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摘要 摘要 深冷处理指的是将被处理对象置于特定的、可控的低温环境中，使其材料的 微观组织结构产生变化，从而达到提高或改善材料性能的一种技术。 深冷处理系统是能完成深冷处理的系统。深冷处理系统是随着深冷处理的发 展而发展起来的。 根据工业国家的研究与应用情况可知，深冷处理的应用可以大大提高刀具行 业及工模具行业等的效益。我国的研究者在此技术领域取得了一些理论成果但 是未能深入地分析深冷处理技术对刀具、模具及零件等的影响，未能将研究成果 应用于工业生产中，这主要是因为深冷处理系统及其计算机控制的研究仍处于起 步阶段。深冷处理系统及其计算机控制研究的不完善、不成熟，限制了深冷处理 技术的进一步研究与深冷处理技术的工业应用，成为我国深冷处理技术研究的一 个“瓶颈”。为此，本文旨在对深冷处理系统及计算机控制方面进行探索研究。 本文从系统论和控制理论的观点出发，设计、建立了一套深冷处理系统，并 分析了这套系统的设计方法、组成结构及工作原理。为了满足深冷处理过程控制 的要求，设计了一套深冷处理控制系统，该系统具有深冷处理过程的实时监控、 深冷处理的参数设定和实时显示等功能。 本文中，根据比较控制、比较比例控制及p i d 脉冲调宽控制，设计实现了深 冷处理控制系统中的控制器。同时，根据所做实验并结合目前的研究成果，比较、 分析了不同控制器对于系统性能的影响，合理的控制器及其参数直接影响系统性 能。 关键词深冷处理系统：比较控制：比较比例控制；p i d 脉冲调宽式控制 兰皇翟三查兰三耄堡耋兰垒垃三 a b s t r a c t d e e pc r y o g e n i ct r e a t m e n ti s a t e c h n i q u e t h a to b j e c t sa r ep u ti nt h e g i v e i l 。c o n t r o l l a b l e u l t r a l o w t e m p e r a t u r ee q u i p m e n t t om a k et h e i r m i e r o s t r u c t u r ec h a n g e d ，a n dt oi m p r o v eo re n h a n c et h e i rp r o p e r t i e s 。 d e e pc r y o g e n i ct r e a t m e n ts y s t e mi st h es y s t e mt h a tc a na c c o m p l i s ht h e p r o c e s so fd e e pc r y o g e n i ct r e a t m e n t w i t ht h ee v o l u ti o no fd e e pc r y o g e n i c t r e a t m e n t ，t h es y s t e mi sd e v e l o p i n g a c c o r d i n g t or e s e a r c ha n da p p l i e a t i o ni ni n d u s t r i a lc o u n t r i e s ，t h e a p p l i c a t i o no fd e e pc r y o g e n i ct r e a t m e n t c a n g r e a t l yi m p r o v ep r o d u c t i o n e l f i c i e n c yi nt h et o o l s f i e l d 、d i e sf i e l da n dm o d e l sf i e l d r e s e a r c h e r s h a sa c h i e v e ds o m ea c a d e m i ca c h i e v e m e n t si no u rc o u n t r y b u tt h ei n f l u e n c e o fd e e pc r y o g e n i ct r e a t m e n to nt h et o o l s 、m o d e l s 、w o r k p i e c e sc a n tb e a n a l y z e dd e e p l y a n dt h er e s e a r c hc a n tb e a p p l i e d i nm a n u f a c t u r i n g p r o d u c t i o n ，t h el e a d i n g r e a s o nf o rt h i si st h a tt h er e s e a r c ho nd e e p c r y o g e n i ct r e a t m e n ts y s t e ma n dc o m p u t e rc o n t r o l i sa tt h eb e g i n n i n go f r e s