0 k w 。 1 9 9 4 年，日本采用i g b t 研制出了1 2 0 0 k w ，5 0 k h z 的，电流型并联逆变感应加 热电源，逆变器工作于零电压开关状态，并实现了微机控制：西班牙在1 9 9 3 年也 己报道了3 0 k w 6 0 0 k w ，5 0 1 0 0 k h z 电流型并联逆变感应加热电源，欧美地区的 其他一些国家如英国、法国、瑞士等国的系列化超音频感应加热电源目前最大容 量也达数百千瓦1 6 j 。 日本电气兴业公司生产的t g 系列晶体高频电源】，功率器件采用s i t ，功率 调节和频率控制精度高，其输出功率范围为( 2 3 0 0 ) k w ，频率范围为( 3 0 2 0 0 ) k h z 。它是电子管变频器的理想替代品，与电子管变频器相比有很多优越性， 输出同样功率时，节电3 5 4 0 ，在安装面积上节省5 0 以上，冷却水需要量节省 4 6 5 0 。 高压硅整流器、晶闸管交流调压、电子管振荡器组成的电子管式高频感应加 热电源在我国仍占主导地位f 2 1 。我国在消化引进、吸收国外先进技术的基础上， 开始对固态感应加热电源进行研究和开发，并取得一定成效。 浙江大学9 0 年代初开始i g b t 超音频电源的研制【1 2 j ，1 9 9 6 年5 0 k w 5 0 k h z 的 i g b t 电流型并联逆变感应加热电源通过了产品鉴定，目前的研制水平为2 0 0 k w 、 5 0 k h z 。 天津高频设备厂和天津大学于1 9 9 6 年联合开发出7 5 k w 2 0 0 k h z 的s i t 感应 加热电源【”，该电源属于固态高频电源，达到了9 0 年代的国际先进水平。该产品 填补了国内在固态高频领域的空白，对高性能固态高频电源的国产化研究有着重 要的意义。 3 中南大学硕士学位论第一章绪论 西安特种电源研究所最近开发出的m o s f e t 全晶体管高频电源【l j ，功率为5 k w ， 频率可达2 m h z ，其价格不到同类进口电源的1 1 0 。专家认为该产品具有广阔的市 场前景。 上海威尔汀高频设备有限公司生产的w g p 系列微电脑控制高频感应加热设 纠6 】，引进美国t h e r m a t o o l 公司的技术，使用了高精度数字触发控制中心( d f p ) ， 设备功率可从o 1 0 0 连续调节，有电压自动反馈和电流保护，保证主回路电 压波动士1 。 总的来说，自九十年代以来，国内在高频电源方面所取得的进步是巨大的， 但存在容量小和频率不够高等不足之处，与国外的先进水平相比，尚有一定的差 距。 1 2 2 淬火机床的研究及其发展现状 要充分发挥感应加热的优越性，除了合适的电源和感应器，还必须配备一定 机械化和自动化程度的淬火机床峭“l 。 国外先进工业国家由于在材料、工艺、制造等方面的优势，其淬火机床性能 要远远高于国内产品。国外已经生产出能够加工各种复杂的汽车零件的淬火机 床，如曲轴淬火机床、汽车转向齿条淬火机床、凸轮轴淬火机床等。 感应加热淬火技术自5 0 年代在我国真正应用以来，我国的淬火机床行业有 了长足的进步，形成了具有一定规模且门类比较齐全的用于对各种轴类、齿轮类 工件进行表面热处理的通用和专用淬火机床1 2 ，3 ，14 1 ，见表1 1 、表l 一2 。 一汽、二汽、洛拖等大型工厂为扩大感应加热淬火领域【l “，进行了设备更新 和技术改造，并自行设计制造出相当数量的各种淬火机床，仅一汽在c a l 4 1 垂 直、立式和卧式且有连续加热、一次加热淬火等功能的淬火机床1 0 0 余台，不仅 满足了本厂汽车生产需要，而且有些产品还销往国内其它厂家。 表卜1 部分国产通用淬火机床性能参数表 最大夹持聂大加热最大零件 传动结冷却方主要用 型号长度直径重量 构式途 ( m ) ( m m ) 拙g ) 立式液压高频淬火机床( 工件运动) g c l 0 505 0 0中4 0 0 一中各种轴 l5 0 全液压喷淋 g c l o l0 01 0 0 0 6 0 0齿轮 连续加热立式全机械高频淬火机床( 工件运动) 4 ! 