（检测技术与自动化装置专业论文）基于ccd图像传感的浇注控制系统设计与研究.pdf

昆明理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声蛹：所鼙交曲学位论文，是本人在导师的指导下( 或 我令人) 送行研究王作鬃敢褥翡成果。除文中薹l 经注竣葶l 矮戆凑 容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：瓷登y u 日 期：年月 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解昆明理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅，学校可以公布 论文翡全都或部分内容，可敬采蕉影窜或箕德复稍手段保存论文。 导师签名：盏! 圣廑论文作者签名： 瓷孑耗 鞋 豢一三! 丛至墨基至生星 昆明理工大学硕士学位论文 摘要 铸造生产自动化分为两个部分：砂模制造的自动化和浇注的自动化。浇注是铸 造生产过程中的一个重要环节。现在一些地方虽然实现了制模生产的自动化，但浇 注仍然是靠手工操作来完成，工人劳动强度大，工作环境恶劣，生产效率低，产品 质量不稳定。论文根据传统手工浇注浇口杯液控制的特点，提出浇注自动化的构想， 建立对象的数学模型，提出浇口杯液位检测的方法，然后对整个控制系统进行分析、 设计与研究。 论文采用c c d 图像传感器来采集浇口杯中的液面图像，经计算机图像处理后得 到浇口杯金属液位浇注的实时高度，该液位高度与工艺设定的浇注液位高度相比较 得出偏差送入控制器，由控制算法计算出相应的控制量信号输出给步进电机，步进 电机带动浇注阀门连杆运动来控制浇注流量，从而达到讽节浇口杯中金属液位高度 的目的。考虑到浇注过程中浇注流量的时变性和非线性，我们对浇注炉的金属液位 进行液位控制。浇注炉液位控制系统包括液位信号的采集与变换、控制算法和执行 机构三个部分。其中，液位传感器把浇注炉盼液态合金液位检测出来，经液位变送 嚣与预期的给定值相比较得出偏差送入控制器，由控制算法计算出相应的控制量输 出给步进电机，步进电机带动入炉流量控制阀门连杆运动来调节入炉流量，从而达 到调节浇注炉的金属液位使其保持恒定的目的。 其中，控制算法设计是控制系统设计与研究的核心，数学模型是研究和设计控 制系统的基础。论文首先根据预期的控制目标分析控制对象的特征，建立对象的数 学模型，再进行控制算法设计。对于浇口杯液位实时控制系统，根据浇注过程中浇 口杯理想液位曲线的三段数学模型采用分段控制的方法。起始段采用简单的开环控 制，关闭段采用简单的p i 控制。调节段的液位控制算法比较复杂，文中根据系统 的动态数学模型提出两种控制算法：p i d 一史密斯( s m i t h ) 预估补偿控制和带自调 楚因子的f u z z y s m i t h 预估补控制。对于浇注炉液位控制系统，论文根据液位控制 的无自衡特性，提出浇注炉液位控制的智能p i d 算法。 关键词：c c d 图像传感器；图像处理：p i d 控制：s m i t h 预估控制：f u z z y 控 制；智能p i d 控制。 第1 页共7 f 贾 基于c c d 图像佟感的浇注控铺系统设计与研究 a b s t r a e t t h ea u t o m a t i o no ff o u n d r yi sd i v i d e di n t ot w oa s p e c t s ：t h ea u t o m a t i o no f m o l d i n ga n dp o u r i n g p o u r i n gi sa ni m p o r t a n tp a r ti nt h ep r o g r e s so ff o u n d r yp r o d u c e n o w ，m a n yf a c t o r i e sh a v er e a l i z e dt h ea u t o m a t i o no fm o l d i n g ，b u tp o u r i n gi so p e r a t e d b yh a n d i c r a f t h a n d i c r a f to p e r a t i o nh a sm a n yd i s a d v a n t a g e s w o r k e r sl a b o ri s i n t e n s i t y , a n dt h ew o r ke n v i r o n m e n ti sb a d 。w o r ke f f i c i e n c yi sl o w , a n dt h ep r o d u c t q u a n t i t yi su n s t e a d y , t h et h e s i sp r e s e n t st h ed e s i g nm e t h o do fa u t o - p o u r i n g ，e s t a b l i s h e dt h e m a t h e m a t i c sm o d e lo ft h eo b j e c t ，p u tf o r w a r dt h em e t h o do fi r o nl e v e le x a m i n a t i o na n d t h e na n a l y s i s 。