大型液氮制冷式深冷处理设备控制策略的研究

论文摘要

深冷处理是一门新兴的材料处理技术,可以显著提高材料的力学性能和使用寿命,在装备制造、加工等领域得到了广泛的应用。深冷处理的关键技术之一就是如何方便、快捷的获得低廉、可靠且可控的低温环境。深冷处理设备机械结构的制造工艺已经相当成熟,且趋向标准化。而其控制策略及相关算法的研究相对滞后,且不能在实际设备中得到很好地应用。本文针对大型深冷处理设备节能控制、温度场均匀性、测温精确性及系统稳定性四个关键问题进行了研究。主要完成的工作如下:论述了国内外深冷处理技术的发展及研究现状,分析了深冷处理设备的技术现状及发展趋势。分析了SLX-3500R大型深冷处理设备的结构与工作原理,对其控制系统的关键技术进行了探讨;建立了SLX-3500R大型深冷处理设备的冷量控制模型,提出了深冷处理过程中的“过冷量”概念;为实现节能控制的目标,设计了“最佳过冷量控制算法”和“最优换热效率调节方法”;为实现对该设备超大工作腔内温度的准确测量,提出了“多点测温、加权求和”的测温方法;为实现温度场的均匀性控制,提出了“划分温区,多点控制”的控制策略,为各温区内冷量辅助调节端配置了改进后的Smith-PID控制器,并利用临界振荡和继电反馈辨识的原理设计了PID参数整定模块和模型参数辨识模块;借助虚拟仪器LabVIEW技术和PLC控制技术研制了一套深冷处理测控系统,使本文所研究的控制策略和算法在软件环境下得以实现,最后进行了离线仿真和实时控制结果的分析,结果证明该控制系统满足设计要求。本论文的研究工作主要是针对具有超大工作腔的液氮制冷式深冷处理设备,本文的研究成果为相关技术人员今后在深冷控制技术领域的研究提供了一定的理论及实用参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的研究背景及意义
• 1.1.1 国外深冷处理技术的研究现状
• 1.1.2 国内深冷处理技术的研究现状
• 1.2 深冷处理设备的概况及发展趋势
• 1.2.1 深冷处理设备的主要形式
• 1.2.2 深冷处理设备的技术现状及发展趋势
• 1.3 本课题的主要工作和论文安排
• 第二章 液氮制冷式深冷处理设备测温方案
• 2.1 大型深冷处理设备的机构与工作原理
• 2.2 超大工作腔内的多点测温方法
• 2.2.1 “多温区”的划分方法
• 2.2.2 多点测温方法
• 2.3 本章小结
• 第三章 多温区温度场均匀性控制策略
• 3.1 控制策略概述
• 3.2 系统控制目标
• 3.3 冷量辅助调节端控制算法的选择
• 3.3.1 PID 控制器的基本结构
• 3.3.2 PID 控制器性能指标
• 3.4 PID 参数的自整定
• 3.4.1 PID 参数自整定方法的选择
• 3.4.2 Z-N 法（临界振荡法）
• 3.4.3 继电反馈辨识
• 3.4.4 本系统的模型辨识
• 3.5 SMITH时滞预估补偿算法
• 3.5.1 算法概述
• 3.5.2 Smith-PID 控制器
• 3.6 本章小结
• 第四章 大型液氮制冷式深冷处理设备节能控制策略
• 4.1 前言
• 4.2 SLX-3500R 大型深冷处理设备冷量模型的建立
• 4.3 最佳过冷量控制算法
• 4.3.1 “过冷量”概念的提出
• 4.3.2 最佳单位过冷量的获取
• 4.3.3 算法概述
• 4.4 最优换热效率调节方法
• 第五章 大型深冷处理设备测控系统的实现
• 5.1 系统的总体设计方案
• 5.2 系统的硬件实现
• 5.2.1 硬件结构
• 5.2.2 PLC 的选型
• 5.2.3 I/O 点分配
• 5.3 上位机的软件实现
• 5.3.1 上位机的功能设计
• 5.3.2 监控界面
• 5.3.3 继电反馈辨识模块
• 5.3.4 PID 参数自整定模块
• 5.3.5 Smith-PID 控制器模块
• 5.4 下位机的软件实现
• 5.4.1 主程序框架结构及控制流程
• 5.4.2 冷量主输出端控制程序设计
• 5.4.3 冷量辅助调节端控制程序设计
• 5.4.4 定时中断采集模块设计
• 5.4.5 通信模块设计
• 5.4.6 报警模块设计
• 5.5 本章小结
• 第六章 离线仿真与实时控制
• 6.1 离线仿真
• 6.1.1 关于离线仿真
• 6.1.2 系统模型的建立及分析
• 6.1.3 离线仿真程序的设计
• 6.1.4 仿真过程与结果分析
• 6.2 实时控制
• 6.2.1 温度场均匀性控制结果分析
• 6.2.2 节能控制结果分析
• 6.3 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 课题研究总结
• 7.2 成果展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录