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1、1基于模糊控制的擺動式球磨機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計開題報告一、開題的目的及意義隨著社會的進(jìn)步，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，粉末工業(yè)是我國國民經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)原料產(chǎn)業(yè)，幾乎所有的現(xiàn)代新興技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展都源于粉末制備技術(shù)的進(jìn)步。粉末工業(yè)離不開粉末的加工設(shè)備球磨機(jī)。自1893年球磨機(jī)的出現(xiàn)以來，它就一直在礦業(yè)、冶金、建材、化工及電力部門等若干基礎(chǔ)行業(yè)的原料粉碎中得到廣泛的應(yīng)用。隨著陶瓷工業(yè)的發(fā)展，球蘑機(jī)也成為了陶瓷工業(yè)中粉磨工序中不可缺少的機(jī)械設(shè)備。從長遠(yuǎn)來看，今后相當(dāng)長的時期內(nèi)球蘑機(jī)仍將是陶瓷工業(yè)中原料磨碎作業(yè)的主要設(shè)備，因此對球蘑機(jī)的研究也受到了相關(guān)專家的高度重視，近年來國內(nèi)外也取得了許多成果。球磨機(jī)作為制粉的設(shè)備，它以可靠

2、性高、能常時間使用、維護(hù)量小等優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)外仍被廣泛采用。球磨機(jī)制粉系統(tǒng)的任務(wù)是在保證球磨機(jī)安全運(yùn)行的情況下，使磨出力達(dá)到最大，處于最佳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行工況。由于模糊控制技術(shù)的發(fā)展，模糊控制技術(shù)也廣泛應(yīng)用于球磨機(jī)控制系統(tǒng)中，模糊控制（fuzzycontrol,FC）是以模糊集合論、模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計算數(shù)字控制，是一種正在興起的能夠提高工業(yè)自動化能力的控制技術(shù)。本課題為基于模糊控制技術(shù)的擺動式球磨機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計，其原理是運(yùn)用模糊控制技術(shù)控制球磨機(jī)的罐體做多維往復(fù)運(yùn)動中，球磨機(jī)內(nèi)的物料受磨介和罐體的作用，其物理形狀發(fā)生改變，釋放出能量，所釋放出能量的一部分轉(zhuǎn)化成瞬態(tài)變化的壓力波，即為

3、聲發(fā)射波。聲發(fā)射波在傳播過程中，碰撞周圍物體，由于壓力作用使物體表而產(chǎn)生微小的形變，聲發(fā)射波的變化將改變微小形變的大小。也就是說物體表而所產(chǎn)生的微小形變的大小反映了球磨機(jī)內(nèi)物料的物理狀態(tài)變化特征，而這一微小變化正是我們用來確定球磨機(jī)工作過程的負(fù)荷變化狀況特征量。特征量被采集后，經(jīng)過放大器放大，由高精度A/D轉(zhuǎn)換器送給單片機(jī)處理，最后由單片機(jī)進(jìn)行處理，通過模糊控制規(guī)則向球磨機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出控制命令。在球磨機(jī)研磨物料過程中，使磨介在罐內(nèi)不規(guī)則運(yùn)動時，產(chǎn)生巨大的沖擊力，延長磨介的運(yùn)動軌跡、提高沖擊能、減少撞擊盲點(diǎn)。其工作效率是傳統(tǒng)工藝的十幾倍，可以顯著提高罐內(nèi)磨介的沖擊能量和運(yùn)動次數(shù)，使被粉碎的物質(zhì)

4、顆粒達(dá)到納米級。同時，大大提高了被粉碎顆粒的均勻度。本設(shè)計主要包括交流變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計、罐內(nèi)氣體（液體）壓力檢測系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計、工作機(jī)溫度監(jiān)測控制系統(tǒng)設(shè)計、模糊控制算法以及人機(jī)交互界面設(shè)計。本設(shè)計的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)對多維擺動式球磨機(jī)整個工作過程的智能控制。2用傳統(tǒng)的方法加工超細(xì)粉末，由于被加工物質(zhì)在有限的空間內(nèi)做二維高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，產(chǎn)生較大的沖擊力，隨著被加工物質(zhì)粒度的變細(xì)，而此時其物理、化學(xué)性質(zhì)也發(fā)生巨大變化。如不對其進(jìn)行必要的保護(hù)和實(shí)時監(jiān)測，會使加工不能正常進(jìn)行，甚至造成重大事故。這就是傳統(tǒng)人工觀測法所無法實(shí)現(xiàn)的。針對以上的問題，本課題是通過檢測罐內(nèi)氣體（液體）壓力來監(jiān)測罐體的安全狀況

