（仪器科学与技术专业论文）基于网络的超速离心机电控系统设计.pdf

t h ed e s i g no fe l e t r o n i cs y s t e mo f u l t r a c e n t r i f u g eb a s e do nn e t w o r k b y l i n t i n g y u b e 口u n a nu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g i n s t r u c m e n ts c i e n c ea n d t e c h n o l o g y i n t h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a n u n i v e r s i t y s u p e r v i s o r a s s o c i a t ep r o f e s s o rl i ub o f e n g a p r i l ，2 0 1 1 湖南大学 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。 作者虢补妈 日期圳年厂月形日 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印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权湖南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。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密留。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名钋蚴 刷醛名c 7 1 畸 i 。一r 日期：函i1 年厂月彩日 日期：细年，月e t 硕士学位论文 摘要 离心机是用来分离血液、细胞、酶等物质的设备。实验室离心机是医学、农 学、生物等行业科研与生产的必备设备。超速离心机即最高转速超过3 0 0 0 0 r p m 的离心机。 国外的离心机起步早、发展迅速，目前在超速离心领域机技术成熟，最高转 速已可达1 5 0 0 0 0 r p m 。国内的离心机起步晚、发展缓慢，目前超速离心机在国内 尚为少见，且在整机智能化、温度控制方式等多个方面都与国外存在着差距。 本文研究和设计的对象为超速离心机的电控系统，包括电控系统的硬件设计、 超速离心机的网络化设计、电控系统的软件设计。 超速离心机电控系统的硬件设计将整个电控系统的硬件分为了多个模块：如 人机交互模块、温度检测及控制模块、真空度检测及控制模块、转速识别模块、 转速检测及控制模块等，对各个模块分别进行研究和设计，使各个模块在m c u 的控制下能够协同工作，完成超速离心机在运行中的各种功能。 超速离心机的网络化设计是一种新的概念，主要目的是为了实现离心机的群 组群控功能。本文设计了离心机的网络架构，将同一个工业现场的多台离心机和 监视计算机使用c a n 总线联系起来，而把多个工业现场的监视计算机通过以太 网连接到终端服务器，使终端服务器能够通过控制监视计算机来控制多个工业现 场的所有离心机。 超速离心机电控系统的软件设计的过程是将电控系统软件要完成的功能分为 多个子模块，如系统初始化模块、运行时间控制模块、液晶屏显示模块、上位机 软件模块、参数设置模块等，根据子模块完成功能的顺序规划出主流程图，再分 别设计各模块，最后根据主流程图对子模块进行调试和修改，使超速离心机电控 系统的整体软件能够流畅地运行。 关键字：超速离心机；半导体制冷片；c a n 总线；模糊p i d ；上位机 i i c e n t r i f u g ei so n ek i n do fe q u i p m e n t sw h i c hu s e dt os e p a r a t em a t e r i a ls u c ha s b l o o d ，c e l l s ，e n z y m e s l a b o r a r yc e n t r i f u g ei san e c e s s a r ye q u i p m e n tf o rr e s e a r c h i n g a n d p r o d u c t i o ni nm e d i c i n e ，a g r i c u l t u r e ，b i o l o g y u l t r a c e n t r i f u g ei s t h e c e n t r i f u g