堕奎堂堡主堂堡笙 苎= 皇堕堕 表卜2 部分国产轴类零件专用淬火机床 g c l 0 8 0 技术参数g c l 0 8 0 bg c l 0 1 2 0g c l 0 1 2 0 2g c 儿0 8 0 ( 双工位) 最大夹持零 件长度( ) 8 0 08 0 01 2 0 0 12 0 08 0 0 最大淬火直 单主轴4 0 04 0 04 0 04 0 04 0 0 径( m ) 滑板最大行 8 0 q8 0 01 2 0 01 2 0 09 0 0 程( m 神 最大零件重 双主轴1 6 0l o o1 0 01 0 0l5 0 量( k g ) 滑板进给速 1 2 0l 一3 0l 3 0l 一3 02 3 0 度( ，s) 滑板快速 】5 0l 】ol l01 1o1 0 0 ( m m ，s ) 主轴转速 2 0 2 0 02 0 15 02 0 ls o20 15 02 0 l5 0 ( f ，m i n ) 电机总功率 2 52 52 52 52 5 5 ( k 如 净重( k g ) 16 0 0l8 0 02 0 0 02 0 0 018 0 0 冷却方武喷液浸液喷液喷液喷液喷液 传动方式液压传动，根据用户需要可加p l c 控制机械传动 天津市第九机床厂生产的g c j 一1 0 1 2 0 淬火机床【1 2 l ，采用p c 控制，速度调节 中南大学硕士学位论 第一章绪论 为变频调速。其性能可与国外同类机床相比，且价格不到国外产品的l ，3 ，具有 较高的性价比。 洛阳升华感应加热有限公司在热处理机床的设计与制造方面具有较强的实 力，该公司生产的三工位多功能淬火机床，采用工控pc 控制，能够实现三轴联 动，在实际使用中取得了良好的效果【j ”。 洛阳一拖自行研制的新型十六工位淬火机床【1 2 】，采用多项新技术成果，解决 了吩油器壳体的局部淬火和随机快速回火问题。该机床配用6 0 k w 电子管式高频电 源后，对工件施以高频局部感应加热淬火和随机红外快速补偿回火处理工艺，生 产效率高，节电效果显著，处理工件质量稳定可靠，达到国外淬火回火成套设备 工艺的要求。 1 3 课题相关的控制方法的发展与现状 1 3 1 模糊控制的发展与现状 1 9 6 5 年美国的控制论专家la z a d e h 教授创立了模糊集合论，从而为 描述，研究和处理模糊性现象提供了种新的工具。一种利用模糊集合的理论来 建立系统模型，设计控制器的新型方法模糊控制也随之问世。模糊控制的核 心就是利用模糊集合理论，把人的控制策略的自然语言转化为计算机能够接受的 算法语言所描述的控制算法，这种方法不仅能实现控制，而且能模拟人的恿维方 式对一些无法构造数学模型的被控对象进行有效的控制峨，1 5 ，1 6 t l n 。 刘玉成i ls j 用模糊控制技术克服了用传统控制方法难于控制的炉温混淹现象 的困难，系统的仿真与实际运行效果表明，模糊控制是克服混沌现象的一种有效 方法；刘春华、谢宗安1 1 9 l 探讨了模糊控制在电气传动中的应用，针对在系统中 使用p i d 控制存在的问题，提出了模糊控制方案，并应用查表法提高其响应速度， 仿真结果表明了其良好鲁棒性和给定适应性。吴凌云、。童毅才啪1 针对油田污水 处理系统的复杂性和滩以建立准确数学模型的特点，提出了一种用p l c 对系统进 行模糊控制的方法及实现。结果表明：基于该方法的系统抗干扰能力强，实现简 单，取得了良好的调节品质：任海龙、李胜玉等f 2 1 j 设计了一种可以实时地进行模 糊运算和模糊推理的模糊控制器，成功地实现了混台煤气解耦控制中的模糊控 制。 1 3 2p i d 控制的发展与现状 p i d 控制是迄今为j l 二最通用的控制方法。大多数反馈控制用该方法或其较小 的变形来控制。p i d 调节器及其改进型是在工业过程控制中最常见的控制器( 至 6 中南大学硕士学位论第一章绪论 今在全世晃过程控制中用的8 4 仍是纯pj d 调节器，若改进型包含在内则超过 9 0 ) 【9 j 口我们今天所熟知的p i d 控制器产生并发展于1 9 1 5 1 9 4 0 年期间。