基于MCGS的氧化锌晶须生产过程系统设计毕业设计论文

内蒙古科技大学毕业设计 说明书 房屋状态说明书下载罗氏说明书下载焊机说明书下载罗氏说明书下载GGD说明书下载 （毕业论文） 基于MCGS的氧化锌晶须生产过程系统设计 摘 要 氧化锌晶须生产过程是一个较为复杂的过程。由于长期依靠人工经验，现场操作缺乏科学的指导，使得通入氧化炉的气体参数不稳定，导致氧化锌晶须产品质量低。为此，迫切地需要设计氧化锌晶须的生产自动控制系统来提高其产品的质量，从而实现生产过程综合自动化。 本设计以氧化锌晶须生产过程为研究对象。在分析了氧化锌晶须生产过程中氧化炉用气参数与晶须质量的关系后，针对影响氧化炉用气的两个主要参数氧含量和流量，进行了配气控制系统的研究和设计。本文首先提出了该控制系统的结构框架，并总结了其功能特点；并根据给定的数学模型，采用前馈解耦控制算法和增量式PID算法，对氧化锌晶须生产过程中的氧含量和流量进行了控制。 应用软件采用MCGS组态软件和Siemens PLC S7-300系列的STEP 7软件编制，其中采用MCGS组态软件开发了该控制系统的监控软件，并将控制算法在MATLAB里进行了仿真验证；PID算法采用Siemens PLC S7-300系列的STEP 7软件编制。这实现了对氧化锌晶须生产自动控制系统的配气过程重要参数的监视、氧含量和流量的稳定控制和报警等功能。 关键词：氧化锌晶须；PID控制；MCGS；可编程控制器 The production of zinc oxide whisker system design based on MCGS Abstract The production process of zinc oxide whiskers are a more complex process.As a result of relying on artificial experience and lack of scientific guidance in the practical operation,and then the gas parameters accessed to the oxidation furnace are unstable.So,the product quality of zinc oxide whiskers is low.Therefore,developing automatic control system and using the advanced control technology to the zinc oxide whiskers production process have a very imperious to improve the product quality of the zinc oxide whiskers and realize integrated automation of the production process. Zinc oxide whiskers production process is considered as the research object in the paper.After analyzing the relationships between gas parameters accessed to the oxidation furnace and the whiskers quality, the gas distribution control system is researched and designed according to the request of the main factors—the oxygen content and the gas flux.At first,the paper propose a framework for the structure of the control system,and summarized its features;then,according to a given mathematical model，we control oxygen content and flow in the Zinc oxide whiskers production process,with using of feedforward decoupling control algorithm and incremental PID control algorithm. Applications use MCGS configuration software and Siemens PLC S7-300 series of the STEP 7 software development. MCGS configuration software uses one of the development of the control system monitoring software, control algorithms and carried out in the MATLAB simulation; PID algorithm uses Siemens PLC S7-300 series of the STEP 7 software development. This implementation of the production of zinc oxide whisker valve automatic control system for the process of monitoring important parameters, oxygen content and the stability of flow control and alarm functions. Key words: Zinc Oxide Whisker; PID control;MCGS; programmable logic controller 目 录 I摘 要 IIAbstract 1第一章 引 言 21.1 课题的来源及意义 21.2 氧化锌晶须国内外研究现状 31.2.1 氧化锌晶须制备方法的研究 41.2.2氧化锌晶须的应用前景 71.3 控制系统研究现状 71.3.1 传统过程控制的方法 81.3.2 智能控制的方法 81.4 研究内容 91.5 论文结构 10第二章 控制系统总体设计 102.1 氧化锌晶须生产工艺过程分析 112.1.1 晶须生长机理过程分析 122.1.2 配气过程耦合分析 122.1.3 生产工艺中尾气利用分析 122.2 系统控制要求及难点 132.3 系统设计思想及方法 152.4 控制系统设计 152.4.1 两级计算机控制系统 162.4.2 硬件选型及特点 162.4.2.1西门子PLC 172.4.2.2流量计 182.4.2.3压力变送器 192.4.2.4执行器 202.4.3 控制系统组成 22第三章 氧化锌晶须生产控制系统控制器设计 223.1 系统的数学模型 223.2解耦控制器的设计 223.2.1 多输入多输出（MIMO）系统建模方法 233.2.2 解耦控制器的设计思路 243.2.3 前馈补偿解耦控制器设计原理 263.3 增量式PID控制器设计 263.3.1 PID控制原理 283.3.2 PID控制器设计 303.4 基于Simulink 控制系统仿真 303.4.1 Simulink模块库介绍 303.4.2 Simulink下控制系统仿真 313.4.3 仿真结果及分析 33第四章 氧化锌晶须生产控制系统软件设计 334.1 上位机监控管理 334.1.1 MCGS组态软件的整体结构 344.1.2 监控软件结构及功能 354.2 PLC编程及算法实现 354.2.1 Siemens STEP7 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 软件包 354.2.2 STEP7编程 364.2.3 控制逻辑分析 384.2.4 前馈解耦控制算法 394.2.5 增量式PID算法实现 40第五章 控制系统的运行效果与性能评价 405.1 系统运行效果 405.2 系统性能评价 42第六章 结束语 426.1 结论 426.2 展望 44参考文献 46附录A 氧化锌晶须的生产工艺图 47附录B 数据显示图 48附录C PID算法在PLC中的具体实现 51致 谢 第1章 引 言 晶须是指具有一定长径比(一般大于10)和界面积小于 的单晶纤维材料。由于晶须的晶体结构比较完整，内部缺陷较少，因此晶须的强度和模量均接近其完整晶体材料的理论值，性能十分优异。晶须主要有聚合物晶须、陶瓷晶须以及无机盐晶须。陶瓷质晶须主要指各种氧化物、碳化物、氮化物及石墨等晶须，与其它晶须相比，这些晶须具有更高的强度、模量及耐热性等特点。利用陶瓷晶须优异的力学和物理性能，将其与各种基材进行复合，不仅可以提高基体材料的强度、改善其韧性，而且可以改变其物理化学性能，增加其功能性，如磁性晶须、导热晶须、导电晶须、光导性晶须等。因此，有关晶须的研究成为材料领域的热点之一[1][2][3][5]。 氧化锌晶须是具有纤锌矿晶体结构的直接宽带隙(Eg=3.37eV)半导体材料,在室温下具有较大的激子束缚能(60meV)。其有多种优良的物理性能并广泛应用于橡胶、陶瓷、涂料以及光电子等领域。它有多种形态,主要为一维纤维状、一维管状、针状、四针状或多针状、棒状或柱状等。