e w h i c hh a st h em a x i m u ms p e e dm o r et h a n3 0 0 0 0 r p m t h ec e n t r i f u g eo fo v e r s e a si ss t a r t e de a r l ya n dd e v e l o p e dr e p i d i th a sm a t u r e t e c h n o l o g y i nt h e u l t r a c e n t r i f u g e f i e l d c u r r e n t l y t h e m a x i m u m s p e e d o f u l t r a c e n t r i f u g ei su pt o 15 0 0 0 0 r p m t h ed o m e s t i c c e n t r i f u g ei ss t a r t e dl a t ea n d d e v e l o p e ds l o w u l t r a c e n t r i f u g ei sr a r e l yi nc h i n af o rn o w t h e r ea r eg a p sw i t h f o r e i g nc o u n t r i e si nm a c h i n ei n t e l l i g e n c e ，t e m p e r a t u r ec o n t r o la n do t h e ra s p e c t s t h eo b j e c to ft h i sd e s i g ni st h ec o n t r o ls y s t e mo f u l t r a c e n t r i f u g e ，i n c l u d i n gt h e h a r d w a r ed e s i g n ，t h en e t w o r kd e s i g na n dt h es o f t w a r ed e s i g n t h eh a r d w a r eo ft h e u l t r a c e n t r i f u g ec o n t r o ls y s t e mi sd e v i d e di n t os e v e r a l m o d u l e s ，s u c ha si n t e r a c t i v em o d u l e ，t e m p e r a t u r ed e t e c t i o na n dc o n t r o lm o d u l e ， v a c c u md e t e c t i o na n dc o n t r o l m o d u l e ，r o t o r i d e n t i f i c a t i o nm o d u l e ，r o t o r s p e e d d e t e c t i o na n dc o n t r o lm o d u l e t h er e s e a r c ha n dd e s i g no ne a c hm o d u l ei ss e p a r a t e dt o m a k et h e mw o r kt o g e t h e ru n d e rt h ec o n t r o lo fm c ut oc o m p l e t et h eu l t r a c e n t r i f u g e v a r i o u sf u n c t i o n si no p e r a t i o n t h en e t w o r ko fu l t r a c e n t r i f u g ei san e wc o n c e p tw h o s em a i np u r p o s ei st o a c h i e v e g r o u pc o n t r o lf u n c t i o n t h i s a r t i c l e d i s i g n t h en e t w o r ks t r u c t u r eo f u l t r a c e n t r i f u g e ，w h i c hu s e dt h ec a nb u st ol i n kt h ec e n t r i f u g e sa n dm o n i t o ri nt h e s a m ei n d u s t r i a lf i e l d t h et e r m i n a ls e r