e a r c hs t i l l t h er e s e a r c ho nd e e pc r y o g e n i cs y s t e ma n dc o m p u t e rc o n t r o l o nd e e pc r y o g e n i ct r e a t m e n ts y s t e mi si n c o m p l e t ea n di m m a t u r e ，s ot h a tt h e f u r t h e rr e s e a r c ha n dt h ei n d u s t r i a l a p p l i c a t i o no nd e e pc r y o g e n i c a r e l i m i t e d a n di tb e c o m e sa “b o t t l e n e c k ”o ft h er e s e a r c ho nd e e pc r y o g e n i e t r e a t m e n t s oi ti sp u r p o s e dt os t u d yt h ed e e pc r y o g e n i ct r e a t m e n ts y s t e m a n dc o m p u t e rc o n t r o lo nt h es y s t e mi nt h i sp a p e r 。 b a s e do ns y s t e mp r i n c i p l ea n dc y b e r n e t i c s ，as e to fd e e pc r y o g e n i c t r e a t m e n ts y s t e mw a sd e s i g n e da n dm a d e i t sd e s i g nm e t h o d 、c o n s t r u c t i o n a n dw o r k i n gp r i n c i p l ea r ea n a l y z e d t om e e tt h ed e m a n do ft h ep r o c e s s c o n t r o lo fd e e pc r y o g e n i ct r e a t m e n t ，ad e e pc r y o g e n i ct r e a t m e n tc o n t r o l s y s t e mw a sd e s i g n e d i th a sm a n yc h a r a e t e r i s t i c ss u c ha sr e a l t i m em o n i t o r o nt h ep r o e e s so fd e e pc r y o g e n i ct r e a t m e n t 、t h ei n i t i a l i z a t i o no ft h ed e e p c r y o g e n i ct r e a t m e n tp a r a m e t e r sa n dr e a l t i m ed i s p l a y o nt h eh a s i so fc o m p a r ec o n t r o l 、c o m p a r ea n dp r o p o r t i o nc o n t r o la n dp i d p u l s e w i d t h m o d u l a t e dc e n t r e l ，t h e c o n t r o l l e ro ft h e d e e pc r y o g e n i c t r e a t m e n tc o n t r o ls y s t e mw a sd e s i g n e da n da c c o m p l i s h e d t h ec h a r a c t e r i s t i c l l a b s a c t i n f l u e n c eo fd i f f e r e n tc o n t r o l l e r so nt h es y s t e mw a sc o m p a r e da n da n a l y z e d o nt h eb a s i so fe x p e r i m e n t sa n do t h e rs t u d l e dr e s u l t sa tt h es a m et i m e r e a s o n a b l ec o n t r 0 1 1 e ra n dc o n t r o l l e rp a r a m e t e r sa f f e c tt h ed e e pc r y o g e n i c t r e a t m e n ts y s t e mc h a r a c t e r i s t i cd i r e c t l y k o y w o r d sd e e pc r y o g e n i c t r e a t m e