氧化锌晶须的制备方法很多，特别是其中的四针状氧化锌晶须(T-ZnOw)，以其独特的三维四针状空间结构，在耐磨、减震、防滑、降噪、吸波、抗老化、抗冲击、抗静电、抗菌等方面均具有优异的性能[1]。 氧化锌晶须(Zinc Oxide Whiskers，简称Znow)，是氧化锌的单晶体，有两种典型形态：一种是纤维状(针状)晶须，另一种是四针状晶须(Tetrapod-like zinc oxide whiskers，简称T-Znow)。针状的氧化锌晶须是氧化锌晶体由单一方向发育形成，其外形如线条状，截面呈柱状，无色透明，表象为极高凸起，平行光滑，正延长。一般说氧化锌晶须就是指四针状氧化锌晶须[2]。 T-Znow为白色松软状物质，呈立体四针状，即晶须有一核心，从核心径向方向伸展出四根针状晶体，每根针状体均为单晶体微纤维，任两个针状体的夹角为109°，晶须的中心体直径0.7~1.4μm，针状体根部直径0.5~14μm，针状体长度3~200μm。它是迄今为止被发现的唯一具有三维空间结构的晶体。正是由于其独特的三维空间结构赋于了它许多特殊功能。作为结构及功能添加材料，由它组成的复合材料呈各向同性，性能远优于由单一纤维状晶形组成的复合材料，具有增强耐磨、防爆、减震、降噪、抗菌以及吸波等优异的综合性能。因此，在国防、交通、化工、轻工、电子等领域也有着广阔的应用前景[5]。 1.1 课题的来源及意义 氧化锌晶须作为结构及功能添加材料，有着十分广泛的用途。把它添加到不同的产品中可以制成各种不同的性能优良的复合型材料。比如:轻质多频谱吸波隐身材料、氧化锌晶须复合抗菌剂、氧化锌晶须复合抗菌母粒(塑料、纤维)、氧化锌晶须抗菌防霉后处理剂、氧化锌晶须抗静电剂、氧化锌晶须耐磨剂、氧化锌晶须增强改性剂等等。因此，实现氧化锌晶须的产业化能很好的促进国民经济的发展，有着重大的意义。 原有的氧化锌晶须生产工艺没有引入计算机控制系统，从而导致了流量检测不稳定、氧含量等参数达不到指定的控制精度等问题。由此可以看出，好的制备工艺都要有先进的控制技术作为基础，否则，理论上的研究难以实现。利用计算机控制技术实现氧化锌晶须生产过程的自动检测和全过程自动控制能够保持生产过程中参数的稳定、保证参数的控制精度、提高产品质量和生产效率、降低工人的操作失误和劳动强度[15][16][17]。 1.2 氧化锌晶须国内外研究现状 八十年代中后期，国外开始对四角状氧化锌晶须进行较为深入的研究。现已有比较成熟的制备工艺和工业规模的生产装置。由于它具有独特的四角状三维空间结构及其他许多特性，因而有着广阔的应用前景。在此研究领域，日本松下电器产业株式会社走在了世界的最前沿，他们最早掌握了氧化锌晶须的制备方法，并实现了氧化锌晶须的广泛应用。在国内，则由西南交通大学首先发明氧化锌晶须的制备方法，使我国成为继日本后全球第二个可生产晶须的国家[8]。 1.2.1 氧化锌晶须制备方法的研究 氧化锌晶须的制备和生产主要有以下几类方法[3]： (1)将Zn粉预氧化使其表面覆盖氧化膜，再对这种带膜的锌粉在1000℃左右加热1h，制成ZnO晶须。 该法所得产品纯度高，晶须生成步骤易于控制，但生产周期长，氧化膜控制较困难，对设备要求也较严。 (2)在惰性气体保护下将锌粉加热至沸点以上，然后以惰性气体为载气，将锌蒸气引入含氧气体或将含氧气体吹入锌蒸气中，使Zn和 气相接触生成ZnO晶须。 该法所用惰性气体一般为N2或Ar等，对纯度要求较高，反应温度一般在900~1000℃，该法需要消耗大量惰性气体，生产成本较高。 (3)将锌粉与CO32-(或HCO3-)及H2O按一定比例混合，在规定条件下生成ZnCO3，然后加热至特定温度，ZnCO3则慢慢分解形成ZnO晶须。 该法反应易于控制，原料简单，但其收率低，对反应容器及反应条件要求较严，不利于连续化生产。 最近两年国内制备ZnO晶须的报道： (1)周柞万等发明的碳还原剂控制ZnO晶须生产工艺，利用碳的还原特性，消耗一部分Zn周围空气中的氧气来保证晶须生长所要求的条件。在此基础上，改进了生产工艺，直接用锌颗粒进行生产，而且可以控制晶须针状体的长度和粗细，产品收率高，可达90%以上，产品中95%以上为四针状ZnO晶须。该方法对原料勿需进行预处理，对Zn的粒度无苛刻要求；生产周期短，每批样品仅需15min左右；产品收率及纯度高，产品为白色疏松状固体，显微结构为立体四针状，针长10~200μm，根部直径为0.1~10μm；成本低，设备投资少，由于没有特殊的预处理和预氧化等工艺，反应在大气环境下进行，且原料来源广泛，价廉易得，所以生产成本较低。 (2)陈尔凡等以锌粉为原料，白碳黑为催化剂，高温气相氧化制备ZnO晶须。其制备过程为：原料锌粉先做陈化处理，即在去离子水(含0.1%的 )中以60r/min速度研磨30min，然后将其于室温下放置24h，最后于150℃干燥30min。陈化的锌粉与白碳黑按比例混合均匀，将混合好的原料放入马福炉(900~1000℃)，同时以一定的速度通入压缩空气，在白碳黑上层得到ZnO晶须絮团。与其它方法相比，该方法简化了制备工艺及设备，降低了成本，并较大幅度地提高了ZnO晶须的收率及规整度。 综上所述，我们可以总结出氧化锌晶须得制备方法主要为以下五种方法：(1)气相法；(2)氧化法；(3)液相法；(4)微波辐射法；(5)离子交换树脂法。 1.2.2氧化锌晶须的应用前景 四脚状氧化锌晶须的研究工作起步较晚，但由于氧化锌晶须独特的空间三维立体结构、良好的单晶性，赋于了它许多独特的功能，如导热、压电、压敏、吸波、吸声、减振、抗菌、防藻、催化等，这使它可在国防、电子、化工、交通等领域广泛应用[2,17]。 (1)增强复合材料 氧化锌晶须独有的结构，使得它与复合材料中的基体的抓着力更大，而且能各向同性地加强基体材料的机械性能，显著地改善基体强度和加工性能，在复合材料中起骨架作用，避免了单一针状晶须增强时需大量加入从而导致复合材料难于加工，增强效果更显著，硬度提高也较大。 氧化锌晶须铝基复合材料不仅综合性能优良，而且成本也较碳化硅晶须、钦酸钾晶须、氧化铝晶须、金属钨晶须等增强的铝基复合材料的成本低很多。氧化锌晶须增强“尼龙6”复合材料体系则不仅可以提高其强度，而且，复合材料的耐热性、尺寸稳定性都随之提高。 国内外对于氧化锌晶须在这方面的应用都较成熟。 (2)静电及导电高分子复合材料 氧化锌晶须的三维结构，能形成非常有效的导电通道(三维网状结构)，从而高效地赋予材料的导电性。它的导电性是基于其单晶体本身具有导电性，而不需要借助于表面涂层和电镀等方式。因此，氧化锌晶须可以高效地降低树脂基复合材料的电阻，起到抗静电作用。 由于氧化锌晶须本身是无色透明的，不具有发色性，因此它可与其他颜料等组合，制成纯白色或其它各种颜色的复合材料制品。 目前这类应用处于推广阶段。 (3)耐磨及防滑材料 氧化锌晶须具有良好的耐磨和提高材料防滑的性能。试验表明，将氧化锌晶须应用于橡胶、涂料、塑料都能取得满意的耐磨防滑效果。可广泛用于汽车轮胎、刹车片材料、耐磨齿轮、传送皮带、耐磨抗静电涂料等要求耐磨和防滑的领域。例如，加入氧化锌晶须的橡胶刹车片可使车辆在雨天的刹车距离大幅减少。在PEEK、PES、PPS等树脂中加入ZnOw，用作耐磨齿轮或轴承己获得应用。 (4)电波吸收材料 作为一种N型半导体微晶材料，氧化锌晶须是一种介电损耗材料。氧化锌晶须及其复合材料具有优异的电波吸收性能，可用于电波吸收体和微波发热体。而在硅酸盐水泥块中适当地掺入氧化锌晶须则可极大地改变复合水泥块的电磁波透射能力。目前己经应用到了微波加热元件中。 (5)减振、抗冲及隔音材料 氧化锌晶须能有效的将吸收的机械能转化为热能而损失掉，起到明显的减振阻尼作用。对塑料、橡胶、涂料、陶瓷和金属材料的减振、降噪等性能具有明显效果。氧化锌晶须/橡胶复合材料可广泛用于上木建筑、机械结构、铁路隧道、交通运输等领域作减振降噪材料。氧化锌晶须还可吸收声振动转化为热能，使材料具有吸声功能，达到隔音效果，被用于制造音响设备的内部骨和外壳。 (6)陶瓷复合材料 在工艺陶瓷、结构陶瓷、特种陶瓷等中加入适量的氧化锌晶须，可使该增强陶瓷具有良好的各向同性，且明显提高其抗碎裂和抗急冷性能。这类应用目前处于试验阶段。 (7)涂料 由于氧化锌晶须在涂层中均匀嵌布起骨架作用，将其加到涂料中不仅可提高其触变性，有利于施工使涂层表面光滑平整，而且使涂料抗冲击、抗碎裂强度提高，发泡性、耐磨性能改善。可广泛用于汽车车体的中间涂层、船体外表面涂层以及水泥、矿粉、谷物的管道和设备的内表面保护涂层。用含氧化锌晶须的涂料作公路路标标记，具有耐磨、抗温差能力强，敷设很厚也不发生龟裂，且路标的反光性和可见性也较好。此外，由于其特殊的构型氧化锌晶须，对水状介质、油状介质和树脂介质均有较强适应性，适用于各种涂料，应用很广。 (8)氧化锌晶须复合抗菌剂 利用四脚氧化锌晶须尖端具有纳米活性，能高效杀灭和消除细菌及其残骸，添加适量的氧化锌晶须可制成的复合抗菌剂及抗菌材料，对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、白色念珠球菌和沙门氏菌等常见细菌的杀灭率达99%以上，且用于动物试验无不良反应。可用于制备抗菌、脱臭材料，目前正在积极的试验中。 (9)其它用途 除上述各种应用外，晶须还有很多其它用途。如用于空气清新除臭剂，除去空气中的H2S、NH3等有害气体；作为氧化还原反应的催化剂或载体；与树脂或玻璃料混合用作滤料；作为水处理中活性污泥的沉降剂；也可用作湿度传感器，具有高的灵敏性、稳定性和机械强度；还可用于制造软磁性材料、高强度阴极电池等。这些领域的应用，目前尚处于试验阶段。 