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        恒溫油槽智能控制系統(tǒng)的研究*

        2011-10-18 14:33:30馬春生張治民
        制造技術(shù)與機(jī)床 2011年8期
        關(guān)鍵詞:電阻絲油槽控制精度

        馬春生 張治民

        (①中北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院,山西太原030051;②中北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,山西太原030051)

        隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,許多精密產(chǎn)品的生產(chǎn)制造都要求具有特定的工作環(huán)境。本項(xiàng)目研發(fā)的鎂合金轎車輪轂等溫?cái)D旋成形裝置,就要求在250℃左右的液態(tài)介質(zhì)中加工。通過密封的液態(tài)恒溫槽使輪轂在某介質(zhì)中的適當(dāng)溫度下等溫成形,這樣的成形技術(shù)既增加了輪轂的變形區(qū)范圍,又減小了變形溫度的波動(dòng)幅度。變形區(qū)范圍增大,則變形路徑更趨合理;溫度波動(dòng)幅度減小,則變形金屬內(nèi)部由于變形不均勻而引起的組織性能的差異也隨之減小,顯著提高了產(chǎn)品的塑性,減小了成形后殘余應(yīng)力,改善了產(chǎn)品的質(zhì)量和精度,為此項(xiàng)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供了保障。此次設(shè)計(jì)的恒溫槽,可對(duì)實(shí)際乃至未來設(shè)備的生產(chǎn)提供一個(gè)較大的發(fā)展空間[1-2]。

        1 恒溫油槽的系統(tǒng)組成及工作原理

        等溫?cái)D旋成形技術(shù)是一項(xiàng)綜合了旋壓、鍛造、擠壓、拉伸、彎曲和滾壓等工藝特點(diǎn)的少無切削加工的先進(jìn)工藝。依據(jù)等溫?cái)D旋成形工藝設(shè)計(jì)出的裝備如圖1所示。新工藝的特點(diǎn)之一要求工件在液態(tài)介質(zhì)中等溫加工,因而恒溫油槽的合理設(shè)計(jì)是裝備中的關(guān)鍵技術(shù)之一[3]。

        恒溫油槽是一個(gè)為金屬熱加工提供工作環(huán)境的系統(tǒng)。系統(tǒng)由油槽、加熱器、攪拌機(jī)、溫度傳感器和控制電路組成。

        首先通過油泵2把油經(jīng)輸油管5泵到加熱槽6中加熱,電動(dòng)機(jī)7帶動(dòng)漿葉攪動(dòng)油流,油流充分混合溫度達(dá)到均勻一致,然后通過油路進(jìn)入油槽10,最后經(jīng)過油路流回到加熱槽,實(shí)現(xiàn)供油循環(huán)。油流在油槽中通過控制系統(tǒng)達(dá)到合適的流速,以保證它在油槽中溫度均勻且穩(wěn)定不變。

        在加熱槽底部設(shè)有儲(chǔ)油箱1,若需清理儲(chǔ)油箱中的油,可通過油泵2和放液閥4抽離儲(chǔ)油箱。若加熱槽溫度需快速下降,可打開閥門3,把槽中部分高溫油放入儲(chǔ)油箱后,再用油泵將冷油經(jīng)輸油管5泵入槽內(nèi)。

        加熱電阻絲在加熱槽6中放置應(yīng)注意以下幾點(diǎn):

        (1)電阻絲的分布應(yīng)該符合恒溫槽傳導(dǎo)熱量的比率,這樣才能使溫度場(chǎng)分布均勻且穩(wěn)定。

        (2)要減小電阻絲通過電流時(shí)可能產(chǎn)生的附加干擾磁場(chǎng)。可以用雙線法繞制。

        (3)加熱電阻絲必須緊密貼合在槽上,這樣才能使熱量迅速傳遞給恒溫槽。并且加熱電阻絲和恒溫槽之間應(yīng)該絕緣,可以在加熱電阻絲繞制好后在其上噴上清漆或其他絕緣膠。