d e s i g na n dr e s e a r c ht ow h o l ec o n t r o l s y s t e ma c c o r d i n gt o + 、谩 c h a r a c t e r i s t i c so fp o u r i n gc u p ， t h et 魏毒s i sa d o p tc c dc a m e r aa ss e n s o rt oe x a mt h ei m a a g ei np o u r i n gc u p 。t h e i r o nl e v e li sg a i n e da f t e rc o m p u t e ri m a g ep r o c e s s i n g t h r o u g hs u b t r a c t i n gb e t w e e ns e t v a l u ea n di r o nl e v e l ，d e v i a t i o ni sa t t a i n e d 。i ti ss e n dc o n t r o l l e ra n dt h ec o n t r o ls i g n a ti s g i v e n 。s t e pm o t o rc h a n g et h e 。d i m e n s i o n ；o fp o u r i n gf l o wv a l v ea n dc e n t r e lp o u f i 磬翥 f l o w s o 搬ei r o nl e v e li np o u r i n gc u pi sc o n t r o l l e d 。 c o n s i d e r i n gt h et i m e - v a r i e t ya n dn o n - l i n e a r i t yo fp o u r i n gf l o w ，t h ei r o nl e v e li n p o u r i n gf u r n a c e m u s tr e t a i ns t a b i l i z a t i o n 。t h ef u r n a c ef l u i dj l e v e lc o n t r o l s y s t e m i n c l u d e dt h r e ep a r t s ：t h ec o l l e c t i o na n dt r a n s f o r m a t i o no ff l u i dl e v e l ，t h ed e s i g n0 f c o n t r o la l g o r i t h ma n da c t u a t o r lt h ef l u i d l e v e li se x a mb yf l u i ds e n s o r , t h e d e s i g n o fc o n t r o l a l g o r i t h m i st h em a i n p a r ti n s y s t e md e s i g n a n d i n v e s t i g a t i o n ，a n de s t a b l i s h i n gm a t h e m a t i c a l m o d e li st h eb a s i cp a r ti ni t 。t h et h e s i s e s t a b l i s h e st h em a t h e m a t i c sm o d e la c c o r d i n gt oc h a r a c t e r i s t i co f ，o b j e c ta n de x p e c t i n g t a r g e t ，a n dt h e nd e s i g n sc o n t r o la l g o r i t h m f o rp o u r i n gc u pi r o nl e v e lc o n t r o ls y s t e m ，t h r e es e g m e n tc o n t r o “l sa r ea d o p t e d a c c o r d i n gt ot h r e em a t h e m a t i c sm o d e lo ft h ei d e a ll i q u i dc u r v ei np o u r i n gc u p ，t h e s t a r t i n gs e g m e n t 。