1.3 控制系统研究现状 在国内两种不同的气体相互混合来控制混合后气体的总流量和某一组分的含量的控制系统中，归纳而言，采用的控制手段主要有如下几种。 1.3.1 传统过程控制的方法 即确定一种气体为主导气体(一般是氧化炉出来的尾气，因为尾气流量比较大)，根据它来控制混合后气体的总流量，这就是混合后流量控制回路；控制另一种气体流量来进行配比，这就是氧含量调节回路。 这种控制策略的主要优点是：控制器设计简单，参数整定方便。其主要缺点为：采用的是变量回路匹配的方法，即被调量和调节量之间的适当匹配来消除系统的耦合，由于系统中流量调节与氧含量调节(流量配比调节)之间的耦合作用非常强烈，导致调节精度不高。在工况稳定的情况下，系统也需要经过一段时间的震荡才能过渡到稳态；抑制扰动的能力不强，而系统运行时的工况较不稳定，扰动很大，导致实际的控制效果大打折扣。 出于对这种方法的改进，国内有工程人员提出了一种改进型的控制策略，用前馈补偿的方法来进行解耦，就是将其中一种变量作为扰动引入进来，设计前馈补偿器。该方法考虑了耦合的影响，调节的精度有了很大的提高，但该方法实际上也是一种静态解耦的方式，只能对系统的耦合进行一定程度的补偿，对于工况的剧烈变化，也就是扰动的大幅波动，效果有限[22]。 1.3.2 智能控制的方法 由于某些实际的控制系统很难建立数学模型，从而采用的是智能控制的方法。其具体的控制思路有如下两种：(1)以传统的过程控制思想为指导，即根据主导气体流量的大小而成比例地调节另一种气体流量，但是在控制器的设计上不采用PID，而采用模糊控制或其它智能控制方法，这种方法与传统的方法并没有本质区别，同样没有考虑系统耦合的问题。(2)采用先进控制的思想，设计了智能解耦的控制策略，对系统的耦合有较为深入的理解，但其控制效果与解耦策略以及相应的阀门的控制策略都有很大的关系，而且需要在现场整定比较多的参数，在类似控制系统的推广方面有一定的局限性[16,20]。 在国外对气体混合过程控制的研究中，有学者提出了一种无模型的自适应控制策略(MFA)来解决这一问题。而在解决这一类的气体混合控制中，也有学者提出了一种集成的智能控制策略，通过将经典PID控制、前馈控制、专家控制结合起来发挥各自的长处来解决这一类的问题。 1.4 研究内容 本次设计以氧化锌晶须生产过程为研究对象，将混合气体配置系统作为被控对象，分别采用前馈补偿解耦算法和增量式PID控制算法实现气体混合后流量和氧含量的恒定。由于配气系统是一个多输入多输出系统，常规方法不适合气体混合过程的控制，尤其是在其中一种气体(尾气)的氧含量成分时刻变化并有耦合的情况下。为此，本设计运用了前馈补偿解耦控制和增量式PID调节相结合的先进控制技术。 此外，由于氧化锌晶须生产流程工艺连续，反应机理复杂，非线性、时变、耦合严重，生产数据复杂，处理量大，如果某一关键设备因为故障而无法继续运行，往往会波及整个生产流程的进行，甚至出现人身安全事故，而恢复整个生产流程的正常运行需要花费很长的时间，从而造成了巨大的经济损失。因此，为了让氧化锌晶须生产工艺流程安全可靠的运行，设置了各个变量参数的故障报警，为工业过程的安全生产提供了保障。 1.5 论文结构 文章首先介绍了氧化锌晶须的概念和成功制备高品质氧化锌晶须的意义，并详细介绍了氧化锌晶须及气体混合控制系统的国内外研究现状。针对实际系统给出了本文的研究内容，阐明了自动控制系统的设计和应用对氧化锌晶须生产工艺的意义。 第二章介绍了氧化锌晶须的生产工艺，分析了生产工艺中耦合因素、尾气利用因素等对生产过程的影响。并在此基础上，从自动控制的基本思想出发，提出以稳定氧化炉用气的氧含量和流量为目标的控制系统的结构框架和功能特点。 第三章在具体分析了现场配气系统的特性后，根据给定的系统的数学模型，采用了前馈补偿解耦技术和PID控制技术相结合的设计思想，并设计了前馈补偿解耦控制器和和增量式PID控制器。 第四章详细提出了系统软件的总体框架，介绍了软件的功能模块：包括MCGS实时监控界面的设计和PLC编程及算法实现；完成了前馈补偿解耦算法、带死区的增量式PID算法和在PLC中的实现。 第五章为控制系统的工业应用，根据系统运行的实际结果，并对系统性能作了评价。 第六章为结束语，对氧化锌晶须生产过程控制系统的设计予以总结。 第2章 控制系统总体设计 2.1 氧化锌晶须生产工艺过程分析 氧化锌晶须生产过程是将纯度为99.9%以上的锌片放到氧化炉中，在特定的工艺条件下进行加热，形成所需要的四针状的氧化锌晶须的过程，生产工艺流程图如图2.1所示。生产工艺可以分为两部分：第一部分为氧化炉用气的配置过程；第二部分为氧化炉加热过程，而在这次的设计中，我们主要研究的是氧化炉用气的配置过程。 氧化炉的用气由在氧化炉加热后剩余的气体—尾气和空气混合配置而成。尾气存放在与氧化炉相连的尾气储气罐中，通过尾气压缩机将其抽出，与空气压缩机出来的空气进行混合，通过电动调节阀调节尾气流量和空气流量的大小，使得混合后的气体的氧含量符合工艺生产的要求，然后经过过滤器和干燥机，再通过后面的电动调节阀将流量控制到需要的值，将其通入到氧化炉中。 氧化炉中的锌片分三部分进行加热，每个部分温度各不相同，每个部分都有上下两个热电偶检测其温度。锌片被切成规整的小片状放入锅中，再将锅(氧化炉中一共有18个锅)放入氧化炉中进行加热。每个锅并排的放入氧化炉中，通过液压推舟的方式将锅一个一个向前推，每10分钟推一次。出来一锅，再向氧化炉内添加新的一锅，加料方式是靠人工手动操作完成的。如此反复，保证氧化炉氧化加热过程的连续[6]。 图2.l 氧化锌晶须生产工艺流程 2.1.1 晶须生长机理过程分析 锌蒸气在不同氧化气氛和温度下生成的氧化锌有无定形、颗粒状、单针状、四针状、多针状等五种典型的结晶形貌[2]。 经过大量实验可得：锌蒸气在温度为850℃，900℃，950℃，980℃时不同氧化气氛下的a-t曲线。图中N线、O线、F线分别代表氧化气氛为5%O2(体积分数)+N2、12%02(体积分数)+N2、空气，下标1、2、3、4代表4个氧化温度，如图2.2所示。 图2.2 锌蒸气在相同温度不同氧化气氛下的a-t曲线 (a)：850℃；(b)：900℃；(e)：950℃；(d)：980℃ 由上图可以得出以下结论：锌在氧含量为12%（体积分数）的氧化气氛下有较快的转化速度和转化率；温度控制在950℃左右时，锌蒸气的转化率和转化速度都能达到比较理想的状态。 2.1.2 配气过程耦合分析 通过工艺介绍可以看出，氧化炉用气的配气过程实质就是两种组分不同的气体相互混合的调合过程，即：流量为Q1、氧含量为C1的空气与流量为Q2、氧含量为C2(其中尾气的氧含量C2是不断变化和不确定的)的尾气相互混合，得到实际生产所需要的流量为Q、氧含量为C的混合气体。混合气体的流量Q和氧含量C都是需要控制的参数，空气流量和尾气流量作为调节手段。它是一个典型的双输入双输出的控制系统，包含氧含量和流量两个控制回路。当调节其中空气的流量时，不仅会影响混合气体的流量，而且会影响其氧含量；同理，当调节尾气的流量时，也会同时影响到混合气体的流量和氧含量。由此可见，两个回路之间是相互关联的，它们之间存在着明显的耦合作用。 2.1.3 生产工艺中尾气利用分析 利用氧化炉的尾气与空气混合配置氧化炉的用气有两个目的。第一，为了充分利用资源，降低生产成本。第二，为了不使氧化炉内气体压力过大，影响晶须的生长。氧化炉气体压力过大还会导致操作工人在加入新的一锅锌片或者取出已经氧化好的晶须时炉内大量高温气体涌出，危害操作工人的安全，影响整个生产过程的连续。 实际生产中不可能保证氧化炉完全密封，因此氧化炉内的气压不能为负压，否则会导致外部的气体进入氧化炉内，改变炉内混合气体的氧含量，破坏生产工艺的要求。这就意味着通过尾气压缩机将氧化炉内多余的气体抽出时流量不能过大，因此要根据实际情况选择合适的压缩机。同时，尾气压缩机在工艺进行过程中不能停止，否则会使得氧化炉的气体不能及时的排出，因此，当尾气压缩机的压力过大时，设置一个电磁阀将尾气压缩机排空，保证其连续不断的运转。 2.2 系统控制要求及难点 原有的氧化锌晶须生产过程没有引入计算机控制系统（如利用MCGS组态软件进行实时监控），所有参数变量的监测和调节都是人工手动完成，这大大降低了控制精度，并且很多情况下无法让工艺参数稳定在生产工艺所要求的条件下，使得氧化锌晶须的生产过程难以连续进行，产品质量达不到要求。因此，氧化锌晶须自动控制系统主要解决的问题就是稳定生产过程中各个工艺参数值(氧化炉的进气流量和氧含量等)和提高控制精度，从而提高氧化锌晶须的产品品质，获得较好的经济效益。 (1)控制要求 通过上节对氧化锌晶须生长机理过程的分析可以看出，较高的转化率和较快的转化速度是实际工艺生产过程所希望得到的。图2.2显示了锌蒸气在氧含量为12%(体积分数)的氧化气氛下有较快的转化速度和转化率；温度控制在950℃左右时，锌蒸气的转化率和转化速度都能达到比较理想的状态。 因此在实际生产过程中，将工艺参数中的温度控制在960℃，误差范围在10℃以内；混合气体的氧含量控制在13%(体积分数)，误差范围在一个百分点以内；流量稳定控制在4.5m3/h，最大偏差不能低于或超过0.5 m3/h，储气罐的压力控制在5个大气压左右。 (2)控制难点 在氧化锌晶须生产过程自动控制系统中，氧化炉用气的氧含量和流量的稳定是控制系统的难点所在。氧化炉用气的配置过程实质是空气和尾气(尾气的氧含量还是不断变化而且不确定的)的两者的相互混合的过程，是一个双输入双输出系统，氧含量回路和流量回路之间互相关联，存在严重的耦合，需要对被控对象进行分析，根据已知的数学模型，设计解耦控制器，这样才能消除回路之间的相互影响，使得控制效果达到要求。 