（材料加工工程专业论文）hrpsⅢa选择性激光烧结机预热系统的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 选择性激光烧结技术( s l s - - s e l e c t i v el a s e rs i n t e r i n g ) 是一种以粉末材料为加工 对象的快速成形( r p r a p i dp r o t o t y p i n g ) 技术，具有材料选择范围广、适合多种用 途等突出优点。华中科技大学在该领域的研究工作始于1 9 9 6 年，现己开发出了商 品化的h r p s h i a 选择性激光烧结机。本文就该设备的温度控制和温度场均匀性展 r 了研究。 为保证系统稳定性，在h r p s i i i a 中采用热电偶、可控硅、a d d a 接口板等硬 件组成闭环控制系统，利用操作系统和p i d 模糊控制算法实现温度的实时控制。由此 丌发出来的v x d ( 虚拟驱动程序) ，其数据结构使系统各功能模块之间相互独立，实 现了从人机界面到控制内核的多层次开放，适应了r p 技术快速发展的需要。 烧结成形的基本操作是用激光束扫描固化零件截面，烧结件的质量和成形效率与 很多因素相关，温度的精确性和温度场的均匀性就是众多因素中的两个。本文以详尽 的实验对粉末烧结的预热能量的大小和分布进行分析与研究。从中总结影响能量分布 刁i 均的因素，并且提出相应的解决措施。 本文主要研究s l 曼系统预热温度问题。从硬件的选型原则到控制的程序开发，从 影响温度场均匀性的因素到提出相应的解决措施等都进行了大量的分析和实验。从中 得出一些结论已应用于h r p s i i i a 中，取得了较好的效果。 、o 关键词：选择性激光烧结虚拟晌程序模糊控制 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h es e l e c t i v el a s e rs i n t e r i n g ( s l s ) ，d e v e l o p e di nt h ee a r l yn i n e t i e sl a s tc e n t u r y , i sa h e wp r o t o t y p em a n u f a c t u r i n gp r o c e s sa m o n gr a p i dp r o t o t y p i n g ( r p ) t e c h n i q u e s i nt h e s l s p r o c e s s ，v a r i e t i e so fp o w d e r m a t e r i a l sc a r lb eu s e dt op r o d u c em o d e l sa n dm o u l d s f o raw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n s h u a z h o n gu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ( h u s t ) h a sg o n ei n t ot h i sf i e l ds i n c e1 9 9 6 ，a n dam a r k e t a b l es e l e c t i v el a s e rs i n t e r i n g m a c h i n e ，n a m e dh r p s i i i as y s t e m ，h a sb e e nd e v e l o p e d t h i sd i s s e r t a t i o ni n c l u d e st h e h a r d w a r ea n ds o f t w a r e d e s i g n o f t e m p e r a t u r e c o n t r o l ，f a c t o r si n f l u e n c i n g e n e r g y d i s t r i b u t i n g ，a n dt h es t e p sf o ri m p r o v i n g i t h r p s i i i a s t e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m i sac l o s e d l o o ps y s t e m i tc o n s i s t s o f t h e r m o c o u p l e ，s i l i c o nc o n t r o la n da d d ac o n v e xe l e c t r oc i t e u i t o p e r a t i n gs y s t e ma n d p i d f u z z yc o n t r o la r i t h m e t i ca r es u f f i c i e n t l yu s e di no r d e rt or s s u i 宅h