n ts y s t e m ：c o m p a r ee o n t r 0 1 ：c o m p a r ea n d p r o p o r t i o n c o n t r o l ：p i d p u l s e w i d t h m o d u l a t e d c o n t r o l 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进 行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者躲石常隽石肇髫吼2 咖年5 胁日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复e f j 件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将 本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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密阢 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：石常隽石咩超日期：2 0 0 3 5 月3 - 日 刷醛名懿新鸨撕嗍2 0 0 3 ”月3 1 日 1 第一章绪论 1 1 深冷处理系统的研究背景 深冷处理指的是将被处理对象置于特定的低温环境中，使其材料的微观组织 结构产生变化，从而达到提高或改善材料性能的一种技术。目前在工业中一般把一 8 0 附近温度的冷处理称为普通冷处理，而把低于一1 3 0 c 的冷处理称为深冷处 理。 深冷处理系统是能完成深冷处理的系统。深冷处理系统是随着深冷处理工艺 的发展而发展起来的，它必须满足特定的深冷处理工艺的要求。 1 1 1 国外深冷技术研究状况 本世纪3 0 年代，国际上开始进行材料冷冻处理工艺试验研究，当时的最低工 作温度不低于一6 0 ，处理的效果也不明显。5 0 年代到6 0 年代初，欧美各国的 些工具制造商和机械制造厂纷纷开展刀具和工具的低温处理工艺的研究实验从 中发展产生了一7 0 一8 0 的冷处理工艺。7 0 年代初，随着低温技术的迅速发展 深冷处理工艺技术也得到了迅速的研究开发和应用，将冷处理所能达到的一8 0 ( 2 降低到一1 9 6 ，并具有比普通冷处理更明显的效果。 深冷处理效果独特一”“，主要有以下三个方面： ( 1 )提高零部件的耐磨性，延长使用寿命。金属的零部件经深冷处理后耐 磨性与寿命普遍提高0 5 6 6 倍。 ( 2 )改善材料与零部件工艺尺寸的稳定性。铝、铝合金、铜、钛等材料制 成的精密零件经深冷处理后尺寸稳定性大为改善。 ( 3 )改善材料的性能。经深冷处理后，材料的强度可提高3 0 一3 0 0 ；抗疲 劳、耐腐蚀等性能也得到明显改著。 因此美国、日本、德国、前苏联、法国、英国、澳夭和亚等国相继开展了这 一领域的研究与开发，并在军用及民用工业生产中显示了良好的经济性和优越的 性麓。 作为一种有效的工艺手段，深冷处理工艺逐渐显示出了强大的生命力已逐 渐为人们所采用。前苏联国家标准委员会己把这项技术纳入国家标准，正式发布 仪表高精度金属零件- 用冷处理方法使尺寸稳定典型工艺过程f - oct 1 7 5 3 5 7 7 。迄今采用深冷处理工艺的零件有：精密仪器齿轮、发动机汽缸套、发动机 曲轴、发动机活塞、低温阀门、高压容器、高强度弹簧；模具、刀具、量具等等“1 。 华南理工大学工学硕士学位论文 综上所述，深冷处理工艺应用前景广泛，效果显著，在军用与民用工业领域 中，具有巨大的实用意义。 1 1 2 国内深冷处理技术研究状况 在7 0 年代初国内开始探索将低温技术应用于机械加工上，到1 9 8 4 年基本上 完成了“电子冷冻切削、电子冷冻铣削、电子冷冻磨削”的研究任务w 。同年研制 了一批低温医疗器械。 2 0 世纪9 0 年代初期，国内也开始了深冷处理工艺的应用研究，若干高等院校、 科研院所和工厂企业先后开展了有关深冷处理工艺的研究m 一一一w ，所涉及的材 料主要限于工具钢、模具钢和轴承钢，处理的工件主要是一些刀具等。华南理工 大学的曾志新、李勇等开展了y w i 硬质合金刀片、高速钢车刀、高速钢齿轮滚刀 等一系列的深冷处理实验，他们从能量原理和系统论的观点，结合低温物理学理 论，采用电子显微分析方法，较系统地分析了深冷处理对刀具的微观机理w 。哈尔 滨工业大学材料科学与工程学院的姜传海研究了低温循环过程对s i c w 6 0 6 1 a 1 复 合材料残余应力的影响，研究结果表明，通过降温一升温这样的过程可以降低复合 材料的残余应力”l 。佛山市火花塞厂测定在深冷处理后可以抑制下贝氏体转变显 著提高了c r l 2 3 m o v 钢的硬度和耐磨性“，。这些实验都一再证明了深冷处理对于金 属及合金材料、刀具、精密零件等性能改善有着明显的效果。 但是国内深冷处理的研究多是在实验室中进行，诸多材料或成品刀具的深冷 处理机理尚缺少系统的、深入的探索，因而难以对工业生产起到实际的指导作用， 与国外相比更有很大差距。 