        (4)加熱電阻絲的安裝必須注意與測(cè)溫元件之間的相對(duì)位置,使它們之間的分布溫度滯后最小。

        2 恒溫油槽的控制原理

        恒溫油槽的控制原理如圖2所示,系統(tǒng)選擇AT89C52單片機(jī)為控制器。在加熱槽內(nèi)設(shè)有兩組電加熱器(P1=50 kW,P2=2 500 W)、攪拌器和PT100的溫度傳感器。

        啟動(dòng)電加熱器P1,1 h后恒溫槽內(nèi)溫度可達(dá)額定溫度TH=250℃左右。恒溫槽允許的溫度范圍(-1%)TH≤T≤(1%)TH。溫度傳感器將目前槽內(nèi)溫度變換成微小電壓,經(jīng)放大器LM124放大后,得到0~5 V輸出電壓,該模擬輸出電壓經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器TLC2543轉(zhuǎn)換成數(shù)字量供微機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行采集。

        恒溫槽開啟加熱達(dá)到額定溫度后,微機(jī)系統(tǒng)開始采集和處理恒溫槽的溫度。即定時(shí)檢測(cè)、顯示和處理恒溫槽的溫度。微機(jī)系統(tǒng)每隔1 min,通過4位LED數(shù)碼管顯示當(dāng)前檢測(cè)溫度值,另4位LED數(shù)碼管顯示設(shè)定值。通過顯示值判斷,若槽溫在允許范圍內(nèi),則切斷P1,投入P2,且綠色指示燈亮。

        若槽溫T≥(+3%)TH時(shí),則切斷P2,紅色指示燈亮,且連續(xù)發(fā)出F=1 000 Hz的聲音報(bào)警。取出槽內(nèi)熱處理工件,等待機(jī)檢查系統(tǒng)故障。故障消除后停止聲光報(bào)警,重新啟動(dòng)系統(tǒng)工作。

        若恒槽溫 T≤(-3%)TH時(shí),同時(shí)投入 P1、P2,黃色指示燈亮,且連續(xù)發(fā)出F=500 Hz的聲音報(bào)警。待槽溫升至允許范圍后,切斷P1,保留P2,停止聲光報(bào)警,系統(tǒng)繼續(xù)工作。

        由于油槽要求使用溫度范圍寬(0~350℃),控制精度(0.1℃),A/D電路必須達(dá)到很高的分辨率才能滿足要求。我們選用TLC2543,該芯片具有12位轉(zhuǎn)換精度速率,并行輸出接口。A/D轉(zhuǎn)換的量化誤差為250℃/4 096=0.06℃,基本可以滿足控制精度的要求??刂葡到y(tǒng)以AT89C52單片機(jī)為核心,89C52屬于MCS-51單片機(jī)的改進(jìn)型,是一種低電壓、高性能CMOS8位微控制器。片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元,大大簡(jiǎn)化了單片機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)??刂齐娐吩砣鐖D3所示。

        3 系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)[4],在主程序模塊下分成若干彼此獨(dú)立的分模塊,如A/D模塊、鍵盤掃描模塊、顯示模塊、模糊控制模塊等。在各模塊適當(dāng)位置設(shè)置軟件陷阱,進(jìn)行冗余設(shè)計(jì),以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。主程序流程如圖4所示。

        控制方法根據(jù)給定值與測(cè)量值的偏差e選擇智能控制器,根據(jù)偏差變化選擇控制方法。通常|e|≤emin或|e|≥emax時(shí),采用PID控制算法,在 emin≤|e|≤emax時(shí)采用模糊控制算法。該方法與傳統(tǒng)PID控制相比,明顯的特點(diǎn)是抗干擾能力增強(qiáng);與模糊控制相比,控制精度更高。溫度控制系統(tǒng)原理如圖5所示。

        在系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)中我們充分考慮了與硬件電路的有機(jī)結(jié)合,有效地利用了模糊控制技術(shù)來減小過渡過程時(shí)間和提高控制精度。模糊控制器設(shè)計(jì)為雙輸入單輸出型.輸入量一為設(shè)定溫度和當(dāng)前油槽溫度的偏差e,輸入量二為偏差變化率ev(即當(dāng)前的偏差減去前一采樣時(shí)刻的偏差),輸出量是一個(gè)控制周期內(nèi)加到調(diào)功器件上的電壓控制量u。