i g hs t a b i l i t ya n d r e a lt i m e c o n t r 0 1 v x d ( v i r t u a l d e v i c ed r i v e r ) i su s e df o rd a t as t r e a ms t r u c t u r ei n s o f t w a r ed e s i g nt om a k et h ef u n c t i o nm o d u l e si n d e p e n d e n te a c ho t h e r , w h i c ha c h i e v e s m u l t i l e v e lo p e n n e s sf r o mm a n m a c h i n ei n t e r f a c et oc o n t r o lk e r n e l ，a n da l s om e e t st h e r e q u i r e m e n to f 也er a p i dd e v e l o p m e n ti nt h er pd o m a i n 。 s l su s e sl a s e rb e a mt os c a nt h ep a r t ss e c t i o na n dt os o l i d i f y p o w d e rl a y e rb yl a y e r , a n dt h e nf o r m st h e3 d s o l i d i t y d u r i n gp r o c e s s i n g ，t e m p e r a t u r ei sa ni m p o r t a n tf a c t o r , w h i c ha f f e c t sp a r t sp r e c i s i o na n di n t e n s i t y t h e e n e r g yd e l i v e r yp r o c e s sa n de n e r g y d i s t r i b u t i n g i nh r p s 一1 i iai s i n v e s t i g a t e d i nt h e d i s s e r t a t i o n t h r o u g hp l e n t y o f e x p e r i m e n t s ，m a i nf a c t o r si n f l u e n c i n gh e a tf l u xa n di t sd i s t r i b u t i o na r eo b t a i n e da n d i m p r o v i n gm e t h o d s a r ep u tf o r w a r d t h ed i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h es l s sp r e h e a t i n gs y s t e m i tb e g i n sw i t hag r e a to f a n a l y s i s e sf r o mt h ec h o i c eo f h a r d w a r ea n dt h ed e v e l o p m e n to fs o f t w a r et ot h ef a c t o r s w h i c ha f f e c te n e r g yd i s t r i b u t i o n t h er e s e a r c hr e s u l t sh a ds u c c e s s f u l l yb e e nu s e dt o h r p s ，a s y s t e ma n dg a i n e dg o o de f f e c t k e y w o r d s ：s e l e c t i v e l a s e r s i n t e r i n g ，v m u a l d e v i c ed 妇，f r i z z yc o n t r o l 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 选择性激光烧结技术简介 选择性激光烧结( s l s ) 技术是九十年代初r p 技术中发展起来的又一种全新 的原型制作方法，它以各种粉末材料( 如石蜡、聚碳酸脂、石英砂、陶瓷以及金属 等粉材) 为加工对象。s i s 烧结设备主要由扫描器、铺粉机构、激光源、预热装置 和计算机控制系统等部分组成。其结构如下图1 1 所示： 图1 1s i s 结构图 激光烧结成形过程为：首先在工作台面上均匀地铺上一层很薄( o 0 8 r a m 一 0 3 r a m ) 的热敏粉末，辅助预热装置将其预热到粉末材料熔点( 粘结剂的软化温度) 以下的温度，在这个均匀的粉末层面上，计算机在经过数据处理得到零件的c a d 实 体模型的二维剖面后，再控制激光按照设计零件的当前层截面信息进行选择性烧结， 被烧结粉末固化在一起形成零件的实体部分。