張遠(yuǎn)志，車英，朱萬彬，魯秀娥

（1.長春理工大學(xué)　光電工程學(xué)院，長春　130022；2.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所　應(yīng)用光學(xué)國家重點實驗室，長春　130033；3.長春相干光學(xué)機電技術(shù)有限公司，長春　130022）

基于微射流拋光系統(tǒng)的溫度精密控制系統(tǒng)的設(shè)計

張遠(yuǎn)志1，車英1，朱萬彬2，魯秀娥3

（1.長春理工大學(xué)光電工程學(xué)院，長春130022；2.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所應(yīng)用光學(xué)國家重點實驗室，長春130033；3.長春相干光學(xué)機電技術(shù)有限公司，長春130022）

提出了一種超調(diào)制冷熱補償技術(shù)，解決了由于大功率制冷源導(dǎo)致的控制系統(tǒng)慣性大，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時間長的難題。該方法克服了傳統(tǒng)PID算法參數(shù)調(diào)整復(fù)雜，超調(diào)量大的缺點，將傳統(tǒng)大慣量時滯溫控系統(tǒng)的開機預(yù)熱穩(wěn)定平衡時間大范圍縮短。運用該技術(shù)進行拋光液恒溫供給系統(tǒng)的設(shè)計，最終實現(xiàn)了液體的溫度超高精度的控制。實驗結(jié)果表明，當(dāng)系統(tǒng)設(shè)定值與環(huán)境溫度溫差值在10℃以內(nèi)時，采用超調(diào)制冷熱補償方法，開機預(yù)熱時間控制在10min以內(nèi)，同時系統(tǒng)能夠獲得優(yōu)于0.01℃的穩(wěn)態(tài)精度和良好的動態(tài)特性，能夠滿足工業(yè)控制領(lǐng)域恒溫系統(tǒng)的溫度精密控制要求。

超調(diào)制冷；熱補償；精密控制

隨著光電技術(shù)的不斷發(fā)展，對關(guān)鍵部件表面粗糙度的要求越來越苛刻。尤其是在短波光學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域，對光學(xué)元件表面粗糙度甚為嚴(yán)格。

不同能量組合方式作用于拋光部件，結(jié)合先進的控制方法，對傳統(tǒng)拋光方法的提升有了較高的突破，出現(xiàn)了諸多新的方法。其中非接觸超光滑液體拋光技術(shù)應(yīng)用了流體力學(xué)原理，實現(xiàn)了光學(xué)元件的超光滑加工。由于微射流拋光磨料粒子以恒溫、恒壓、恒流作用于工件表面時，不會對材料產(chǎn)生塑性形變，而只是破壞微觀粒子間的相互作用力，可獲納米級粗糙度值超光滑表面［1-6］。

本文在多軸加工數(shù)控機床的基礎(chǔ)上構(gòu)建了非接觸超光滑磨粒恒溫控制系統(tǒng)。通過對拋光液恒溫、恒壓、恒流綜合控制作用，從而滿足拋光液對五軸加工中心磨頭的供給，實現(xiàn)了脆硬材料的柔緩性加工，獲得光滑納米級表面。大量實驗對各工藝參數(shù)進行研究，諸如對影響拋光液流動壓力的規(guī)律，探索出流體壓力大小、溫度高低、流速快慢對加工效果的影響［7-10］。利用該系統(tǒng)實現(xiàn)了對拋光液各參數(shù)的控制，提高了加工質(zhì)量和加工效率，為實現(xiàn)自動化加工提供實驗依據(jù)。

如今溫控系統(tǒng)中廣泛采用的是PLC控制系統(tǒng)，研究發(fā)現(xiàn)，PLC控制系統(tǒng)中溫度的控制主要是采用PLC自身的控制器，其中PID控制器居多，它是一種控制線性系統(tǒng)的控制器，必須不斷地調(diào)整PID各參數(shù)，才能保持系統(tǒng)的控制性能。在大慣量時滯溫控系統(tǒng)中，其工藝控制過程復(fù)雜多變，系統(tǒng)慣性較大，延時作用較強，具有較多不確定性。因此先進的控制理論方法對系統(tǒng)穩(wěn)定性具有較大作用。本文提出一種超調(diào)制冷熱補償方法，利用系統(tǒng)自身壓縮機進行超調(diào)制冷，然后利用PWM方法控制溫度加熱系統(tǒng)對溫度進行連續(xù)可調(diào)補償，從而達到精密調(diào)節(jié)系統(tǒng)溫度的目的。

1　微射流溫控系統(tǒng)設(shè)計方法及原理

1.1傳統(tǒng)溫控方法的實現(xiàn)

