六面顶超硬材料液压机调功控制系统及其控制方法

摘要

本六面顶超硬材料液压机调功控制系统及其控制方法，系统包括微处理器、接在加热变压器原边的可控硅调压器及霍尔传感器。加热量设定值由上位机或其它输入单元或内存数据给出，控制信号经光电隔离电路与可控硅调压器相接，微处理器内有信号处理、模糊控制和PI控制模块。模糊控制模块存有调节PI参数的模糊控制规则。其控制方法为：信号处理模块对加热电流、电压和功率的瞬时值整流滤波，计算当前加热功率平均值与设定值比较，模糊控制模块实时调节PI参数，并获得下一时刻可控硅控制角，稳定控制变压器加热功率于设定值。其优点为电量测量精确且惯性和滞后小，当电网电压波动大时能及时调节加热功率，控制精度高，有效保证合成超硬材料质量。

说明书

(一)技术领域

本发明涉及六面顶超硬材料液压机控制系统，具体为一种六面顶超硬材料液压机调功控制系统及其控制方法。

(二)背景技术

六面顶超硬材料液压机通过在两个相对的顶锤上加以低电压大电流，电流流经合成块，合成块因内部的电阻发热，达到加热目的。依据热力学和高压物理学，按超硬材料生长合成机理可计算制定加热功率和液压系统的压力在时间上的匹配曲线。为了方便地控制合成块内部的温度和压力来控制整个合成过程，目前比较普遍采用的方法是通过测量和计算加热系统的加热功率和液压系统的系统压力并对其进行控制，即可间接地控制合成块内部温度和压力随时间的变化关系，使之符合合成材料温度压力匹配曲线。

目前广泛使用的六面顶超硬材料液压机的加热功率控制系统即是按照上述原理设计的。这种系统一般以单片机、可编程控制器或其它器件构成主控制器，采用交流互感器检测加热变压器原边的电压和电流信号并转换成平均值作进一步处理。这些信号与预存的加热工艺参数进行比较，经一定的控制算法处理后，通过控制可控硅的控制角来控制加热变压器的输出电压和输出电流，从而控制合成块的加热功率。调节方式有恒平均电压、恒有效电压、恒平均电流、恒有效电流和恒功率五种方式。一般采用模拟或数字PID控制方法。实际应用中，纯模拟电路调功器仍然相当普遍。这种控制系统结构简单，工作可靠，被广泛应用。

但是，理论分析和现场测试结果表明，上述六面顶超硬材料液压机的加热功率控制系统的控制精度不高，尤其是外电网电压波动对加热功率控制精度影响很大。由于生产现场存在各种时断时续工作的大功率用电设备，电网电压波动甚至可能高达20％以上。并且交流互感器响应速度较慢、检测精度不高，信号处理电路惯性大，因此，合成块的加热控制精度难以保证。此外，目前合成超硬材料产品种类越来越多，合成块的组装方式多种多样，同一种加热控制系统要面对不同的负载，温度控制精度也受到影响。

合成块温度控制精度已被认为是影响人造金刚石质量和产量的首要因素。因此，亟需改进六面顶超硬材料液压机调功控制系统及其控制方法，以提高其控制精度。

(三)发明内容

本发明的目的是设计一种六面顶超硬材料液压机调功控制系统及其控制方法，实时精密检测加热电压和电流信号，及时有效地针对电网变化对加热功率进行控制，提高合成块加热功率的控制精度。

本发明设计的六面顶超硬材料液压机调功控制系统包括控制中心、可控硅调压器、电流和电压检测电路、变压器以及其它相关的电路。变压器原边经可控硅调压器接交流电源、副边接合成块，本发明的控制中心为微处理器，其控制端口经过光电隔离驱动电路与可控硅调压器连接，调节其控制角，可控硅调压器接在合成块加热变压器的原边电路中，控制变压器原边的电压；与变压器原边相接的电流和电压检测电路的电流、电压传感器分别为霍尔电流传感器和霍尔电压传感器，电流检测电路和电压检测电路的电流、电压信号输出端接乘法器、同时接入微处理器，乘法器接入微处理器。微处理器内存储有加热功率与时间关系的生产工艺数据，还有数字信号处理模块、模糊控制模块及比例积分控制模块。