1 1 3 国内外深冷处理系统的研究状况 为了实现深冷处理，系统常常采取以下四种常用的降温方法m - “”“w ： a ) 浸泡法，这种方法是最早使用的，简单方便，但是它容易使被处理工 具产生热冲击，致使工具内部产生微裂纹，常常达不到最佳的效果。如弹簧片浸 入液空气槽或液氮槽或干冰与酒精或工业酒精的混合物槽中，保持一段时间让它 冷却，从而提高硬度。如图i l 所示。 b ) 喷淋法，这种方法是将被处理的工具材料周围设置喷淋管，降温时从 喷淋管中喷出雾状低温液体，利用控制喷速来得到所需要的低温。使用这种方法 时温度较难控制，特别容易过冷，并且箱体内的温度分布不够均匀被处理工件 下部容易受到热冲击，导致工件内部有微小裂纹。 第一章绪论 捍黄片 遗 图1 - 1浸泡法 c ) 干式接触法，这种方法是将低温液体汽化，以气体状态喷射到容器内 处理工件，如图1 - 2 所示，在密闭的容器内装有双层隔板，以形成强制对流，喷 入的低温液体汽化后，气流在隔板中在风扇的驱使下，高速循环。箱内温度是通 过电磁阀来控制进入系统的液氮量。由于低温液体不直接和工件接触，因而工件 受到的热冲击很小，同时有风扇的作用，处理室内的温度更容易均匀，缺点是耗 液氮量较大。 风 排气口 图卜2干式接触法 按照制冷剂种类划分，常用的深冷处理设备可分为干冰冷处理设备和液氮深 冷处理设备n un “”“。 1 ) 干冰冷处理设备是借助( 固体c 0 。加酒精) 升华，一般用在普通冷处理中， 如图卜3 所示。这类设备结构简单，价格便宜，在一些小型厂家用的较多，但是 这类设备控温不太准确，最低温度可达一8 0 。c 因而只能适用于形状简单零件的 冷处理，形状复杂的零件冷处理后容易产生微小裂纹，损害了材料的使用性能。 华南理工大学工学硕士学位论文 图1 3 干冰深冷处理设备 2 ) 液氮深冷处理设备是采用液态氮的相变来获得低温，一般用在深冷处理上。 实现一1 3 0 一一1 9 6 范围的低温采用的低温工质以液氮较为理想。液氮目前可以 通过工业规模的生产( 空气液化分馏) 经济地获得。液氮冷冻温度低，价格便宜， 易于贮存、运输，化学性能稳定，不腐蚀零件，不会爆炸无毒性，对环境不会 有危害。系统采用开式循环时工质由贮存罐经深冷室使用后直接排入大气，液氮 一次性使用。如图1 - 4 所示；而闭式循环中工质经深冷室后进入液化装置回收利 用。如图l 一5 所示开式循环装置操作方便适用于实验。闭式装置则运行费用低， 但是结构复杂、投入费用高。 排入大气 图卜4 氮气的开式循环 根据文献 5 ，国际深冷中心研制了一套全自动深冷处理系统整个系统包括 一个独立的带风扇的绝热容器、加热器、阀门和一个计算机控制单元。处理时间 依据处理工件的数量从3 6 小时到1 0 6 小时不等。液氮进入容器的速度由计算机控 制以保证容器内部温度缓慢下降。保温一段时间后，再慢慢回到室温。这套系 统已经于1 9 8 8 年4 月2 6 日申请了美国专利专利号为# 4 7 3 9 6 2 2 。同时，该系统 正在向欧、亚各主要国家申请专利。 4 第一章绪论 气体 图i 5 氮气的闭式循环 目前兰州理工大学材料学院正在开展关于深冷处理工艺的一项国家自然基金 项目、两项省基金项目，但是还没有迸一步的研究成果报道“。华南理工大学的 刘亚傻与国外的研究者合作，利用了国外的深冷处理设备来处理硬质合金，刘亚 俊对处理后的材料进行微观机理的研究”，。而李勇等使用医用冷冻仪器来对高速钢 等刀具进行深冷处理，这种医用冷冻仪器主要是用于冷冻人体的细胞、血液等 它能使冷冻物按照一定的降温速率降温到一1 3 0 ，最低降温温度无法达到深冷处 理的要求，而且降温可控性较差。由此可见，国内的深冷处理系统的研究基本上 处于初始阶段，公开的文献报道很少，也缺乏成熟的、完善的深冷处理控制系统。 1 1 4 深冷处理系统的控制要求 基于计算机控制的深冷处理系统必须能按照深冷处理工艺的要求来完成工件 的深冷处理，从而使工件的性能有所提高。 一般来说，不同化学成分、不同形状规格、不同性能要求的工具材料其具体 的深冷处理过程是各不相同的，研究者对成品刀具如高速钢车刀、钻头等进行深 冷处理的典型工艺曲线如图1 - 6 所示n ”。 从深冷处理典型工艺越线可以看出，深冷处理工艺是通过分阶段来降温，其 中每个阶段都有三个重要的参数：降温速率、降温阶段过程中最终的温度、以及 保持温度段的保持时间。这三个参数随着被处理材料的不同而变化。 从已有的深冷处理工艺的研究n “”n “中，我们可总结了以下三条规律： 1 ) 在深冷处理过程中，降温速率尽量保持在小速率，一般小于1 2 分， 这样可以避免工件在微观结构转变时发生裂纹现象，从而提高被处理工件的性能。 比如刘亚俊研究硬质合金的深冷处理时，利用了国外的相关深冷处理设备，降温 速率为1 1 6 分最后有比较明显的效果“，。 2 ) 在深冷处理过程中，不同的深冷处理阶段最终温度对被处理工件的性能 影响不同，必须根据不同的材质来探索最佳的深冷温度。 华南理工大学工学硕士学位论文 温度 o 童l理 r 童温深冷处理 。 