專利名稱：六面頂超硬材料液壓機(jī)調(diào)功控制系統(tǒng)及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及六面頂超硬材料液壓機(jī)控制系統(tǒng)，具體為一種六面頂超硬 材料液壓機(jī)調(diào)功控制系統(tǒng)及其控制方法。
(二)
背景技術(shù)：
六面頂超硬材料液壓機(jī)通過在兩個相對的頂錘上加以低電壓大電流， 電流流經(jīng)合成塊，合成塊因內(nèi)部的電阻發(fā)熱，達(dá)到加熱目的。依據(jù)熱力學(xué) 和高壓物理學(xué)，按超硬材料生長合成機(jī)理可計算制定加熱功率和液壓系統(tǒng) 的壓力在時間上的匹配曲線。為了方便地控制合成塊內(nèi)部的溫度和壓力來 控制整個合成過程，目前比較普遍采用的方法是通過測量和計算加熱系統(tǒng) 的加熱功率和液壓系統(tǒng)的系統(tǒng)壓力并對其進(jìn)行控制，即可間接地控制合成 塊內(nèi)部溫度和壓力隨時間的變化關(guān)系，使之符合合成材料溫度壓力匹配曲 線。
目前廣泛使用的六面頂超硬材料液壓機(jī)的加熱功率控制系統(tǒng)即是按 照上述原理設(shè)計的。這種系統(tǒng)一般以單片機(jī)、可編程控制器或其它器件構(gòu) 成主控制器，采用交流互感器檢測加熱變壓器原邊的電壓和電流信號并轉(zhuǎn) 換成平均值作進(jìn)一步處理。這些信號與預(yù)存的加熱工藝參數(shù)進(jìn)行比較，經(jīng) 一定的控制算法處理后，通過控制可控硅的控制角來控制加熱變壓器的輸 出電壓和輸出電流，從而控制合成塊的加熱功率。調(diào)節(jié)方式有恒平均電壓、 恒有效電壓、恒平均電流、恒有效電流和恒功率五種方式。 一般采用模擬
或數(shù)字PID控制方法。實際應(yīng)用中，純模擬電路調(diào)功器仍然相當(dāng)普遍。這 種控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，被廣泛應(yīng)用。
但是，理論分析和現(xiàn)場測試結(jié)果表明，上述六面頂超硬材料液壓機(jī)的 加熱功率控制系統(tǒng)的控制精度不高，尤其是外電網(wǎng)電壓波動對加熱功率控 制精度影響很大。由于生產(chǎn)現(xiàn)場存在各種時斷時續(xù)工作的大功率用電設(shè) 備，電網(wǎng)電壓波動甚至可能高達(dá)20%以上。并且交流互感器響應(yīng)速度較慢、 檢測精度不高，信號處理電路慣性大，因此，合成塊的加熱控制精度難以 保證。此外，目前合成超硬材料產(chǎn)品種類越來越多，合成塊的組裝方式多種多樣，同一種加熱控制系統(tǒng)要面對不同的負(fù)載，溫度控制精度也受到影 響。
合成塊溫度控制精度已被認(rèn)為是影響人造金剛石質(zhì)量和產(chǎn)量的首要 因素。因此，亟需改進(jìn)六面頂超硬材料液壓機(jī)調(diào)功控制系統(tǒng)及其控制方法， 以提高其控制精度。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是設(shè)計一種六面頂超硬材料液壓機(jī)調(diào)功控制系統(tǒng)及其 控制方法，實時精密檢測加熱電壓和電流信號，及時有效地針對電網(wǎng)變化 對加熱功率進(jìn)行控制，提高合成塊加熱功率的控制精度。
本發(fā)明設(shè)計的六面頂超硬材料液壓機(jī)調(diào)功控制系統(tǒng)包括控制中心、可 控硅調(diào)壓器、電流和電壓檢測電路、變壓器以及其它相關(guān)的電路。變壓器 原邊經(jīng)可控硅調(diào)壓器接交流電源、副邊接合成塊，本發(fā)明的控制中心為微 處理器，其控制端口經(jīng)過光電隔離驅(qū)動電路與可控硅調(diào)壓器連接,調(diào)節(jié)其 控制角，可控硅調(diào)壓器接在合成塊加熱變壓器的原邊電路中，控制變壓器