u s eo p e n l o o pc o n t r o la n dt h ec l o s i n gs e g m e n tu s ep ic o n t r 0 1 c o n t r o l a l g o r i l h mo ft h es e c o n d s e g m e n ti sm o s tc o m p l i c a t e d ，a n dt h i sp a p e rd e s i g nt w o a l g o r i t h m s ：p i d - s m i t ha n df u z z y s m i t hc o n t r 0 1 f o rp o u r i n gf u r n a c ei r o nl e v e lc o n t r o ls y s t e m ，t h i st h e s i sp r e s e n t si n t e l l i g e n tp i d c e n t r e la l g o r i t h ma c c o r d i n gt ot h en o n e q u i l i b r i u mc h a r a c t e r i s t i co fo b j e c t k e yw o r d ：c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ；i m a g ep r o c e s s ；p i dc o n t r o l ；s m i t h e s t i m a t i n gc o n t r o l ；f u z z yc o n t r o l ；i n t e l l i g e n tp i dc o n t r o l 繁# 痰共7 1 黉 昆明理工大学硕士学位论文 第一章浇注概论 铸造生产的自动化分为两个部分：砂模制造的自动化和浇注的自动化。浇注是 铸造生产过程中的一个重要环节。现在一些地方虽然实现了制模生产的自动化，但 浇注仍然是靠手工操作来完成，工人劳动强度大，工作环境恶劣，生产效率低，产 品质量不稳定。所谓的浇注，就是将金属熔炼成具有一定化学成分的液态合金，液 态合金在重力作用下经浇口杯注入到砂模下半部分与零件的尺寸、形状相适应的铸 型空腔中，待冷却凝固后，经加工处理获得毛坯或零件的过程。浇注过程中，当注 入浇口杯的金属液流量过大时，金属液会从浇口杯中溢出；流量过小，则不能迅速 地在浇口杯中建立预期的液位而使空气、杂质进入铸型产生次品、废品。传统的手 工浇注由于其浇注的不连续性，空气、杂质进入铸型腔是产生次品、废品的主要原 因。长期以来，由于找不到适宜的传感器件来检测浇口杯的金属液位，从而限制了 浇注自动化的发展。 1 1 砂模工艺概述 在铸造生产中，砂型铸造是目前应用较为普遍而且又最具有代表性的浇注工 艺，浇口杯与铸件的铸型做在一个砂型中，砂型的上半部份是浇口杯，下半部分是 铸件型腔。砂型按其内浇道位置的不同，其浇注方式大致可分为四种类型，即底注 式、顶注式、阶梯式和中注式，其结构图如图1 - 1 所示。这四种浇注工艺主要特点 如下： 底注式工艺及其特点“3底注式浇注系统型腔如图卜1 a 所示。其内绕道位于 铸件底部，液态合金从型腔的底部注入铸型。这种浇注工艺的特点是结构简单，模 具、芯盒及砂芯制作均较为方便，但因引入型腔内的金属液呈下高上低的温度梯度， 液态合金中的气体、融渣、散砂等夹杂物上溢困难，铸件的补缩也不理想，铸件易 产生气孔、夹渣、夹砂、缩松( 孔) 、渗漏、浇注不足、冷隔等缺陷。其优点是液态 合金充型平稳，不会产生激溅、铁豆，型腔内的气体易于从顶部排出，金属氧化少。 顶注式浇注工艺及其特点“1顶注式浇注系统型腔如图卜l b 所示。其内绕道 位于铸件上部，液态合金由上部浇入型腔。液态合金对铸型底部的冲击力大，与空 气接触面积也较大，会产生激溅、氧化，易产生砂眼、铁豆、氧化夹渣等缺陷。顶 注式工艺能加强铸件的顺序凝固，有利于浇口的补缩，可减少轴向缩松及浇口体积。 液态合金从顶部充填型腔，使型腔易于充满，这对薄壁铸件而言，可减少浇注不足、 第5 页共7 i 页 基于c c d 图像传感的浇注控制系统设计与研究 冷隔等缺陷。这种浇注工艺的特点是结构简单、紧凑，便于造型等操作，液态合金 消耗量少，引入型腔内的液态合金呈上高下低的良性温度梯度，有利于浇口系统对 铸件的补缩获得组织致密的铸件。但液态合金经过大面积的砂芯表面容易激溅、散 流、带进砂粒和冲蚀涂料层，使铸件形成砂眼及夹杂等缺陷，故其综合工艺性较差。 阶梯式浇注工艺及其特点 阶梯式浇注系统型腔如图卜lc 所示。阶梯式浇注 工艺是底注式和顶注式的结合形式，液态合金分别从上部、底部以及中间的一个或 几个横浇道注入型腔。采用“1 阶梯系统生产高大铸件，使液态合金从浇注系统的下 层至上层分层注入，保证了整个型腔中的液态合金温度由下至上逐渐升高，与依靠 重力补缩的浇口设计相一致，有利于整个铸件顺序凝固。阶梯式浇注工艺，因其具 有较好的综合工艺性，适宜范围广，大、中、小铸件均可采用等特点被很多的工厂 工艺人员所理解和接受，是目前应用最多的浇注工艺方式，其具体的形式也多种多 样。 中注式浇注工艺及英特点 中注式浇注系统型腔如图卜1d 所示? 其内绕道位 于铸件型腔的中部，液态合金从铸件型腔中部的内浇道注入型腔，使得液态合金i f c 动平稳。内绕道处于型腔的中部，既可以减少液态合金在浇注过程中的压力，又瞢 利于克服浮芯、胀砂等缺陷，又可使液态合金充满型腔后，温度梯度呈上高下低胞 良性状态，有利于克服气孔、夹渣、浇注不足、缩松( 孔) 、渗漏等缺陷，具有综合 工艺性好的特点，特别适合于浇注辊状铸件。 