然后在计算机的控制下，工作平台 降低一定的高度，铺粉机构铺设一层很薄的粉末，激光束丌始新层的扫描烧结，层 厚一般控制在0 0 8 0 3 0 r a m 范圈内。系统不断重复这一过程，直到叠加堆积成三维 实体零件。烧结过程结束后，去除未被烧结的松散粉术，就得到了坯件，将此坯件 进行二次烧结或浸渍等后处理，便可得到最终所需零件。 由此得选择性激光烧结技术具有以下特点： ( 1 ) 材料选择广泛。 ( 2 ) s l s 不需特殊支撑、多余材料易于清理、适合原型及功能零件的制造等优 点，而且材料可以重复使用，材料利用率高粉末材料的利用率几乎可以达到1 0 0 。 华中科技大学硕士学位论文 ( 3 ) 工艺过程简单。 ( 4 ) 其有广阔的应用前景。 1 2s l s 技术温度阔越在阋内外的研究现状 快速成形技术是项额型的烛工技术，它与传统的擞工技术蠢巷本羧涎嚣曩。对 大多数零 牛米说，利用s t , s 技本刿逡躲零搏强度还没有达到功能强度静娶求，其琢困 是多方瑟熬。为此还嚣广太科技工作者不羝静努力，彳1 麓提商快速成形系统的往能指 标程粼造密豹零徉精度强度。 s i s 技术是采用激光作为热源来烧结粉束材料的一种快速成形技术。在s l s 工艺 过程中，粉末必须加热到定的温度，预热和激光扫描是使粉末加热到一定温度的两 个措施。预热是一个重要的过程，一方面如果没有预热，将会使成形时间增加，成形 件的精度箍，甚至使烧结过程宠垒不能进 亍。另一方两成形湿度场鲍分森姆终，也是 影响烧结传质量的重要因素，也是确定s is 工艺参数牧黧要依据。 在激光烧结避程中，激光灼捧用是使粉寒鬏粒经过熔佬、凝露等物疆过程凝结 或者糕结在一起。当能耋檄裹激必怒射在粉寒袭鬣时，激光能餐被吸收并转忧为热靛t 产生掇熹躬湛度隧，使材辩邋速熔仡。锌时溢度场在激兜加热条件下的变化规律稂多 学者进行了大霪韵研究。佣如，文献f 2 对激光温度场做了简化，采用一维模型来计算 温度场。考虑了激光光强分布不均匀的因索，但他忽略了能量在烧结件横向的传播。 文献 3 ) 采用了= 维模型和均匀激光光强作为分析来计算温度场。c a b r i e lb u g e d a n 在 s c h e r e r 模型的基础上，利用有限元方法对三维烧结进行了模拟，提供了一个更为准 确的分柝。北京航空航天火学【5 l 还以聚苯乙烯毒耋料为捌，对s i s 成形三维瓣态温度场 的分程进彳子数馒模拟计算。诗箨模型孛，考虑了专毒攀 髂热物理参数随瀑度变讫静清况 鄹激光必强分密不均匀戆裁素。毽是对予粉末热熬静另一方法预熟潋前只做了初步的 研究嘲，鄂跌壤论上推等崮辐射传热的煞密度公式，从中我至d 影晌温度场分布的因素。 僵是h r p s - - i i i a 预热温度不仅受加热方法、加热器的影响，还受温度控制方法和周 围环境的影响。特别是在密闭的工作腔内，能爨的传输是辐射、传导和对流三种方式 的综合，很难得到其准确的数学模型。于是本文将通过大爨的实验。从详细的实验数 华中科技大学硕士学位论文 据分析总结，最终提出提高温度场均匀性的措施。 在日常生活和工业生产中，人们积累了大量的温度测量经验。传统的温度测量可 称为对某一点的温度测量，如用热电偶测量炉窑温度，只能给出测量端点所处场所的 温度。对于被测表面的温度测量与控制，多用热像仪或辐射温度计，如水泥行业对回 转窑表面温度监视，就是通过红外温度计沿窑轴线运动而测出回转窑的表面温度。对 于s l s 系统，需要测得的是工作台表面粉末的温度。粉末厚度为o 1 0 5 m m ，并且粉 米随工作台的下降而下降，上面又由铺粉滚的铺上新的粉末。这样使得温度测量具有 一定的难度。北京隆源公司采用的是热电偶测温。为了尽量准确地反映温度的变化， 本研究将比较不同的测温方法，从中找到最佳方案。 随着科技的发展，温度控制也摈弃手动控制而走向智能化。目前常用的温度控制 方法有：p i d 、模糊控制和神经元网络等。针对不同的应用场合和性能要求，选择适 当的温度传感器和温度控制方法具有意义。s l s 技术包含大量的工艺参数，预热温度 是其中决定因素之一。预热温度的控制目前多数采用的是p i d 控制算法，但是因为预 热系统的数学模型很难确定，而给p d 参数的整定带来一定困难。本文将根据操作人 员的工作经验采用模糊控制方法，使温度控制达到预定的效果。 1 3 课题来源、目的和意义 1 3 1 课纛来源 本课题来源于湖北省重点科技攻关项目注塑模快速制造集成系统，项目编号 2 0 0 1 a 1 0 7 8 0 2 。 1 3 2 课篡的目的和意义 为了发展我国的快速成形制造系统，华中科技大学自1 9 9 1 年起就开始了快速原 型制造技术的研究，针对我国国情并考虑到国际上快速成形技术的发展趋势，将发展 l o m 和s l s 技术放在了首位。 本课题的研究是在华中科技大学快速成形中心的 珏姆s 一a 型粉末烧结机的研 制开发上进行的，因而重点解决设备商品化过程中遇到的一些关键问题。 ( 1 ) s l $ 温度控制问题 华中科技大学硕士学位论文 在s l s 烧结过程中，粉末的预热温度直接决定了烧结深度和密度。