5、。被加工物質(zhì)在惰性氣體（液體）保護(hù)下加工是安全、可靠的。同時也解決了某些物質(zhì)達(dá)到納米級時很難在空氣中存在的問題，是主要的測量項(xiàng)目之一。機(jī)械法加工超細(xì)粉末的保護(hù)和保原問題，是超細(xì)粉末制備技術(shù)迫切需要解決的難題。二、文獻(xiàn)綜述經(jīng)過對切題資料的詳細(xì)查詢和調(diào)研，對本設(shè)計題目的內(nèi)容有了深刻的認(rèn)識和了解。了解到智能控制與安全監(jiān)測自動化技術(shù)在工程應(yīng)用中重要的作用。模糊控制是一種較為典型的智能控制方法2,其最大的特點(diǎn)是將專家的經(jīng)驗(yàn)和知識表示為語言規(guī)則去控制系統(tǒng),這樣可以不依賴被控對象的精確數(shù)學(xué)模型,對被控對象的參數(shù)具有較強(qiáng)的魯棒性。模糊控制系統(tǒng)中的智能控制系統(tǒng)的本質(zhì)是仿人或仿智，即宏觀結(jié)構(gòu)上和行為功能上對人控制

6、器進(jìn)行模擬，在人參與過程控制中，經(jīng)驗(yàn)豐富的操作者不是依據(jù)數(shù)學(xué)模型，而是根據(jù)積累的經(jīng)驗(yàn)和知識進(jìn)行在線推理確定或變換控制策略。而這些經(jīng)驗(yàn)和知識反映系統(tǒng)運(yùn)動狀態(tài)所有動態(tài)特征信息。多維擺動式球磨機(jī)控制系統(tǒng)控制復(fù)雜、綜合性強(qiáng)，它涉及信號的檢測與處理、控制算法選擇與實(shí)現(xiàn)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇與控制以及計算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計等1。另外，選用模糊控制的效果也比傳統(tǒng)的PID等控制方法有著明顯的優(yōu)，它具有達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速時間短、穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速波動小、反映靈敏、抗干擾能力強(qiáng)、節(jié)省電能等優(yōu)點(diǎn)。其主要設(shè)計思想是當(dāng)轉(zhuǎn)速偏差較大時采用Fuzzy控制，加快響應(yīng)速度；當(dāng)轉(zhuǎn)速偏差較小進(jìn)入穩(wěn)態(tài)過程，則由程序切換到PID控制，消除靜差。球磨機(jī)的組成復(fù)

7、雜，在了解各個部分性能的基礎(chǔ)上設(shè)計電氣控制電路，并采用適合超微細(xì)粉碎的控制策略，采用模糊控制，解決球磨機(jī)粉碎中的關(guān)鍵的問題。本次設(shè)計單片機(jī)選用AT89C52，其經(jīng)濟(jì)易用，性能可靠，易擴(kuò)充，控制功能強(qiáng)。內(nèi)部配置8KB的FlashMemory，無需擴(kuò)展外部存儲器，可點(diǎn)擦寫，便于編程調(diào)試。AT89C52內(nèi)部帶有存儲器件，不用擴(kuò)展程序存儲器，減少硬件線路連接。其最大特點(diǎn)就是設(shè)計者可以根據(jù)自己的實(shí)際需要開發(fā)、設(shè)計一個單片機(jī)系統(tǒng)，因而更加方便，更加靈活，并且成本低。其基本方法是在單片機(jī)的基礎(chǔ)上擴(kuò)展一些接口，如用于A/D、D/A轉(zhuǎn)換接口，用于人機(jī)對3話的鍵盤處理接口，LED和LCD顯示接口等，然后開發(fā)一些應(yīng)