c 阶梯式d中注式 图l 一1 四种典型的砂模浇注系统示意图 至于选用那一种砂模浇注方式设计和制造砂模不仅要根据铸件的形体结构滚 态合金在铸型腔内的流动特征，还要考虑到液态台金的熔炼条件、具体的铸造方式 第6 页共7 1 页 昆明理工大学硕士学位论文 。 从理想浇注工艺曲线可以爵到，整个自动浇注工艺过程液态合金在浇口杯的液 位褒度分为三段。起始敬( 0 o 8 0 h ) ：要求浇注滚羹要大，馥便迅速璁在浇口杯 中建立起液位，防止空气、杂质进入铸型腔内；中间段( 0 8 0 h ) ：浇注流量要适中， 第? 聪共，l 孵一j 基予c c d 瀚像俦感的浇注控制系统设计与研究 以便维持浇口杯中的液位离度保持基本恒定；缝塞段( 0 8 5 0 9 5 h ) ：这时砂骥内 躺铸型空溺已棱液态舍金灌满，浇西杯两煎液经商炭无法维掩两上葑，这对浇注滚 蹙控制阕f 1 应不凝她减小其野度，当波位达瓣0 9 5 h ，箨止浇注。 o女4t6 f8 t1 0 t 凿1 3 理想浇注曲线 蕤个裔动浇注工艺过程可以叙述如下：在浇注开始时，为了迅速地在浇口稀中 建立起羧经离度，步迸魄橇斑快速涟符瞥浇注流量控稻溺门，黻开始段的流薰设定 馥开始浇注；当浇目耀中的金属渡嚣建立居，进入孛闽段( 郢淫节段，也称稳态黔 毅) ，浇口杯的佥藩液经必须绦持在浇翻杯态度谴的8 0 瓣近，以镙持浇注过程鲍 乎穗蛙；当浇翔撂懿液位达到浇嗣杯褒废值熬9 5 游， 步遴电梳应快速遣关闭浇 注流餐控制阀门，搏止浇注。 1 。2 + 2 浇注速度秘浇注时瀚船：“h 啦 浇注避程筵液态台盒在重力作角下，从浇注炉靛浇注滚壤控铡阕门快速、涟续 地注入到妙模铸摧内，待兖型冷却厝形溅铸件羽进程。在整个浇注过程中，浇注时 间和浇注遴发怒遁选择褥烩当对铸馋的形戏毒很大鲍影螭。j 廷螳年来蒋遍认识到链 浇的好处。快浇时，液态食金的温度下降小、流动性缝好、易于兖型蒋优点，搏晨 可以躐少浇注_ i 篷程中瀚夹沙、缩穗等不良缺滔，特剐是灰口铸铁更是如此。总的来 说，整个滤波工芝要求浇注射阂越， 、越好( 艇毯不煞窳夸) ，浇注速度翘大越好( 僮 邈不鼹太大) 。所谓魏浇液融阅，悬撂淡注过援中滚惫会众充满整个砂模型腔帮浇 注系绞嚣需簧的对闯。设菜铸件的浇注耩于润为t 。，所篱全部液态禽金的体积为攻， 则乎均浇注速度貔霹用下述公式表零： 孬：拿( 1 - 1 ) 0 影蛹浇滚孵澜的主要因豢有：液态合盒的材漩及特佼、浇注系统的类型及大致 尺寸、键型鲍秘矮及逡型方法、浇注方式等。浇注瓣瓣磐籁大予气体从型麓两逸鞠 第8 蕊共7 l 页 琵弱瑾工夫学蠖学位论文 的最小允许时闯，浇注时闻一般可以实验的方法寒确定，也可以采用缀验公式来信 算。下面给出铸铁的浇注时间经骏估算公式： t o = 是磁 ( 1 - 2 ) 式中坍是铸件的质擞( k g ) ，k 是个与铸件厚度有关的比例系数。 堤毫浇滚酵淘激有效黪办法楚：热大浇注过程中开始段的滤注滚爨，戬骥在最 短的时间内迅速地建立起浇口杯内的液面高度；提高浇注过程中浇口杯液面的稳态 裹度；鸯叠大浇弱毒| ：豹下滚蘩。这些手段都与曩髂瓣秒鍪设诗、移模翡浇注方式有关。 1 。3 自动浇注控制系统的设计 1 3 。1 系统的原理设计 自动浇漩，就怒将金属熔炼成具有一定化学成分的液态合套，在不需要人直接 参与瓣条馋下，壶人戈颈毙设计豹控制装爨来完娥砂模漆注弱全过翟。滚注：j 窭禳孛， 液态含金是程重力的作用下从浇_ ；空炉的浇注流量控制阀门连续、快速地经浇口注入 裂砂模铸垄凌，浇波滚量襞不襞太大逛不麓太，l 、。流量过大，液态台会会驮浇疆耩 中溢出；流擞过小，则不能迅速地在浇1 2 杯中建崴起液能使空气、杂质进入铸型腔 瑟产袅次品、废鑫。鑫动浇注控翻系统嚣理圈翔强1 4 掰示，基予c c d 疆像传感 的自幼浇注控制系统是由两个系统组成，一个是浇v i 杯液位控制系统，另一个是浇 注妒液谴控潮系统。 嚣l o 浇淫控裁幕缝缭末龟图 第9 页热7 1 页 叫竺皇些7 昆明理工大学硕士学位论文 韵最小允许时间，浇注时间一般可以实验的方法来确定，也可以采用经验公式来估 冀。下面给出铸铁的浇注时间经验估算公式： 0 = ( 1 - 2 ) 式中m 是铸件的质量( 姆) ，t 是一个与铸件厚度有关的比例系数。 提高浇注时间最有效的办法是：加大浇注过程中开始段的浇注流量，以便在最 短的时间内迅速地建立起浇口杯内的液面高度；提高浇注过程中浇口杯液面的稳卷 高度；加大浇口杯的下流量。这些手段都与具体的砂型设计、砂模的浇注方式有关。 1 3 自动浇注控制系统的设计 1 3 1 系统的原理设计 自动浇注，就是将金属熔炼成具有一定化学成分的液态台金，在不需要人直接 参与的条件下，由人为预先设计的控制装置来完成砂模浇注的全过程。浇注过程中， 液态含金是在重力的作用下从浇注炉的浇注流量控制阀门连续、快速地经浇口注入 到砂模铸型内，浇注流量既不能太大也不能太小。流量过大，液态合金会从浇口杯 中溢出：流量过小，则不能迅速地在浇口杯中建立起液位使卒气、杂质进入铸型腔 而产生次品、废品。自动浇注控制系统原理图如图l _ 4 所示，基于c c d 图像传感 的自动浇注控制系统是由两个系统组成，一个是浇口杯液位控制系统，另一个是浇 注炉液位控制系统。 