如果预热温度 太低，由于粉层很快冷却，熔化颗粒之间来不及充分润湿和互相扩散、流动，烧结体内 留下大量空隙，导致烧结深度和密度大幅度下降，使成形件质量受到很大的影响。随着 预热温度的提高，粉末材料导热性能变好，同时低熔点有机成分液相数量增加，有利于 其流动扩散和润湿，可以得到更好的层内烧结和层间烧结，使烧结深度和密度增加，从 而提高成形质量。但是，若预热温度太高，又会导致部分低熔点有机物的碳化和烧损， 也不能保证所需的烧结深度和密度，同样也影响到成形件的质量。所以需要选择适当 的温度控制算法，把温度控制在预定的范围内具有极其重要的意义。 ( 2 ) 温度场均匀问题 整个成形过程中，适当的预热温度可以使层内、层间的温度梯度更趋合理，从而 有助于消除热应力，避免卷边及翘曲等变形情况因而，研究成形过程温度场对揭示各 种工艺参数与成型质量间的关系，从而合理调配各工艺参数，保证成型件质量有很大 的作用。 1 4 课题的主要研究内窖和本文的主要工作 快速成形技术是一项包括精密机械学、c a d 、计算机、激光、控制技术和材料科 学等诸多学科领域的一门综合学科，因而它的研究内容广泛而复杂。课题的主要研究 内容和本文的主要工作如下： ( 1 ) 珏心s 一a 选择性激光烧结机温度控制软、硬件设计 根据蜘姆s 一a 的工艺要求，选择相应的硬件单元，设计出一套能实现其工艺 要求的温度检测与控制软、硬件系统。 ( 2 ) 冲s 一a 选择性激光烧结机系统温度场均匀性的研究与分析 根据冲s 一a 的工艺要求，研究与分析蝴心s 一a 粉末烧结机的温度场的 均匀性，并提出相应方案。 全文分为5 章，各章内容如下： 第l 章全文概述，主要介绍了课题的技术背景、理论、意义及本文的主要工作。 第2 章根据 冲s m a 型选择性激光烧结机的工艺要求选择合适温度检测和 华中科技大学硕士学位论文 瀑发控割熬挟行疆 牛单元，扶瑟获季孽一套可靠静温度控铡系统。 第3 章介缀温度控制静p i d 、模糊控翻算法，分移予其优缺点。从而选择s l s 系 统的温度控制算法。 第4 章介绍如何刀：发本温度控制软件，从w i n d o w s 操作系统内核机制开始详 细介绍底层驱动程序的工作机理及一些棚关知识。详述开发本套系统控制软件的关键 技术及该软件的功能接口、具体的程序结构。 第5 章从辍射传热的物理特性分摄湿度场缝量的分毒，扶趣热嚣麴几短形状、 炙装、工传环境的敫热等方嚣分攒影响瀑度场均匀瞧垂各个因素，提爨撩高滠度坜均 匀性懿方法。 第6 章对全文做一个函颓秘总结，结合本课题对未来的主要研究方向作出了展 牮。 华申科技大学硕士学位论文 2h r p s - i i a 漫度控制系统的设计 在s l s 烧结过程中，湿度是黧要麴工芝参数之一。它是烧缝是否正举进撂懿翦提 鍪件，湿度僮魄大小还直接影嘲烧结零馋瞧鞲废与强凄。所以温度控铡楚s l s 系统中 鬟要缀残部分。 l r p s l i l a 系统懿温菠控涮系统主要凌掰个功髓健模块擒成，邵温度 硷测模块与溢度控帝l 禳块，两者籀辅檑成缀成一闭环控制系统。其中温度检测采厢熟 电偶或者红外灏澈佼，经温度数字仪将熟电偶的徽弱信号放大，褥传入a d 转换板， 然后输入计算机机进行数据处理及温度显示。温度控制模块则是把采集的数据分析和 按一定的控制算法后得出控制量，由d a 转换板输出控制可控硅的触发电压，从而控 制加热管的输出功率达到变化加热能攫的变化。 2 1 h r p s a 温度检测部分 2 1 。1 溢壤检测部分懿缓戍 图2 1 温度测试系统示意圈 如匿2 。l 耩示温度捡浏部分出溢发俺黪器( 煞电稻或者红矫测温仪) ，信号放大模 块( 温度仪表) ，援拟数字信号转换模块( a d 板) ，徽枫( 溢发显示一瞧称二次仪表) 等维戒。 矗 华中科技大学硕士学位论文 温度仪表也称为一次仪表，它j i 要完成热电偶信号的放大作用。热电偶输 _ 的信 号很弱f 毫伏级) ，而a d 转化板要求输入电压为o 5 v ，因此需要将热f 乜偶的电信 号放大。这里采用的是数字显示仪，它用微处理器进行运算，可对各种非线性信号进 行高精度的线性矫正。主要技术参数为： 输入信号：标准热电偶k ，电流4 一- - 2 0 m a ， 乜压o 5 v 等 测量范围：一1 9 9 卜9 9 9 9 字 输出信号：d c o 一5 v ，继电器控制输出等 多功能a d 转化板主要出模数转换电路、模拟量输入电路及接口控制逻辑电路构 成，可以方便地对各种输入信号进行采集。其主要技术指标如下p l ： 输入通道数：8 个差分输入； 输入信号范围：5 ：5v ； d 转换分辨率：1 2 位； a d 转换速度：最大4 0 k h z ； a d 转换非线性误差：l b i t , 2 1 2 温度传感器的选择与安装 温度传感器按测量方法的不同可以分为接触式和非接触式两大类。接触式是被测 对象与测温元件有部分接触，使两者处于同一温度，即根据测温元件的温度就可知道 被测对象的温度。这种温度传感器有热电偶、热电阻等。其中热电阻是根据会属导体 的电阻随温度的变化而变化的原理制成的。而热电偶是由两种不同的金属构成一个闭 环回路，温度不同就产生热电流，从而形成热电势，根据热电势的不同测得不同的温 度。接触温度传感器，由于成本低、性能稳定，在工业过程中得到广泛的应用。 