2.3 系统设计思想及方法 对于氧化锌晶须生产过程这样的滞后、敏感系统，减小氧含量的波动、保持流量的稳定对提高氧化锌晶须的质量、获得最大经济效益、实现企业综合自动化具有深远的意义。在氧化锌晶须的生产过程中，工艺参数一般都是恒定不变的，工况不会有很大的变化。因此，采用前馈补偿解耦控制算法来消除配气过程中系统的耦合，主回路采用带死区的增量式PID控制算法。 (1)带死区的增量式PID算法 随着工业现代化的发展和各种先进技术的广泛应用，工业过程的自动控制理论和技术已有了很大发展。PID(proportional-Integral-Differeniial)控制作为一种传统的控制方法，由于简单、易于实现，并且具有很好的鲁棒性，现场应用效果明显，所以在冶金、机械、化工等行业中得到了广泛应用，尤其适用于可建立精确数学模型的线性定参数系统。PID控制技术是基于反馈控制原理的技术之一，它通过测量被控对象的输出与期望值相比较得到的偏差，经过比例环节(P)、积分环节(I)和微分环节(D)进行线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。 离散PID的增量算式相对于位置算式来说，有着不需要给定初始值、可以防止积分饱和等优点。同时，本系统中对于流量的控制在工业生产过程中属于快速变化的系统。为了让系统尽快的稳定而不至于导致振荡状态，同时也防止因电动调节阀过于频繁的调节导致而系统硬件设备使用寿命变短，所以，按照工艺要求的控制精度设置了一个死区。 (2)前馈补偿解耦控制算法 解耦控制是控制理论中最早的问题之一，它的设计思想几乎与控制学科同时产生，解耦控制思想最初狭义的提法是不相干控制原则。它是由Roksenbom和Hoodifol提出来的，他们最先将矩阵分析法应用于多变量控制系统分析，分析了有关飞行器控制的问题，即如何通过分别控制燃料与推进器叶片角度来控制飞行器发动机的速度与功率，并使这两个控制系统互不干涉。1964年Morgan在现代控制理论的框架下正式提出了多输入多输出线性系统(MIMO)的输入输出解耦问题，即无交互系统的设计问题。 在多变量控制理论和实践中，人们提出了解耦控制问题，即如何通过外部控制手段(如状态反馈)将多变量系统解耦，变成若干个互相独立的单输入单输出(SISO)系统，从而可用单变量控制的各种成熟技术来完成系统的设计。 多变量系统的解耦控制可分为四大类：(1)经典解耦控制方法；(2)自适应解耦控制方法；(3)模糊解耦控制方法；(4)反馈线性化解耦控制方法。前馈补偿解耦法属于经典解耦控制方法的一种，它具有系统结构简单、动态偏差小、响应速度快、过渡时间短、容易在计算机上实现等特点，应用于工艺参数基本恒定、变化不大的氧化锌晶须生产过程来说是适合的。 2.4 控制系统设计 2.4.1 两级计算机控制系统 遵循“集中监视，分散控制”的原则，本设计采用两级计算机控制系统。装有MCGS监控软件的PC机为上位机，完成工艺流程的在线监测和控制参数设置以及报警等功能。Siemens S7-300可编程控制器（PLC）为现场控制级，直接与现场设备相连，完成流量、压力和氧含量的采样、操作命令接收和发送、控制算法实现功能。PLC与PC机通过PLC专用的适配器连接，从而实现两者的通讯。 PLC（Programmable Logical Controller）称为可编程逻辑控制器，是一种以微处理器为基础，综合了现代计算机技术、自动控制技术和通讯技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置，由于它拥有体积小、功能能强大、程序设计简单、维护方便等优点，特别是它适应恶劣工业环境的能力和高可靠性，使它的应用越来越广泛，称为现代工业的三大支柱之一（即PLC、机器人和CAD/CAM）。 MCGS（Monitor and Control Generated System）的全名为“监视与控制通用系统”。MCGS是一套基于Windows平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，可运行于Microsoft Windows95/98/NT/2000等操作系统。 MCGS组态软件所建立的工程由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分构成，每一部分进行组态操作，完成不同的工作，具有不同的特性，组成图如图2.3所示。 图2.3 MCGS组成结构 它为用户提供了解决实际工程问题的完整 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 和开发平台，能够完成现场数据采集、实时和历史曲线处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出以及企业监控网络等功能，具有操作简单、可视性好、可维护性强、高性能、高可靠性能等突出特点，已成功应用于石油化工、钢铁行业、水处理、航空航天等领域，经过各种现场的长期实际运行，系统稳定可靠[19]。 2.4.2 硬件选型及特点 2.4.2.1西门子PLC PLC(Programmble Logic Controller)是近年来迅速发展并得到广泛应用的新一代工业自动化控制装置。由于具有灵活通用、安全可靠、抗干扰性强、使用方便、维护简单等特点被广泛应用。随着技术的进步，微处理器(Microprocessor Unit，即MPU)获得广泛应用，一些PLC生产厂家开始采用微处理器作为PLC的中央处理单元，大大加强了PLC的功能，不仅具有逻辑控制功能，而且具有算术运算功能和对模拟量的控制功能。 SIMATIC S7-300 PLC作为西门子公司的新一代产品，具有以下特点：S7-300 PLC采用模块化结构，具备高速（0.6~0.1μs）的指令运算速度；用浮点数运算比较有效地实现了更为复杂的算术运算；一个带标准用户接口的软件工具方便用户给所有模块进行参数赋值；方便的人机界面服务已经集成在S7-300操作系统内，人机对话的编程要求大大减少。SIMATIC人机界面（HMI）从S7-300中取得数据，S7-300按用户指定的刷新速度传送这些数据。S7-300操作系统自动地处理数据的传送；CPU的智能化的诊断系统连续监控系统的功能是否正常、记录错误和特殊系统事件（例如：超时，模块更换，等等）；多级口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机密，防止未经允许的复制和修改；S7-300 PLC设有操作方式选择开关，操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出，当钥匙拔出时，就不能改变操作方式，这样就可防止非法删除或改写用户程序。具备强大的通信功能，S7-300 PLC可通过编程软件Step 7的用户界面提供通信组态功能，这使得组态非常容易、简单。S7-300 PLC具有多种不同的通信接口，并通过多种通信处理器来连接AS-I总线接口和工业以太网总线系统；串行通信处理器用来连接点到点的通信系统；多点接口（MPI）集成在CPU中，用于同时连接编程器、PC机、人机界面系统及其他SIMATIC S7/M7/C7等自动化控制系统[27]。 2.4.2.2流量计 流量计的选择在本系统显得尤为重要，不论是氧含量的控制还是氧化炉的进气量的控制，都要用到流量计。因此，能否选择出适合气体测量、精度及量程满足要求、安装方便的流量计直接影响整个控制系统的控制效果。 流量测量方法和仪表的种类繁多，分类方法也很多。至今为止，可供工业用的流量仪表种类达60种之多。品种如此之多的原因就在于至今还没找到一种对任何流体、任何量程、任何流动状态以及任何使用条件都适用的流量仪表。 这60多种流量仪表，每种产品都有它特定的适用性，也都有它的局限性。按测量对象划分就有封闭管道和明渠两大类；按测量目的又可分为总量测量和流量测量，其仪表分别称作总量表和流量计；按测量原理分有力学原理、热学原理、声学原理、电学原理、光学原理、原子物理学原理等。目前最流行、最广泛的分类法，即分为：容积式流量计、差压式流量计、转子流量计、涡轮流量计、电磁流量计、流体振荡流量计中的涡轮流量计、质量流量计等。 由于通过空气压缩机出来的气体流量较小(不超过 )、压力较低(不超过6个大气压)，再结合现场设备的安装情况，采用金属管电远传型转子流量计。 转子流量计，又称浮子流量计，是变面积式流量计的一种，在一根由下向上扩大的垂直锥管中，圆形横截面的浮子的重力是由液体动力承受的，从而使浮子可以在锥管内自由地上升和下降。浮子流量计是仅次于差压式流量计应用范围最宽广的一类流量计，特别在小、微流量方面有举足轻重的作用，具有以下特点： (1)玻璃锥管浮子流量计结构简单，使用方便，缺点是耐压力低，有玻璃易碎的较大风险； (2)适用于小管径和低流速； (3)压力损失较低。 该型号流量计不仅能满足控制精度，而且安装方便，采用金属管制造，持久耐用，不易破损，而且能耐一定压力。同时，输出标准的4-20mA的电流信号，可以输入到PLC中转换成数字信号进行控制。 2.4.2.3压力变送器 压力变送器的作用是将现场检测到的压力信号转换为相应的统一标准信号(电压1-5V、电流4-20mA)，它是基于负反馈原理工作的，如图2.4所示。 常用的差压变送器有力平衡式差压变送器、电容式差压变送器和扩散硅式差压变送器。