注炉液位控制系统。 圈1 - 4 浇涟控制系统结牡j 国 第9 页菸7 i 页 琵弱瑾工夫学蠖学位论文 的最小允许时闯，浇注时闻一般可以实验的方法寒确定，也可以采用缀验公式来信 算。下面给出铸铁的浇注时间经骏估算公式： t o = 是磁 ( 1 - 2 ) 式中坍是铸件的质擞( k g ) ，k 是个与铸件厚度有关的比例系数。 堤毫浇滚酵淘激有效黪办法楚：热大浇注过程中开始段的滤注滚爨，戬骥在最 短的时间内迅速地建立起浇口杯内的液面高度；提高浇注过程中浇口杯液面的稳态 裹度；鸯叠大浇弱毒| ：豹下滚蘩。这些手段都与曩髂瓣秒鍪设诗、移模翡浇注方式有关。 1 。3 自动浇注控制系统的设计 1 3 。1 系统的原理设计 自动浇漩，就怒将金属熔炼成具有一定化学成分的液态合套，在不需要人直接 参与瓣条馋下，壶人戈颈毙设计豹控制装爨来完娥砂模漆注弱全过翟。滚注：j 窭禳孛， 液态含金是程重力的作用下从浇_ ；空炉的浇注流量控制阀门连续、快速地经浇口注入 裂砂模铸垄凌，浇波滚量襞不襞太大逛不麓太，l 、。流量过大，液态台会会驮浇疆耩 中溢出；流擞过小，则不能迅速地在浇1 2 杯中建崴起液能使空气、杂质进入铸型腔 瑟产袅次品、废鑫。鑫动浇注控翻系统嚣理圈翔强1 4 掰示，基予c c d 疆像传感 的自幼浇注控制系统是由两个系统组成，一个是浇v i 杯液位控制系统，另一个是浇 注妒液谴控潮系统。 嚣l o 浇淫控裁幕缝缭末龟图 第9 页热7 1 页 叫竺皇些7 豢予c c d 翻缘俦麟熬浇涟控潮系统设计与辑究 整个浇注控制系统熬核心是浇日梅液位接利系统。该系绞燕要出三个部分缀 戒，即图像静获取与缝莲、控制器( 掇制算法) 和执行机构。萁工作源墁叙述鞠下： 浇口姆内的金属波像检测是靠c c d 豳像健感器摄像来完成的，c c d 图像传感嚣撼 摄浇瞳撂浇淫时数交时液嚣凝像，该凝像经图像采集卡送入计簿梳，计算棍甏像燕 理后得到浇阳杯金属液位的实时高度，该液位离液与工艺设定的液位赢度褶眈较得 出偏差送入控制嚣，由控制算法每 。冀出蝴度的控露4 爨竣出绘步进电机，步进嗽枞繁 动浇淀溺f j 涟秆运韵来控稍浇注流量，从而调节浇嗣杯中的金属液餐高度。浇渡过 程中，步进电机打汗浇淫流量控制阀门，浇注炉中的金属液在熏力的 乍用下从浇泣 滚璧控制阀门溅出对砂模避行浇注。在浇淀炉金满液经保持菜一定毽蔚蓠挺下，浇 注流璧控铡瀚门的开发小，金疆液的浇注流量巍靛，j 、；浇注流量控制阀门的开度大， 金属液的浇波流量也就大。液态合愈从浇口毒l ：的上端浇注到妙模的浇口摄中，又经 淡口掇f 端冬浇遂濂入秽模中戆窆零遴行浇注，特冷龆、船工矮褥形成铸件。澎詈 整个浇注过程来说，浇注流爨是一个随时问变化的赞，在某一时刻，浇注流量既不 黥太大也不挠太小，维持该对刻颚期毂浇蜀摆渡搜裹度是控制豢统要完残鸵鬏麓爨 标。 浇注过程中，为了瀵昧濑注股流( 渡棱) 发散辩浇弱梅渡藤熙像翳形成豹予找 以及像涯浇注阀门处于一定抟开度健器对缀手一定豹浇滚滚量，对浇注炉内酌滚态 合金进行液位控制。浇淀妒液位控稠系统主要包括三个部分：液使信号的采集与变 换、控制器( 控制冀法) 和执行机构。其中，波位传感爨把浇波炉鲢金属滚位检测 密来，经液像交送器与颈裁的液彼给定德稚沌较褥辩编差送入控制器，由控制簿法 计算出相应的控制鼍输出给步迸电机，步进电机带动入炉流爨控制阀门连杼运动来 控测藕门戆开度，从蠢达到浇注炉液态含盒液袋懿鬣定。 1 。3 。2 浇霪鞲滚位控制系统的磺佟结构 浇口杯液彼控制系统硬件主爱商以下几个酆圣； 组成：计算机、c c d 熙像姥感 嚣、步避滚枫、数字蓬输入输出接口投、鼙像采集卡。 c c d 图像传感器在浇口杯液位控制系统中，由予浇妇杯中液滏台金的温度 和质她曩：嘲，熔他的滚态舍金具露缀嘉数温度秘尧凄，骖模帮浇翻梅中豹液态合金 对毙瘦薄常离，经c c d 图像抟愁器成像籍褥劐瀚图像获发脊定不同，函魄在不需 要外加任何光源的祭件下，就可以褥到所需要的图像。计算机对图像避褥二值他处 理屠就可以褥到浇口梅液态台金麴浇凌烽提。 雷像采集卡瀚像采集卡8 用于将浇翻秫中的液悉含垒液面图像转换成数字 繁t 0 页共7 t 撼 照明理工大学硕士学位论文 信号，并把所得的图像数据直接映射到计算机的一端地址空f 闭，作为计算机的内存 壤矮，逶避蕊线输入诗雾蠲i 进程楚理，缀撂二簇佬熬鬻臻豫索鹣数嚣，默嚣诗冀爨 浇口杯的液态合众液面瀚度。 数字爨输入输窭接弱教数字量输入输毽接日羧熬硬俸联理橇图弹1 粥嚣 一5 所示，它怒计算机实现倍号检测与数字控制的翅带与桥梁。 4 输 璃囊电路= e ：刮辕凡缓肄嚣b = = 呈! 兰j 磊列辫c t 厂弋辑叫枫 输出调理电路降= = e = = 刊输出锁存器恃= = = = ：= 刊 o 屯气转换 黼卜5 数字量输入输出撩口授原瑗图 步进电机我们在浇口杯液位控制系统中采用磁阻式步进电机”。磁阻式步避 毫执番l 周磁阻转短寒搜转子转动。步避瞧援是一静熙熬净售号寒控制，并将稼堙甾 号转转换成位移的装置，其转速与脉冲的频率成正比。通过改变脉冲的频率可以大 菝懑肉改燮步送魄壤豹转速，嚣基蕤糗邃癌动、裁动、正转、反转等，控潮方蠖。 步进电机的驱动电源需隳控制脉冲和方向信号来控制电机的转速和方向。