傳統(tǒng)溫控方法多數(shù)采用PID控制，利用精密溫度傳感模塊采集被測物體的溫度信號，運用PID控制器并根據(jù)被測值與設(shè)定值的偏差進行比例、積分、微分運算，將反饋控制信號傳送給中央處理單元，對個參數(shù)進行調(diào)整，促使系統(tǒng)達到設(shè)定值，從而實現(xiàn)溫度的控制。比例運算反映偏差與控制量的關(guān)系，參數(shù)設(shè)定值越大，系統(tǒng)靈敏度越低，比例設(shè)定值越小，系統(tǒng)靈敏度越高。積分運算就是為消除系統(tǒng)自生偏差。積分時間越短，積分作用越強。比例運算和積分運算響應(yīng)較慢。微分運算目的是為彌補以上作用缺點。微分作用針對偏差速度對輸出量進行修正，使系統(tǒng)達到平衡值，微分作用時間是微分作用強度度量，作用時間越長，修正越強。

比例控制是PID控制中最基本的控制，起主導(dǎo)作用。系統(tǒng)一出現(xiàn)誤差，比例控制立即產(chǎn)生作用以減少偏差。比例系數(shù)P越大控制作用越強，但也容易引起系統(tǒng)不穩(wěn)定。比例控制可減少誤差，但無法消除偏差，控制結(jié)果會產(chǎn)生余差。積分作用與系統(tǒng)積分時間有關(guān)。積分作用后，波動作用變大，系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)變慢，系統(tǒng)最終消除余差，提高了控制精度。微分輸出對比例控制起到補償作用，抑制了超調(diào)，減少了波動，使調(diào)節(jié)時間變短，促使系統(tǒng)保持穩(wěn)定。

PID控制器各部分參數(shù)的選擇，在系統(tǒng)現(xiàn)場調(diào)試中最后確定。數(shù)學(xué)分析表明，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時間與控制系統(tǒng)的慣量大小有關(guān)，系統(tǒng)慣量大，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)時間就越長，相反系統(tǒng)慣量小，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)時間就越短，而且對大慣量控制系統(tǒng)，采用傳統(tǒng)PID控制方法，其系統(tǒng)波動周期較大，穩(wěn)態(tài)特性較差。

1.2系統(tǒng)溫度控制方法

在恒溫控制系統(tǒng)中，為了降低穩(wěn)態(tài)時間，往往加熱系統(tǒng)與制冷系統(tǒng)的供給源不能太小，對于熱源系統(tǒng)，可以改變功率實現(xiàn)非恒量功率，而制冷系統(tǒng)的制冷功率較難實現(xiàn)連續(xù)控制。這樣由于系統(tǒng)慣量較大相應(yīng)延時性也大，不僅導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時間過長，而且溫度波動性很大，從而很難實現(xiàn)超高精度的溫度控制。如何精確控制系統(tǒng)的溫度，這一問題便成為本文研究的主要內(nèi)容。

恒溫控制系統(tǒng)之所以出現(xiàn)溫度波動，主要有如下幾方面原因。其一是因為溫控系統(tǒng)的制冷速率過大導(dǎo)致系統(tǒng)慣量較大，出現(xiàn)超調(diào)、延時現(xiàn)象。其二是因為溫控系統(tǒng)的加熱源不能對系統(tǒng)進行連續(xù)熱量補償，導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象。針對以上原因本文提出了一種超調(diào)制冷熱補償?shù)姆椒ā?/p>

設(shè)計方法是預(yù)先給系統(tǒng)一個微小的制熱源，由初始狀態(tài)進入工作狀態(tài)后，控制系統(tǒng)進行初步溫度調(diào)整，當(dāng)達到基本平衡后，制冷系統(tǒng)給出超調(diào)量，與此同時啟動PWM控制的加熱系統(tǒng)對系統(tǒng)進行連續(xù)可調(diào)，從而達到溫度精密調(diào)節(jié)。此過程當(dāng)中，壓縮機制冷量不能連續(xù)可調(diào)，但通過加熱量的連續(xù)可調(diào)實現(xiàn)溫度精密控制。

為了對微型加熱管的加熱功率進行連續(xù)控制，系統(tǒng)采用了PWM技術(shù)，直接改變PWM方波占空比即電加熱管通斷占空比，從而可實現(xiàn)對溫度的高精度閉環(huán)連續(xù)控制。