非接触式测温是利用物体的辐射能量随温度的变化而变化的原理而制成的。常用 的有红外测温仪，当红外辐射与另一个物体相互作用时，会产生光电效应( 即电阻降 低，产生电压或者电流信号) 把辐射能转变为另一种以便于测量的物理量。非接触式 温度传感器测量温度时不须与被测对象接触，因此两者不必在同温度，只要看到被 测对象就可以进行测温，所以被应用于特殊的工作环境下。接触式与非接触式测温各 有特点，下面我们就实践中两种测温方法进行比较。 华中科技大学硕士学位论文 2 1 2 1 热电偶的选择与安装 热电偶是把两种不同的导体a 和导体b 组成闭合回路，两导体在不同的温度下产生 不同的热电势，根据热电势的不同得到不同的温度。目前工业上根据测量范围和测量环 境的不同有多种热电偶供选择，根据s l s 加工工艺的要求，我们采用的是镍铬一镍硅热 电偶，此热电偶分度号为k ，测温范围0 - - 8 0 0 。c 。这种热电偶线性好，价格便宜，简单 结构，但是滞后现象较大。为了测得粉末表面的温度我们采取了以下两种安装方式。 ( 1 ) a 方式安装效果分析 作为接触式测温元件，热电偶必须与被测对象只有o 2 m m 左右厚的粉末充 分接触，于是我们采用了如图2 1 热电偶a 的安装方法。经过长期的使用我们发现： 室温下，温度仪表显示的温度与实际温度几乎相同；加热后粉末实际温度上升较快， 而温度仪表显示值变化不大，并且到了5 0 后几乎没有什么变化。也就是说，在预热 得过程中热电偶测得的温度与实际值相差甚远。以下是实际测得的数据，其中实际温 度值是由手持红外测温仪测得。 表2 1a 方式安装测量结果表 t l ( ) 2 02 3 7 4 8 18 69 21 0 3l l o1 1 3 t 2 ( ) 2 02 43 03 33 43 53 84 04 3 u o ( m y ) 2 4 02 8 93 5 64 0 2 4 9 3 5 0 65 3 l 5 5 3 5 8 l 1 0 0 一实际温度值( ) ： 一温度表显示值( ) ； 一温度表输出电压值( m v ) o i i 1 气c 。， 图2 2a 方式安装测量值与实际值比较 8 华中科技大学硕士学位论文 为什么热电偶测得的温度与实际值相差甚远? 那是因为：如图2 3 所示，新铺粉 末的厚度在o 2 m m 左右，而热电偶的直径在 0 8 m m 左右，为了使热电偶的安装不影响铺粉滚 的运动和新铺粉末表面平整，热电偶如图安装。 了二是，在没有预热时新铺粉末与缸内粉末温度一 样，热电偶反应的是真实温度( 室温条件下) 。 随着预热得开始新铺粉末温度迅速上升，缸内粉 末缓慢上升，这样就有了表2 1 所的数据。最后， 当缸内达到一定的热平衡，温度就保持5 0 左图2 3a 方式安装示意图 右。从此可以得出热电偶测得的温度不是新铺粉 术表面的温度，而是缸内粉末的温度。为了能够尽量真实地获得粉末表面温度变化， 我们采取了b 方式安装。 ( 2 ) b 方式安装及效果分析 在工作状态时，粉末在辐射的作用下，温度上升；随着温度不断上升，散热的热 流将增加，从加热元件来的交换热流将减小，这样当温度升高到一定程度后，系统的 散热与加热会处于一个暂时的平衡状态。而在从加热到这个平衡过程中，工作腔内的 温度场在散热和热传导的作用下会达到一种近似的均匀状态。于是我们采取了图2 1 热电b 所示的安装方式，热电偶装于加热罩下。以下是实际测得的值： 表2 2b 方式安装测量结果表 t l ( ) 2 03 86 57 1 7 78 48 89 61 0 6 t ，( )2 03 l5 76 57 07 68 08 9l o o u o ( m v ) 2 4 03 6 l7 0 77 9 68 4 39 0 39 4 01 0 2 91 1 3 6 9 华中科技大学硕士学位论文 ( ) ： 显示值( ) 电压值( m v ) 图2 4b 方式安装测母值与实际值比较 这里我们不是直接测得粉末表丽的温度，但通过测整个热平衡过程空气的温度， 分析空气温度与粉末表面温度的关系，而间接得到粉未表面的温度。从上图可以看出 这种方法体现了预热过程中温度变化的规律，虽然热电偶安装离加热管的远近会产生 t 2 、t 2 不同的测量结果，但是通过修改温度补偿系数可以达到效果。温度补偿的具体 实现将在下面软件设计中具体介绍。 2 1 2 2 红外测温仪的选择与安装 红外测温仪，即辐射式温度计是根据物体表而发的热辐射能景进行= 诈接触式温 度测量的。具有响应快，热惰性小等优点，适合测量运动的物体及各种固体、液体表 面温度。这里我们选择的是在线式红外测温仪。它具有以下特点 8 i ： 测量范围：一1 8 一一5 0 0 响应波长：8 一一1 4 um 发射率调节范围：o 1 一一1 响应时间：1 6 5 m s 测量误差：1 4 一一测量值的1 ，温度越大误差越大 电源：2 4 v d c 输出：4 2 0 m a l o 华中科技大学硕士学位论文 如图2 1 所示安装，安装高度与 测量光斑的大小有如图2 5 所示关 系。