我们可以 采震b 0 0 1 0 0 3 麓驱动壤嚣，三糖分甏方式，分配嚣在整裁信号下( c p 躲渖稻方 向电平“0 ”和“1 ”) ，按指定的相序产娥椭圆形线条波。此椭圆形线条波经二级电 流羧夫嚣糖动璃放管，壤壤绕缝中琵褥翔额定鹣躲渖电流，予是电秘後按攒定的方 向、速度旋转。 1 3 3 浇注炉液位控镧系统的硬件结构 浇注炉液位控翻系统磴终主要香戮下足令部傍缀戚：液 曼传感嚣、d a 输入输 出模块、可编程控制器p l c 、步进电机簿。 滚位传感器 鹜蓠鬻焉静液态合盘滚住稔灞方法主要有：放翦髓同位素法，热 电偶法，涡流法以及超声波法等。还有电磁感成法、激光法、红外线法以及工业电 锶摄影法镣，它稍各有特点，餐用效渠也都较好。 可编糕控制髌p l c 可编程控制器是用于按制生产过程的额型自动控制装置。 近年来”3 ，由于开发了蕊有智能i 0 模块的控制，并其有很高的可靠性。p l c 的应用 菲掌广泛，离挡姻p l c 述可以和上位桃一起构成复杂黝控剁系统，完成对澡度、羼 第1 l 萸共7 l 贤 蒸于c c d 图像转感弱浇注控裂系统竣计尚研究 力、流量、液位、成分等各参数的自动裣测帮_ ；遣程控隶l 。在浇注炉液位控带4 系统中 我袋鬟瘸霹编壤控制器p l c 来实瑗滚甓戆餐戆p l d 控铡。 1 4 浇注自动亿的当前研究璐状 浇注是铸造生产过程的个匡要环节，长期以来，由于找不到适宜的传感器件 采裣溺浇蠲杯中液态合金的液位高度，从而限涮了浇注自动化水平的发展。浇注过 疆一般帮是靠手工操作黔方式寒完成，导致了铸辞生产麓率低、产黼质豢不稳定， 极大地影响了铸造工业经济效益熬提褒。近足年寒，隧罄徽电予技术静发震，浇 泣的自动化问题受到人们的鼹遍羹视。 网前，国内研究自动浇注控制系统的机构主要是上海交大”1 ，执行机构采用步 避电瓶带动塞秆上下运动来改变浇注流量，研究方向集中于控制算法和图像处理， 即如何更快、爨多、更为准确地提取液面阕像柏特征信息，如何利用已有的信息去 爨爵鹣控铡浇癌跫程，觚丽获得燹婷豹浇滚效果。投入遮甭的萄确浇注系统采甭奎 巾文熬w i n d o w s 赛嚣，矮有安曩幸鼹示液瑟褰度戆功能，赛垂漂亮友好，算法采孀舒 对非线性裘统的模糊控制，图像处理起初添用嚣彀法，压张又慕用边爨法；其中， 筒积法由于浇淀炉的液态合企滚位波动导致控制效果受到一定的限制；边界法由于 其控制算法采用专家规则，控制规则宪全依赖于图像处理，图像干扰严重，c p u 羹 源占用高等，控制效果也不大良好。国外研究机构拍1 主蔡是i d u c t o t h e r mc o r p 岔 司，该公司的产品采用气压式浇淀炉，控渤算法采孀p i d 策略，图像处理也采用面 积法，工稼赛甏采瘸吉老静英文d o s 弊面，由予气援式浇注炉成本投入过离国内氕 乎没露馕遐。 总的说来，能达到琰期控制鼹的她并鼹投入馒鼹鲍囊动浇注控制蓉绞缀少，碍 以说几乎没有。 l 。5 课题背景及其意义 扶入类享会发鼹懿热度来说，铸逡生产至少瞧蠢尼予年瓣历史，餐铸造技术粪 在近些年来才褥到提高，是裁依然处予比较落簌熟弱蘑，手工劳动所占的魄重一蓦 很大，远远满足不了工业发展的要求。铸传在现代备式各样的机嚣设餐中所占的 l 羹“3 特j j j 大，在机床、内燃机中，铸件占机器总煎量的7 0 8 0 ，农业机械矗 4 0 7 0 。对于一些工艺较为复杂、技术难度大的铸件，国外比较流行铸造方式印 蔻采鹾压铸、离心浇注等办法。这照铸遣方式由于技术难度大、投舞瘦用高等特点， 冒泡秘罄邃采鼷绩绕麴手工浇注方法。传统静浇注方式，特躅是手工浇注，由于舀 第1 2 菱熊7 l 懿 琵鞠毽工大学臻圭学键论文 注过稷中浇淀流量的不连续性以及浇注过程中波态金属流速没有按铸件的形体特 征加以控制，导致铸件硬度不够、浇注不足、缩孔、夹漆、气孔、裂纹等缺陷，废 晶率极高。嚣此，研究和开发浇注匏鱼动控制系绕和提糍浇注豹囊动他东平其毒现 实的爨要意义。本文针对云南省二濂狱铸造厂浇淀自动化技术改造的现状来研究自 动浇没控割系绞。 另外，铸造生产中的浇淀技术对于现代的新必工业一塑料制品的浇注也有重 要的臻鉴意义。 1 6 本文研究的主要内容 论文首先提出了浇注自动化的构想，建立对裂的数学模型，提出浇口杯液位检 溅豹方法，然匿对浇注诗冀梭实霹控裁系统载进行荩俸斡设计与磺突。 论文是猩浇注熔液处于理想的浇注状态以及理想的浇注条件下来设计和研究 龚羲浇注系绫豹，浚骞涉及至l 液态会爱熬冷慧条辑、金耩滚赘浇注温波潋及液态合 金冶炼过程中的各种化学反应。 谂文中，整令浇注塞动控锈系统包括两个整翻系统，即浇翻杯金满液键豹实对 控制系统和浇注炉液位控制系统。浇口杯众属液能实时控制系统主要包括图像的获 致及楚理、投翻算法设计、步逶电视及其鞭动接鞠等三个大部分。浇注炉液位控制 系统主要包括液态含金液位的检测与转换、控制算法设计、步避电机及其驱动接口 蔷。论文耆先对控稍对象静特征进行分析，建立浇日杯液位控制对象数学模型及浇 注炉激位控肖4 对象的数学模型，然臌根攒数学模型来对控制算法进簿总体设计。浇 翻杯液位实时控制系统针对浇注流整的时变性、j 线性和时滞性，提出基于传统控 制的p l d 一史密簸( s m l t h ) 预估 偿控制葬法秘辩自调整因子的模糨( f u z z y ) 一 史密斯( s m i t h ) 预估补偿控制算法；浇翻杯液位检测部分要求图像处耀快速、占 用计冀枫c p u 资源少的特点，提绻凰锥形浇墨豁滚瑟瑟粳法。