基于PWM控制算法的電加熱系統(tǒng)有效地解決了慣性滯后類現(xiàn)象易引起系統(tǒng)產(chǎn)生超調(diào)或是震蕩，從而使系統(tǒng)穩(wěn)定性降低的問題。整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，控制精度高、超調(diào)小、可靠性高而且PWM周期可調(diào)。實際應(yīng)用過程中可根據(jù)具體控制對象測定慣性常數(shù)、滯后時間。在調(diào)試過程中，根據(jù)響應(yīng)特性作相應(yīng)調(diào)整，即可達到比較理想的結(jié)果。系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)原理圖

針對傳統(tǒng)大慣量PID時滯溫控系統(tǒng)存在的缺陷，上述方法使系統(tǒng)滯后時間大大縮短，提高了系統(tǒng)的靈活性和穩(wěn)態(tài)精度。

2　微射流溫控系統(tǒng)總體設(shè)計方法

系統(tǒng)采用浴鍋的設(shè)計如圖2所示。拋光液處于內(nèi)膽中，內(nèi)膽外壁通過盛有中間夾層水的容器浴熱，中間夾層水浸入加熱管與蒸發(fā)管，實現(xiàn)系統(tǒng)的熱源及制冷源的供給。其硬件結(jié)構(gòu)組成主要由PLC作為控制核心，溫度變量經(jīng)溫度傳感器采集后，經(jīng)A/ D轉(zhuǎn)換模塊后在PLC中處理，PLC將它與溫度設(shè)定值比較，并按照系統(tǒng)設(shè)計算法對誤差進行處理，驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)系統(tǒng)閉環(huán)控制。

圖2　系統(tǒng)總體設(shè)計圖

系統(tǒng)硬件選擇：PLC的選擇主要應(yīng)從PLC機型、電源模塊、IO模塊、容量、特殊功能模塊、通信聯(lián)網(wǎng)功能等諸多方面進行考慮。實驗采用深圳市顧美科技有限公司的觸摸屏式PLC一體機，其型號為EX2N-16MR-70-2DA-S。

高精密溫度傳感器。選擇高精密pt100鉑電阻，在中低溫中區(qū)鉑電阻是最常用的溫度檢測器，其主要特點是測量精度高、性能穩(wěn)定。

溫度采集系統(tǒng)采用12路PT100溫度采集器。由于系統(tǒng)需要采集多路溫度信息，PLC模擬量IO端口有限，所以采用溫度采集器。溫度傳感器采集信號后，經(jīng)RS232通訊口與PLC系統(tǒng)連接。將溫度傳感器的輸出信號進行采集并處理，通過RS232通訊端口與PLC主機通訊。這樣不僅解決端口問題，而且減輕了CPU負(fù)擔(dān)。

發(fā)熱管及PWM加熱驅(qū)動。發(fā)熱管材質(zhì)采用特種金屬材質(zhì)的電熱管內(nèi)芯，外套鐵氟龍管（PTFE）制做，因PTFE管耐強腐蝕性及不粘性，所以廣泛用于液體拋光等各種高要求化學(xué)藥液的加熱。加熱驅(qū)動器的選擇對系統(tǒng)的控制效果可靠性及使用壽命有著較大的影響。目前，廣泛應(yīng)用的有接觸器、可控硅、絕緣柵型晶體管、固態(tài)繼電器等。PLC可編程控制器自生攜帶PWM脈沖發(fā)生模塊，通過改變脈沖方波占空比來控制加熱管功率放大模塊，從而實現(xiàn)驅(qū)動控制器件連續(xù)控制熱量輸出。

制冷裝置。制冷裝置由PLC控制變頻控制器，再由變頻器控制變頻壓縮機制冷。壓縮機的轉(zhuǎn)速的快慢決定制冷量的大小，所以通過控制變頻器的頻率改變制冷量大小。當(dāng)系統(tǒng)所需較小制冷量時，壓縮機低速運轉(zhuǎn)，減少壓縮機由于頻繁啟動造成的能量損耗。同時減少了系統(tǒng)停機造成系統(tǒng)高低壓失衡，開機又必須重新建立平衡造成的能量損耗。變頻器采用低頻低壓啟動方式，控制系統(tǒng)啟動電流，減輕了對電網(wǎng)的沖擊，尤其是在用電高峰期，經(jīng)常由于電網(wǎng)負(fù)荷大而使系統(tǒng)不能正常工作。系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)框圖

3　系統(tǒng)性能測試與實驗數(shù)據(jù)分析

實驗熱源供給系統(tǒng)分為三部分：制冷系統(tǒng)，粗調(diào)加熱系統(tǒng)，精調(diào)加熱裝置。在對拋光液供給系統(tǒng)進行精密調(diào)節(jié)控制以前，分別對上述各溫控部分進行數(shù)據(jù)采集，實驗過程中拋光液體積為30L，攪拌電機轉(zhuǎn)速為80r/min，實驗過程中沒有外部突變擾動，得到的實測量數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4　變頻壓縮機制冷和粗調(diào)加熱系統(tǒng)加熱效果圖