一帅h 7 图1 - 6工件的深冷处理工艺曲线示意图 f i g 1 6d e e p c r y o g e n i ct r e a t m e n tc u r v eo i lw o r k p i e c e 3 ) 阶段温度的保持时间的长短随着具体的材料而变化，要得到最佳的保持 时间，也需要在实践中加以探索。 本文所研究的深冷处理系统，以液氮为冷源，降温方法采用干式接触法本 系统分为深冷处理室、低温液体盛放系统、计算机控制系统三部分。喷入深冷处 理室内的液氮汽化吸收热量，从而形成低温环境。深冷处理系统是通过控制电磁 阀的开关时间来控制进入系统的液氮量，来满足系统的温度控制要求。深冷处理 系统要求得到控制的参数为深冷处理过程中设定的降温速率、阶段最终温度、保 持时间。 1 2 过程控制系统及其数学基础 1 2 1 过程控制系统 控制理论是在2 0 世纪中形成和发展起来的一门新型学科，其应用和影响已遍 布众多的技术和社会领域，随着各阶段的工业和现代科学技术的飞速发展，各个 领域中自动控制系统对控制精度、响应速度、系统稳定性与适应能力的要求越来 越高。特别是计算机技术的高速发长，大大推动了控制理论与技术的发展。 在工业生产过程中，计算机控制的应用非常广泛，如化工、发电、冶金、机 6 第一章绪论 械、制药等连续生产过程，被控量主要是温度、压力、流量和成分等，按照系统 给定值的特点，过程控制系统可以分为定值控制系统、随动控制系统、程序控制 系统三种。定值控制系统是工业生产过程中应用最多的种控制形式，运行时， 系统被控量的给定是固定不变的。随动控制系统是一种被控量的给定值随时间任 意变化的控制系统，控制的目的是使被控量准确及时地跟随给定值变化。程序控 制系统被控量的给定值是按预定的时间程序变化的控制的目的是使被控量按规 定的程序自动变化“”“”。 过程控制系统中有一种非线性控制系统，控制方法为位式控制。位式控制的 特点是控制装置的输出坐标，只有几种在位置上不连续的信号。由于继电器具有 这一类的特性，因此这位式控制有时也称继电型控制m 1 。位式控制是一种最古老 而简单的控制方式。在过程控制中有着广泛的应用，但位式控制具有一定的局限 性即系统中的不衰减振荡几乎是不可避免的。这种稳定的持续振荡过程，正是 继电元件特有的非线性特性所引起的，通常也称为极限周期振荡或叫极限环。 深冷处理系统的温度按照规定的程序来变化，深冷处理系统属于程序控制系 统。而执行元件电磁阀只有两种动作开或关，类似于继电器，属于非线性元件， 因此深冷处理系统属于位式控制系统，是非线性控制系统。 1 2 2 过程计算机控制中信号的变换 计算机控制系统的工作过程，可以看作信号的采集、处理和输出的过程。计 算机只能接受和处理数字信号m “川t ”，而来自被控制对象的信息( 如湿度、压力、 流量、成份等) 大部分是模拟信号。因此，在计算机控制系统中必须解决这两种 信号的互相转换。 1 信号的采样 计算机控制系统主要有四种信号：模拟信号即时间上连续和幅值上也连续的信 号，离散模拟信号即时问上离散而幅值上连续的信号，数字信号即时间上离散和 幅值上离散量化的信号，量化模拟信号即时间上连续而幅值上连续量化的信号。 这些信号之间的转换，是通过采样器、模数转换器( a d ) 和数模转器( d a ) 等硬件来实现的。 把时间上连续和幅值上也连续的模拟信号，按一定时间的间隔t 转变为在瞬时 0 ，t ，2 t ，n t 的连串脉冲输出信号的过程称为采样过程，实现采样的装置叫 采样器或采样开关，采样开关每次通断的时间间隔t 称为采样周期，采样器的输 入信号y ( t ) 称为原信号，而经采样后的输出信号y ( t ) 则称为采样信号。 当采样开关闭合时间r 远小于采样周期t 时。可以近似地认为采样信号y ( t ) 华南理工大学工学硕士学位论文 在采样开关闭合时的瞬时值，再经a d 转换成数字脉冲序列y ( t ) ，y ( 2 t ) ， y ( n t ) 。y + ( t ) 和y ( n t ) 之间仅差，a d 转换过程中的量化误差，这在数学处理 上是等价的。 当采样开关的闭合时间t 远小于采样周期t 时，可以把实际采样开关近似地 看作理想采样开关。因此，采样信号y + ( t ) 可以描述为 y ( f ) = ) ( f ) 万( 卜n r ) ( 1 - 1 ) n = o 式中，6 ( t - n t ) 表示发生在t = n t 时刻的理想采样脉冲。 因己假设为理想采样脉冲，因而y 木( t ) 只与y ( t ) 在脉冲出现瞬间的值y ( n t ) 有关，而与采样时刻以外的值无关。这样，可将式( 卜1 ) 改写为 y + ( f ) = y ( n t ) 石( f n r ) ( 1 - 2 ) n = o 选择采样周期t 的理论依据是采样定理，它给出从采样信号y + ( t ) 唯一地复 现原信号y ( t ) 所必需的最低频率。 设原信号频谱的最高频率为咀。，采样频率为铍，采样定理指出 或 o ) s 2 卯x t n ( 卜3 ) 即采样频率必须大于原信号频谱中最高频率的两倍，才能根据采样信号y + ( t ) 唯一地复现原信号y ( t ) 。 2 信号的保持 由于采样信号仅在采样时刻输出出值，其余的时刻输出为零，所以，在两次采 样的中间时刻，信号有一个如何保持的问题。