v e rc a nc o n t r 0 1t h em o n i t o r si nd e f f e r e n t i n d u s t r i a lf i e l d sv i at h ee t h e r n e tt oc o n t r o la l lo ft h ec e n t r i f u g e s t h ef i r s tp r o c e s so fs o f t w a r ed e s i g ni st od e v i d et h es o f t w a r es y s t e mi n t os e r v e r a l s u b m o d u l e s ，s u c ha ss y s t e mi n i t i a l i z a t i o nm o d u l e ，r u n t i m ec o n t r o lm o d u l e ，l c d d i s p l a ym o d u l e ，h o s tc o m p u t e rm o d u l e ，p a r a m e t e rs e t t i n gm o d u l e t h e nd e s i g nt h e s e s u b - m o d u l e sa f t e rp l a n n i n gt h em a i nf l o wc h a r ta c c o r d i n gt ot h e i rf u n c t i o n s a n d f i n a l l yd e b u ga n dm o d i f yt h e s em o d u l e sb a s e do nt h em a i nf l o wc h a r t ，t om a k es u r e t h ew h o l es o f t w a r es y s t e mr u ns u c c e s s f u l k e yw o r d s ：u l t r a c e n t r i f u g e ；s e m i c o n d u c t o rc o o l i n gp l a t e ；c a nb u s ；f u z z yp i d ； h o s tc o m p u t e r i i i rr 硕士学位论文 目录 学位论文原创性声明与学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第l 章绪论l 1 1 概j 苤1 1 2 离心机的发展历程1 1 3 离心机发展的现状2 1 3 1 国外离心机现状一2 1 3 2 国内离心机现状3 1 4 离心机的发展趋势一3 1 5 主要工作和章节安排一6 1 6 仓u 新点7 第2 章超速离心机系统设计8 2 1 离心机工作原理8 2 2 离心机结构原理9 2 3 离心机的工作过程1 1 2 4 离心机电控系统的技术要求1 2 2 5 本章小结：12 第3 章超速离心机电控系统硬件设计1 3 3 1 超速离心机电控系统硬件组成1 3 3 2 超速离心机电控系统硬件模块分析1 3 3 2 1 m c u 1 4 3 2 2 电源模块15 3 2 3 人机交互模块1 6 3 2 4 温度控制模块1 7 3 2 5 真空度控制模块一2 l 3 2 6 转速控制模块2 3 3 2 7 存储模块“2 5 3 2 8 转子不平衡故障保护模块2 6 3 2 9 串口通信电路2 7 第4 章超速离心机的网络设计3 0 1 v 网络的超速离心机电控系统设计 4 4 离心机c a n 总线协议设计3 3 第5 章超速离心机电控系统软件设计3 7 5 1 超速离心机电控系统软件模块划分3 7 5 2 超速离心机电控系统软件主流程设计一3 8 5 3 超速离心机电控系统软件模块设计4 0 5 3 1 系统初始化功能模块4 0 5 3 2 液晶屏显示模块4 0 5 3 3 上位机通讯接口设计4 2 5 3 4 参数设置模块4 4 5 3 5 运行时间控制模块一4 5 5 3 6 转速控制模块4 6 5 3 7 温度控制模块一4 8 5 3 8 真空度控制模块5 0 5 3 9 故障检测及保护模块5 2 结论与展望5 4 参考文献5 6 j l 炙谢6 0 附录a 攻读硕士期间所发表的学术论文目录一6 1 附录b 1 超速离心机电控系统主硬件电路图6 2 附录b 2 1 ，超速离心机电控系统主程序6 3 附录b 2 2 超速离心机电控系统中断程序6 6 v o 1 2，j ) j 硕七学位论文 1 1 概述 第1 章绪论 离心技术即利用高速旋转产生的离心力，加快液体中颗粒的沉降速度，把样 品中不同沉降系数和浮力密度的物质分离开的技术【l j 。