基于DSP的金刚石压机智能控制系统设计

摘要：本文提出了一种金刚石压机的新型控制模式—基于DSP（TMS320LF2407）的嵌入式控制系统，并介绍了该控制系统的软硬件设计。在算法上，根据工艺要求采用智能PID控制和模糊PID控制策略代替传统的PID控制，对人造金刚石生产中的工艺参数加热功率和加压压力实现有效控制，极大地提高了人造金刚石的质量和品级。
关键词： 人造金刚石压机、DSP、晶闸管、智能PID、模糊PID

0 引言

人造金刚石是一种重要的工业原材料，几乎涉及国计民生的各个领域。我国目前是金刚石生产和出口大国，产量约占世界产量的2/3。但是，国产金刚石工业产值却只占世界工业产值的1/3，这主要是由于质量不高所造成。生产人造金刚石的主要设备是压机，从我国目前生产金刚石的设备来看，大部分生产厂家使用六面顶压机，随着国内六面顶腔体的大型化和对这一技术的发展应用，与国外在技术装备上的差距在进一步缩小。但是，国内在压机的控制水平上还相当落后，阻碍了金刚石质量的提高。因此，提高国内金刚石压机的控制水平成为当务之急。

1 金刚石的合成工艺

   人造金刚石是由石墨片、触煤片在一定的压力、温度条件下生成所得。目前,金刚石生产工艺过程中一个重要的技术环节是压力的台阶型变化,即在金刚石合成初期，将压力分成几个压力段，并在每个台阶压力上保持一段时间。对于温度控制, 目前广泛采用的恒功率控制,该技术的最大弱点是:当加热时间足够长时,石墨在催化剂中再结晶成片状,不利于金刚石的生长。对于温度的控制，我们可以通过对加热电压的间接控制来实现，且这种控制方法在实践中也能达到很好的控制效果。                                                              

2.硬件设计方案

2.1 TMS320LF2407简介

    TMS320LF2407片内集成有32k FLASH，1.5k字的数据／程序RAM，544字的双口RAM (DARAM)和2k字的单口RAM(SARAM)；10个10位ADC外围接口，CAN总线接口，4个通用定时器和一个看门狗计时器；运算数率高，单个指令周期执行时间仅为33ns；工作电压为＋3.3V，工业级温度范围－40～＋8°C，特别适合于工业应用。由此可以看出该DSP控制器将实时处理能力和控制器外设功能集于一身，为控制系统提高实时性、实现小型化和低成本提供了一个理想的解决方案。另外，压机的控制变量和所接的外设较多。选用DSP控制器，正好利用它的实时控制能力强和集成外设丰富的优点，故选用TMS320LF2407作为控制和数字化处理的核心。

根据压机所需要实现的功能，以TMS320LF2407为核心的系统硬件结构如图1所示。

                      图1 金刚石压机控制系统原理图

2.1 数据采集

该系统共有9路信号输入，依次输入DSP的ADIN0～ADIN8接口，分别为6路位移量、1路电压量、1路压力量、1路电流量。其中位移、电压、压力三个需反馈给处理器，从而构成3个闭环控制，电流只是用作显示。采样过程中，需对信号进行滤波，根据要求我们选用二阶有源滤波器，截至频率为10Hz。

在控制系统中温度控制可通过控制金刚石的加热功率来实现，即 P＝U×I，在此我选用电压控制方法－即控制金刚石的加热电压来间接控制温度。金刚石加热端电压为0～6V，需进行变压、滤波，后转换成0～3.3V信号输入DSP的ADIO口，考虑到实际工业现场干扰较多，在此滤波电路选用二阶有源滤波，截至频率为10Hz。同时选用TIL300芯片来实现光电隔离。                               

2.2 同步和触发

压机的温度大小通过加热电压来间接控制，加热电压的大小通过串联到220V工频电路上的加热晶闸管的导通角大小来严格控制。在此，采用数字触发方式来触发晶闸管的门级。所以必须使得触发脉冲与晶闸管的阳极电压保持严格的相位关系。该系统中，由于晶闸管与工频电串联，所以晶闸管的阳级的电压就是工频电压，所以采用过零检测的办法，检测工频电的过零点，也就确定了晶闸管的阳极电压过零点。然后在此过零点的基础上，再根据计算得出的导通角大小来在合适的时间输出门级触发脉冲。通过过零检测电路，在每次的交流电压过零点处产生一次脉冲，也即确定一次晶闸管阳级电压过零点，从而触发DSP的INT1中断。选用为50Hz工频交流电，周期为20ms，所以10ms一个过零点，也即10ms一次脉冲触发INT1中断。触发脉冲输出信号由DSP的IO口，经数据锁存器产生，通过触发电路电路驱动晶闸管。触发脉冲的宽度由控制器设定，考虑到控制系统为感性负载，触发脉冲应加大，在此设为1ms。

3.控制算法 

3.1 加压控制

    根据工艺要求。加压控制根据合成材料的不同分2～6段超压、保压，超压到90MPa左右，再保压几分钟后卸压，完成一个工序，时间为几分钟到十几分钟。控制过程中，超压采用主泵开关控制，保压采用副泵补压模糊PID控制。