由于该红外测温仪的响应波长范 围8 一一1 4 u m ，利用它来测量邻近 激光烧结区域附近点的温度时，会受 到粉末表面反射的c 0 2 激光( 波长为 1 0 6l am ) 的干扰，使测量结果产生 误差，为此制作了滤光镜，安装在红 外测温仪测量窗口前面来消除误差。 l t s f 型红外测温仪为在线式测 温仪，它由外接2 4 v 供电，通过专 测量光斑直径( m m ) 05 0 01 0 0 01 5 0 02 0 0 02 5 0 03 0 0 0 红外测温仪到被测点距离( m m ) 圈2 5 红外测温仪测量光斑与距离关系图 用的r s 适配器连接到计算机实现温度仪的远程设置和温度读取。参数设置和温度显 示由l t s f 自身所带的软件实现。其与计算机的接线如图2 6 所示，其中可通过2 4 v 和2 4 0q 电阻构成4 - - 2 0 m a 回路接至计算机以便于温度的控制。 到计算机 c o m 口 图2 6 红外测温仪接线圈 利用红外测温仪基本上能够准确地测得粉末地温度，但是如上介绍，红外测温仪 的安装不方便，不仅要注意聚焦问题，还要占用计算机的c o m 接口。实际应用中常因 为聚焦或者c o i n 口而使测量不准确。另外红外测温仪的价格较高，从工程应用的角度 来说，性价比较低。 总之预热温度的测量有三种选择，其中红外非接触式测温效果最好，但是性价比 华中科技大学硕士学位论文 相对于热电偶来说太低，为了降低h r p s i i i a 烧结机的价格，红外测温只作为候选对 象。热电偶b 安装方式测量预热温度，能够体现温度的真实变化，基本上达到工艺要 求，所以我们采用这种工作方式。当然我们还得注意热电偶安装过程中离加热管的距 离，根据不同的距离采用不同的补偿系数。 2 2 h r p s a 温度控制部分 温度控制器通过输入输出接口从被测对象获取数字信号，并将控制算法的输出信 号经数模转换，将其变成模拟信号，然后再送给被控对象。整个过程是个闭环的控制 过程，上面介绍的温度检测部分是这个闭环的反馈，下面我们将对温度控制器的内容 加以阐述。 2 2 1 温度控制部分的组成 图2 7 温度控制部分的组成 温度控制结构如上图所示，其中微机是整个控制的核心，利用其运算能力实现控 制思想和控制算法的实现；d a 板和可控硅作为执行机构，而加热器我们的控制对象。 微机的输出经d a 转换后，作为可控硅的控制信号控制可控硅的输出，从而控制被控 对象。其各元件的选择如下介绍。 2 2 2 温度控制部分原曩件的选择 2 2 1 1d a 转换扳 微机在温度控制的过程中，要与一些连续变化模拟量打交道，但数字计算机本身 只能识别和处理数字量，因此必须经过转换器，把模拟量转换为数字量，数字量转换 为模拟量，才能实现c p u 与被控对象之间的信息交换。上面为了检测温度信号我们 选择了多功能a d 转换板。这里，为了控制加热器的输出功率，我们根据h r p s a 的控制精度选用的多功能d a 转化扳。该d a 转化板主要由数模转换电路、模拟羹 华中科技大学硕士学位论文 输出电路及接口控制逻辑电路构成，可以方便地输出各种模拟信号。其主要技术指标 如下幢1 ： 输出通道数：6 路独立的模拟量输出，这里主、辅预热用到两个通道； 输出信号范围：0 1 0 v 输出作为可控硅的控制电压 d a 转换分辨率：1 2 位分辨率； d a 转换速度：7 0 微妙： d a 转换非线性误差：1 2 位； 2 2 1 2 可控硅 温度控制电路广泛应用于社会生活的各个领域。现在市场上有许多温度控制仪表 组成的温度控制系统，但是在h r p s i a 系统中，温度参数的滞后性和电加热系统的 非线性，使温度控制很难达到要求。所以我们必须自行组建温度控制电路。温度控制 电路根据应用场合和性能指标地不同有所不同。早期的手动调压器是根据需要手动调 节输出电压，这种执行元件操作简单，可以较容易地得到所需的控制量，但是采用手 动调压器，那么系统将不能实现自动控制。传统的继电器调温电路是由控制回路控制 主回路的通断，由于继电器动作频繁，可能会因为触点接触不良而影响正常工作。这 种控制元件适合与报警设备，当测量值达到一定的极限值时，断开主回路。如果用这 种控制器件，加热管在反复的通断中，易于损坏。而基于模糊控制理论的智能型晶闸 管模块能够消除调节死区，克服系统的滞后，控制系统的超调或欠调。于是我们采用 的是智能型晶闸管模块，智能型晶闸管模块是一种 半导体电力器件，它由控制回路控制主回路的导通 角，不同的导通角下交流电压的有效值不同，从而 获得不同的输出电压。 智能型晶闸管控制电路一般有三部分组成：控 制回路、主回路和保护电路。主回路由双向晶闸管 组成，分输入和输出两极。控制信号根据不同的晶 闸管，可以分为交流、直流和脉冲形式。而保护电 路有过压保护、过流保护等。在这里我们选择的是 o u t 移相 1 ， ，1 控制 弄举 器 u i n 图2 8 智能型晶闸管内部 电连接图 华中科技大学硕士学位论文 品f i i 0 管智能模块，它内含集品闸管和移梢控制乜路，采j j 进l1 方形芯片，高级芯片支 撑扳，经特殊的烧结工艺而成，使用方便，安全可靠。其内部电连接图如图2 8 所 ( 1 ) 输入：2 2 0 v v 。