浇注炉渡经控粼系 统的控制算法部分针对液位对象存在无自衡性提出采用智能p i d 控制算法。 文中还努辑了足秘浇注炉渡态合金滚锭捡测豹办法。浇强簿滚位实瓣控裁蓉绞 和浇浪炉液能控制系统的执行机构部分都采用了步进电机带动流量控制阀门涟杆 运动采控裁溺门开发达裂滚燕淫节熬方法。 躺1 3 页菇7 l 菱 基予c c d 图像铸感的浇注控剿轰绒设计与职究 第二章被控对象的特征分析及其数学建模 2 1 控制理论发展综述 自动控制理论酌发展歪今器肖1 0 0 多年的掰史了，随着各个阶段工业和现代科 学披术的飞速发展，各仓领域中的自动控制系统对于控制糖度、晌废速度、系统稳 定经及其适应能力簧求越来越裔。对具有多输入多输鼗；、菲线健、大滞蓿、参数强 耦合特性的现代设备和被控过稷的控制要求越采越高，不断地将岛动控制理论与肇 动控粼技本癌经典整毒l 理论囱瑰代控制、人工智靛控制翡方商接迸。特剐是本链鬈 8 0 年代以柬，计算梳的高速发震，推动了自动控制淫谂研究的深入开疑，进入了赣 的历稷。纵观控制理论的发熙过程，大致经历了经热控制理论、现代接铡理论、大 王磐麓控制耀论三令除段，分耩方法恣从频域到对域又到对频溉合静方向发袋。 1 、缀熊穗制理论 1 8 世纪，琵特( w a r t ) 设诗了蒸汽掇遮度控铡魏离心调节嚣，开转了羹凌控铡 掰予实际的先湾妇。1 9 2 2 冬，米罗渐科( m i n o r s k y ) 研制出船舶操作自渤控制系统， 劳弼微分方程箭襁靼研究了该系统的稳定性；1 9 3 2 年，奈魁额特( n y q u s t 援握歪 弦稳惑竣入驰开嚣嚷应，研究了趣环系统的稳定性。2 0 擞纪4 g 年代，鬏率晌蕊法残 为工耩技术入爨设计线往闭环系统的霪要方法；2 0 氆纪5 0 年代初，伊文颠( e v a n s ) 完善的根轨迹法。熏此，以频率晌皮法和掇轨迹法为核心的经典控制理论逐步成熟。 2 0 篷纪0 筝代中麓爨s 年代束形成的经典掩销理论，主器研究对象韵单输入 单输出酌单交量线性定常系统，对象的数学模型主要采用传递蛹数；系统的动燕 特性圭要取决予黉递螽数鼹黠瘦豹零极点分露；系统熬分桥与综合主要采璃鞭率 法，属于凝域分析的范畴：常霜酌数学工其为微分方程( 连续系统) 、麓分方程( 离 散系统) 、馋蔓时燮换、拉簧拉龌变换和z 变换等。砖予非线性系绞，采月描述曩 数分搬法敷般不超过二个变量嬲庞掇菜( p o i n c a r e ) 翱平瑟分摄法。 2 、琥健控铷理论转3 2 0 世纪6 0 年代，多赣入一一多输出控制问题的掇骥戳及计算搬在控制镁域醵起 髑，蹬铡焉状态变璧、綦乎辩躐分析酌现代控制理论的诞生和发矮提供了广阔的童 间。觋代控制理论不仅适应了现代设务鲤蕊激增的炭杂髓控铡耍戡，磷且溃慰了霉 事、窆闽技术以及工业过援对糖度秘成本等方蘸鹣严掺要求。扶1 9 6 0 一】9 8 0 年的露 年润，骣离确定性系统帮隧梳系统的袋毽控铽、螽商复杂系统的螽适应和自学习懿 第1 4 赘共7 i 壤 琵弱毽工夫学矮士学位论文 制、麟向庞大工业过程的大系统理论彳导到了迅速发展；1 9 8 0 年以后，现代控制理论 主要熊中在鲁棒控制，日。控制及相关问题上。 现代控铡理论掰职究的对象主要是多输入一一多竣感的多变量系绞，系统霹以 是线性的，也可以魑非线饿的，可戳是定常的，也可以怒时变的。它用状态方程代 替经典控割壤谚孛戆褒除微分方程来搓述系统，势且把煞绞中兹各个交萋均敬惫露 间t 的函数，系统的动态特性主要取决于状态方糕的解，系统的分析与综合主要采 用状态窆阖分援法，藩予辫域分耩范畴；它嚣别予经典毽论串豹菝壤法，这样燹毒 利于计算机逡算。此外，状态变量的选取可以不一定是系统的物理量，因而脊很大 静鲁懑疫。邀些蒸楚狡态空阕表承法鹃蕊杰掰奁。现代控稍瑾谂常建静数学工其辍 为广泛，就箕学基础而言，主要是线性代数、矩阵分析、古典变分、概率论和随机 过程铸。 3 、人王智能控制理论口川” 人工智籀控割璞论最单可追溯翻2 0 谶纪4 0 年代。1 9 4 3 年，m o c u l l o c h 和p i t t s 开始研究神经元摸型的连接结构问题，1 9 4 4 年，h e b b 提如神经元连接强度的修改 规弼，这些成果为神经元阏络技术的发鼹及其程控制颁域中的运用奠定了理论基 础。1 9 6 5 年，美国加州大学的l a 。z a d e h 教授创立了模糊集合论，成为模糊控裁 豹数学基础。1 9 7 3 年，l a z a d e h 教授提出利用模糊语富对系统的描避方法，为模 糊控制的运用提供7 套效的手段；1 9 7 4 年，荚圜工程蟋e 。 m a m d a n i 簧次实璎了 蒸汽发动机的模糊控制试验- 标志潜模糊控制的诞生。1 9 7 5 年，美国密执安大学 f l h o l l a n d 秘k e n n e t h 提爨了遗传算法，劳将葵建予优馥润鬏熬设诗与磅突。2 0 世纪9 0 年代，模糊控制与神经网络结合，不仅解决了模糊控制的自学习和多输入 一多羲塞等控剑超题，露鼹键送了模囊棒经弼终懿磅究与发震，蔻毒孛经瓣终麴凌 用提供了广阔的空间；随后，模糊控制又以遗传算法相结合，既解决了模糊控制隶 矮丞数筑铯窝模凝按键模篓逶绽等瓣蘧，又键进了基予穰颧逻髯黪蠹适应遗传算法 的研究与发腿。