   模糊控制具有控制速度快、过程参数变化适应性强、可靠性高、不受工作环境影响、鲁棒性好、灵敏度高、无需精确数学模型等特点。但模糊控制的稳态性能较差，故采用模糊－PID复合控制地方法，以提高模糊控制的精度。如下图所示，压力控制策略是采用多模态分段控制算法来综合比例、模糊、比例积分控制的长处、3种控制方式在系统工作过程中分段切换使用。在偏值大于某一阈值时，希望控制参数能快速跟踪调整，所以采用比例控制；当偏差减小到阈值以下时，切换转入模糊控制，提高系统的阻尼性能，减小超调量。这样，就综合了比例控制和模糊控制的优点。该方法中模糊控制的论域仅是整个论域的一部分，相当于模糊控制的论域被压缩，相当于语言变量的语言值增加，提高了灵敏度和控制精度。在误差语言变量的语言值为零时切换至PI控制，当绝对误差为零或积分饱和时，将积分器关闭。

 图2  压力控制策略

3.2 功率控制

    人造金刚石生产工艺要求加热控制是在超压达到30MPa以后开始的，加热控制也分加温、保温几段进行，几分钟或十几分钟后停止加热。该系统中，通过控制金刚石的加热电压来控制加热功率，实践中，这也是一种很好的控制方法。为了精确控制加热功率和温度，加热功率采用基于模式识别的专家智能自整定PID控制算法，如图5所示。在输出和给定存在偏差或系统受到扰动时对系统误差e的时间特性进行模式识别，分别识别出该过程响应曲线的多个特性参数，如超调量、阻尼比、衰减振荡周期、上升时间。所测出的各特性参数值与实现设定好的特性参数值进行比较，其偏差量送入专家系统，专家系统在线推断出为消除各特征量的偏差，控制器参数所应有的校正量Δkp、Δki、Δkd，将它们送入常规的PID控制器，以修正控制器各参数，输出控制信号控制被控对象加热电压，使加热电压响应曲线的特征参数满足工艺要求。设计专家式自整定控制器的核心是：在系统闭环运行时，合理选定描述系统暂态误差特性的各个特征参数，获取特定参数的偏差量与PID控制器参数的校正量Δkp、Δki、Δkd之间的关系。被控对象特征撮弄数的选择方法是先测试被控对象的阶跃响应，再用Cohn－Coon公式计算出特征参数K、Tp、τ。

     K＝Δy/ΔR=(y2-y1)/(R2-R1);     Tp=1.5(t0.632-t0.28); τ=1.5(t0.8-t0.632/3)

    式中：Δy为系统输出响应；ΔR为系统阶跃响应；t0.28为系统输出响应曲线中对应0.28Δy时的时间；t0.632为系统输出响应曲线中对应0.632Δy时的时间。

                             图3 加热功率控制策略

4.系统的软件设计

4.1 系统主程序

    系统软件主程序流程见图6，采用模块化结构。软件采用C和汇编混合编程，在TI的DSP Code Composer下编译和调试。在控制程序中将采样后的采样值与设定值相比，得出误差和误差变化率，再根据制定好的控制规则来控制电磁阀和晶闸管的通断，从而保证压机能按照设定的时序要求运行。

图4主程序流程                                    

4.2 中断程序

该系统实际为实现3个信号的闭环实时控制，考虑到实时性，所用中断较多。主要有过零检测中断、定时中断、采样中断、键盘中断。定时器2、4 中断程序负责时间控制以便进行相应的压力、电压时序控制步骤，定时器1、3中断程序控制两个可控硅的控制角大小。电压过零检测中断程序确定与电压同步以便触发，键盘中断控制中断键的响应。其中，在工频为50Hz，周期T为20ms的条件下，电压过零检测中断每10ms发生一次。选用的双向晶闸管需在每半个周期内触发一次。控制角α和触发时刻Tθ之间的关系为：Tθ＝ α＝0.056α   由于需要对导通角的精确控制，过零检测中断需要及时得到执行，故该中断优先级为最高。

4.3 数据采集和闭环控制

    在每次信号采样时，为消除随机误差，数据采用平均滤波法，其滤波公式为 ＝     采样次数N越大，X越接近真值。实际应用中，为了提高实时控制速度，采用去极值平均滤波法。在此，即为连续采样8次，去掉一个最大值和最小值，再求余下6个采样值的平均值。

根据金刚石的生成工艺要求，压力和电压需保持为设定的阶梯状变化。在上升阶段为加压和加热阶段，此时只需开启交流泵和两个加热接触器即可。在水平阶段为保压和保温阶段，此时需根据采样时刻相应的偏差值和偏差变化率，根据相应的控制策略来控制。

5.结语   

该控制系统具有较好的工业意义，它较PLC的金刚石压机控制器便宜，市场前景更大。同时，DSP(TMX320LF2407)内有CAN总线，便于系统升级，可通过CAN总线将多台压机与上位机构成一网络，便于控制管理。

参考文献：

1.刘和平.TMS320LF240x DSP结构、原理及应用.北京：北京航空航天大学出版社2002
2.朱凌云. 人造金刚石合成工艺的智能控制.[J]. 工业仪表与自动化装置.2005.6
3.方汉学、赵芳.TMS320LF2407在天然气发动机控制的应用.[J].微计算机信息（测控自动化）2005.21.4
4.Texas Instrument . TMS320/C24x DSP Controllers Reference Guide [Z].1999
5.周车晨, 赵国权. 金刚石合成工艺. 北京:机械工业出版社,1998