8、用軟件，即可組成完整的單片機(jī)系統(tǒng)4。單片機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用在擺動式球磨機(jī)的各種外圍器件與單片機(jī)的連接,包括A/D轉(zhuǎn)換，D/A轉(zhuǎn)換，譯碼器，鎖存器，鍵盤與顯示電路等與球磨機(jī)控制電路的連接借鑒了許多文獻(xiàn)的優(yōu)秀成果。多維擺動式球磨機(jī)的硬件核心是單片機(jī)及變頻調(diào)速電路，其它一些電源電路，報警電路，看門狗電路等都是不可或缺的部分。要使一個設(shè)計更適用于實(shí)際應(yīng)用，就必須完善設(shè)計在應(yīng)用中可能遇到的問題。因此，外圍的集成電路部分是必不可少的。為了提高單片機(jī)自身的抗干擾能力，防止程序在運(yùn)行過程中發(fā)生跑飛，造成單片機(jī)程序“死循環(huán)”等情況，增加看門狗電路。由于擺動式球磨機(jī)在加工物料時根據(jù)物料的不同加工時間也不同所以還要增加時

9、鐘電路56。物料在擺動式球磨機(jī)在高速運(yùn)動時，物料與周圍的碰撞其物理形狀發(fā)生改變，釋放出能量，產(chǎn)生熱量。為了能很好的監(jiān)視和控制擺動式球磨機(jī)在運(yùn)動時的溫度，在控制電路加溫度傳感器，溫度傳感器選用熱電阻式溫度傳感器，其中將溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻變化的稱為熱電阻傳感器。熱電阻傳感器可分為金屬熱電阻式和半導(dǎo)體熱電阻式兩大類，前者簡稱熱電阻，后者簡稱熱敏電阻。常用的熱電阻材料有鉑、銅、鎳、鐵等，它具有高溫度系數(shù)、高電阻率、化學(xué)、物理性能穩(wěn)定、良好的線性輸出特性，且價格便宜。壓力測量選用真空壓力傳感器件。多維擺動式球磨機(jī)在高速運(yùn)動中產(chǎn)生大量的熱量，當(dāng)溫度過高時系統(tǒng)很容易爆炸。這樣要對擺動式球磨機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行溫度保護(hù)

10、，溫度保護(hù)有兩種，一氣體保護(hù)，是將罐體內(nèi)充滿惰性氣體，或?qū)⒐摅w內(nèi)抽成真空。二液體保護(hù)，將罐體內(nèi)充入惰性液體。根據(jù)他們的實(shí)用性，本次設(shè)計采用氣體保護(hù)。在溫度保護(hù)中還要注意罐體的密封性。由于多維擺動式球磨機(jī)中的電機(jī)在工作過程中是隨罐體擺動而運(yùn)動的，工作過程中震動較大。這里采用測速發(fā)電機(jī)對交流電機(jī)進(jìn)行測速，可以構(gòu)成閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。測試電路采用高精度放大電路，使得即便是在電動機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)時，也有足夠的測速精度。由于多維擺動式球磨機(jī)中的電機(jī)在工作過程中是隨罐體擺動而運(yùn)動的，這里采用測速發(fā)電機(jī)對交流電機(jī)進(jìn)行測速，可以構(gòu)成閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。測試電路采用高精度放大電路，使得即便是在電動機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)時，也有足夠的測速精度