原邊的電壓；與變壓器原邊相接的電流和電壓檢測電路的電流、電壓傳感 器分別為霍爾電流傳感器和霍爾電壓傳感器，電流檢測電路和電壓檢測電 路的電流、電壓信號輸出端接乘法器、同時接入微處理器，乘法器接入微 處理器。微處理器內(nèi)存儲有加熱功率與時間關(guān)系的生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)，還有數(shù) 字信號處理模塊、模糊控制模塊及比例積分控制模塊。
微處理器有與上位機(jī)相聯(lián)的通訊接口，和/或模擬量輸出接口，和/或 設(shè)定量輸入接口，可與上位機(jī)或其它輸入/輸出單元直接交換控制數(shù)據(jù)等 信息，或直接輸入功率設(shè)定值。
本發(fā)明設(shè)計的六面頂超硬材料液壓機(jī)調(diào)功控制系統(tǒng)的控制方法如下 電流和電壓檢測電路所測變壓器原邊的電流電壓的瞬時值送入微處 理器和乘法器，由四象限模擬乘法器計算電壓和電流的乘積、獲得加熱功 率的瞬時值，加熱功率的瞬時值也送入微處理器處理。本發(fā)明的測量計算 保證了加熱電流、電壓和功率的精度和實時性。
微處理器的信號處理模塊對加熱電流、電壓和功率的瞬時值整流，然 后進(jìn)行均值濾波，獲取整流均值，再按常規(guī)的有效值與均值的換算關(guān)系獲 得準(zhǔn)確的當(dāng)前加熱電流、加熱電壓的有效值。本信號處理方法有效減少傳 統(tǒng)測量方法的慣性和滯后，提高了信號的實時性，有利于提高控制系統(tǒng)的動態(tài)特性。特別是這種平均加熱功率測量方法，保證了有效加熱功率的測 量精度。微處理器的信號處理模塊計算上述所得加熱功率平均值與加熱功率的當(dāng)前給定值之差，獲得誤差e，再對e進(jìn)行微分計算，獲得誤差變化率微處理器的模糊控制模塊存儲有調(diào)節(jié)比例積分參數(shù)的模糊控制規(guī)則。 微處理器的模糊控制模塊以誤差e和誤差變化率"為輸入變量，按模糊控制規(guī)則求取比例系數(shù)《w和積分系數(shù)i^的在線修正量Z&、 Z&。用 所得Zi^、 /\《/對尺w和《w進(jìn)行在線修正，修正結(jié)果即為當(dāng)前的i^和&。將當(dāng)前的《p和^送入比例積分控制模塊精確計算下一時刻可控硅控 制角，微處理器通過輸出端口將控制角信號經(jīng)光電隔離驅(qū)動電路送入大功 率可控硅調(diào)壓器，對其進(jìn)行移相觸發(fā)，控制加熱變壓器原邊的電壓，在變 壓器副邊獲得穩(wěn)定的低壓大電流加熱功率。微處理器有RS232通訊接口和設(shè)定量輸入接口、模擬量輸出接口，與 上位機(jī)和/或其它輸入/輸出單元連接，進(jìn)行有效的聯(lián)絡(luò)、管理和控制。本發(fā)明六面頂超硬材料液壓機(jī)調(diào)功控制系統(tǒng)及其控制方法的優(yōu)點為 1、采用了精確測量電量的霍爾傳感器，以及慣性滯后很小的交流電半周 期的均值濾波和均值有效值換算的信號處理方法，使得所獲得的信號能較好地實時地反映電網(wǎng)電壓的變化；2、模糊控制模塊根據(jù)統(tǒng)計值對比例積分控制器的參數(shù)進(jìn)行模糊控制調(diào)節(jié)，按實時加熱功率信號及時地應(yīng)對電網(wǎng) 電壓的變化，對變壓器原邊的電壓實時控制，達(dá)到加熱功率的設(shè)定值，而不會出現(xiàn)超調(diào)，有效提高合成超硬材料人造金剛石單晶及其復(fù)合片(PDC) 的質(zhì)量；3、本系統(tǒng)提供了良好的通訊接口，上位機(jī)可根據(jù)實際情況設(shè)定 微處理器的加熱功率參數(shù)，便于構(gòu)建適應(yīng)性強(qiáng)、整體化高的六面頂超硬材 料液壓機(jī)系統(tǒng)。