在当代社会，离心技术已 经是分子生物学、生物化学研究和工业生产中不可缺少的手段【2 】。特别是在生物 学研究中，利用离心技术来分离、纯化细胞、病毒、蛋白、核酸和酶，是最方便、 有效的方法【3 j 。 在各种利用离心技术的设备中，离心机是应用最为广泛的一种。离心机即以 离心技术为基本核心技术的设备，在应用中，具有其它设备所没有的优势，包括： 可以在恒定的低温或高温状态下操作，能够最大程度保护生物分子的活性；负载 量大，可以一次性分离多种试剂，在效率上远远大于层析、电泳的技术方法；不 仅可检测物质的分子量，同时也可以检验物质的纯度、构象、沉降系数等。目前， 工业用离心机被大量应用于化工、石油、食品、制药、选矿、煤炭、水处理和船 舶等部门，实验室离心机也是生物学、医学、农学、生物工程、生物制药等行业 科研与生产的必备设备【4 】。 在现代科技界，对离心机的分类方法主要有三种：按使用途径分类，按结构 功能分类和按最高转速分类。根据离心机在使用途径方面的不同，可以将其分为 制备式离心机和制备分析离心机；按照离心机的结构功能方面的区别，可以将其 分类为台式离心机、细胞涂片离心机、高速冷冻离心机等；不同用途的离心机一 般能承受的最高转速也不同，按离心机能够达到的最高转速来分类，转速在 1 0 0 0 0 r p m 以下的，通常为低速离心机，转速在1 0 0 0 0 r p m 3 0 0 0 0 r p m 的，称为高 速离心机，而转速在3 0 0 0 0 r p m 以上的离心机，一般称之为超速离心机，随着科 技的发展，目前已有最高转速可达1 5 0 0 0 0 r p m 的离心机【5 1 。 1 2 离心机的发展历程 同许多技术一样，离心机在发展的过程中也经历了从技术不成熟到技术成熟， 再到技术全面的阶段。 离心机最早出现在十八世纪产业革命后，1 8 3 6 年在纺织工业中所使用的棉布 脱水机和1 8 7 7 年在乳酪加工工业中使用的用来分离牛奶的分离机就是现代离心 机的雏形。在二十世纪，离心机发展迅速，2 0 年代就出现了超速离心机，即转速 能够达到3 0 0 0 0 r p m 以上的离心机。1 9 2 4 年，在瑞典第一台涡轮式超速离心机问 基于网络的超速离心机电控系统设计 世，接着在1 9 4 7 年出现了油涡轮和空气涡轮等以先进技术手段为动力的超速离心 机，1 9 5 9 年人们就已经能够使用电动超速离心机了，以电能做为动力，是离心机 发展过程中的重要里程碑。 二十世纪7 0 年代到8 0 年代，随着变频调试技术被广泛应用于电机驱动，微 机技术在设备控制和数据处理方面展现出强大的能力，计算机程控技术的逐渐成 熟，将这三者结合到离心机上，使得离心机技术发展迅猛，从而出现了一个新的 类别：台式离心机。台式离心机区别于传统的落地式离心机，相对落地式离心机 的大型程度和功能高度专一化，它附带功能更为丰富，应用范围更加全面，而且 质量和体积都远小于落地式离心机，所以台式离心机被广泛地使用在实验室、机 房等对场地大小有限制的场所。 在之后的时间里，离心机充分结合了现代的各种先进技术，发展得越来越全 面，现在的离心机，最高转速不断上升、附带功能不断增强、控制更加方便快捷、 数据的采集和读取更加科学精确，如今的离心机已经在很多方面都达到了智能化， 并在向更智能的方向继续前进1 6 】。 1 3 离心机发展的现状 1 3 1 国外离心机现状 国外离心机起步很早，在上个世纪六十年代，离心机就已经被大量地使用于 化工、医学等关键领域。美国和前苏联都十分重视精密离心机的研制，在理论和 技术方面的研究都达到了很高的水平，这两个国家的离心机水平就代表了当时的 世界先进水平，且现在的美国和俄罗斯的离心机技术依然领先于全球。日本的离 心机研制也一直紧随其后，现在的日本已经有多家世界知名的离心机厂家，掌握 有世界先进的离心机技术。 美国b e c k m a n 、s o r v a l l 、i e c 公司的专注于台式离心机的研制，其中b e c k m a n 公司生产低速、中速、高速全系列的离心机，技术成熟，超速离心机的最高转速 已经可以达到15 0 0 0 r p m 以上，工作稳定、控制精度高，目前被广泛使用的机型 有j 6 系列的大容量台式冷冻离心机、x 2 2 系列的多功能高速台式离心机、x 1 2 系列的大容量通用离心机等。 前苏联以及现在的俄罗斯的离心机水平也非常高，最具代表性的研制单位是 门捷列夫计量院和莫斯科转子科研联合体，他们的研究水平代表着俄罗斯在惯性 技术领域的实际水平，其主要研制的精密离心机主要有三类：产生常值加速度的 离心机、产生常值和谐波加速度的离心机、主轴可倾斜的离心机。