基于模糊控制的超速离心机电控系统设计

论文摘要

离心机是一种分离设备,借助高速旋转产生巨大的离心力来分离提纯物质,在生物学研究和工业生产中应用广泛。随着控制技术发展,离心机转速越来越高,出现了高速、超速以及超高速离心机。国外离心机的研制起步较早,在技术、材料和工艺上领先于国内,特别是超速和超高速离心机,已经生产出最高转速达150000 rpm的离心机。国内技术相对落后,处于高速离心机的研发与生产阶段,30000 rpm以上的离心机几乎没有,本论文的设计就是在这样背景下提出的。本论文研究对象是超速离心机的电控系统,包括电控系统的硬件设计,转速、温度的控制算法设计和电控系统的软件设计。在电控系统硬件设计时,首先对系统从功能上进行模块化划分,然后进行模块化设计,完成各部分的功能,重点介绍了转子识别模块、转速测量控制模块和温度测量控制模块。转子识别采用射频识别的方式,在运行前或低转速时完成转子识别,限制最高转速设置,提高安全性;利用霍尔传感器A44E测量转速,通过变频器控制转速;温度传感器DS18B20测量温度,通过控制可控硅导通角来控制温度。系统中包括电机和变频器,做了硬件抗干扰设计。温度和转速是离心机系统中最重要的两个控制量,力求控制精确。本论文中针对温度控制中的不确定因素,设计了模糊控制器来控制温度;对转速的控制采用模糊PID控制算法,使参数整定简单易行。通过试验数据对比,控制算法处理的温度和转速控制精度都得以提高。在电控系统软件设计时,首先对软件系统模块化处理,然后划分各模块的功能。主要讲述了转子识别时的转子编码,射频通信时的读写流程,变频器通信的软件协议以及主要模块的程序流程图。文章最后介绍了软件设计时抗干扰措施。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 概论
• 1.1 概述
• 1.2 离心机的现状及发展趋势
• 1.3 超速离心机的技术难点
• 1.4 本文的主要工作与章节安排
• 第2章 超速离心机系统
• 2.1 离心机工作原理
• 2.2 超速离心机的离心方法
• 2.3 离心机的结构
• 2.4 离心机系统的技术要求
• 2.5 本章小结
• 第3章 超速离心机电控系统硬件设计
• 3.1 超速离心机电控系统的概述
• 3.1.1 离心机电控系统的原理和结构
• 3.1.2 离心机电控系统总体设计准则
• 3.2 离心机电控系统的模块化设计
• 3.2.1 数码管显示模块
• 3.2.2 液晶屏显示模块
• 3.2.3 转子识别模块
• 3.2.4 键盘模块
• 3.2.5 转速测量控制模块
• 3.2.6 温度测量控制模块
• 3.2.7 程序存储模块
• 3.2.8 故障检测与保护模块
• 3.3 硬件抗干扰
• 3.3.1 接地
• 3.3.2 屏蔽与隔离
• 3.3.3 电源抗干扰
• 3.3.4 电路设计抗干扰
• 3.4 本章总结
• 第4章 温度及转速的控制算法
• 4.1 控制理论的概况
• 4.1.1 传统控制理论
• 4.1.2 现代控制理论
• 4.1.3 智能控制理论
• 4.1.4 复合控制策略
• 4.2 模糊控制和PID 控制
• 4.2.1 模糊控制理论
• 4.2.2 PID 控制理论
• 4.2.3 模糊PID 控制器
• 4.3 模糊控制器的温度控制设计
• 4.4 模糊PID 控制器的转速控制
• 4.5 本章小结
• 第5章 超速离心机电控系统软件设计
• 5.1 超速离心机电控系统软件设计
• 5.1.1 电控系统软件的模块划分
• 5.1.2 离心机电控系统软件模块设计
• 5.2 软件抗干扰设计
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录
• 附录B 超速离心机电控系统的电路设计图
• 附录C 超速离心机电控系统主程序
• 致谢