圖1為本六面頂超硬材料液壓機(jī)調(diào)功控制系統(tǒng)實施例電路結(jié)構(gòu)示意 圖；圖內(nèi)標(biāo)號為交流電源l、可控硅調(diào)壓器2、變壓器3、合成塊4、乘法器5、微處 理器6;圖2為本六面頂超硬材料液壓機(jī)調(diào)功控制系統(tǒng)實施例的模糊控制模塊結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本六面頂超硬材料液壓機(jī)調(diào)功控制系統(tǒng)的控制方法實施例與普 通PID調(diào)功控制系統(tǒng)的加熱功率響應(yīng)曲線對比圖。圖中，②為本實施例的 加熱功率響應(yīng)曲線，①為普通PID控制的加熱功率響應(yīng)曲線；圖4為本六面頂超硬材料液壓機(jī)調(diào)功控制系統(tǒng)實施例的控制方法程序 框圖。
具體實施方式
本六面頂超硬材料液壓機(jī)調(diào)功控制系統(tǒng)實施例電路結(jié)構(gòu)如圖1所示， 加熱變壓器3副邊接合成塊4，可控硅調(diào)壓器2接在加熱變壓器3的原邊 與交流電源l的電路中，分別接有霍爾電流傳感器和霍爾電壓傳感器的電 流檢測電路和電壓檢測電路接在變壓器3原邊電路上，其輸出信號接入乘 法器5,并與乘法器5的輸出一起接入作為控制中心的微處理器6。微處 理器6經(jīng)光電隔離電路與可控硅調(diào)壓器2相接。微處理器6內(nèi)存儲有加熱 功率與時間關(guān)系設(shè)定的工藝數(shù)據(jù)，還有信號處理模塊、模糊控制模塊和比例積分控制模塊。微處理器6配有RS232通訊接口和模擬量輸出接口 、設(shè)定量輸入接口 ， 供與上位機(jī)和/或其它輸入/輸出單元相聯(lián)，進(jìn)行有效的聯(lián)絡(luò)、管理和控制。 如圖2所示，為微處理器6的模糊控制模塊(簡稱FLC，為Mamdani 型模糊邏輯控制器)與信號處理模塊、比例積分控制模塊相連接的示意圖。 模糊控制模塊內(nèi)存儲有調(diào)節(jié)比例積分參數(shù)修正量的模糊控制規(guī)則。本發(fā)明六面頂超硬材料液壓機(jī)調(diào)功控制系統(tǒng)實施例的控制方法程序 框圖如圖4所示。當(dāng)本控制系統(tǒng)接收指令開始對加熱變壓器3進(jìn)行控制，即以開始時刻 為T。，與微處理器6存儲的加熱功率與時間關(guān)系設(shè)定的T。相對應(yīng)。微處理器6按設(shè)定時間周期t內(nèi)進(jìn)行n次電流和電壓采樣，t=10ms， n=150 400。本例中是t^0ms、 n=200，即每0. 05毫秒采樣一次，將電 流和電壓檢測電路所測變壓器3原邊的加熱電流、電壓的瞬時值送入微處 理器6，乘法器5計算的加熱功率瞬時值也送入微處理器6，微處理器6 的信號處理模塊對電流/、電壓7和功率P的瞬時值濾波。采樣數(shù)據(jù)順序 存儲，以『200為一周期，即10ms求取一次平均值平均電流<formula>formula see original document page 9</formula>平均電壓P = (t。/"，
平均功率<formula>formula see original document page 9</formula>