在离心机研制 水平和理论高度上，俄罗斯都在全球居于领先地位【_ 。 日本知名的离心机公司有日立、k u b o t a 、s a n y o m s e 等，其中日立公司已 硕士学位论文 经位于世界离心机知名品牌前四之列，该公司生产的离心机的特点在于优良的稳 定性、可靠性、控制方便、人性化的数据监测系统、节能环保等，目前被大量使 用的离心机型有c t l 5 e c t l 5 r e 台式微量高速微量离心机、c f 7 d 2 临床检验离心 机、r x 系列多用途冷冻离心机和c r g i i i 高速冷冻离心机等。 另外国外对离心机研制较为先进的厂家还有德国的h e t t i c h 、s i g m a ，法国的 j o u a n 等。 1 3 2 国内离心机现状 国内的离心机研制起步晚，发展也相对缓慢，在上个世纪五十年代末，我国 只有北京医用离心机厂、上海手术机械厂等少数几个厂家生产简单的医用离心机。 在上个世纪八十年代，我国的离心机厂家开始通过技贸结合、技术考察、项目合 作、技术引进、自助研发等方式积极向国外的离心机先进水平靠近，经过几十年 的发展，我国的离心机水平有了显著的进步，近几年在湖南、上海、北京等地区 已经形成了实验室离心机的生产基地，但是目前我国的离心机与世界先进水平依 然存在不小的差距，主要体现在离心机的制造工艺、转速档位、控制方式、智能 化程度等技术环节上。 目前国内较为出名的离心机厂家有湖南湘仪、长沙英泰、广东美的、北京路 科顺、上海安亭等，这几个公司都采用了国际上较为先进的技术，他们生产的离 心机代表着国内的先进水平。 湘仪离心机仪器有限公司在引进美国b e c k m a n 公司技术的基础上，自主创新 研制了超大容量冷冻离心机l 7 0 2 3 ，该离心机采用多级减震技术，变频电机驱动 采用先进的矢量技术，整个主机采用多项保护措施，通过微机技术控制大屏幕液 晶显示和无氟压缩机组，其相关技术水平达到了同类机型的世界先进水平。 英泰仪器有限公司生产的台式冷冻离心机t g l 2 0 m c 采用了变频电机、环保 无氟压缩机、全自动门锁功能和报警系统、3 2 位a r m 微处理器，具有3 2 套程序 存储积分w 2 d t 显示控制功能，可进行阶梯分离，具有高重复定位度、便利的转 子拆装性，在一定程度上可以替代进口的高档台式离心机，使我国的离心机技术 上了一个新的台阶。 1 4 离心机的发展趋势 目前在离心机领域发展较为迅速的技术有电机的驱动技术、控制智能化、转 子震动控制技术等。 在近几年的离心机市场上，磁悬浮变频电机已经成为电机驱动技术发展的方 向和趋势，这种电机基于电磁悬浮轴承上，电磁悬浮轴承不仅具有无机械接触、 不需润滑、高转速、低功耗等特点，而且还可以对电机的振动和稳定性进行在线 基于网络的超速离心机电控系统设计 主动控制，极大地提高了电机的工作性能。通过采用磁悬浮变频电机直接驱动技 术，不但能使电机的转速大幅度提高，而且能使电机在各种不同转速的情况下， 都能输出较大的扭距，从而保护了电机，使离心机的电机维护周期有所延长。 随着离心机的应用领域越来越广泛，为了满足各种离心操作的要求，转子的 类型已经有十多个种类，上百个品种，如角转子、垂直转子、甩平转子等，众多 的转子为科研人员提供相当广泛的应用范围。在离心机发展的初期，各大离心机 公司只生产适用于自己公司产品的转子，这在很大程度上限制了离心机的发展。 为方便用户，增加互换性，已有多个公司开始生产可以在其他品牌离心机上使用 的转子，如d h p o n t 公司、k o n t r o n 公司生产的转子就可与b e c k m a n 公司的 转子通用。在传统的离心机上，低速转子和高速转子是不同的，这给离心机的操 作人员带来了不便。为了方便用户使用，有些公司生产有高低转速通用的机型和 相应的通用型转子，如美国s o r v a l l 公司的s t 2 1 、德国h e r a e u s 公司的b i o f u g e s t r a t o s 等。 在微机技术迅速发展后，离心机也结合了这方面的成果，使离心机的设计和 控制更为智能化。微机技术在离心机上体现的最大优势在于使离心机控制电路规 模简化、功能增强、功耗降低。在离心机内部采用微处理器，辅以相关的硬件电 路，使离心机具有故障自诊断的功能。该功能对电机运行状态、驱动轴平衡状态、 离心室温度变化情况、离心机舱门密闭等部件的运行状态进行监测，有故障出现 时，离心机能够自动报警停机，并显示故障类型。故障自诊断功能的应用，提高 了离心机对危险情况的预判能力，确保了人员和设备安全，也使对离心机各部件 设备的维护更为方便。 