u m ( 2 ) 输出：0 - - 2 2 0 v ( 3 ) 控制信号：0 一i o v 直流信号 输出电压进行平滑调节 ( 4 ) 可手动、仪表或者微机控制 ( 5 ) 适用于阻性、感性负载 ( 6 ) 移相控制系统，主回路，导热底板 相互隔离，介电强度大于2 5 0 0 伏 智能型晶闸管的很多优点，但是它承受 过电压和过电流的能力较差，很短的时问 ( ) 8 0 ，6 0 4 0 2 0 0 i ：， 一一 叶 - j黼 &7 协1。 ! 继经缓、一强i 。张尘+ i i = j 矗口一l 。 2 , 04 06 08 01 0 挖制i u j k ” | 璺| 2 9 智能型晶闸管输出特性 的过电压和过电流会把器件损坏。为了器件能够可靠地长期运行，除了充分留有余地 合理选择可控硅外，必须针对过电压和过电流的发生原因采取恰当的保护措施。如果 直流侧短路或者某一器件被击穿短路，都会引起可控硅过流。过流保护的措施有外接 快速熔断器。由于系统的拉闸、合闸和器件关断等电磁过程会引起的操作过电压，而 由于雷击等原因从电网侵入的偶然性的浪涌电压，它可能比操作过电压还要高。这样 就需要过压保护，过压保护的措施有阻容吸收回路和压敏电阻。其中阻容吸收回路是 电容器把过电压的电磁能量变成静电能量存储，电阻防止电容和电感产生谐振。这种 吸收回路能够抑制晶闸管由导通到截止时产生的过电压，有效避免晶闸管被击穿。压 敏电阻压压敏电阻吸收由于雷击等原因产生的能量较大、持续时间较长的过电压。压 敏电阻标称电压( v l 。a ) 是指压敏电阻流过l m a 电流时它两端的电压，这罩选择的 是7 1 0 v v l m a 1 0 0 0 v 。 华中科技大学硕士学位论文 电阻电容 g n d ( 黑) 图2 1 0 智能型晶闸管保护电路接线图 1 0 v ) 1 5 华中科技大学硕士学位论文 3 温度控制的算法 3 1 温度控制算法的发展 近年来温度控制的方法发展迅速，开关控制、p i d 控制、模糊控制以及神经网 络，遗传算法在温度控制上都有应用1 。温度控制越来越智能化，越来越符合工艺 要求。过去我们采用开关控制，即根据温度偏差的大小，由p w m 算法得出固态继电 器的通断时间来控制温度。但是，由于加热器不像机械传动具有大惯性，加热管忽 明忽灭，给操作人员带来很多不变。为此我们需要选择一种根据温差能够平滑过渡 的控制方法。 p i d 控制即利用比例、积分、微分控制，自1 9 世纪4 0 年代以来广泛应用于工业 生产中。控制系统将实时采集的温度值与设定值比较，差值作为p i d 功能模块的输入。 p i d 算法根据比例、积分、微分系数算出合适的输出控制参数，利用修改控制变量误 差的方法实现闭环控制，是控制过程连续。其缺点是现场p i d 控制参数整定麻烦，被 控对象模型参数难以确定，外界干扰会使控制漂离最佳状态。 人工神经网络是当前主要的，也是重要的一种人工智能技术。它是一种采用数理 模型的方法模拟生物神经细胞结构及对信息的记忆和处理而构成的信息处理方法。人 工神经网络以其高度的非线性映射子组织、自学习和联想记忆等功能，可对复杂的 非线性系统建模。该方法响应速度快，抗干扰能量强。在温控系统中，将温度的影响 因素如散热、对流、被加热物体的物理性质和被加热物体的温度作为网络的输入，以 实验数据作为样本，在微机上反复迭代。随实验与研究的进行和深入，自我完善与修 正，得到网络权值。在学习动态非线性系统时，不需要知道系统实际结构，但是当系 统滞后比较大时将造成网络庞大难以训练。 模糊控制是基于模糊逻辑的描述一个过程的控制方法。主要嵌入操作人员的经验 和直觉知识，它适用与控制不易于取得精确的数学模型和数学模型不确定或经常变化 的对象。 1 6 华中科技大学硕士学位论文 3 2p i d 控制算法 其控制算式为： m 1 ) + 眦叫h ) + 和+ 和铲2 m 1 ) 州h ) ) ( 3 _ 1 ) = “( k - 1 ) + k p ( 1 + 争等m d k p ( 1 + 孚坝j i 1 ) + 勋等砸一2 ) t 式中：u ( k ) 、u ( k 1 ) 采样时刻k 、k l 时的输出值： e ( k ) 、e ( k 1 ) e ( k - - 2 ) 、采样时刻k 、k l 、k 一1 时的偏差值： t 采样时间； k p 一比例系数： t d 微分时间常数： t i 积分时间常数： 其中上式中掣项，称为积分项。是p i d 的重要组成部分，可以消除系统的静 态误差。k p = t _ d 为微分项，有助于控制系统减小超调，克服振荡，使系统趋于稳定： 同时加快系统动作速度，减少调整时间，有利于改善系统的动态性能。实际应用中， 我们先得计算出比例、积分和微分系数值，再根据实际采集的数据按( 式3 1 ) 算出 控制量。 3 2 1p i d 控制算法参数整定 从( 式3 1 ) 可以看出p i d 参数的选择直接关系到控制效果。在不能准确获得被 控对象f i i 肿s m a 温度预热系统数学模型的情况下，一般采用的是简易工程法“1 。 首先让系统处于手动操作状态下，将温度调节到给定值附近，并使其稳定下来。 然后突然改变给定值，给加热器一个阶跃输入信号。 用示波器记录被调量在阶跃输入下的变化曲线，如图3 1 所示。