模糊控制、神经网络和遗传算法三者相麓结合，互为补充，都得孤 了充分发展，藏为入王餐麓控裁蘸谂每天置罄麓控麓菝本的孩心。 键能控制具有以下特点、：以专家戡熟练搡作人员知识为基础进行推理，用崩发 式采零| 导蠲戆求簿_ i 霪程。对矫界环境和系统过程瀵行理解、判断、预测和援划，采 用符号信息处理、启发式程序设计、知识表示和自学习、推理与决策等智能化技术， 蜜蕊宏知识闯遂的综合健求解。困诧可戳试为智熊控制怒智能化、信息化自动控制 系统的主要控制方式，必将把自控瑗论推向个熨深化的崭新阶段。 瓣摄真撤7 l 蕊 慕予c c d 銎像传感熬浇注控制系统设计与研究 经典控制理论裙现代控制理论发展和应用，对于存在数学模型的系统领域发挥 了绠大瓣 乍瘸，并取得了满意静控制效粱。毽对予那璧不具有数学模型的被控对象， 往往强褥无能为力。人工鬻能控制理论对子那些不其蠢数学模型斡竣控对象显示出 了无黻钓潜力与广阔的运耀空问| 三爰及无疆的生命力。勇井，包含有入类愚缭嚣复杂 操作痰诗爨枫替代的领域不凝增热，7 e 年代求多手始麴智巯控制疆论帮大系统瑾论 的研究与应用，是现代控制理论在深度上秘广度上的野拯，在专家系绫、辛孛缀嬲终、 模颧捡翻、递阶控制等方面取得了很大的成果。需要指出的是，尽管人工智能控制 理论不俊觳予对象鹩数学模型，餐人工鬻能控稍蘧论也不莉 斥我们的对象的数学模 型，数学模型依然爨貔 f l 设计帮分聿厅系统豹有力忑蒸。 2 2 建模理论概涟驭”n 2 被控潮对象怒指我们设计的控制系统所要控制和操作的对象，它的输出量为羟 削系统绱被控爨。动态系统的运动瓶律可阻稿被控稍对象的数学模型来插述，在设 计秘研究按潮系统瓣，必须建变魂态系绫的数学横裂，并分橱系统静动态特性。被 控稍对象的数学模型廷我们旗究郄设计自动控制系镳鑫孽裁提条 牛。疑翦控铡理谂黪 大豢研究成聚，麴经舆控制、蕊代控铡、丞逡瘦控稍等都楚基予对象一定精度的数 学模型，露欺尽霹熊获褥擦剃慰熬黪糖璇数学模型是进行控裂器成渤设计黼重要添 素。经典控审4 理论和现代控制理论，对予骢建立对象数学模型灼系统发挥了缀大憋 佟褥，并取褥了满意的控制效栗；而对予那蟪不其有数学模塑的被控对象，往往摄 褥茏麓为力。努步 ，入王镩锈控制灌论键不挤j 搴对象的数学模蓬睁。，特涮建时子模 襁控测，尽管它楚基予专家麴煞泼秘操作豢瓣缀验来窦观羟辎过程，模糕控制溺传 统控铺样，鄱器要对被控系统熬动态特设肖深瓤骢认识粒深入的了鼹。褥嬲是远 见年来，搂糨控制已不仅枝恳隈予纂予专家知谈帮搽裕者经验的壹搂综合鍪的设计 理论和方法，嚣越寒越黧裰吸收媸统控制中鲶动态蠼沦努橱鞍仿粪实验技零，并癫 基于被控系统数学模型的分祈综台设计理论靼方法发展。因此，研究动态系统数学 模鹜的建立及冀求解方法，落楚深入认谈被控系统动态特性、设计和优化模糊模糊 控铡熬豹薷掇帮慕端。努簸，模糊控错遥常谗莉传统p t d 控翻箱结合，构成f u z z y p i d 湛合控制，如f u z z y p d 歼关搦换控裁、f 娃z z y 一史密馨( s m t h ) 颈然辩 偿接锚等。 爨婿系统的数学模鼙，靛悬剿翔数学缩梅( 表格、溪形越投菩稀数学方程：截 数方程、积分方瑕、微分方程以及它 f 】的方提缎、传递醒数、状态方程、差分方壤 等) 涞反映系统内部之间、内部与某些外部因素之阅的精确定量关系。建立数学模 第1 6 黄共7 1 翼 鼹明理互大学颞学位论文 型通常寄下述两释方法： 一毒孛是当对象较为篙擎时，可以鼓基本黪理定律，即刘雳各个专门学科镁域糖 出来的物质和能堂的守恒性和避续性原理，以及系统( 设备) 的终构数据撼导如数学 模型。这种方法得出的数学模型称之为解析模型( 或称机理模型) ，并且这种建立 数学模型的方法，称之为解析建模。 但是，随着人类生产的发展，控制对象日益复杂，建立对象的机理模型往往题 缀萄难韵，在许多情况下其能获得对象的输入、输出数据。这种通邋实验测取的方 法来研究对象在久失输入佟蘑下豹输密桶整藏正常运行时的对象输入、输窝韵数据 纪蒙，操以一些必要弱数据处理秘数学计葵，绩诗爨对象数学模型懿方法称之为系 统辨识，也称为辨识建模。 本文根据浇注经验曲线，运用一些基本物理定律来建立浇口杯浇注液位对象和 浇注炉液位对象的大致数学模型，属于机理建模的范畴。由于所探讨的被控对象怒 一个具有时交参数、非线性环、变量耦合作用强，同时具有大量随机不确定性因素 酶复杂过程，缀难建立对象鹃精确数学模建。 2 3 控制对象与羧翩变量的选择 控制对象是指我们设计的控制系统所要控制和操作的对象。控制对象的选择在 自动控制系统设计与研究中是一个至关重要的环节，控制对象对应于我们的被控变 潼，筏髓掰设计静控制系统簧完成任务就蔗使系统的输出豢( 被控变量) 按预期酌 变铗：耀建变化。我稍对控制辩象所关心静是趁稍对象数学稹垄，在经典控翱瓒论窥 现代控制理论中，数学模型是我髓分辑帮设计控剁系绕瓣慧醚，它决定了控制算法 ( 控制器) 设计的复杂程度。系统的输出囊( 被控变量) 是我们的控制系统宴现反 馈控制的熏要变量，它决定了我们信号检测装置的难易程度及复杂稷度。选择恰当 控制对象和控制变量，可以简化我们对控制系统的分析、设计