基于组分快速检测方法的型砂质量直接优化控制技术研究

论文摘要

型砂质量控制一直是铸造领域的重要研究课题。由于缺乏有效粘土含量的快速检测方法,目前的湿型粘土砂质量控制系统多采用由性能检测到组分控制的间接控制模式。本文在型砂组分快速检测方法的基础上,研究了一种湿型粘土砂质量直接控制技术。研究内容主要包括湿型粘土砂导电特性与有效粘土含量和含水量关系的试验研究,型砂主要组分快速检测方法测试电路参数的确定,求解型砂组分的人工神经元网络模型的构建,湿型砂质量分布式控制系统的研制。研究结果表明,基于组分快速检测方法的由组分测试到组分控制的直接控制模式可以实现型砂质量优化控制。通过试验研究与理论分析,证明了湿型粘土砂的导电特性与其主要成分——有效粘土含量和含水量有确定的关系。提出了砂样导电的RC串联等效模型,并定性分析了电极形状、外加激励源的幅值、频率、型砂组分等因素与砂样的等效电阻Rs、等效电容Cd的非线性关系。砂样电极采用嵌入样筒内壁的弧形电极,交流激励源为频率1kHz、峰值10V的正弦波,直流激励源的电压幅值为+9V。研究了湿型砂紧实率与有效粘土含量、含水量及水土比的关系,并分析了回用砂中死粘土对紧实率的影响。研制了由自动制样机构和测试下位机构成的湿型砂组分及紧实率快速测试单元,可完成标准砂样的制作和紧实率、导电参数的自动测量。自动制样机构采用压缩空气驱动,压力设定值为4.5×105pa,在制样过程中同步进行实砂压力及压头位移的测量,由测试下位机自动计算出砂样紧实率。紧实率的测量范围为:10～60%±1%。测试单元可在10秒钟时间内与上位机配合完成有效粘土含量及含水量的快速求解。构建了型砂有效粘土含量和含水量的人工神经元网络求解模型。该网络为三层结构的BP网络,输入节点为4个,分别是湿型粘土砂交流导电能力、初始直流导电能力、直流导电能力变化率和紧实率;输出节点为2个,分别是型砂的有效粘土含量和含水量;网络包含一个隐含层,隐含层节点为6个。为了克服原材料来源不稳定对求解精度产生的影响,对BP算法进行了改进以提高网络模型的泛化性能和鲁棒性。有效粘土含量的求解精度为±0.3%,含水量的求解精度为±0.2%。提出了基于组分快速在线测试方法的数字PID加料控制算法,对混砂机的加料量进行控制。根据混砂试验的经验数据建立了模糊规则表,采用模糊式参数自整定方法对PID参数进行在线自整定。研制了混砂机加料控制单元,包括自动加料机构和加料控制下位机,可实现手动、自动加料及闭环联网加料控制。自动加料机构由螺旋给料器、称料单元、加水单元等部分组成。加料控制下位机完成加料控制算法的运算,控制加料机构动作完成加料过程。构建了由两级计算机组成的分布式控制系统。上位机完成现场测试数据的采集、实时显示、存储及分析,人工神经元网络运算以及系统各项参数的设置。下位机控制机构动作,完成标准砂样制作、信息参数采集与上传以及型砂组分的定量添加。计算机系统具有在线故障自动诊断与处理功能,对系统关键部件的运行状态进行实时监测、分级管理,使系统的稳定性、实用性达到铸造车间生产实际的要求。试验运行结果表明,本文研制的型砂质量直接优化控制系统的型砂组分控制误差分别为:有效粘土含量<±0.5%,含水量<±0.3%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题意义
• 1.2 国内外湿型粘土砂质量自动检测与控制技术研究应用现状
• 1.2.1 湿型粘土砂质量控制理念概述
• 1.2.2 湿型粘土砂质量自动检测技术研究与应用
• 1.2.3 湿型粘土砂质量自动控制系统研究与应用
• 1.2.4 湿型粘土砂质量控制系统发展趋势分析
• 1.3 本论文主要研究内容
• 第2章 湿型粘土砂导电特性研究与激励电源参数选定
• 2.1 粘土砂的组成及其性能表征参数
• 2.1.1 粘土砂的成分
• 2.1.2 粘土砂性能表征参数与成分的关系
• 2.2 粘土砂的导电机理
• 2.2.1 粘土矿物的晶体结构
• 2.2.2 粘土的水化作用与粘土砂中水的形态
• 2.2.3 湿型粘土砂的导电现象
• 2.3 粘土砂的直流导电特性
• 2.3.1 研究湿型粘土砂导电特性的基本实验电路
• 2.3.2 砂样的等效电路
• 2.3.3 极板形状与导电特性的关系
• 2.3.4 激励源幅值与导电特性的关系
• 2.3.5 粘土砂成分对直流导电特性的影响
• 2.4 粘土砂的交流导电特性
• 2.4.1 激励源波型与导电特性的关系
• 2.4.2 激励源频率与导电特性的关系
• 2.4.3 粘土砂成分对交流导电特性的影响
• 2.5 本章小结
• 第3章 湿型粘土砂组分快速检测的计算机实现方法
• 3.1 双电源二次激励法基本原理
• 3.2 信息参数获取方法
• 3.2.1 标准砂样自动制取方法
• 3.2.2 紧实率的测试方法
• 3.2.3 温度的测试方法
• 3.2.4 导电特性参数的测试方法
• 3.3 湿型粘土砂组分的人工神经元网络求解
• 3.3.1 网络模型构建
• 3.3.2 网络模型的实用性研究
• 3.4 本章小结
• 第4章 加料单元设计与加料过程自动控制
• 4.1 加料机构设计
• 4.1.1 螺旋给料器
• 4.1.2 称料放料单元
• 4.1.3 加水单元
• 4.1.4 控制箱
• 4.2 加料控制下位机设计
• 4.3 加料控制算法
• 4.3.1 常用控制算法
• 4.3.2 混砂过程加料控制算法
• 4.3.3 PID 调节器的参数整定方法
• 4.4 本章小结
• 第5章 湿型粘土砂质量直接优化控制系统构建与控制效果评价
• 5.1 控制系统总体构成
• 5.1.1 系统工作过程
• 5.1.2 系统通信网络结构
• 5.2 控制上位机软件设计
• 5.2.1 上位机管理软件功能
• 5.2.2 系统监控界面
• 5.2.3 人工神经网络训练程序设计
• 5.2.4 数据库管理
• 5.2.5 系统参数设置
• 5.3 控制系统抗干扰措施及故障诊断方法
• 5.3.1 控制系统抗干扰措施
• 5.3.2 故障诊断与处理
• 5.4 控制系统试验运行及效果评价
• 5.4.1 湿型粘土砂组分测试单元运行及效果评价
• 5.4.2 湿型粘土砂质量直接优化控制系统运行及效果评价
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