三种变送器各用所长，其中扩散硅式差压变送器是无杠杆变送器，它采用硅杯压阻传感器为敏感元件，具有体积小、重量轻、结构简单和稳定性好等优点，精度也较高。 综合上述优点和实际情况，采用溅射薄膜压力变送器，它是基于扩散硅式差压变送 图2.4 变送器构成原理图 器的原理制造的，能满足实际检测的需要。 2.4.2.4执行器 执行器由执行机构和调节机构组成。执行机构是指产生推力或位移的装置，调节机构是指直接改变能量或物料输送量的装置，通常称调节阀。图2.5为电动执行机构方框图。 图2.5 电动执行机构方框图 电动执行机构有角行程和直行程两种，它将输入的直流电流信号线性地转换成位移量。这两种执行机构均是以两相交流电机为动力的位置伺服机构，两者电气原理完全相同，只是减速器不一样。 调节机构又称调节阀，它和普通阀门一样是一个局部阻力可以变化的节流元件。由于阀芯在阀体内移动，改变了阀芯与阀座之间的流通面积，即改变了阀的阻力系数，被控介质的流量相应地改变，从而达到调节工艺变量的目的。 由于调节机构直接与被控介质接触，为适应各种使用要求，阀芯、阀体有不同的结构，使用的材料各不相同。常见的阀芯型式有平板型阀芯、柱塞型阀芯、窗口型阀芯和多级阀芯；常见的阀体有直通单座调节阀、直通双座调节阀、角形阀、三通阀、蝶阀、套筒型调节阀、偏心旋转阀和高压调节阀等。 本系统的实际工况是小流量的气体，采用V型球阀阀体比较合适，它的内置式电子伺服控制器和执行器为一体化结构，具有精度高、结构紧凑和动作可靠等优点。 2.4.3 控制系统组成 控制系统采用两级计算机控制系统结构，如图2.6所示。上位机为装有MCGS组态软件的PC机，下位机采用西门子公司S7-300系列的PLC。CPU模块为CPU312，主要对各个输入模块传输来的指令、信号和数据进行运算处理，然后通过输出模块，输出给执行机构，实现需要的动作；数字量输入模块和模拟量输入分别采集现场的数字量信号和模拟量信号，送入CPU进行处理，数字量输出模块和模拟量输出模块对继电器、接触器、电磁阀和电动调节阀等执行机构进行控制。 图2.6 PLC控制系统结构框图 PLC各模块型号和具体功能如下： (1)电源模块：型号为PS307,为PLC的CPU模块、功能模块和扩展模块提供直流24V电源。它将220V交流电压转变为所需的24V直流工作电压,输出电流为5A。 (2)CPU模块：型号为CPU312，是PLC的中央处理单元，适用于要求高速处理和中等I/O规模的系统，能够装载较大规模的程序，且指令执行速度也比较快，适合于本系统的控制要求。 (3)数字量输入输出模块：型号为SM323，实现数字信号的采集和控制信号的输出。在本系统中有电磁阀的控制等。 (4)模拟量输入输出模块：型号为SM334，实现模拟信号的采集和控制信号的输出。在本系统中输入有流量、氧含量和压力的数据采集，输出为对电动调节阀的控制。 第3章 氧化锌晶须生产控制系统控制器设计 在氧化锌晶须加工的过程中，产品的品质会受到通入氧化炉的气体氧含量、流量和氧化炉温度等工艺过程变量的影响而变得不稳定。在这些变量中，以氧化炉用气的氧含量和流量的影响最大。本文依据现场情况，针对实际工艺配气过程中存在滞后性和耦合性的特点，采用基于带死区的增量式PID算法并加入前馈补偿解耦算法设计自动控制系统的控制器。 3.1 系统的数学模型 建立系统的数学模型有两种方法：机理分析方法和实验方法。机理分析法需要深入分析系统的运动规律，利用己知的物理定律和方程，作为建立数学模型的依据。实验方法是在得到系统的模型结构之后，根据系统的输入输出数据所提供的信息，估计出模型中有关参数的值。而在本次设计中，系统的数学模型是给定的，其数学模型如下： (3-1) 式中，C，Q，Q1，Q2分别表示混合后气体氧含量、用气流量、空气流量和尾气流量。C和Q为被控变量，Q1和Q2为操作变量。 3.2解耦控制器的设计 3.2.1 多输入多输出（MIMO）系统建模方法 对于MIMO系统解耦控制器的设计，就是要求在充分了解被控系统耦合特性的基础上，确定期望性能指标和控制器类型和参数，消除耦合或者弱化耦合的影响，其基本思路是： (1)对实际被控系统进行输入输出特性分析,得到被控系统所固有的物理特性，即建立对象的数学模型。 对于MIMO系统，设置一个输入量（设为第i个输入量）为阶跃信号，其余输入量为稳态恒定值，得到各输出对此输入信号的灵敏度,然后对其余的输入做同样的处理,最终得到整个被控系统的基本特性。 进一步确定各子系统的主导特性。因为对于MIMO系统，从理论上说，各个输入都可对输出量j产生影响，而且这些影响也会各有其不同响应特性。为了简化系统设计，往往通过输入输出特性分析得出输出量j的主导特性，如果输出量j对输入量i的灵敏度很小，就可以认为输出量j基本不受输入量i影响，从而为各子系统设计各自的闭环控制提供依据，简化设计过程。 (2)设计解耦控制器，使耦合的对象变成一个无耦合的控制对象，或者耦合程度极其轻微的控制对象，成为单回路控制系统。 3.2.2 解耦控制器的设计思路 在氧化锌晶须加工过程控制系统的配气过程中，两个输入量分别为空气流量和尾气流量，输出量为混合后气体的氧含量和流量，由于它们存在严重的耦合，且两个回路的耦合程度有较大的差异，所以必须进行解耦设计。典型的解耦设计方法有对角矩阵解耦和改变目标矩阵的解耦。对角矩阵解耦的一个重要特性是解耦目标矩阵GA（s）保留了原耦合矩阵的主对角线上的元素，而非主对角线上的元素为零。而改变目标矩阵的解耦方法是在加入一组解耦网络以后，在解除系统间的耦合之外，同时改变各个控制通道的特性，使各个独立的控制系统变得更加容易控制，前馈补偿解耦法就是其中一种。从MIMO控制系统设计方法的工程性、实用性的角度来出发以及为了使得加入解耦控制器后控制系统更加容易控制，采用前馈补偿解耦法，通过改变系统的目标矩阵GA（s），再设计一个PI控制器，通过设计反馈控制系统的参数，使闭环控制系统达到期望的动、静态性能与较好的抗干扰能力。前馈补偿解耦法具有运算简单、动态偏差小、响应速度快、过渡时间短、容易在计算机上实现等特点。 3.2.3 前馈补偿解耦控制器设计原理 图3.1为前馈补偿解耦控制系统的方框图。其中：R1、R2为设定值，分别表示混合气体的氧含量、流量；U1、U2为操纵变量，分别表示空气流量和尾气流量；Y1、Y2为被控变量的实际反馈值。Gc (s)为控制器，Df(s)为解耦控制器，Gij(s)为系统的传递函数。 图3.1 前馈补偿解耦控制系统方框图 前馈补偿解耦法实际上是把某通道的调节器输出对另外通道的影响看作是扰动作用，然后应用前馈控制的原理，解除控制回路之间的耦合。例如，U1会影响Y2，对第二个回路来说是一个扰动因素，通过解耦装置的Df2(s)环节产生的控制作用U2来补偿U1对Y2的影响。因此，可以按前馈控制的不变性原理来设计解耦控制器Df1(s)和Df2(s)。 对于双输入双输出系统，按不变性原理可得： G11(s)Df1(s)+G12(s)=0 (3-2) G22(s)Df2(s)+G21(s)=0 (3-3) 由式(3-2)和式(3-3)得： Df1(s)= (3-4) Df2(s)= (3-5) 采用前馈补偿解耦后，可得： EMBED Equation.3 EMBED Equation.3 = (3-6) 可见，前馈解耦后所得的仍是对角矩阵。这样也完全解除了各回路之间的关联，但是各条通道的传递函数并不是原来的传递函数G11(s)了。 通过前面的分析，可以由式(3-4)和式(3-5)求得系统的解耦控制器，得： (3-7) (3-8) 设计前馈解耦控制器时还应注意以下几个问题： (1)当前馈解耦只考虑静态解耦时，式(3-4)和式(3-5)可写成： ； 实践表明，在很多情况下，特别是在G12(s)与G11(s)和G21(s)与G22(s)动态响应相近时，用静态解耦就能取得很好的效果。 (2)当需要动态解耦时，Df1(s)一般可采用 的形式。 (3)当目标函数矩阵为奇异矩阵时，即目标函数矩阵的行列式为零时，采用前馈时会使Gij(s)Df1(s)为零矩阵。因此，对于双输入双输出系统，当G11(s)G22(s)和G12(s)G21(s)很接近时，解耦时比较困难的。 3.3 增量式PID控制器设计 对于实际的过程控制，主控制器采用经典的增量式PID控制算法，利用PID控制器结构简单、易于实现、可靠性高等优点，进行流量的快速调节。 3.3.1 PID控制原理 PID控制器包括比例、积分和微分三部分，其控制原理图如图3.2所示。比例(P)控制是一种最简单的控制方式，其控制器的输出与输入误差成比例的关系。系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用越大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。积分(I)控制是消除系统的稳态误差，提高无差度。如果系统有误差，积分调节就进行直至无误差，积分调节停止，积分调节输出为常值。积分作用的强弱取决与积分时间常数Ti，若Ti越小，积分作用就越强，反之Ti越大则积分作用弱，加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。微分(D)控制反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，己被微分调节作用消除。因此，微分调节可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下，可以减少超调，减少调节时间。另外微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的加微分调节，对系统抗干扰不利。 