尽管自 1 9 4 0 年以来，许多先进控制方法不断推出，但p i d 控制器以其结构简单，对模 型误差具有鲁棒性及易于操作等优点，仍被广泛应用于冶金、化工、电力、轻工 和机械等工业过程控制中。 p i d 的发展过程，很大程度上是它的参数整定方法和参数自适应方法的研究 过程。自z j e g i e r 和n i c h o is 提出p l d 参数整定方法起，有许多技术已经被用于 p i d 控制器的手动和自动整定。根据发展阶段的划分，可分为常规p i d 参数整定 方法及智能p i d 参数整定方法：按照被控对象个数来划分，可分为单变量p i d 参数整定方法及多变量p i d 参数整定方法，前者包括现有大多数整定方法，后者 是最近研究的热点及难点：按控制量的组合形式来划分，可分为线性p l d 参数整 定方法及非线性p i d 参数整定方法，前者用于经典p i d 调节器，后者用于由非线 性跟踪一微分器和非线性组合方式生成的非线性p l d 控制器。 周有平、罗中良【2 2 】针对工业过程控制中p i d 参数人工整定的困难和参数自 整定的必要性，对p i d 参数自整定原理和方法进行了讨论，并对温度过程进行控 制，表明其正确性、有效性和实用性；张晶涛、王伟、曹方睇别提出了一种自适应 p i d 控制器解决了3 0 0 删机组主气温控制过程的时变、非线性和干扰难题；毛宗 源、狄净【2 4 】介绍了一种自调整比例因子的p l d 控制器，该控制器在控制锅炉燃 烧过程中取得了比较理想的效果。 这些研究对本课题料位系统分度运动的模糊控制和淬火工件表面温度的闭 环控制均有较大的启示作用。 1 4 基于工业p c 机的控制系统的发展及应用现状 长期以来可编程控制器( p l c ) 在工业现场控制领域被认为是最理想的控制 方案之一，但是它在操作界面、文档管理、图形界面等方面存在不足，难以满足 工况特别复杂、要求较高的场合的需要。 近年来，微电子技术和微处理机技术的迅猛发展大大促进了计算机技术的发 展，计算机功能和稳定性不断增强，而其价格却相对降低，这些有利条件都为新 型计算机在生产过程中的应用开辟了广阔的前景。 德国西门子已经推出一系列高性能工业p c 【2 】，与标准p c 机兼容，其抗干扰 能力强，已成功的应用于德国i p s e n 工业炉以及a e g e l o t h e r m 公司的曲轴热处 理设备，应用效果表明，工业p c 能够稳定工作在强电磁干扰场合下。 台湾研华公司推出的一系列工业p c ，在结构上采用先进的p c i 总线，其整 7 中南大学硕士学位论第一章绪论 体架构为母板加主板，母板采用冗余设计，具有较强的扩充能力，其全钢结构机 箱可以提高抗电磁和辐射干扰能力，由于其优良的抗干扰性能以及相对低廉的价 格，得到了国内用户的普遍认可。 在软件方面，软件开发也由原来机器语言，汇编语言，到b a s i c 、c c + + 高 级语言，直到今天各种的可视化编程环境。计算机的软件资源丰富，功能强，且 容易接受和推广。 此外，建立在工业p c 机上的实时监控系统，不仅可以利用微机计算速度快、 处理能力强的特点，而且同样也为将先进的人工智能技术运用到机床中提供了硬 件平台，因为，人工智能技术都是以计算机软件的形式存在于控制系统中的。 目前先进国家的热处理设备自动化水平较高，大都装备有完善的检测仪表和 计算机控制系统。其计算机控制系统己采用集散系统和分布式系统的形式，并配 有先进的控制算法，能够获得较好的工艺性能指标。 1 5 课题来源、主要研究内容及意义 1 5 1 课题来源及研究意义 本课题源自科研合作项目一g c z s k 型热处理设备研究与开发，该设备主要用 于摩托车曲柄类零件的高频感应淬火。g c z s k 的含义如下：g c ：高频淬火；z ：专 用；s k ：数控。