其中，K、巧分別為電流、電壓和功率的第J'次采樣值。 微處理器6通過上述計算獲得加熱電流、電壓以及加熱功率平均值， 再按常規(guī)有效值與均值的換算關(guān)系計算，獲得加熱電流有效值、加熱電壓 有效值。因此，本系統(tǒng)可設(shè)電流、電壓和功率三種控制模式，用戶可根據(jù) 需要選擇其中一種,系統(tǒng)默認(rèn)為功率控制模式。
微處理器6的信號處理模塊讀取當(dāng)前加熱功率給定值。由系統(tǒng)選擇根 據(jù)當(dāng)前時間由微處理器6內(nèi)部存儲的加熱功率與時間匹配的工藝數(shù)據(jù)讀取 當(dāng)前加熱功率設(shè)定值，或者由微處理器6的輸入接口讀取上位機(jī)給出的當(dāng) 前加熱功率設(shè)定值。根據(jù)當(dāng)前加熱功率設(shè)定值求取其與實際加熱功率平均 值之差，獲得誤差e,再對e進(jìn)行微分計算，獲得誤差變化率e"微處理 器6的模糊控制模塊以誤差e和誤差變化率m為輸入變量，按模糊控制 規(guī)則求取比例系數(shù)尺^和積分系數(shù)《/。的當(dāng)前修正量」尺" 所述模糊控制規(guī)則的獲得方法如下
根據(jù)仿真實驗和生產(chǎn)實踐獲得系統(tǒng)某個時刻加熱功率設(shè)定值和加熱 功率平均值的誤差e和誤差變化率ec與比例增益系數(shù)的修正值Zi^和積 分系數(shù)修正值Z&的相對關(guān)系統(tǒng)計值，經(jīng)過歸一化變換和模糊化處理得到 它們之間對應(yīng)關(guān)系的模糊控制規(guī)則
ec」
存儲于微處理器6的模糊控制模塊。 用所得當(dāng)前的」《p、」&對/i^和/^進(jìn)行在線修正， 尺尸=Xp。+，
將修正后的《p和^送入比例積分控制模塊精確計算下一時刻可控硅 控制角，微處理器6通過輸出接口將控制角信號經(jīng)光電隔離電路送入大功率可控硅調(diào)壓器2，進(jìn)行移相觸發(fā)，控制變壓器3原邊的電壓，在變壓器 3副邊獲得穩(wěn)定的低壓大電流加熱功率。
微處理器6的RS232通訊接口與上位機(jī)連接，上位機(jī)實時接收本系統(tǒng) 的加熱電流、電壓和功率值，并根據(jù)實際情況設(shè)定調(diào)節(jié)本系統(tǒng)微處理器6 所存儲的加熱功率與時間匹配的工藝數(shù)據(jù)。也可以通過其它輸入單元從設(shè) 定量輸入接口直接輸入數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)微處理器6所存儲的加熱功率與時間匹配 的工藝數(shù)據(jù)。
圖3所示為在供電電壓為±20%幅度變化的正弦電壓時，本六面頂超 硬材料液壓機(jī)調(diào)功控制系統(tǒng)實施例與常規(guī)PID調(diào)功控制系統(tǒng)在2秒時間內(nèi) 的控制效果對比圖，其中曲線②所示為本實施例加熱功率響應(yīng)曲線，曲線 ①為常規(guī)PID調(diào)功控制系統(tǒng)的加熱功率響應(yīng)曲線。本實施例的控制系統(tǒng)的 加熱功率波動小于0. 05kW，而常規(guī)PID調(diào)功控制系統(tǒng)加熱功率的波動最大 達(dá)0.8kW。可見穩(wěn)定度大大提高。
本系統(tǒng)可選擇由微處理器6內(nèi)部存儲的加熱功率與時間關(guān)系工藝數(shù)據(jù) 確定當(dāng)前加熱功率設(shè)定值，或者由微處理器6輸入接口讀取上位機(jī)給予的 當(dāng)前加熱功率設(shè)定值，或者其它輸入單元由微處理器6設(shè)定量輸入接口直 接輸入當(dāng)前加熱功率設(shè)定值。
權(quán)利要求