图3.2 典型PID控制结构 PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值r(t)与实际输出值y(t)构成控制差： (3-9) 将偏差的比例(p)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID控制器。其控制规律为： (3-10) 式中，Kp为比例系数；Ti为积分时间常数；Td为微分时间常数。 在计算机控制系统中使用的是数字PID调节器，就是对式(3-10)离散化，离散化时，令： (3-11) 式中T是采样周期，显然，上述离散化过程中，采样周期T必须足够短，才能保证有足够的精度。由式(3-10)及式(3-11)可得： (3-12) 数字PID控制系统可以分为位置式PID和增量式PID。式(3-12)是位置式PID算法。位置式PID数字调节器的输出u(kT)完全是输出量，是执行机构所应达到的位置(如阀门的开度)，数字调节器的输出u(kT)跟过去的状态有关，计算机的运算工作量大，需要对u(kT)作累加，而且，计算机的故障有可能使u(kT)作大幅度的变化，这种情况往往是生产实际中不允许的，而且有些场合可能会造成严重的事故。目前增量式PID控制比较广泛的应用，所谓增量式PID是对位置式PID取增量，数字调节器的输出只是增量 u(kT)。 (3-13) 增量式算法和位置式算法在本质上没有大的差别，增量式算法把计算机的一部分累加的功能 由其它部件去完成。虽然增量式算法只是算法上的一点改动，却带来不少优点： (1) 计算机(数字调节器)只输出增量，计算机误动作时造成的影响比较小； (2) 算式中不需要作累加，增量只跟最近的几次采样值有关，容易获得较好的控制效果。由于式中无累加，消除了当偏差存在时发生积分饱和的危险。 在实际过程中，考虑到在满足控制精度的情况下控制作用尽量少变动，并且尽量使得电动执行机构的寿命更长，主控制器还设定一个死区，采用带死区的增量式PID算法。比较被控变量实测值和设定值的差值绝对值与工艺要求精度(死区)的大小，只有当差值绝对值超出精度范围才进行PID的调节，否则不进行调节，维持原输出。 3.3.2 PID控制器设计 结合PID控制器的设计原理和控制对象的描述，下面进行配气系统的主控制器设计。在对耦合系统解耦后，则各回路之间相互不影响，为单回路控制。图3.3为典型的PID闭环控制系统结构图。 图3.3 PID闭环控制系统方框图 其中sp(n)为给定值，pv(n)为A/D转换后的反馈量，ev(n)为误差，mv(n)为控制器输出，mv(t)为D/A转换后的模拟控制信号，y(t)为被控量，pv(t)为现场传感器的检测后转换过来的电信号。 氧化锌晶须加工工艺中需要控制的是流量，属于快速反映系统，由于流量控制系统的滞后小，运行周期短，积分时间可以取得很小。比例作用随偏差的产生会瞬时变化，而积分作用总是有些滞后，所以有了积分作用并相应地将比例作用调弱，还有利于减少高频噪声的影响，故采用PI控制。 PI控制器用传递函数的形式表示如下： (3-14) 但是由于没有现场的设备，本次设计只能在MATLAB仿真软件中试凑PID系数。这样得到的解耦后两个单回路闭环控制系统的主控制器的PID系数为： ， ， (3-15) ， ， (3-16) 式(3-15)和(3-16)分别表示氧含量回路和流量回路的PID参数。 将式(3-15)和(3-16)分别代入式(3-14)可以得到氧含量回路和流量回路主控制器的传递函数为： (3-17) (3-18) 同样，将式(3-15)和(3-16)代入式(3-13)有： (3-19) (3-20) 这样，计算机输出的控制增量 对应的是本次流量调节时电动执行机构输入电流的增量。这样通过不断地改变电动调节阀的输入来改变流量的大小，最终实现氧含量和流量的恒定。 3.4 基于Simulink 控制系统仿真 3.4.1 Simulink模块库介绍 Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具， 是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI) ，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。其模块库如图3.4所示。 图3.4 Simulink模块库界面 3.4.2 Simulink下控制系统仿真 依据已知的数学模型和控制系统的各个环节的传递函数，在模块库中找到与之相对应得模块形式，把它们放入Simulink模块编辑窗口，并按照相应的结构进行连接，构成一个完整的系统控制方框图，并对其仿真。图3.5表示了控制系统的数学模型。 图3.5 Simulink仿真下控制系统数学模型 图3.5中，Constant表示被控变量给定值，Out表示被控变量的输出，TransferFcn表示表示传递函数，Gain表示增益，TransP0rtDelay表示传递滞后。其各个模块的意义与图3.1相对应。 3.4.3 仿真结果及分析 对图3.5进行仿真，就可以得到控制系统混合气体的氧含量和流量仿真曲线，如图3.6和3.7所示。 图3.7 控制系统氧含量仿真曲线 图3.8 控制系统流量仿真曲线 以上两幅图的仿真结果是在主控制器参数反复试凑后得到的最佳结果，不论是流量还是氧含量的动态响应曲线都是非常理想的。在对流量的调节中，由于仿真无法模拟实际中调节阀打开时压力差过大的现象，所以没有超调量。 第4章 氧化锌晶须生产控制系统软件设计 上位机采用装有MCGS组态软件的PC机设计监控界面，下位机采用Siemens PLC S7-300系列软件包STEP7，在PLC中实现其具体控制算法。 4.1 上位机监控管理 4.1.1 MCGS组态软件的整体结构 MCGS 5.1软件系统包括组态环境和运行环境两个部分。组态环境相当于一套完整的工具软件，帮助用户设计和构造自己的应用系统。运行环境则按照组态环境中构造的组态工程，以用户指定的方式运行，并进行各个处理，完成用户组态设计的目标和功能。 MCGS组态软件由“MCGS组态环境”和“MCGS运行环境”两个系统组成。两部分互相独立，又紧密相关，如图4.1。 图4.1 MCGS整体结构 4.1.2 监控软件结构及功能 自动控制系统的监控软件是完成与实时控制和显示密切相关的一些功能，基 本的要素包括可视化的监控界面、控制算法的实现和数据管理。本软件实现的主 要功能如下所述： (1)过程状态可视化监控：提供友好的“人机界面”，实现工艺流程图、氧含量实时曲线、流量实时曲线、工艺参数显示和控制参数设置等。 (2)控制算法实现：将解耦控制算法和PID算法在下位机(PLC)上实现，完成系统的自动化控制。 (3)数据管理：实现数据的采集、显示和传送等功能，它还包含了PC和PLC之间通讯的实现。 其加工控制系统结构框图如图4.2所示。 图4.2 氧化锌晶须加工控制系统结构 4.2 PLC编程及算法实现 4.2.1 Siemens STEP7标准软件包 STEP是用于SIMATIC可编程控制器组态和编程的标准软件包，它是SIMATIC工业软件的组成部分。标准软件包运行在Window95/98/NT4.0/2000/XP下，并与Windows的图形和面向对象的操作原理想匹配。STEP7中集成的SIMATIC编程语言和语言表达式，符合EN61131-3或IEC1131-3标准。标准软件支持自动任务创建过程的各个阶段，如：建立和管理项目，硬件、通讯组态，为功能模块和通讯处理器赋值，定义绝对地址和符号地址，测试自动化系统，诊断设备故障等。 STEP标准软件包提供了一系列的应用工具，当选择相应功能或打开一个对象时，这些工具会自动启动，如图4.3。 图4.3 STEP7标准软件包应用程序结构 4.2.2 STEP7编程 STEP7是应用于SIMATIC可编程逻辑控制器的组态和编程的标准软件包，它是STMATIC工业软件的组成部分。用STEP7创建一个项目时，一般按照如下几个步骤： (1)首先设计程序结构。使用STEP7中可用的块系统控制器设计草案中所描述的任务转化位程序结构。 (2)启动STEP7，创建一个项目结构。项目就像一个文件夹，所有数据都以分层的结构存于其中，其它任务都在这个项目下执行。 (3) 组态一个站。即指定系统所使用的PLC，本系统为SIMATIC300。 (4)组态硬件。即对于具体的项目，选用了哪些功能模块(如CPU、数字量输入模块、数字量输出模块等)，系统会根据这些模块的型号，来自动给其分配操作地址，如图4.4所示。 图4.4 PLC硬件组态 (5)定义符号、创建程序。在符号表中定义局域或共享符号，用这些符号来替代绝对地址；根据系统要求完成各功能块的编写并对其进行编译。 (6)程序下载、测试、诊断。在编译无误的情况下将整个项目从PG/PC下载到PLC内存里面。 4.2.3 控制逻辑分析 从对工艺流程的分析可知，系统主要控制的参数为氧含量和进气流量，氧含量又由尾气流量和空气流量来决定，即通过检测氧含量的设定值来调节尾气流量和空气流量，用电动调节阀进行控制。这种变化是连续性的，并含有耦合，由前馈补偿解耦控制器进行解耦和主控制器为带死区的增量式PID算法完成。由于气体是可压缩的，流量的变化与压力密切相关，因此，在每个电动调节阀前面必须加入一个稳压阀，这样才能确保流量调节的稳定。 尾气压缩机连着氧化炉，要把氧化炉中反应后剩余的气体抽出，当尾气压缩机抽出的气体大于自身的输出时，尾气压.缩机的压力就会越来越高，当压力达到保护设定值时就会自动停止，这是不允许的。