        首先對(duì)輸入量e和ev進(jìn)行模糊化處理,分別將它們劃分為8個(gè)模糊子集,即:PL(正大),PM(正中),PS(正小),PO(正零),NO(負(fù)零),NS(負(fù)小),NM(負(fù)中),NL(負(fù)大),分別確定出對(duì)應(yīng)的隸屬度。然后對(duì)輸出量u進(jìn)行模糊化處理,將它們劃分為7個(gè)模糊子集,即:PL(正大),PM(正中),PS(正小),O(零),NS(負(fù)小),NM(負(fù)中),NL(負(fù)大),確定出對(duì)應(yīng)的隸屬度。

        控制規(guī)則的一般形式為:IF e=TiAND ev=ΔTjTHEN u=Vij,可得模糊關(guān)系矩陣為 R=Ti× ΔTj× Vij,如果偏差e和偏差變化率ev分別取模糊集Ti和ΔTj,則根據(jù)模糊推理的組合法則,輸出的控制量u應(yīng)為模糊集Vij,即Vij=(Ti×ΔTj)×R。最后得出的模糊控制規(guī)則如表1所示。

        表1 模糊控制規(guī)則表

        PID控制器是一種線性調(diào)節(jié)器,采用單片機(jī)作為控制核心的自動(dòng)控制是一種采樣控制,它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的誤差值計(jì)算控制變量Y,因此是離散控制,但對(duì)于時(shí)間常數(shù)比較大的系統(tǒng)來說,其近似于連續(xù)變化,所以數(shù)字PID完全能夠代替模擬調(diào)節(jié)器,只不過模擬PID控制算法公式(1)中的積分項(xiàng)和微分項(xiàng)不能直接準(zhǔn)確計(jì)算,只能用數(shù)值計(jì)算的方法逼近[5]。其控制算法的模擬表達(dá)式為

        式中:Y(t)為調(diào)節(jié)器的輸出;e(t)為調(diào)節(jié)器的偏差信號(hào);Ti為積分時(shí)間;Td為微分時(shí)間。為便于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)PID調(diào)節(jié),上式離散化增量控制算式如下:

        式中:ek、ek-1、ek-2為第 k、k-1、k-2 次采樣偏差值。

        4 調(diào)試結(jié)果及結(jié)論

        設(shè)計(jì)的恒溫油槽經(jīng)調(diào)試后,可滿足下列主要技術(shù)指標(biāo)要求:

        (1)油槽工作溫度范圍:0~350℃。

        (2)控制精度:±0.06℃。

        (3)從開機(jī)到進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)間:小于1 h(設(shè)置溫度為250℃時(shí))。

        (4)工作條件:環(huán)境溫度為10~40℃;工作電壓為220(1±10%)V;電源頻率為50(1±1%)Hz;加熱功率為2.5~50 kW。

        通過實(shí)際工程驗(yàn)證,實(shí)現(xiàn)了恒溫槽單片機(jī)的自動(dòng)控制,系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠,具有控制精度高,進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)所需時(shí)間短,性能比高等特點(diǎn)。此設(shè)計(jì)方法對(duì)其他類型的恒溫設(shè)備的設(shè)計(jì)也有借鑒作用,具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

        [1]張寶紅,張治民,張星,等.杯形件溫引伸數(shù)值模擬[J].塑性工程學(xué)報(bào) 2004,11(3):86-88.

        [2]付傳鋒,張鈺成,賴周藝,等.國(guó)內(nèi)外鎂合金等溫鍛造進(jìn)展[J].中國(guó)機(jī)械工程,2006,17(增刊):135-139.

        [3]馬春生,張治民,等.自旋成型裝置的設(shè)計(jì)與數(shù)值模擬[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究,2010,26(4):111-114.

        [4]季鏡屏,李國(guó)平,錢火根.一種新型高精度標(biāo)準(zhǔn)恒溫油槽[J]計(jì)量技術(shù),2000(10):15-17.

        [5]石雄.恒溫槽高精度恒溫自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置,2005(1):32-34.

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