1、一種六面頂超硬材料液壓機(jī)調(diào)功控制系統(tǒng)，包括控制中心、可控硅調(diào)壓器及電流檢測電路和電壓檢測電路，變壓器(3)原邊經(jīng)接可控硅調(diào)壓器(2)接交流電源(1)、副邊接合成塊(4)，控制中心的信號線與可控硅調(diào)壓器(2)連接、控制可控硅控制角，與變壓器(3)原邊相接的電流電壓檢測電路的信號送入控制中心，其特征在于所述控制中心為微處理器(6)，微處理器(6)經(jīng)光電隔離電路與可控硅調(diào)壓器(2)相接，所述電流檢測電路和電壓檢測電路所接的電流、電壓傳感器為霍爾電流傳感器和霍爾電壓傳感器，電流檢測電路和電壓檢測電路的電流、電壓信號輸出端接乘法器(5)、同時接入微處理器(6)，乘法器(5)接入微處理器(6)；微處理器(6)內(nèi)存儲有加熱功率與時間關(guān)系的工藝數(shù)據(jù)，還有信號處理模塊、模糊控制模塊和比例積分控制模塊。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的六面頂超硬材料液壓機(jī)調(diào)功控制系統(tǒng)，其 特征在于所述微處理器(6)的模糊控制模塊存儲有調(diào)節(jié)比例積分參數(shù)修正量 的模糊控制規(guī)則。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的六面頂超硬材料液壓機(jī)調(diào)功控制系統(tǒng)， 其特征在于所述微處理器(6)配有RS232通訊接口，和/或模擬量輸出接口，和 /或設(shè)定量輸入接口。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的六面頂超硬材料液壓機(jī)調(diào)功控制系統(tǒng) 的控制方法，其特征在于所述電流檢測電路和電壓檢測電路所測變壓器(3)原邊的電流電壓 的瞬時值送入微處理器(6)和乘法器(5)，由乘法器(5)計算電壓和電 流的乘積獲得加熱功率的瞬時值也送入微處理器(6);微處理器(6)的信號處理模塊對加熱電流、電壓和功率的瞬時值整 流，然后進(jìn)行均值濾波，獲取整流均值，再按常規(guī)的有效值與均值的換算 關(guān)系獲得準(zhǔn)確的當(dāng)前加熱電流、加熱電壓有效值和加熱功率平均值；微處理器(6)的信號處理模塊計算上述所得加熱功率平均值與加熱功率的當(dāng) 前給定值之差，獲得誤差e，再對e進(jìn)行微分計算，獲得誤差變化率e。 微處理器(6)的模糊控制模塊以誤差e和誤差變化率"為輸入變量，按 模糊控制規(guī)則求取比例系數(shù)A^和積分系數(shù)《^的在線修正量Z1&、」&， 用所得當(dāng)前的」尺p、 Zl^對/^c和/^進(jìn)行在線修正，將當(dāng)前的i^和^送入比例積分控制模塊精確計算下一時刻可控硅的控制角，微處理器(6)通過輸出端口將控制角信號經(jīng)光電隔離電路送入 大功率可控硅調(diào)壓器(2)，對其進(jìn)行移相觸發(fā)，控制變壓器(3)原邊的 電壓，在變壓器(3)副邊獲得穩(wěn)定的低壓大電流加熱功率。
5、根據(jù)權(quán)利要求4所述的六面頂超硬材料液壓機(jī)調(diào)功控制系統(tǒng)的控 制方法，其特征在于所述模糊控制規(guī)則的獲得方法如下根據(jù)仿真實驗和生產(chǎn)實踐獲得系統(tǒng)某個時刻加熱功率設(shè)定值和加熱 功率平均值的誤差e和誤差變化率"與比例增益系數(shù)的修正值ZL^和積 分系數(shù)修正值/\&的相對關(guān)系統(tǒng)計值，經(jīng)過歸一化變換和模糊化處理得到 它們之間對應(yīng)關(guān)系的模糊控制規(guī)則ecj。