因此，用一个电磁阀来控制排空。为了不让电磁阀在保护设定值附件频繁的开闭，让电磁阀的通电动作具有滞洞特性，即：若设定一个压力值P2，P2小于尾气压缩机自身的保护压力，现场设定为保护压力的95%，当压力小于P2时，让电磁阀继续通电进行尾气排空，直到压力小于在程序中设定的最小值P1时再让电磁阀断电，停止尾气排空；当压力再次增加P2时，使电磁阀通电，重复上面的逻辑动作。图4.5为单回路自动控制流程图。 图4.5 单回路自动控制流程图 当排空电磁阀通电排尾气时，关闭尾气输入管道上的电磁阀，为了使氧含量不受影响，也将空气输入管道上的电磁阀关闭。与此同时停止PID调节，让电动调节阀的阀位停留在原来的位置，这样保证再次调节时电动调节阀只在原来的阀位附近做小幅度的调节，保证了流量控制的稳定；当关闭排空电磁阀时，打开尾气管道和空气管道上的电磁阀，同时也使PID调节继续进行，实现尾气排空与流量调节的控制。 4.2.4 前馈解耦控制算法 前馈补偿解耦控制算法实现，双输入双输出系统前馈补偿解耦控制算法流程分为如下几步： 图4.6 前馈解耦控制算法流程图 (1)输入解耦矩阵D(kT)，采样y(kT)； (2)计算偏差e(kT)； (3)计算主控制器输出u(kT)； (4)计算解耦装置输出 (kT)； (5)最后是计算机输出 (kT)。图4.6为前馈解耦控制控制算法流程图。 4.2.5 增量式PID算法实现 S7-300PLC中虽然有自带的PID模块，为了实际使用方便，在本次设计中自行编写了带死区的增量式PID算法模块，图4.7为算法流程图，其具体的PLC程序见附录A。 图4.7 带死区的增量式PID算法流程图 第5章 控制系统的运行效果与性能评价 5.1 系统运行效果 图4.2介绍了其加工控制系统的结构。其中过程状态可视化监控模块的作用为人机交流，它提供了工艺流程监控、氧含量实时曲线、流量实时曲线、工艺参数显示和报警数据输出等画面，实现了对工艺流程的实时监控。其工艺流程监控图见附录A 5.2 系统性能评价 氧化锌晶须生产过程自动控制系统已经应用到实际生产过程中，其整体性能从如下几个方面来评价： (1)系统的稳定性 由于采用了上下位机实现分级控制，下级PLC系统直接参与过程控制，大大提高了系统的可靠性。另外，标准化和商品化的工业控制软件也为整个软件系统的可靠性提供了保障。 (2) 系统的实时性、灵活性 Siemens S7-300系列PLC的CPU循环周期为20ms，即每隔20ms扫描一次程序。对于实际生产的流量快速调节系统来说也是足以满足现场实时性的要求。同时，系统的灵活性表现在对实时数据的采集、显示和工艺流程画面的监控等，简化了用户操作，提高了工作效率。 (3) 系统的先进性 从系统的硬件配置中可以看出，本系统正符合当前以微型机为主机的集散型系统的发展方向。在系统的软件中，不仅实现了氧化锌晶须加工过程的在线监测，而且完成了以稳定氧含量和流量，提高晶须产品质量为目标的整个控制系统实时控制，使得该系统生产出来的氧化锌晶须品质达到上等。同时，本系统以简单实用为设计宗旨，操作简单、界面清楚明了，系统容易维护。 (4) 运行效益 降低了以往凭经验调节的盲目性，减少由于工艺参数变化引起的工况不稳定，稳定了氧化炉用气的氧含量和流量，有效改善了氧化锌晶须的质量，同时综合利用了氧化炉反应后的尾气，减少生产生本，为提高企业的经济效益发挥了积极的作用。 第6章 结束语 6.1 结论 本设计针对氧化锌晶须生产加工过程中氧含量、流量和压力不稳定等现象，以对氧含量和流量有直接影响的配气系统为研究对象，进行了氧化锌晶须生产自动控制系统的研究。本设计的主要研究 工作总结 关于社区教育工作总结关于年中工作总结关于校园安全工作总结关于校园安全工作总结关于意识形态工作总结 如下： (1) 在详细分析氧化锌晶须生产工艺的基础上，提出了控制系统的结构框架，并总结了其功能特点； (2) 针对配气系统具有明显的时间延迟和耦合性的特点，以及系统具有不确定外部因素干扰的特点，基于已知的对象模型采用了前馈补偿解耦控制算法和增量式PID控制算法进行控制器的设计。最后通过仿真效果图验证了控制系统设计的正确性； (3)系统软件采用MCGS组态软件和Siemens PLC S7-300系列的STEP 7软件编制，实现了配气过程重要参数的监视、氧含量和流量的稳定控制和报警等功能。论文中说明了软件各模块的功能，并介绍了前馈解耦控制算法和增量式PID控制算法在PLC中的实现； (4)通过大量的实验表明该系统具有一定的稳定性、可靠性和实用性。 6.2 展望 在解决了单台氧化炉晶须生产过程控制后，课题的深入研究可以从以下几方面着手： (1) 被控对象模型的复杂化 如果采用一套配气带多台氧化炉，那么除了配气过程具有耦合之外，供气部分也将有强耦合，其实质为分流过程的控制。除了对配气过程要进行解耦控制外，供气过程也需要解耦。解耦时需要考虑各回路之间压力、组分、流量等多方面的因素，要结合控制理论、流体力学和数学方法等多学科的知识。氧化炉台数越多，对象模型建立就越复杂，控制难度就越大。因此有必要了解相关知识，对对象进行严谨的数学分析，实现整个氧化锌晶须生产过程的在线监控。 (2) 应用现场总线及工业以太网技术 随着氧化炉台数的增多，不同的氧化炉可能摆放在不同的厂房，实际距离急剧增加；并且控制系统的输入输出点也随之增加，信息处理量增大。因此，可以采用现场总线技术，利用分布式控制系统的高速数据传输的特点，使中央控制器通过高速串行线同分散的现场设备进行通信，同时也解决了现场传感器与控制器距离远而连接不方便、成本高的弊病。 将工业以太网技术应用到氧化锌生产过程控制系统中，可以使得管理者通过网络远程的访问控制系统，及时了解实际生产情况，对生产过程中出现的问题作出快速的修正，避免错误操作而导致的对现场设备或者生产过程的破坏，提高生产效率和效益。 参考文献 1. 税安泽,王书媚,刘平安等.氧化锌晶须的制备及生长机理研究,材料导报,2006年11月第20卷专辑 2. 游贤贵,黄学超.四脚状氧化锌晶须—特性、应用和制备,《四川有色金属》 3. 程敬泉. 氧化锌晶须的制备及应用,衡水师专学报,第2卷第4期,2000年12月 4. 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大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 作者签名：　　 　 　　 日　 期：　　 　 　　 ​​​​​​​​​​​​ 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权　　 　 　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 注 意 事 项 1.设计（论文）的内容包括： 1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作） 2）原创性声明 3）中文摘要（300字左右）、关键词 4）外文摘要、关键词 5）目次页（附件不统一编入） 6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论 7）参考文献 8）致谢 9）附录（对论文支持必要时） 2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。 3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。 4.文字、图表要求： 1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写 2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画 3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印 4）图表应绘制于无格子的页面上 5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档 5.装订顺序 1）设计（论文） 2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。 作 者 签 名：　　 　 　　日　 期：　　 　 　　 ​​​​​​​​​​​​ 指导教师签名：　　 　 　　 日　　期：　　 　 　　 使用授权说明 本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 作者签名：　　 　 　　 日　 期：　　 　 　　 ​​​​​​​​​​​​ 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权　　 　 　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 独 创 声 明 本人郑重声明：所呈交的毕业设计(论文)，是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律后果由本人承担。   作者签名: 二〇一〇年九月二十日   毕业设计（论文）使用授权声明 本人完全了解**学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定。 