由于一台离心机能够使用多种类型的转子，而每个转子的适用参数是不同的， 如果为转子设置了不适用的参数，如最高转速、适用温度范围、最长使用时间等， 转子甚至是离心机本身就会在运行的过程中受到损坏。为了解决这一问题，可以 给转子增加电子标签，而让离心机在运行前就通过射频识别等技术手段，读取转 子的电子标签来识别转子的类型，从而判断当前设置的运行参数是否适合当前的 转子，再做出相应的操作。 在操作界面上，结合了微控制器的离心机能够让用户直观地观察和控制运行 中的各种参数。离心机可为用户提供的界面包括有操作界面、电机控制界面、温 度控制界面、安全防护界面等。如德国h e r a e u s 的b i o f u g es t r a t o s 离心机采用了 “e a s y c o n t r o l ”操作界面，全面显示和分别处理运行参数；h e t t i c h 公司的离心机仅 使用三个健即可处理操作参数。 通过采用微处理器和存储芯片，可以存储用户常用的运行参数，使用户在再 次使用时能够通过调用默认参数或常用参数，从而减少了参数设置错误的情况， 也节省了参数设置的时间，提高了离心机的使用效率【9 j 。 硕士学位论文 在离心机的运行过程中，为了试剂不变质，也为了让转动部件不因持续工作 而过度发热，需要控制离心室内的温度。传统的温度控制手段有压缩机和氟利昂 制冷剂，但是这两种方法都有不可忽略的缺点，如压缩箱控机电流大【1 0 1 ，而氟利 昂会对环境造成破坏等。目前的离心机已经开始探寻其它方法来控制温度，如环 保型的制冷剂、蒸发器制冷、半导体制冷等。 从2 0 0 1 年开始，上海飞龙国际工程技术有限公司就在上海虹桥机场试用z c i 制冷剂，z c i 制冷剂具有优秀的环保特性，稳定的物理和化学性能、良好的制冷 效果，作为氟利昂的替代品，它能够减小对环境的破坏、提供更高的制冷效率、 更安全的使用过程【l 。 德国的h e t t i c h 公司的1 6 和3 0 f 型号的离心机，采用了风冷降温的技术，它 的风道设计是降温效率的关键，将风从顶部吸入，由底部排出，流动的空气可以 把转头和电机的热量带有，且具有减少噪音的效果。 半导体制冷技术具有结构简单、体积小、整个制冷器由热电堆和导线组成， 无任何机械运动部件，噪音低，无磨损，寿命长等优点，但是由于制冷片通常功 率较小，在无配备真空系统的离心机上受到空气的影响，使之对温度的控制反应 慢、精度低，所以目前尚未在离心机中普遍使用。 离心机的转子在高速转动过程中会与空气产生激烈的摩擦，从而产生大量的 热量，也会对转子的转动带来阻碍，增大转子的磨损。为减小离心机转子在运行 过程中的风阻，加快转子的加速过程，以及为了加快冷却转子，延长电机的使用 寿命，可以采取在运行时排出离心室内的空气来实现，即为离心机的离心室设置 真空系统。某些高速离心机、超速离心机、大容量离心机设置有真空系统。 随着通讯技术和程控技术的发展，离心机的网络化也成为一种趋势。用户可 以通过不同的现场总线将多个工业现场的多台相同或不同类型的离心机连接到终 端服务器上。在终端服务器上，用户通过简单的指令就可以对离心机群组进行统 一的控制，如参数的设置和读取、运行状态的监控和改变、故障的检测和解除等。 由于终端服务器可以配备有大容量的存储器，这样就可以很方便地将各台离心机 的常用参数、故障情况、维护记录等重要数据以数据库的形式存储起来，供用户 在维修和使用时查看，使离心机的控制更为科学。 目前有繁多的算法被用在温度和转速等需要实时调整的参数控制上，当离心 机的使用环境较好、干扰源较少时，用常规的p i d 控制器即可较好地达到要求。 但是由于离心机的内部含有各种模拟、数字器件，器件之间互有干扰，而电机的 干扰尤为严重，常规p i d 控制器难以满足对精度的要求，在此基础上加入调节系 统，便构成了自适应p i d 控制器，该控制器反应速度和精度都更好。如果对控制 的参数和产生的误差进行模糊规则的推理，再进行解模糊的运算，就形成了一个 模糊p i d 控制器，它能够满足不同时刻离心机对参数的要求。目前更为智能的是 基于网络的超速离心机电控系统设计 模糊自整定p i d 控制算法，在运行过程中不断检测参数和误差之间的关系，再根 据模糊控制原理对控制参数进行实时修改，使控制器能够更好地适应当前的环境， 并且有更好的控制速度和精度。 关于p i d 自整定方法的研究，国内已有大量的文献发表，如a s t o r m 和h a g g 1 u n d 于19 9 8 年出版了专著( p i d 控制自整定。近年来，国际自动控制领域对该 课题的研究仍在继续，许多重要的国际杂志不断发表新的研究成果，王等、a s t r o m 、 h a g l u n d 、c o m i n o s 、m u n r o 都分别就p i d 控制器参数整定方法作了相关的综述和 展望。 