6、根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的六面頂超硬材料液壓機(jī)調(diào)功控制系統(tǒng)的 控制方法，其特征在于微處理器(6)的RS232通訊接口與上位機(jī)連接，上位機(jī)實時接收本系 統(tǒng)的加熱電流、電壓和功率值，并根據(jù)實際情況設(shè)定調(diào)節(jié)本系統(tǒng)微處理器 (6)所存儲的加熱功率與時間匹配的工藝數(shù)據(jù)；或者其它輸入單元由設(shè) 定量輸入接口輸入數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)微處理器(6)所存儲的加熱功率與時間匹配 的工藝數(shù)據(jù)。
7、根據(jù)權(quán)利要求6所述的六面頂超硬材料液壓機(jī)調(diào)功控制系統(tǒng)的控 制方法，其特征在于由系統(tǒng)選擇根據(jù)當(dāng)前時間由微處理器(6)內(nèi)部存儲的加熱功率與時 間匹配的工藝數(shù)據(jù)讀取當(dāng)前加熱功率設(shè)定值，或者由微處理器(6)的輸 入接口讀取上位機(jī)給出的當(dāng)前加熱功率設(shè)定值，或者其它輸入單元由微處 理器(6)設(shè)定量輸入接口直接輸入當(dāng)前加熱功率設(shè)定值。
8、根據(jù)權(quán)利要求4所述的六面頂超硬材料液壓機(jī)調(diào)功控制系統(tǒng)的控 制方法，其特征在于-微處理器(6)按設(shè)定時間周期t內(nèi)進(jìn)行n次電流和電壓采樣，所測 變壓器(3)原邊的電流、電壓的瞬時值和乘法器(5)計算的功率瞬時值 送入微處理器(6)的信號處理模塊進(jìn)行濾波，采樣數(shù)據(jù)順序存儲，以n 為一周期，求取電流、電壓和功率的一次平均值，<formula>formula see original document page 4</formula>
9、根據(jù)權(quán)利要求8所述的六面頂超硬材料液壓機(jī)調(diào)功控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于所述時間t=10ms 、 n =150 400。
全文摘要
本六面頂超硬材料液壓機(jī)調(diào)功控制系統(tǒng)及其控制方法，系統(tǒng)包括微處理器、接在加熱變壓器原邊的可控硅調(diào)壓器及霍爾傳感器。加熱量設(shè)定值由上位機(jī)或其它輸入單元或內(nèi)存數(shù)據(jù)給出，控制信號經(jīng)光電隔離電路與可控硅調(diào)壓器相接，微處理器內(nèi)有信號處理、模糊控制和PI控制模塊。模糊控制模塊存有調(diào)節(jié)PI參數(shù)的模糊控制規(guī)則。其控制方法為信號處理模塊對加熱電流、電壓和功率的瞬時值整流濾波，計算當(dāng)前加熱功率平均值與設(shè)定值比較，模糊控制模塊實時調(diào)節(jié)PI參數(shù)，并獲得下一時刻可控硅控制角，穩(wěn)定控制變壓器加熱功率于設(shè)定值。其優(yōu)點為電量測量精確且慣性和滯后小，當(dāng)電網(wǎng)電壓波動大時能及時調(diào)節(jié)加熱功率，控制精度高，有效保證合成超硬材料質(zhì)量。
文檔編號B01J3/06GK101301596SQ200810073428
公開日2008年11月12日 申請日期2008年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月16日
發(fā)明者何少佳, 莫金海, 趙旭東, 陳智謀 申請人:桂林電子科技大學(xué);桂林冶金機(jī)械總廠