微处理器有与上位机相联的通讯接口，和/或模拟量输出接口，和/或设定量输入接口，可与上位机或其它输入/输出单元直接交换控制数据等信息，或直接输入功率设定值。

本发明设计的六面顶超硬材料液压机调功控制系统的控制方法如下：

电流和电压检测电路所测变压器原边的电流电压的瞬时值送入微处理器和乘法器，由四象限模拟乘法器计算电压和电流的乘积、获得加热功率的瞬时值，加热功率的瞬时值也送入微处理器处理。本发明的测量计算保证了加热电流、电压和功率的精度和实时性。

微处理器的信号处理模块对加热电流、电压和功率的瞬时值整流，然后进行均值滤波，获取整流均值，再按常规的有效值与均值的换算关系获得准确的当前加热电流、加热电压的有效值。本信号处理方法有效减少传统测量方法的惯性和滞后，提高了信号的实时性，有利于提高控制系统的动态特性。特别是这种平均加热功率测量方法，保证了有效加热功率的测量精度。

微处理器的信号处理模块计算上述所得加热功率平均值与加热功率的当前给定值之差，获得误差e，再对e进行微分计算，获得误差变化率ec。

微处理器的模糊控制模块存储有调节比例积分参数的模糊控制规则。微处理器的模糊控制模块以误差e和误差变化率ec为输入变量，按模糊控制规则求取比例系数K_P0和积分系数K_I0的在线修正量ΔK_P、ΔK_I。用所得ΔK_P、ΔK_I对K_P0和K_I0进行在线修正，修正结果即为当前的K_P和K_I。将当前的K_P和K_I送入比例积分控制模块精确计算下一时刻可控硅控制角，微处理器通过输出端口将控制角信号经光电隔离驱动电路送入大功率可控硅调压器，对其进行移相触发，控制加热变压器原边的电压，在变压器副边获得稳定的低压大电流加热功率。

微处理器有RS232通讯接口和设定量输入接口、模拟量输出接口，与上位机和/或其它输入/输出单元连接，进行有效的联络、管理和控制。

本发明六面顶超硬材料液压机调功控制系统及其控制方法的优点为：1、采用了精确测量电量的霍尔传感器，以及惯性滞后很小的交流电半周期的均值滤波和均值有效值换算的信号处理方法，使得所获得的信号能较好地实时地反映电网电压的变化；2、模糊控制模块根据统计值对比例积分控制器的参数进行模糊控制调节，按实时加热功率信号及时地应对电网电压的变化，对变压器原边的电压实时控制，达到加热功率的设定值，而不会出现超调，有效提高合成超硬材料人造金刚石单晶及其复合片(PDC)的质量；3、本系统提供了良好的通讯接口，上位机可根据实际情况设定微处理器的加热功率参数，便于构建适应性强、整体化高的六面顶超硬材料液压机系统。

(四)附图说明

图1为本六面顶超硬材料液压机调功控制系统实施例电路结构示意图；图内标号为：

交流电源1、可控硅调压器2、变压器3、合成块4、乘法器5、微处理器6；

图2为本六面顶超硬材料液压机调功控制系统实施例的模糊控制模块结构示意图；

图3为本六面顶超硬材料液压机调功控制系统的控制方法实施例与普通PID调功控制系统的加热功率响应曲线对比图。图中，②为本实施例的加热功率响应曲线，①为普通PID控制的加热功率响应曲线；

图4为本六面顶超硬材料液压机调功控制系统实施例的控制方法程序框图。

(五)具体实施方式

本六面顶超硬材料液压机调功控制系统实施例电路结构如图1所示，加热变压器3副边接合成块4，可控硅调压器2接在加热变压器3的原边与交流电源1的电路中，分别接有霍尔电流传感器和霍尔电压传感器的电流检测电路和电压检测电路接在变压器3原边电路上，其输出信号接入乘法器5，并与乘法器5的输出一起接入作为控制中心的微处理器6。微处理器6经光电隔离电路与可控硅调压器2相接。微处理器6内存储有加热功率与时间关系设定的工艺数据，还有信号处理模块、模糊控制模块和比例积分控制模块。

