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人工合成金刚石技术是利用超高压、高温技术来人工合成金刚石晶体的新兴技术。六面顶压机作为其中的主要生产设备,其质量的优劣和控制精度的高低直接影响着人造金刚石的品质。在六面顶压机的控制系统中,位移控制精度决定了压机的对中性和同步性,影响到金刚石的生长和设备安全;压力和温度控制精度决定了金刚石的质量和产量。近些年来,我国人工合成金刚石技术发展迅速,总产量位居世界前茅,在设备上与国外的差距不大,但由于压机控制技术落后的原因,产品质量普遍较低,缺乏国际竞争力。所以,对六面顶压机控制系统的改造尤为迫切。本课题就是在此背景下,对控制系统进行了研究和改进,提出了一些新的方法和见解,主要研究工作及效果如下。
1.介绍了金刚石压机的结构组成和工作原理,并分析了目前国内几种压机控制模式的优缺点。针对国内压机控制方法的不足,本文提出了一种新型压机控制模式-基于DSP的智能控制模式。这一方案充分利用DSP的高速处理能力来实现智能算法的大量数据处理,使系统具有很好的控制效果。
2.进行控制系统的硬件设计。详细介绍了系统硬件电路的各个模块:信号调理、过零检测、工艺参数显示、工艺参数设置、开关量负载驱动、晶闸管触发以及系统电源。系统通过控制晶闸管的移相角来实现保压和保温控制,与以往的继电器控制系统相比,这一方案使被控变量能很好地跟踪给定的工艺曲线。晶闸管驱动采用全数字方式触发,从而具有了很好的抗干扰性。另外,电压和电流信号均通过信号隔离变压器调整为DSP要求的电压范围,同时也起到了信号隔离的作用。在信号输出端都采用了光电耦合器件,增强了系统抗干扰性。
3.进行控制系统的软件设计。为了便于编程调试和代码维护,软件部分采用模块化设计,按照功能划分为八个模块:系统初始化、数据采集及滤波、位移控制、压力控制、温度控制、工艺参数设定、LCD显示、故障处理。根据系统的实时性要求合理分配了系统的中断程序及各自的优先级,并详细分析了各软件模块的控制流程。其中,重点讨论了位移、压力和温度控制,并对保压和保温控制提出了新型的智能控制算法,给出了控制算法的软件实现。
4.详细分析了压力和温度控制的特点,基于各自的特点分别提出了混合模糊PID控制和模糊自适应PID控制算法,这些算法能很好地解决保压和保温控制中存在的问题。针对压力和温度系统模型,在MATLAB中进行算法仿真,从实验结果可以得出,新提出的智能算法具有很强的自适应能力,能很好地满足高精度。
5.在DSP控制板上进行了实验调试,测试了系统的AD转换精度、过零点检测精度。最后,对本文所做的工作以及实验结论进行了简短的总结。提出了需要继续完善的地方,以作为后续研究工作的参考。