本文的主要工作为g c z s k 型热处理设备控制系统的设计与研究， 控制系统主要包括以下部分：淬火机床料位系统分度运动的控制；高频电源的输 出功率和频率控制：淬火工件表面温度的闭环控制。 本文研究的控制系统着眼于提高生产设备的智能化和自动化，对于热处理设 备的国产化研究以及控制产品质量、提高经济效益有着重要的意义，同时还具有 一定的理论价值。 1 5 2 g c z s k 型热处理设备总体结构及本课题的研究框图 1 g c z s k 跫热处理设备的总体结构 g c z s k 型热处理设备由s i t 高频电源、淬火机床、冷却水循环系统、淬火液 循环系统、高频加热感应器、能量监测器和工控系统组成，其总体结构如图l 一1 所示。图l l 中，淬火机床是g c z s k 型热处理设备的载体，热处理过程的机械 运动主要由它来完成，它的关键部分是料位系统，料位系统负责工件的上下料及 加工定位；病频电源输出电压、电流至感应器，感应器通过高频电流时产生交变 磁场，从而使工件( 虚线框内) 表面形成涡流并产生工件淬火所需要的热量；能 量监测器由各种传感器及仪表组成，主要负责监测工件加热过程中的各项参数； 冷却水循环系统对高频电源和感应器进 j 冷却，使设备能够工作在安全温度f ： r 中南大学硕士学位论第一章绪论 淬火液循环系统为工件提供淬火介质；工控系统是设备的关键部分，在生产过程 中，工控系统负责信号的采样处理、状态监控、工艺管理等重要任务，工控系统 的性能的好坏对整个设备的性能有重大影响。 图l 一1g c z s k 型热处理设备总体结构 2 本课题的研究框图 本课题与生产实践紧密结合，研究工作的全过程围绕现场要求进行，在生产 过程中，设备的各组成部分具有相对的独立性，它们通过控制系统这条纽带紧密 地联系在一起，共同组成一个功能完善的有机的整体。本课题对控制系统进行了 分析和研究，研究框图如图l 一1 所示。 9 料位系统分度 运动的模糊控 制技术研究 中南大学硕士学位论第一章绪论 淬火液阀门关 i 料位系统下降 1 0 中南大学硕士学位论第一章绪论 图1 2g c z s k 型热处理设备控制系统研究框图 图l 一2 简要说明了设备的工作流程及相应的研究内容，本文将在后面的章 节中对以上内容进行具体的分析和研究。 1 5 3 本文的内容与结构安排 本论文共分为七章，各章的主要内容简述如下： 第一章为绪论，介绍了高频热处理设备及其关键部件在国内外的研究现状及 发展，相关控制方法的研究现状，课题来源、研究内容及意义，热处理设备的总 体结构及本课题的研究框图。 第二章对料位系统分度运动和模糊控制相关技术进行了分析和研究，设计了 基于模糊控制的分度控制系统，并通过实验验证了其合理性。 第三章对高频电源的功率和频率控制技术进行了研究，设计了三相全桥可控 整流及整流触发电路，建立了高频电源的相位模型，并设计了无相差锁相环频率 控制系统。 第四章对感应热处理工件的表面温度控制进行了研究，建立了温度系统模 型，针对系统特性设计了改进型的p i d 控制系统，实现了感应热处理工件表面温 度的闭环控制。 第五章介绍了控制系统软件的设计及其实现。 第六章构建了高频电源输出电压、电流的波形验证实验系统。 第七章对本文的工作进行了总结，并提出了今后的研究方向。 中南大学硕士学位论文 第二章料位系统分度运动的模糊控制研究 第二章料位系统分度运动的模糊控制研究 料位系统分度运动的定位精度、响应速度及可靠性等性能指标是设备能否高 效运转的重要因素之一。国内同类机床的分度运动多采用步进电机组成开环系统 或采用机械式行程开关和接近开关定位，存在寿命短、精度低、响应速度慢、可 靠性差等缺陷，因此无法满足高自动化机床的要求。转盘的分度运动是使工件的 轴线与感应器的轴线相重合，转盘的定位精度直接影响工件的位置精度及系统的 安全性。为了提高生产效率，料位系统的分度运动还需要在一定时间内完成。本 文设计了一种基于模糊控制的料位分度系统。 