采样定理指出了只有当采样的频率 大于( 等于) 两倍原信号的最高频率时，原信号才可以被复现，复现的方法是用 保持器。 保持器的原理是，它根据现在时刻或过去时刻的采样值，用常数、线性函数和 抛物线函数等去逼近两个采样时刻之间原信号。这样，保持器可分零阶保持器， 一阶保持器和高阶保持器。 零阶保持器是常用的一种信号保持器，它把当前采样时刻n t 的采样值y ( n t ) ， 简单地保持到下一个采样时刻( n + i ) t 。也就是说零阶保持器仅仅是根据n t 时 第一章绪论 刻的采样值按常数外推，直至下一个采样时刻( n + 1 ) t ，然后换成新采样值y ( ( n + 1 ) t 】 再继续外推。显然只有当采样周期t 足够小时，恢复信号才会比较接近原信号。 1 3 本课题工作意义、研究目标 1 3 1 课题工作意义 高质量、高效率、低耗是目前机械制造业的发展方向。提高刀具与工件的耐 磨性和稳定性，可延长刀具与工件的使用寿命，降低产品成本，提高生产效率。 我国机械制造行业每年消耗大量的刀具，其中高档次的数控机床、加工中心用刀 具几乎完全依赖进口，而国产刀具的耐用度较低则是其主要原因之一，我国有各 类切削机床4 0 0 万台，如能将目前使用的刀具寿命提高5 0 都将产生巨大的经济 效益和社会效益。 深冷处理系统在国内仍是有待于进一步研究的领域。目前，由于缺乏较理想 的深冷处理装置，国内的深冷技术研究往往采用不合理的设备，进行一些局限于 某些材料或某些刀具的实验，不能用于工业应用，因此研究者对深冷处理技术探 讨不够深入还不能连续处理刀具、模具及零件。 因此我们非常有必要开展深冷处理系统及计算机控制的研究研究的成果将 对提高我省、我国机械制造加工行业的技术水平、对提高我国机械制造业的国际 综合竞争力有着重要意义。 1 3 2 课题研究目标 基于计算机控制技术的深冷处理系统在国内仍是有待于进一步研究的技术领 域。从现有资料看来，国外已经将能准确控温的深冷处理系统应用在工业上，但 是国内的研究者对基于计算机控制技术的深冷处理系统的研究文献很少，这说明 国内的研究者对于深冷处理系统的研究还不系统、不完善。针对目前深冷处理技 术自身的特点本课题的研究目标如下： 1 ) 设计一套深冷处理系统，分析系统内部结构，建立适合的硬件平台，并实 现控制系统软件。 2 ) 研究深冷处理控制系统的模型，并设计几种深冷处理控制系统的控制器。 3 ) 实验对比，分析系统的控制结果，得到合理的结论，以便应用于生产实践 中。 9 华南理工大学工学硕士学位论文 第二章深冷处理系统总体设计思想 2 1 深冷处理系统总体设计 深冷处理系统由四个基本环节组成，即被控对象、测量变送装置、控制器和 控制阀。也可以把控制阀、被控对象和测量变送装置合在一起，称为广义对象， 那么系统就归结为控制器和广义对象两部分。但是一般来说，还是把系统分为 四个基本环节u ”m “w 。 系统的控制部分为单回路反馈控制系统，如图2 一l 所示。单回路控制系统虽 然结构简单，却能解决生产过程中的大量控制问题。它是生产过程中应用最为广 泛的一种控制系统，生产过程中的7 0 以上的控制系统是单回路控制系统。单回路 控制系统结构比较简单，所需自动化技术工具少，投资比较低，操作维护也比较 方便。 给定 + 偏差温度 图2 1深冷处理系统控制部分框图 被控变量的选择是控制系统设计的核心问题，选择得正确与否，会直接关系 到产品的质量、生产的稳定操作等，如果被控变量选择不当，不论使用何种控制 仪表，组成什么样的控制系统，都不能达到预期的控制效果，满足不了深冷处理 的技术要求，对于以温度为操作指标的深冷处理系统来说，以温度为被控变量， 这是很容易理解的。 在实际设计的时候，本系统可分为以下四个模块：信号采集模块，接口电路 模块，控制阀模块，计算机和软件部分模块。模块结构如图2 一l 所示意。 图2 2 深冷处理系统模块框图 1 0 第二章深冷处理系统总体设计思想 2 2 系统装置结构 系统装置包括三个部分：工件材料处理室( 深冷处理室) ，低温液体盛放系 统，计算机控制系统：三部分协同作用。如图2 2 所示。 工 图2 - 2 深冷处理系统装置结构框图 工件材料处理室的内壁和外壳的材料为1 c r l 8 n i 9 t i 不锈钢处理室内使用了 尼龙和涤纶薄膜，能达到较好的隔热效果。处理室内一端为深冷处理室，放置 有工件架、温度传感器( p t l 0 0 热电阻) ，并开有排气孔；而另一端，安装有能控 制液氮流量的电磁阀、循环风机等。 低温液体盛放系统包括贮存罐、调压阀、以及可以流过液氮的管道，贮存罐 采用y d z - 1 0 0 低温液氮容器m 一“，液氮挥发的氮气被封在氮罐中，随着氮气量的 积累，罐内气压会逐渐升高。深冷处理时要求的气压是0 0 1 0 0 2 m p a ，使用时， 调整调压阀可以达到相应的压力。 2 3 系统工作原理 温度传感器温度变送器 计 显示器、键 f 电磁阀、循环风机li 接口电路 算 盘、打印机 机 图2 - 3深冷系统工作原理框图 研究者设置好深冷工艺后，启动深冷处理系统开始工作，将温度传感器放置 华南理工大学工学硕士学位论文 在被测工件表面，温度变送器将得到的微弱的电流信号放大并且转换为0 1 0 v 的 线性电压信号，计算机通过数据采集卡采集电压信号，该信号通过软件部分模块 转化为温度值。