在曲线最大斜率 处作切线，求得x 。= 8 0 、x ：= 3 2 0 ，以及他们得比值x x f 4 0 ； 华中科技大学硕士学位论文 设定 x 图3 1p i d 参数整定 由求得的值查表k p = 1 0 $ x ：x 。= 4 0 ：t i = 1 9 x 。x 。= 8 0 ；t d = 0 5 5 x 。x t = 3 0 3 2 2p i d 控制算法优化 p i d 控制由于算法简单，稳定性好，可靠性高等优点被广泛应用于控制领域。尤 其是适合于可建立精确数学模型地线性定常参数系统。如( 式3 一1 ) ，当偏差比较大 时由于积分项的作用，将会产生很大的超调量，使系统不停的振荡。如果采用积分 分离p i d 能降低被控量的超调和过渡过程时间使调节性能得到改善。积分分离控制算 式为： s ( j i ) = ；：裂凳；蛊裂o ( 3 2 ) 但针对s l s 的工艺要求和h r p s m a 加热器的特点，加热器的功率不能太大。即使 是温差相差很大，加热器也不能满功率地加热。于是，这里我们并没有采用p d 算法， 而是输出个值把控制输出限制在这个值范围内。只有当温差小于一定值a 时再实行 p i d 算法控制。 p ( 七) = 薯篙娄制 ( 。_ 3 ) 实际预热过程具有非线性、时变性、不确定因素等，难以确定精确的数学模型， 所以常规的p i d 控制器难以实现有效控制。就s l s 系统来说，工作腔是一个边界条件 很复杂，滞后时间常数大，非线性的控制对象，很难获得准确的系统数学模型。用p i d 算法实现对温度的自动控制存在许多困难，控制效果不佳。 华中科技大学硕士学位论文 3 3 模糊控制算法 实际操作的生产技术人员却能够对系统的各种参量作出响应判断，最终达到良好 的人工控制效果。这种控制方式并不依赖于数学模型，仅依赖于人的经验积累、感觉 和逻辑判断。生产过程中积累的大量数据充分反映了这些经验，如果能够利用计算机 地数据处理能力和计算能力，从生产数据中提取优化人工控制经验，就能使控制效果 更加符合工艺要求，达到更好地控制效果。模糊控制“就是这种方法的体现，它不需 传统控制中的数学模型，而是根据人工控制规则将人工实践经验加以总结，用诸如“如 果，就”这样的话得到一个多级f u z z y 条件语句，采用模糊集合理论实现后 通过转变后来完成控制。 3 3 1模糊控制器结构 模糊控制的基本原理可由图3 2 表示，它的核心部分为模糊控制器，如图中虚线 框中部分所示，它包括输入模糊化，模糊算法器( 模糊规则库和模糊推理) ，模糊判 决等几部分。模糊控制器的控制规则由计算机的程序实现，微机通过采样获取被控对 象的精确值，然后将此值与给定值进行比较得到误差信号t 。把误差t 的精确量 进行模糊化得到一个模糊子集e ，再由模糊子集e 和控制规则r ( 模糊关系) 根据推 理合成规则进行决策，得到模糊控制量u 。为了对被控对象旋加精确的控制，还需将 模糊量u 转化为精确量。 图3 2 模糊控制器结构 1 9 华中科技大学硕士学位论文 3 3 2 参数及其模糊化 从理论上讲，模糊控制器的维数越高，控制越精细。但是维数过高，模糊控制规 则变得过于复杂。控制算法实现相当困难。而如果只选择一维模糊控制器，他的动态 控制效果不佳。为此，一般我们不仅要对系统的输出偏差t 进行判决，还对偏差变 化率t c 进行判决。也就是说，根据偏差和偏差变化率综合进行权衡和判断，从而保 证系统控制的稳定性，减少超调量及振荡现象。所以，当进行温度控制时，涉及到的 模糊概念的论域有三个：温度偏差t 、偏差变化率t e 、控制量输出u 。 ( 1 ) 温度偏差t = t r 式中：t 被控温度测量值；r 温度给定值； 其论域为：t = ( a t ) = ( - - 6 一5 ，一4 ，一3 ，一2 ，一l ，一0 ， 0 ，1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 ) 在此论域上温度偏差的每个状态都有一个模糊隶属函数，表3 1 列出了它们的值： 表3 1 温度偏差隶属度 t 论域 击- 5- 4321旬01 23 4 56 p lo 10 40 81 扶p m0 2o 7l0 7o 2 p s0 3o 8l0 50 1 属 p ol0 60 1 n o0 1o 6 l 霞 n s0 10 5 1o 80 3 _ n m0 2o 710 7o 2 n l10 80 40 1 ( 2 ) 温度偏差变化率t e = ( t 1 一a t 2 ) t 式中：t 1 前一次温度靖差；t 2 本次温度偏差；卜采样周期 它的论域为： t e = ( t e ) = ( 一6 、一5 、一4 、一3 、一2 、一1 、0 、1 、2 、3 、4 、5 、6 ) 华中科技大学硕士学位论文 袈3 2 列如了民的每个状态在论域上的模糊隶麟函数。 表3 2 温度偏差交纯搴隶藏瘦 t 论域 1 65。4321ot 23456 p l o 10 4o 8l 从p m0 2o 。7o 1o 70 2 p s0 9lo 7o 2 耩 oo 5l0 5 n s0 2o 710 9 度 n m0 20 7l0 70 2 n lio 80 40 1 (