2 1 料位系统分度运动分析及精度要求 如图2 1 ( b ) 所示，图中4 为转盘，本g c z s k 型热处理设备的料位系统共有 九个工位，均匀分布在转盘上，每个工位都按要求安装央具。图2 一l f a ) 中1 为感 应器，2 为工件，3 为工位夹具，实际生产过程中不同的工件应采用不同的感应 器，以保证两者之间的间隙较小。在加工过程中，感应器固定不动，转盘按工艺 要求旋转一定的角度，工件及夹具随转盘一起运动。转盘完成分度后，料位系统 开始处理其它动作。 3 2 图2 一l ( a ) 料位系统工作示意图 1 2 中南大学硕士学位论文 第二章料位系统分度运动的模糊控制研究 图2 1 ( b ) 料位系统工位布置示意图 1 加热感应器2 工件 3 工位夹具4 转盘 4 料位系统的角位移误差将导致工件与感应器之间的间隙不均匀，如图2 2 中 虚线部分所示，图中l 为央具中心到转盘中心的距离，当转盘分度误差为o 时，工件位置也相应的产生y 的误差。由于实际过程中o 通常较小，y 可近 似为一段直线。其计算公式如下： v ：尘生。2 万。 3 6 0 式中o 一转台角位移误差 y 一工件位置误差 l 夹具中心到转盘中心的距离，l = 7 5 0 m m ( 2 一1 ) 主塑奎兰堡主兰焦笙壅 苎三皇塑垡墨竺坌壁垩塾塑堡塑丝鱼! 塑塑 f 、 争斗x 朴 己 图2 2 分度误差图例 工件与感应器之间的间隙不均匀的危害在于： 1 将导致工件表面受热不均匀； 2 严重时工件会与感应器短路，导致设备损坏。 工厂要求间隙误差应小于o 4 h l i i l ，按式( 2 1 ) 计算设备的分度误差要求 o 0 3 。所以，本料位系统的分度运动应具有足够的精度。 2 2 模糊控制系统设计 传统控制器的设计需要建立在被控对象的精确数学模型( 传递函数或状态方 程) 的基础上。在生产过程中，由于高频淬火的工件种类和数目都是不定的，所 以其重量也是变化的，难于建立被控对象的精确数学模型。而模糊控制能够在不 需要建立精确的数学模型的情况下对系统进行精确、稳定的控制2 5 0 6 ，2 饥。所以料 位系统的分度控制采用模糊控制方法。 2 2 1 模糊系统的结构设计 在自动控制系统中，控制器的输入、输出是精确量，但是在用模糊理论设计 控制器时用的是模糊量。因此，采用模糊控制，首先要将原系统转化为模糊系统。 模糊系统是一种基于知识或基于规则的系统 ，2 8 1 。常见的模糊系统有三 类：( 1 ) 纯模糊系统；( 2 ) t s k ( t a k a g i s u g e n o k a n g ) 模糊系统；( 3 ) 具有模 糊器和解模糊器的模糊系统【1 ”。下面分别对这三种模糊系统进行分析与比较， 以便选用一种最适用于本项目的模糊系统。 纯模糊系统的基本框图如图2 3 所示。模糊规则库可表示为若干条模糊 i f t h e n 规则的集合。模糊推理机根据模糊逻辑原理，通过组合这些模糊 】4 中南大学硕士学位论文第二章料位系统分度运动的模糊控制研究 i f t h e n 规则来决定如何将输入论域u c r n 上的模糊集合映射到输出论域v r 上 的模糊集合。 图2 3 纯模糊系统的基本框图 纯模糊系统的缺陷在于其输入变量u 和输出变量v 均为模糊集合( 即为采用 自然语言描述的词语) ，而在工程系统中输入变量和输出变量均为真值变量。 由于纯模糊系统在工程应用中的不足，t a l a g i ，s u g e n o 和k a n g 提出了一种 输入变量和输出变量均为真值变量的模糊系统( t s k 模糊系统) 。 t s k 模糊系统将纯模糊系统中规则的t h e n 部分由自然语言描述的词语变成 了一个简单的数学公式。这一变化使规则的组合更为容易。实际上，t s k 模糊系 统就是对规则的t h e n 部分的值进行了加权平均。t s k 模糊系统的基本框图如2 4 所示。 t s k 模糊系统的主要问题1 16 】在于：( 1 ) 其规则的t h e n 部分是一个数学公式， 所以可能无法提供一个自然的体系来表达人类知识；( 2 ) 模糊逻辑的各种原理 得到应用的自由度也很有限，以至于在该系统中没有很好地体现模糊系统的广泛 用途。 