在软件的控制下，计算机计算出工件实测温度值n 与设定目标温 度值b 的偏差值，从而使用控制算法算出控制量。按照控制量，计算机通过接口 电路来驱动电磁阀，氮罐中的液氮在压力的作用下通过电磁阀喷入深冷处理室， 并在循环风机的作用下气流循环流动，促使深冷处理箱温度场保持均匀。深冷处 理系统运行原理框图如图2 - 3 所示。 2 4 温度信号采集的设计 2 4 1 温度传感器 测量温度的方法有很多根据测量体与被测介质接触与否来分，有接触式测 量、即通过测量体与被测介质的接触来测量物体的温度；非接触式测量即通过 被测物体发出的辐射热来判断温度n “n ”。 接触式测温简单、可靠，测量精度较高，但是，由于测温元件需要与被测介 质接触进行充分的热交换，才能达到热平衡，因此产生了滞后现象，而且可能与 被测介质产生化学反应。另外，由于受到耐高温( 2 8 0 0 ) 材料的限制，接触式 测量不能应用于很高温度的测量。 非接触式测温，由于测量元件不与被测介质接触，因此其测量范围很广，其 测温上限原则上不受限制，测温速度也较快，而且可以对运动物体进行测量，但 是它受到物体的发射功率、被测对象到仪表之间的距离、烟尘和水气等其他介质 的影响，一般测温误差较大。 在各种温度计中，机械式的大多只能就地指示，辐射式的精度较差，只有电 的测温仪表精度高，信号又便于远传；因此热电偶和热电阻在工业生产和科学 研究领域中得到了广泛应用。 热电偶是由两种不同导体或半导体焊接而成。焊接的一端为热端，与导线连 接的一端为冷端。测温原理是热电偶的熟电效应在实际使用中，为了消除冷端 温度变化对测量精度的影响，必须对其冷端温度进行补偿。而热电阻是利用导体 或半导体的电阻值随温度变化而变化的特性来测量温度的，热电阻是中、低温区 最常用的温度传感器它具有性能稳定、测量精度高，在中、低温区输出信号比 热电偶大，信号可以传远等优点，而且不需要冷端补偿。根据新的国家标准，热 电阻的测温范围为- - 2 0 0 8 5 04 c ，所以，在中、低温测量中热电阻得到了广泛的应 用。 在工业中常用的热电阻有铂电阻、铜电阻等，在低温下，铂的物理、化学性 质稳定，测量精度高。根据国际温标i p t s 一6 8 规定，温度在区域一2 5 9 3 4 - 6 3 0 7 4 第二章深冷处理系统总体设计思想 的内，以基准铂电阻为标准仪器。根据i e c 标准7 5 1 1 9 8 3 规定，工业铂电阻 的温度与电阻的关系为 在- - 2 0 0 - 0 c 范围内， r t = r 。 1 + a t + b t 2 + c ( t - - 1 0 0 。c ) t 3 】 在0 8 5 0 。c 范围内， r t = r o 1 + a t + b t 2 】 式中：r t 温度为t 。c 时的电阻值； r o 温度为0 时的电阻值； t 温度； a 、b 、c 常数； a = 3 9 0 8 0 2 1 0 3 ：b = 一5 8 0 2 1 07 - 2 c = - - 4 2 7 3 5 0 1 0 。2 一。 满足上述关系的铂电阻，其温度系数q = o 0 0 3 8 5 0 。c 一。 可见，正是由于金属导体的电阻值随温度而变化，因此，测量金属导体的电 阻值变化就可达到测量温度的目的。 2 4 2 温度变送器 温度变送器与各种热电偶或热电阻配合使用，将温度信号转换成统一标准信 号，作为指示、记录仪或调节器等的输入信号，以实现对温度变量的显示、记录 或自动控制。 温度变送器有两线制和四线制之分，各类变送器又有三个品种：直流毫伏交 送器、热电偶温度变送器和热电阻温度变送器。前一种是将输入的直流毫伏信号 转换4 2 0 r a a 直流电流和0 1 0 7 直流电压的统一输出信号。后两种则分别与热电 偶和热电阻相配合，将温度信号转换成统一输出信号。 常用的两线制热电阻温度变送器由量程单元和放大单元两大部分，在量程单 元中有线性化电路和热电阻的引线补偿电路。 1 ) 热电阻和被测温度之间有着非线性关系，如铂热电阻，r 。一t 的特性曲线 是呈上凸的，即热电阻的阻值的增加量随温度升高而逐渐减小。因此必须采取线 性化电路。热电阻温度变送器的线性化电路采用正反馈的方法，从而使热电阻的 电流信号与被测温度之间呈线性关系。 2 ) 为消除引线电阻的影响，热电阻使用三导线接法，因此，变送器需要有引 线补偿电路来消除热电阻引线的影响。 华南理工大学工学硕士学位论文 - i i - - - | e = = _ 日_ _ _ _ _ 日_ 自| j _ e ，- - _ _ - _ _ _ e = = = = e | e _ _ _ _ _ _ 目e = = e e _ - _ 日_ _ _ e 日_ 自_ _ = 目_ _ _ 一 2 5 控制阀模块的设计 2 5 1 控制阀的选择 控制阀是控制系统的执行机构，它接受控制器的命令执行控制任务，控制阀 的选择得合适与否，将直接关系到能否能好地起到控制作用，因此，对它必须给 予足够的重视。 控制阀选择的内容，包括开闭形式的选择，口径大小的选择，流量特性的选择 以及结构形式的选择等内容“”n ”。 1 ) 控制阀口径大小直接决定着控制介质流过它的能力。