微处理器6配有RS232通讯接口和模拟量输出接口、设定量输入接口，供与上位机和/或其它输入/输出单元相联，进行有效的联络、管理和控制。

如图2所示，为微处理器6的模糊控制模块(简称FLC，为Mamdani型模糊逻辑控制器)与信号处理模块、比例积分控制模块相连接的示意图。模糊控制模块内存储有调节比例积分参数修正量的模糊控制规则。

本发明六面顶超硬材料液压机调功控制系统实施例的控制方法程序框图如图4所示。

当本控制系统接收指令开始对加热变压器3进行控制，即以开始时刻为T₀，与微处理器6存储的加热功率与时间关系设定的T₀相对应。

微处理器6按设定时间周期t内进行n次电流和电压采样，t＝10ms，n＝150～400。本例中是t＝10ms、n＝200，即每0.05毫秒采样一次，将电流和电压检测电路所测变压器3原边的加热电流、电压的瞬时值送入微处理器6，乘法器5计算的加热功率瞬时值也送入微处理器6，微处理器6的信号处理模块对电流I、电压V和功率P的瞬时值滤波。采样数据顺序存储，以n＝200为一周期，即10ms求取一次平均值：

平均电流：$\bar{I}=\left(\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}{I}_j\right)/n,$

平均电压：$\bar{V}=\left(\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}{V}_j\right)/n,$

平均功率：$\bar{P}=\left(\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}{P}_j\right)/n,$

其中，I_j、V_j、P_j分别为电流、电压和功率的第j次采样值。

微处理器6通过上述计算获得加热电流、电压以及加热功率平均值，再按常规有效值与均值的换算关系计算，获得加热电流有效值、加热电压有效值。因此，本系统可设电流、电压和功率三种控制模式，用户可根据需要选择其中一种，系统默认为功率控制模式。

微处理器6的信号处理模块读取当前加热功率给定值。由系统选择根据当前时间由微处理器6内部存储的加热功率与时间匹配的工艺数据读取当前加热功率设定值，或者由微处理器6的输入接口读取上位机给出的当前加热功率设定值。根据当前加热功率设定值求取其与实际加热功率平均值之差，获得误差e，再对e进行微分计算，获得误差变化率ec。微处理器6的模糊控制模块以误差e和误差变化率ec为输入变量，按模糊控制规则求取比例系数K_P0和积分系数K_I0的当前修正量ΔK_P、ΔK_I。

所述模糊控制规则的获得方法如下：

根据仿真实验和生产实践获得系统某个时刻加热功率设定值和加热功率平均值的误差e和误差变化率ec与比例增益系数的修正值ΔK_P和积分系数修正值ΔK_I的相对关系统计值，经过归一化变换和模糊化处理得到它们之间对应关系的模糊控制规则

ΔK_P＝f(e，ec)

ΔK_I＝f’(e，ec)

存储于微处理器6的模糊控制模块。

用所得当前的ΔK_P、ΔK_I对K_P0和K_I0进行在线修正，

K_P＝K_P0+ΔK_P，

K_I＝K_I0+ΔK_I。

将修正后的K_P和K_I送入比例积分控制模块精确计算下一时刻可控硅控制角，微处理器6通过输出接口将控制角信号经光电隔离电路送入大功率可控硅调压器2，进行移相触发，控制变压器3原边的电压，在变压器3副边获得稳定的低压大电流加热功率。

微处理器6的RS232通讯接口与上位机连接，上位机实时接收本系统的加热电流、电压和功率值，并根据实际情况设定调节本系统微处理器6所存储的加热功率与时间匹配的工艺数据。也可以通过其它输入单元从设定量输入接口直接输入数据调节微处理器6所存储的加热功率与时间匹配的工艺数据。

图3所示为在供电电压为±20％幅度变化的正弦电压时，本六面顶超硬材料液压机调功控制系统实施例与常规PID调功控制系统在2秒时间内的控制效果对比图，其中曲线②所示为本实施例加热功率响应曲线，曲线①为常规PID调功控制系统的加热功率响应曲线。本实施例的控制系统的加热功率波动小于0.05kW，而常规PID调功控制系统加热功率的波动最大达0.8kW。可见稳定度大大提高。

本系统可选择由微处理器6内部存储的加热功率与时间关系工艺数据确定当前加热功率设定值，或者由微处理器6输入接口读取上位机给予的当前加热功率设定值，或者其它输入单元由微处理器6设定量输入接口直接输入当前加热功率设定值。