图2 4t s k 模糊系统的基本框图 中南人学硕十学位论文第二章料位系统分度运动的模糊控制研究 具有模糊器和解模糊器的模糊系统就是在纯模糊系统的输入端加入一个模 糊器，将真值变量转变成模糊集合，在输出端加上一个解模糊器，将模糊集合转 变成真值变量。具有模糊器和解模糊器的模糊系统如图2 5 所示，这种模糊系统 克服了纯模糊系统和t s k 模糊系统自每缺陷。 模糊集合模糊集 图2 5 具有模糊器和解模糊器的模糊系统的基本框嚼 通过上面的分析，本文确定选用模糊器和解模糊器的模糊系统。 模糊控制器的输入变量的个数为模糊控制的维判3 4 ，3 s 1 。一维模糊控制器用于 一阶被控对象，它的动态控制性能不佳。而三维模糊控制器，由于维数过高，模 糊控制规财交得过于复杂，控制系统的实时性难以实现。所以本文确定选用二维 模糊控制器。其中输入变量是转盘的实际角位移与设定角位移的偏差及偏差变化 率( 角速度) ，输出变量为直流电机的电枢电压变化。 具体的控制过程如下： 位置控制是由系统设定位置给定值口。( 即角度设定) 后，每隔一定时间问隔检 测一次实际角位移p i ( n x 即转台转角) ，计算位置偏差占( n ) 作为模糊控制器的一 个输入量，偏差变化率留( n ) 作为模糊控制器的另一个输入量，模糊控制器的输出 经d a 转换后，送至驱动器，作为直流电机的速度控制信号，使其达到相应的 速度，使转台产生一定的位移，以减少位置偏差占( n ) 。直到位置偏差减小到零或在 允许的精度范围内时为止，就完成了自动定位功能。 s ( 玎) = 伊。一护，( ，罩) ( 2 2 ) 留( 胛) = 帮= 业帑业 ( 2 - 3 ) 式中丁采样周期 1 6 雪啪塞 已一 q ，南人学硕十学位论文第孽料位系统分度运动的模糊控制研究 然后根据模糊规则库进行模糊推理，再将推理结果通过解模糊器，转化为精 确量，作为控制信号作用于被控对象。该模糊系统的工作原理图2 6 所示。 图2 6 模糊系统的工作原理图 2 2 2 系统精确量的模糊化设计 把精确量变成模糊量，实际上是找出该精确量隶属于某个模糊子集的隶属函 数值，反之，把模糊量变成精确量，也是按该元素的论域的所有模糊子集的隶属函 数值，得出该元素的值。隶属函数的优劣直接影响到模糊控制系统的性能，所以 在本小结中，首先对模糊集合的隶属函数和它的定义方法进行研究，选择了适合 本模糊系统的隶属函数定义方法，并根据隶属函数的定义方法和系统特点对各精 确量进行模糊化设计。 1 、模糊子集隶属函数定义方法的选择 模糊器( f t l z 五f i e r s ) 可定义为由一实值点x u c 对向u 上的模糊集合4 的 映射。隶属函数则表明了这种映射规律，隶属函数的选择应该遵循以下三条准则： 1 ) 应该考虑到输入是在清晰点x 处输入的这一事实，即在点x 处模糊子集处 应该有一个更大的隶属度值； 2 ) 有助于克服噪声的影响； 3 ) 应有助于简化模糊推理机的计算。 定义隶属函数方法有多种f 1 9 0 7 1 ，下面将对凡种常用的方法进行分析和比较， 并从中选择一种适合本系统的方法。 单值法。单值法将个实点0 u 映射成u 上的模糊集一，在x 点上的隶 属度值为1 ，在u 中其他所有点上的隶属度值为o ，即 1 7 中南大学硕士学位论文第二章料位系统分度运动的模糊控制研究 【1x = x + 卿2 o 其它 2 叫 正态分布法。正态分布是一种根据人的思维特点的隶属度定义方法，对于 工，可按如下公式计算： f ! ) z 4 ( x ) = 6 ( 2 5 ) 式( 2 5 ) 中，a 为中点，当x = a 时，j ( ，) 。l ；b 决定正态曲线的分布，b 越小，分布范围越小，即曲线越“尖”。 三角形分布法。采用三角形分布法的模糊器将x 。苣u 映射成u 上的一个模 糊集，它具有如下三角形隶属度函数： ”守叫- 一学，p f 缸 p 。