目前也有采用遗传算法来优化控制参数的离心机。遗传算法是美国密执安大 学的h o l l a n d 教授于1 9 7 5 年首先提出的。19 9 1 年d w h i t e y 在他的论文中提出 了基于领域交叉的交叉算子。d h a c k l e y 等提出了随机迭代遗传爬山法。 h b e r s i n i 和g s e r o n t 将遗传算法与单一方法结合起来。国内也有不少的专家 和学者对遗传算法的交叉算子进行改进。2 0 0 2 年，戴晓明等应用多种群遗传 并行进化的思想，对不同种群基于不同的遗传策略来搜索变量空间，并利用 种群间迁移算子来进行遗传信息交流，以解决经典遗传算法的收敛到局部最 优值问题。2 0 0 4 年，赵宏立等针对简单遗传算法在较大规模组合优化问题上 搜索效率不高的现象，提出了一种用基因块编码的并行遗传算法。2 0 0 5 年， 江雷等针对并行遗传算法求解t s p 问题，探讨了使用弹性策略来维持群体的 多样性，使得算法跨过局部收敛的障碍，向全局最优解方向进化。 随着航空航天、国防军工等尖端领域对离心机加速度要求的不断提高，对离 心机转速的测量、控制的精度都必须进一步提高，由于无法通过求导得到误差源 不确定度传播系数的显式解析表达式，使得基于微积分的常规误差传递分析方法 难以实现，近年来，蒙特卡罗统计方法被应用于复杂测量的不确定度估计，并得 到国际计量局等国际组织的认可和推行。蒙特卡罗方法是2 0 世纪4 0 年代美国 在第二次世界大战中研制原子弹的“曼哈顿计划”计划的成员s m 乌拉姆和j 冯诺伊曼首先提出的。拟蒙特卡罗方法是另一类形式与蒙特卡罗方法相似，但 理论基础不同的方法，近年来也获得迅速发展。我国数学家华罗庚、王元提出的” 华一王”方法即是其中的一例。对某些问题该方法的实际速度一般可比蒙特卡罗方 法提高数百倍，并可计算精确度。在进入2 1 世纪后，蒙特卡罗方法和拟蒙特卡罗 方法被广泛开发应用，2 0 0 2 年，陈朝霞对蒙特卡罗方法在运输方面做了一定的研 究，2 0 0 5 年，吴方才做了关于基于蒙特卡罗仿真和遗传算法的公差设计，2 0 1 1 年，朱云飞、罗彪等人做了关于基于拟蒙特卡罗方法的进化算法研究【i2 】【1 3 l 。 1 5 主要工作和章节安排 本文根据超速离心机的系统设计要求，完成了超速离心机电控系统的设计， 硕七学位论文 主要的工作内容有：对离心机电控系统整体的分析、离心机电控系统的硬件及软 件方面的研究和设计、离心机网络化的研究和设计，离心机离心室温度控制的算 法研究等。 本文的章节安排如下： 第一章介绍了离心和离心机的相关概念，离心机的用途，离心机的发展历程， 离心机设计和制造中的技术难点和重点，离心机的现状和发展趋势等。 第二章介绍了离心机的工作原理与总体系统框架构成，包括离心机工作的主 要原理、方式以及相关的一些技术要求。 第三章介绍了超速离心机电控系统的硬件设计和研究，对电控系统所使用到 的各种硬件进行功能分类，对离心机的硬件组成进行功能模块化的划分，并分模 块地介绍了各个模块的硬件实现方案。 第四章介绍了超速离心机的网络设计，分析了超速离心机的网络架构，对所 使用的c a n 总线进行了简要的介绍，并提出了初步的协议制定计划。 第五章介绍了超速离心机电控系统的软件设计和研究的思路和过程，在对整。 体软件进行功能模块化的划分之后，规划出主流程图，再分别设计各功能模块， 、 并对各模块进行了详细的介绍。 结论和展望：主要论述了本论文的研究成果、尚有不足之处、研究的意义和 对超速离心机的发展方向作了探索。 。 1 6 创新点 一 本论文的创新点有以下几个方面： l 、在各硬件模块之间利用协议的制定和时序的调整采用了串口复用技术，在 不影响通信效果的前提下节省了串口。 2 、对离心室的温度控制采用了模糊p i d 算法，即在传统的p i d 算法的基础 上，结合了模糊控制算法，能够有效地提高控制的效率和精度。 3 、对离心机进行网络化的设计和研究，结合了现场总线的概念，使离心机群 控和远程状态监控成为可能。 基于网络的超速离心机电控系统设计 第2 章超速离心机系统设计 2 1 离心机工作原理 在静止状态下，即不受除重力外的其它力的作用状态下，含有细小颗粒的悬 浮液主要会发生两种现象：沉降和扩散。沉降的产生原因是，在重力场的作用下， 密度大于液体的固体颗粒分子会渐渐下沉，而相反，密度小于液体的颗粒则会上 浮。由于沉降产生的下沉或上浮的具体速度与许多因素相关，如颗粒本身的大小、 形态、密度，液体的密度、粘度，以及所在的重力场的强度等。与沉降不同，扩 散是一种固有的绝对现象，与外力无关，且广泛存在于自然界中，时刻都在发生， 具有运动无规律的特点。