从控制角度看，控制 阀口径选择得过大，超过了正常控制所需的介质流量，控制阀将经常处于大小开 度下工作，阀的特性将会发生畸变，阀陛能就较差。反过来，如果控制阀口径选 得太小，在正常情况下都在大开度下工作，阀的特性也不好。此外，控制阀口径 选得过小也不适应生产发展的需要，一旦需要设备增加负荷时，控制阀原有口径 太小就不够用了。因此从控制的角度来看，控制阀口径的选择应留有一定的余 量，以适应增加生产的需要。 控制阀口径大小，通过计算控制流通能力的大小来决定。控制阀流通能力必 须满足生产控制要求，并留有一定的余地。一般流通能力要根据控制阀所在管线 的最大流量以及控制阀两端的压降来进行计算，并且为了保证控制阀具一定的可 控范围，必须使控制阀两端的压降在整个管线的总压降中占有较大的比例。所占 的比例越大，控制阀的可控范围越宽。如果控制阀两端压降在整个管线总压降中 所占的比例小，可控范围就变窄，将会导致控制阀特性的畸变使控制效果变差。 2 ) 对于一个具体的控制系统来说，控制阀选择常开阀或者常闭阀要由具体的 生产工艺来决定。 3 ) 目前我国生产的控制阀有线形特性、对数特性( 即百分比特性) 和快开特 性三种，各种流量特性控制阀的特性曲线如图2 4 所示。 4 ) 计算机控制系统常用的控制阀可以分为液压阀、气动阀。深冷处理系统使 用液氮作为冷源，因此我们主要讨论液压阀。液压阀的种类很多，按不同的分类 方法可以为许多种类型。按控制功能分，液压阀可以分为： 压力控制阀如溢流阀、减压阀、顺序阀等。 方向控制阀如单向阀、电磁换向阀、电液换向阀等。 流量控制阀如节流阀、调速阀、溢流节流阀、分流阀等。 按液压系统的压力分，所使用的液压阀可分为： 低压阀其允许使用压强6 m p a ： 中压阀其允许使用压强1 6 m p a ： 1 4 第二章深冷处理系统总体设计思想 高压阀其允许使用压强 1 6 m p a ： 按操作方式液压阎可分为手动操作阀，通过液压系统控制的液动操作阀和 通过电磁铁控制的电动操作阀，计算机控制的液压通常使用电磁阀和电液动阀。 按阀的工作方式来分，液压阀可为分开关型和模拟型两种。开关型液压阀工 作在开或关二种工作状况，通过控制电磁铁的通电或断电来实现。模拟量阀连续 o 图2 - 4 控制阀流量特性 l 一线形；2 一对数； 3 一快开 控制液压系统的压力、流量的变化，如比例阀、伺服阀，它是通过对比例电磁铁 输入连续变化的模拟量信号来实现的。 开关型电动液压阀工作在开或关二种工作状态，状态的转换通过控制电磁铁 的通电或断电来实现。 2 5 2 液压阀的计算机控制 液压阀的计算机控制，关键是解决液压阀与计算机之间接口的问题，即计算 机输出的控制电信号与液压阀所需电信号之间，在电压、电流方面连接和匹配问 题。 开关型液压阀的计算机控制原理框图2 - 5 所示。计算机发出的控制信号，通过 开关量输出模块，通过光电隔离、功率放大驱动电磁阀工作。光电隔离电路隔离 现场干扰信号，消除外界对于计算机控制系统的影响，提高控制系统的抗干能力。 实际应用中，为了提高抗现场干扰的能力。液压阀电磁铁线圈操作电压都选用 较高的操作电平，以提高信噪比。通常电磁铁线圈电压有a c 2 0 0 v 、a c i o o v 、d c 4 8 v 、 华南理工大学工学硕士学位论文 d c 2 4 v 、d c l 2 v 等，可选用液压阀电磁铁线圈电压、电流相对应的工业控制机开关 量输出模板，对液压阀进行控制。如果开关量输出模板的额定电压与电磁铁线圈 电压不匹配，那么开关量输出模块可以通过接口电路来达到控制回路中电压、电 流的匹配。 图2 5液压阀计算机控制原理框图 2 6 接口电路模块的设计 2 6 1 计算机接口技术 通常，计算机系统用于工业现场控制时，它还需要配备接口电路，以实现工 业现场信号与工业控制机之间的信号传递与控制m u 。下面首先介绍一下工业现 场与计算机的接口信号及接口电路的功能。 工业现场的信号有3 类： 开关量：来自机械设备的开关量信号有行程开关、接近开关、继电器、接 触器、电磁铁的通、断等；来自操作台的信号有按钮、转的开关、指示灯等，表 现为0 、“1 ”两个状态。 数字量：光电编码器的脉冲数字信号，拔码开关的数字信号和数码显示的 信号为数字量信号，表现为二进制数或b c d 码。 模拟量：许多参数如行程、压力、温度等，都是连续的，称为模拟量。 众所周知，计算机所能接收和处理的信号为t t l 电平的数字信号，而以上3 类信号不一定能直接为计算机接收，因此必须通过一接口电路。接口电路主要解 决以下几个问题： 1 ) 信号转换即使工业信号与计算机信号相匹配。这里包含两个方面：第一方 面是用于电平转换，即将小信号转化为t t l 电平，或将大电压转换为t t l 电平： 第二方面是将模拟量转换为数字量( a d ) 以使计算机能接收或将计算机输出的数 字量转换为模拟量( d a ) ，以实现对外部模拟信号的控制。 1 6 第二章深冷处理系统总体设计思想 2 ) 抗干扰：一般通过光电隔离器、滤波电路等解决外界对内部的干扰问题。 3 ) 输出驱动：计算机输出的数字信号通常通过继电器、可控硅、晶体管或光 电隔离器进行功率放大以驱动负载较大的开关设备