， o 其它 其中，参数b i ( i = 1 ，2 ，n ) 是正数，t 一范数通常选用代数积算子或最 小( m i l 】) 算子。 单值法计算简单，控制方便，但无法克服输入信号中的噪声，同时在离散化 的过程中使得信息量严重损失，降低了分辨率，因而影响了系统的性能。所以单 值法适应于控制要求不高的场合。 正态分布法符合人的思维特点，能够降低输入信号中的噪声，分辨率及控制 精度都很高，但是计算比较麻烦。在进行模糊化的过程中，需计算指数函数，计 算过程中花费时间较多。应此，在系统的实时性要求较高时不宜采用。 三角形分布基于正态分布的思想，在控制过程中能够保证足够的精度，其灵 活性也较大，并且可以大大减少模糊化时的计算量。 本系统控制要求较高，需要满足料位系统的快速精确定位要求，而且实时性 要求也较高，所以采用三角形分布法对系统的各个精确量进行模糊化。 2 、角位移偏差和角位移变化( 角速度) 的模糊化 系统中的偏差和偏差变化的实际范围称为这些变量的基本论域。为了方便系 统的模糊化处理，需将输入变量从基本论域转换到相应的模糊集的论域，处理过 程中需要将输入的基本论域分别乘以相应的因子k 和k c 。设误差的基本论域为 【x 。+ x 。】，误差的模糊集的论域为【一n ，n + 1 ，o ，n 一1 ，n 】，量化因子为k ， 设误差的变化的论域为【一x 。，+ x 。】，误差的变化的模糊集的论域e c 为【一m ， m + l ，o ，m 1 ，m 1 量化因子为k 。、k e c 由下面的公式确定： 1 8 中南大学硕士学位论文 第二章料位系统分度运动的模糊控制研究 尼：旦( 2 7 ) t 式中n 为误差模糊集论域；x e 为误差实际范围 尼。：旦，( 2 8 ) x e c 式中m 为误差变化模糊集论域：x 。为误差变化实际范围 合理地选择模糊控制器输入变量的量化因子和输出控制量的比例因子是非 常重要的，量化因子的大小和不同量化因子之间大小的相对关系，对模糊控制系 统的控制性能影响也是很大的【。3 ，17 1 。 在模糊系统中，k 较大时，调节死区小，上升速率快，稳态误差小，但会 产生较大的超调，增大调整时间，有时甚至会产生振荡，造成系统不稳定。k 。 较大时，超调减小，系统响应慢，稳态情况下误差变化率小。 定义模糊变量的模糊子集，就是将模糊变量的取值范围划分成2 n 十1 个区间， 每个区间就是一个模糊子集。速度偏差e 和偏差变化e c 先经k 、l ( c 。( k 、k 。 为量化因子) 映射成离散量e 、e c ，再通过取整将e 、e c 的论域u 、v 平均划 分为1 7 个区间。划分的区间越多、越细则越有利于提高控制精度，但同时也增 加了复杂性。 在本系统中，角位移偏差的实际范围为【- 0 0 8 ，十o 0 8 】( 度：。) ，模糊集的论 域为一8 ，一7 ，6 ，一5 ，一4 ，一3 ，2 ，一l ，0 ，l ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 ，7 ， 8 】：角位移偏差的变化的实际范围为i 一4 ，+ 4 】( r a d m i n ) ，模糊集的论域为【一8 ， 一7 ，一6 ，一5 ，一4 ，一3 ，一2 ，一l ，o ，l ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 ，7 ，8 】。则l 【e 和 k 。可按式( 2 7 ) 和式( 2 8 ) 分剐求得，其计算结果如下： 缸：l ：1 0 0 o 0 8 ：墨：2 4 线性量化的算法如下： e = 陋8 1 _ 0 0 0 g 】( 2 9 ) 当f l ( e e 】大于8 时，e ；8 ；当【艮e 】小于一8 时，e - 一8 。 e = k 盔p c = 2 翻 当e c = f k 。e c 】大于8 时，e c = 8 ；当e c = k 。e c 】小于- 8 时，e c = 一8 。 q ( 2 1 0 ) 中南大学硕士学位论文第二章科位系统分度运动的模糊