超硬材料合成过程中高精度加热控制方法的研究

摘要

人造金刚石在制备过程中利用瞬时静态或动态超高压高温技术，使石墨等碳质原料从固态或熔融态直接转变成金刚石。在石墨转变为金刚石的过程中，需要根据金刚石制备工艺控制压力和温度，而压力和温度控制的精度和稳定性也最终决定了金刚石品质的好坏。由于石墨在制备过程中处于密闭高压腔内，温度的测量十分困难。目前国内采用六面顶压机制备金刚石，对于温度的控制转变为对电流或是功率的控制。本文主要研究金刚石制备过程中恒功率加热问题。
　　由于合成过程中存在工业电网波动、负载变化以及测量系统自身精度较低和周期较长的问题，功率的控制精度、稳定性和抗干扰性能都不理想，直接影响了金刚石的品质。针对加热系统存在的各种问题，本文提出了一种以数字控制器取代目前广泛使用的模拟控制器的新方法。从测量方法、功率控制手段以及算法等方面改善系统性能，满足高品质金刚石制备要求。通过功能实验、软件仿真以及现场测试得到了验证和肯定。
　　硬件设计方面，完成了加热控制系统整体电路设计。主要包括电源模块、测量模块、通讯模块、过零检测模块、可控硅触发模块，实现被测信号采集、可控硅准确触发以及信息交互等方面的功能。
　　软件设计方面，基于系统硬件平台，完成了被测信号采集与计算、电压过零点判断、可控硅触发和基于Modbus协议的通讯程序设计。控制方面采用前馈补偿和反馈调节实现恒功率加热。前馈补偿通过测量电网波动实现前馈调节，补偿电网波动带来的影响。反馈系统将模糊自整定PID算法融入到功率负反馈控制当中，满足系统在精度、稳定性和自适应能力等方面的要求。利用Matlab软件对系统进行建模分析，结果表明模糊自整定PID控制器的稳定性、适应性和抗干扰性能都明显优于传统PID控制器。
　　实验方面，本文阐述了设计过程中的几个主要实验以及系统在工业现场测试的一些情况，充分论证了系统的可行性。实验主要包括互感器两侧波形对比实验、双积分AD转换实验、触发电路实验和实测采样点实验等，现场测试选择了河南飞孟金刚石工业有限公司和修武县鑫锐超硬材料有限公司作为实验地点。实验结果表明系统能够较好完成预期设计目标，明显提升金刚石制备过程中的功率控制精度和稳定性，对于高品级金刚石的合成有很大意义。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题来源

1．2 六面顶压机及其加热系统概述

1．3 现有加热系统存在的问题及解决途径

1．4 论文研究意义及研究内容

1．4．1 论文研究意义

1．4．2 论文内容安排

2 系统方案分析

2．1 系统整体概述

2．1．1 加热系统工作原理

2．1．2 加热系统控制目标

2．2 测量系统方案分析

2．2．1 测量对象分析

2．2．2 传感器选型

2．2．3 系统测量方案

2．3 加热功率调节方案

2．4 系统的隔离

2．4．1 测量系统的隔离

2．4．2 通讯系统的隔离

2．5 本章小结

3 系统硬件设计

3．1 硬件系统框架及控制芯片

3．1．1 系统硬件构架

3．1．2 控制芯片——STM32F103RCT6

3．2 电源系统设计

3．2．1 电源系统分析

3．2．2 电源电路设计

3．3 测量系统设计

3．4 可控硅触发单元设计

3．4．1 对触发电路的要求

3．4．2 触发电路的设计

3．4．3 防止误触发的措施

3．5 过零检测电路的设计

3．6 通讯接口电路的设计

3．7 本章小结

4 软件及算法设计

4．1 软件系统程序框架

4．2 测量系统软件设计

4．2．1 前馈测量

4．2．2 反馈测量

4．2．3 数字滤波

4．2．4 离散系统下的误差分析

4．3 通讯系统软件设计

4．3．1 基于MODBUS协议的通讯机制

4．3．2 通讯程序流程

4．4 基于功率密度等分的模糊自整定PID控制算法

4．4．1 基于功率密度等分的控制思想

4．4．2 模糊自整定PID控制算法

4．5 可控硅触发模块

4．6 过零检测模块

4．7 软件系统可靠性设计

4．8 本章小结

5 系统仿真与实验

5．1 加热系统数学模型

5．2 控制策略分析

5．2．1 模糊自整定PID控制器结构

5．2．2 模糊自整定PID控制器的设计原则

5．2．3 隶属度函数的确定

5．2．4 模糊控制规则的建立

5．2．5 模糊自整定PID控制的实现过程

5．3 加热控制系统模拟仿真

5．3．1 理想情况下传统PID控制器与模糊自整定PID控制器的对比

5．3．2 相同干扰信号下两种控制器的仿真比较

5．3．3 被控对象模型参数改变时两种控制器的仿真比较

5．4 实验

5．4．1 互感器两侧波形对比实验

5．4．2 双积分AD转换实验

5．4．3 触发电路实验

5．4．4 实测采样点

5．5 现场实验

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果