11、3。綜上,基于模糊控制技術(shù)的多維擺動式球磨機(jī)控制系統(tǒng)的控制對象具有強(qiáng)非線性、多變量耦合、不確定性和大滯后的特點(diǎn)而且調(diào)速系統(tǒng)是一類不確定的復(fù)雜系統(tǒng)，難以獲得精確的數(shù)學(xué)模型，采用傳統(tǒng)的PID控制無法達(dá)到希望的性能要求。根據(jù)相關(guān)技術(shù)目前的情況，4本次設(shè)計將以單片機(jī)為核心，采用模糊控制算法，選用DS1302作為時間記憶芯片，利用SA8282和IPM模塊組成的變頻調(diào)速電路，實(shí)現(xiàn)多維擺動式球磨機(jī)的智能控制。三、設(shè)計的內(nèi)容和擬解決的關(guān)鍵問題本次設(shè)計主要應(yīng)用了模糊控制技術(shù)，單片機(jī)技術(shù)，來實(shí)現(xiàn)擺動式球磨機(jī)的計算機(jī)自動控制。模糊控制技術(shù)與單片機(jī)技術(shù)的主要討論的內(nèi)容如下：模糊控制器的設(shè)計，模糊控制技術(shù)是以模糊集合理

12、論為基礎(chǔ)的控制手段，它是模糊系統(tǒng)理論、模糊技術(shù)與自動控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物、出發(fā)點(diǎn)是操作人員的控制經(jīng)驗(yàn)或相關(guān)專家的知識。為了使電機(jī)轉(zhuǎn)速被控制在理想值附近，以上的硬件部分是無法做出調(diào)節(jié)的，因此必須對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行非線性處理。比較各種控制算法的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇模糊控制為本設(shè)計的控制算法。球磨過程解析模型是由1962年古丁與麥勞意等人利用貝斯建立的微分方程，將選擇函數(shù)和分布函數(shù)以連續(xù)函數(shù)形式來表示，建立了偏微分-積分方程：max0(,)(,0)()()txyxpxtpxSyByxdydtB(x，Y)表示粒徑為Y的顆粒被粉碎后成粒徑為x的顆粒質(zhì)量比。模型為了解析粉碎過程，引入了大量難以準(zhǔn)確測定的選擇函數(shù)和破裂

13、分布函數(shù)，在數(shù)學(xué)上達(dá)到了很完善的程度。系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用模糊控制的方法和單片機(jī)控制技術(shù)相結(jié)合，以使系統(tǒng)的性能指標(biāo)最優(yōu)。這部分主要是按照工藝和設(shè)計要求，設(shè)計出系統(tǒng)的工作流程，畫出程序流程圖，包括主程序和信號轉(zhuǎn)換子程序、模糊控制子程序、鍵盤及顯示子程序等。系統(tǒng)的硬件設(shè)計包括最小系統(tǒng)的設(shè)計和主控芯片的選擇；溫度控制電路設(shè)計，開關(guān)電路的設(shè)計，信號采集、放大、轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計；時間記憶電路的設(shè)計（系統(tǒng)采用時間芯片，實(shí)時記憶時間數(shù)據(jù)，掉電后時間數(shù)據(jù)不丟失）；鍵盤電路的設(shè)計（用于設(shè)定正常工作時的轉(zhuǎn)速值、最高轉(zhuǎn)速值、罐體溫度值和罐內(nèi)壓力值）；顯示驅(qū)動電路的設(shè)計（用于顯示工作過程中的設(shè)定轉(zhuǎn)速值、最高轉(zhuǎn)速值、實(shí)時監(jiān)測溫度值和罐內(nèi)壓力值）；預(yù)置設(shè)置輸入及報警電路的設(shè)計（用于預(yù)置罐內(nèi)壓力最低值和設(shè)定最高溫度值超出預(yù)定范圍時聲光自動報警，同時關(guān)閉執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動電路動作）；三相交流電機(jī)變頻調(diào)速電路的設(shè)計等。以單片機(jī)為核心的球磨機(jī)模糊控制系統(tǒng)，編制一種響應(yīng)速度快、控制性能好的查詢模糊控制表子程序，實(shí)現(xiàn)了多維擺動式球磨機(jī)的計算機(jī)自動控制，且具有較理想的動態(tài)控制性能。本次的擺動式球磨機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計是以AT89C52單片機(jī)為控制核心，通過溫度傳感器、壓力傳感器采集信號，并對采集信號做出相應(yīng)處理，實(shí)現(xiàn)了工作機(jī)溫度和罐內(nèi)氣體壓力的