扩散的程度和物质的质量成反比，质量越小，扩散的现 象就发生得越剧烈。在显微镜下，可以清楚地观测到细小颗粒在悬浮液中的这种 无规律运动。 对于体积相对大一些的颗粒，通常指直径在微米级以上的颗粒，如红血球等。 红血球在血液中的沉降作用要大于扩散作用，所以在通常的重力场下即可以明显 观察到它的沉降作用。而对于小直径的颗粒，如病毒、蛋白质等，它们在溶液中 呈半胶体甚至是胶体状态，扩散的作用一般会大于沉降的作用，所以在通常的重 力场中，它们的运动呈无规律状态【1 5 】。 离心力在含有细小颗粒的悬浮液中可以产生一个类重力的作用，加快液体中 颗粒的沉降作用，使之远大于扩散作用，从而将液体中的不同体积和重量的颗粒 分离出来。离心力可以利用离心机的转子发生高速转动产生，其作用力的大小与 转子的半径和转动速度有关，离心力的公式为 f = m o ) 2 r ( 2 1 ) 式中，f 为离心力，单位为n ；m 为转子的质量，单位为k g ；尺为转子的半径， 单位为m ；c o 为转子的角速度，单位为s 。 如果把离心力用地心引力的倍数来表示，即r c f ( r e l a t i v ec e n t r i f u g a lf o r c e ) 。 r c f 可以用以下公式来换算： f ，2 1 r 、1 2f ，、1 只r f ：一m c 0 2 r ：塑：虹业旦型：堕一1 1 1 9 1 n z ， ( 2 2 ) ，d ，p = = = i 二二- 二= = 1 y l u 。疗。， 1 。1 。 360000mggg3 b u u u u g 式中，凡c f 为离心力r c f ，单位为n ；m 为转子质量，单位为k g ；c o 为转子角速 度，单位为s ；疗为转子转速，单位为r m i n ；r 和，为转子半径，单位分别为m 和c m ；g 为重力加速度，一般取值9 8 m s 2 。例如：当离心机转子的半径为1 0 c m ， 硕士学位论文 转动速度为1 0 0 0 0 r m i n ，所产生的离心力大概为1 1 1 9 0 x g ，即离心机稳定运转时， 待分离物质受到的离心力为1 11 9 0 倍的日常地心引力【16 1 。 根据力学原理，离心机在工作半径r 处产生的加速度为 口= r t 0 2 ( 2 3 ) 式中，为离心机转子的角速度。由式2 3 可推算出 一a a ：2 aco+鲜+竺+2aaar+aod-2ar2( 2 一4 ) 一= + + + 一+ - ：一 i ) 口c o。rf o r2 尺 、7 将式中的二阶量略去，可得出 。 等= 2 等+ 等 c 2 渤 口 k 由此可见，工作半径r 和旋转角速度是影响离心机转速加速度的两个主要 因素，由于在工作中转子半径一般是确定的，所以对转速t o t ) 进行控制实际上就是 对电机转速加速度的控制，采用合理的方案就能够使离心机转子按照合适的速度 运行。 对于转速稳定度，在实际测量时，一般采用标准差公式来计算转速的稳定度。 具体方法如下：取定时测角的方法，在规定的时间段内，测量旋转的角度，用此 角度除以时间，便可以得到角速率。测量十次，可计算出速率的稳定度。 如取时间间隔为l o o s ，即a t = 1 0 0 s 。每个时间间隔读离心机转角为a 0 ，i = l ， 2 ，n ，n = 1 0 。取 万= 吉q ( 2 6 弘 n 乞 、。 则转速的稳定度仃的计算公式为 龉喜( 咖) 2 ( 2 7 ) 仃：型型二! 鱼! ! ：! ( 2 7 ) p 2 2 离心机结构原理 离心机从功能结构上分析，可以分为以下几个主要部分：离心室、转子、转 子驱动电机、主控制板、转子识别及转速测量模块、温度测量及控制模块、人机 交互模块、电源模块、故障监测模块等，在一些对要求高转速的离心机中，还设 立了与真空度相关的部件。离心机的功能结构原理如图2 1 所示。 离心室是离心机各部件中体积最大的一个，因为离心机的主要执行装置转子 是在离心室的内部运转，离心室不但要给转子的运转提供足够的空间，同时也要 为转子内部的试剂提供一个适宜的环境，因此在离心室的内部设有大量的传感器 和控制器，这些传感器和控制器通过数据线和控制线与外部的配套电路相连，在 基于网络的超速离心机电控系统设计 图2 1 离心机功能结构原理图 离心机运转的过程中，离心室内部的环境将与外部存在较大的差异，所以离心室 壁的制造材料一般也比较厚重和坚固。 转子是离心机工作的主要执行装置，试剂即存放在转子内部，通过转子的高 速转动让试剂能够离心和分层。与转子相配套的机械有驱动电机，和用来控制驱 动电机的变频调速设备。驱动电机直接用于驱动转子转动，它的最高转速也是离 心机质量评估的重要参数之一。由于机械噪音和体积的缘故，一般驱动电机都放 置在离心室的外部。