圖4是變頻壓縮機制冷和粗調(diào)加熱系統(tǒng)加熱效果圖。變頻壓縮機制冷的工作方式是通過改變壓縮機的轉(zhuǎn)速來改變冰箱的制冷量，所以當(dāng)變頻壓縮機以固定頻率工作時，制冷去曲線圖近似為直線。粗調(diào)加熱系統(tǒng)采用電熱管作為系統(tǒng)的加熱器件，當(dāng)加熱器一固定功率工作時，加熱量一定，所以加熱曲線圖也近似為直線。

圖5　精調(diào)加熱裝置對30L拋光液進行連續(xù)加熱的加熱效果圖

圖5是精調(diào)加熱裝置對30L拋光液進行連續(xù)加熱的加熱效果圖。本控制方法采用PWM控制模塊為驅(qū)動控制器件，能發(fā)出連續(xù)方波對系統(tǒng)進行連續(xù)加熱，同時可以通過改變PWM方波的占空比來改變制熱功率。從圖中可以看出微調(diào)加熱裝置制熱功率非常小，可以看出所以其可以作為整個系統(tǒng)的精密調(diào)節(jié)裝置。

圖6　超調(diào)制冷熱補償方法溫控曲線圖

圖7PID溫控曲線圖

圖6是整個系統(tǒng)的溫控曲線圖，圖7是PID溫控曲線，比較發(fā)現(xiàn)，在系統(tǒng)穩(wěn)定時間和波動性能方面有了較大的提升，初始狀態(tài)時系統(tǒng)采用粗調(diào)加熱系統(tǒng)對系統(tǒng)進行連續(xù)加熱當(dāng)達到26℃時關(guān)閉加熱裝置，但是由于系統(tǒng)慣量大，溫度繼續(xù)走高，啟動制冷裝置，變頻壓縮機開始工作，溫度開始慢慢下降，當(dāng)達到26℃時，PLC改變變頻壓縮機工作頻率，壓縮機的轉(zhuǎn)速降低，制冷量控制在一個恒定值，即本文所述的超調(diào)制冷，然后啟動微調(diào)加熱系統(tǒng)對系統(tǒng)進行連續(xù)可調(diào)加熱，經(jīng)過幾次溫度波動后溫度保持在恒定值，從而使系統(tǒng)達到恒溫精確控制。

4　結(jié)論

針對拋光液供給系統(tǒng)的溫度精密調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的特點，本文以文本一體邏輯可編程控制器作為控制核心，具有編程靈活、操作方便、運行可靠等優(yōu)點。采用超調(diào)制冷熱補償方法對系統(tǒng)進行溫度精密調(diào)節(jié)，克服了系統(tǒng)慣量大致使系統(tǒng)延時較長，溫度波動較大的缺點，實現(xiàn)了溫度精密調(diào)節(jié)，取得了良好閉環(huán)控制效果。溫度控制范圍為15～35℃，精度達到±0.01℃。

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The Design of Precise Temperature Control System Based on Micro Jet Polishing

ZHANG Yuanzhi1，CHE Ying1，ZHU Wanbin2，LU Xiue3

（1.School of Optoelectronic Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022；2.State Key Laboratory of Applied Optics，Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033；3.Changchun Coherent Optics，Mechanical and Electrical Technology Co.，LTD，Changchun 130022）

This paper proposes a technology which can adjust the heat and thermal co-mpensation and solve the problem that large refrigeration source of inertia due to big difficult.This method overcomes the disadvantage of traditional adjustment of PID which have complex algorithm parameter and large amount of overshoot of faults.Shortened a wide range of stable equilibrium time large time.Using this technique，the design of the polishing liquid temperature supply system finally achieved the liquid of high precision temperature control.Experimental results show that when the system Settings and temperature difference value within 10℃，environment temperature cold heat compensation methods is made of super modulation control within 10mim warm-up time，at the same time the system can achieve 0.01℃ high steady state accuracy and good dynamic characteristics which can also satisfy the thermostat supply system in the domain of industrial control precision temperature control adjustment.

overshoot refrigeration；thermal compensation；micromanipulation

TH744

A

1672-9870（2016）03-0019-04

2015-11-19

吉林省科技發(fā)展計劃資助項目（20130101010JC，20150307036GX，20150307039JX）作者簡介：張遠(yuǎn)志（1987-），男，碩士研究生，E-mail：1004045661@qq.com

朱萬彬（1963-），男，副研究員，E-mail：13704368108@163.com