本人愿意按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版，同意学校保存学位论文的印刷本和电子版，或采用影印、数字化或其它复制手段保存设计（论文）；同意学校在不以营利为目的的前提下，建立目录检索与阅览服务系统，公布设计（论文）的部分或全部内容，允许他人依法合理使用。 （保密论文在解密后遵守此规定）   作者签名: 二〇一〇年九月二十日 基本要求：写毕业论文主要目的是培养学生综合运用所学知识和技能，理论联系实际，独立分析，解决实际问题的能力，使学生得到从事本专业工作和进行相关的基本训练。毕业论文应反映出作者能够准确地掌握所学的专业基础知识，基本学会综合运用所学知识进行科学研究的方法，对所研究的题目有一定的心得体会，论文题目的范围不宜过宽，一般选择本学科某一重要问题的一个侧面。 毕业论文的基本教学要求是： 1、培养学生综合运用、巩固与扩展所学的基础理论和专业知识，培养学生独立分析、解决实际问题能力、培养学生处理数据和信息的能力。2、培养学生正确的理论联系实际的工作作风，严肃认真的科学态度。3、培养学生进行社会调查研究；文献资料收集、阅读和整理、使用；提出论点、综合论证、总结写作等基本技能。 毕业论文是毕业生总结性的独立作业，是学生运用在校学习的基本知识和基础理论，去分析、解决一两个实际问题的实践锻炼过程，也是学生在校学习期间学习成果的综合性总结，是整个教学活动中不可缺少的重要环节。撰写毕业论文对于培养学生初步的科学研究能力，提高其综合运用所学知识分析问题、解决问题能力有着重要意义。 毕业论文在进行编写的过程中，需要经过开题报告、论文编写、论文上交评定、论文答辩以及论文评分五个过程，其中开题报告是论文进行的最重要的一个过程，也是论文能否进行的一个重要指标。 撰写意义：1.撰写毕业论文是检验学生在校学习成果的重要措施，也是提高教学质量的重要环节。大学生在毕业前都必须完成毕业论文的撰写任务。申请学位必须提交相应的学位论文，经答辩通过后，方可取得学位。可以这么说，毕业论文是结束大学学习生活走向社会的一个中介和桥梁。毕业论文是大学生才华的第一次显露，是向祖国和人民所交的一份有份量的答卷，是投身社会主义现代化建设事业的报到书。一篇毕业论文虽然不能全面地反映出一个人的才华，也不一定能对社会直接带来巨大的效益，对专业产生开拓性的影响。但是，实践证明，撰写毕业论文是提高教学质量的重要环节，是保证出好人才的重要措施。 2.通过撰写毕业论文，提高写作水平是干部队伍“四化”建设的需要。党中央要求，为了适应现代化建设的需要，领导班子成员应当逐步实现“革命化、年轻化、知识化、专业化”。这个“四化”的要求，也包含了对干部写作能力和写作水平的要求。 3.提高大学生的写作水平是社会主义物质文明和精神文明建设的需要。在新的历史时期，无论是提高全族的科学文化水平，掌握现代科技知识和科学管理方法，还是培养社会主义新人，都要求我们的干部具有较高的写作能力。在经济建设中，作为领导人员和机关的办事人员，要写指示、通知、总结、调查报告等应用文；要写说明书、广告、解说词等说明文；还要写科学论文、经济评论等议论文。在当今信息社会中，信息对于加快经济发展速度，取得良好的经济效益发挥着愈来愈大的作用。写作是以语言文字为信号，是传达信息的方式。信息的来源、信息的收集、信息的储存、整理、传播等等都离不开写作。 论文种类：毕业论文是学术论文的一种形式，为了进一步探讨和掌握毕业论文的写作规律和特点，需要对毕业论文进行分类。由于毕业论文本身的内容和性质不同，研究领域、对象、方法、表现方式不同，因此，毕业论文就有不同的分类方法。 按内容性质和研究方法的不同可以把毕业论文分为理论性论文、实验性论文、描述性论文和设计性论文。后三种论文主要是理工科大学生可以选择的论文形式，这里不作介绍。文科大学生一般写的是理论性论文。理论性论文具体又可分成两种：一种是以纯粹的抽象理论为研究对象，研究方法是严密的理论推导和数学运算，有的也涉及实验与观测，用以验证论点的正确性。另一种是以对客观事物和现象的调查、考察所得观测资料以及有关文献资料数据为研究对象，研究方法是对有关资料进行分析、综合、概括、抽象，通过归纳、演绎、类比，提出某种新的理论和新的见解。 按议论的性质不同可以把毕业论文分为立论文和驳论文。立论性的毕业论文是指从正面阐述论证自己的观点和主张。一篇论文侧重于以立论为主，就属于立论性论文。立论文要求论点鲜明，论据充分，论证严密，以理和事实服人。驳论性毕业论文是指通过反驳别人的论点来树立自己的论点和主张。如果毕业论文侧重于以驳论为主，批驳某些错误的观点、见解、理论，就属于驳论性毕业论文。驳论文除按立论文对论点、论据、论证的要求以外，还要求针锋相对，据理力争。 按研究问题的大小不同可以把毕业论文分为宏观论文和微观论文。凡届国家全局性、带有普遍性并对局部工作有一定指导意义的论文，称为宏观论文。它研究的面比较宽广，具有较大范围的影响。反之，研究局部性、具体问题的论文，是微观论文。它对具体工作有指导意义，影响的面窄一些。 另外还有一种综合型的分类方法，即把毕业论文分为专题型、论辩型、综述型和综合型四大类： 1．专题型论文。这是分析前人研究成果的基础上，以直接论述的形式发表见解，从正面提出某学科中某一学术问题的一种论文。如本书第十二章例文中的《浅析领导者突出工作重点的方法与艺术》一文，从正面论述了突出重点的工作方法的意义、方法和原则，它表明了作者对突出工作重点方法的肯定和理解。2．论辩型论文。这是针对他人在某学科中某一学术问题的见解，凭借充分的论据，着重揭露其不足或错误之处，通过论辩形式来发表见解的一种论文。3．综述型论文。这是在归纳、总结前人或今人对某学科中某一学术问题已有研究成果的基础上，加以介绍或评论，从而发表自己见解的一种论文。4．综合型论文。这是一种将综述型和论辩型两种形式有机结合起来写成的一种论文。如《关于中国民族关系史上的几个问题》一文既介绍了研究民族关系史的现状，又提出了几个值得研究的问题。因此，它是一篇综合型的论文。 写作步骤：毕业论文是高等教育自学考试本科专业应考者完成本科阶段学业的最后一个环节，它是应考者的 总结 性独立作业，目的在于总结学习专业的成果，培养综合运用所学知识解决实际 问题 的能力。从文体而言，它也是对某一专业领域的现实问题或 理论 问题进行 科学 研究 探索的具有一定意义的论说文。完成毕业论文的撰写可以分两个步骤，即选择课题和研究课题。 首先是选择课题。选题是论文撰写成败的关键。因为，选题是毕业论文撰写的第一步，它实际上就是确定“写什么”的问题，亦即确定科学研究的方向。如果“写什么”不明确，“怎么写”就无从谈起。 教育部自学考试办公室有关对毕业论文选题的途径和要求是“为鼓励理论与工作实践结合，应考者可结合本单位或本人从事的工作提出论文题目，报主考学校审查同意后确立。也可由主考学校公布论文题目，由应考者选择。毕业论文的总体要求应与普通全日制高等学校相一致，做到通过论文写作和答辩考核，检验应考者综合运用专业知识的能力”。但不管考生是自己任意选择课题，还是在主考院校公布的指定课题中选择课题，都要坚持选择有科学价值和现实意义的、切实可行的课题。选好课题是毕业论文成功的一半。 第一、要坚持选择有科学价值和现实意义的课题。科学研究的目的是为了更好地认识世界、改造世界，以推动社会的不断进步和发展 。因此，毕业论文的选题，必须紧密结合社会主义物质文明和精神文明建设的需要，以促进科学事业发展和解决现实存在问题作为出发点和落脚点。选题要符合科学研究的正确方向，要具有新颖性，有创新、有理论价值和现实的指导意义或推动作用，一项毫无意义的研究，即使花很大的精力，表达再完善，也将没有丝毫价值。具体地说，考生可从以下三个方面来选题。首先，要从现实的弊端中选题，学习了专业知识，不能仅停留在书本上和理论上，还要下一番功夫，理论联系实际，用已掌握的专业知识，去寻找和解决工作实践中急待解决的问题。其次，要从寻找科学研究的空白处和边缘领域中选题，科学研究。还有许多没有被开垦的处女地，还有许多缺陷和空白，这些都需要填补。应考者应有独特的眼光和超前的意识去思索，去发现，去研究。最后，要从寻找前人研究的不足处和错误处选题，在前人已提出来的研究课题中，许多虽已有初步的研究成果，但随着社会的不断发展，还有待于丰富、完整和发展，这种补充性或纠正性的研究课题，也是有科学价值和现实指导意义的。 第二、要根据自己的能力选择切实可行的课题。毕业论文的写作是一种创造性劳动，不但要有考生个人的见解和主张，同时还需要具备一定的客观条件。由于考生个人的主观、客观条件都是各不相同的，因此在选题时，还应结合自己的特长、兴趣及所具备的客观条件来选题。具体地说，考生可从以下三个方面来综合考虑。首先，要有充足的资料来源。“巧妇难为无米之炊”，在缺少资料的情况下，是很难写出高质量的论文的。选择一个具有丰富资料来源的课题，对课题深入研究与开展很有帮助。其次，要有浓厚的研究兴趣，选择自己感兴趣的课题，可以激发自己研究的热情，调动自己的主动性和积极性，能够以专心、细心、恒心和耐心的积极心态去完成。最后，要能结合发挥自己的业务专长，每个考生无论能力水平高低，工作岗位如何，都有自己的业务专长，选择那些能结合自己工作、发挥自己业务专长的课题，对顺利完成课题的研究大有益处。 致 谢 这次论文的完成，不止是我自己的努力，同时也有老师的指导，同学的帮助，以及那些无私奉献的前辈，正所谓你知道的越多的时候你才发现你知道的越少，通过这次论文，我想我成长了很多，不只是磨练了我的知识厚度，也使我更加确定了我今后的目标：为今后的计算机事业奋斗。在此我要感谢我的指导老师——***老师，感谢您的指导，才让我有了今天这篇论文，您不仅是我的论文导师，也是我人生的导师，谢谢您！我还要感谢我的同学，四年的相处，虽然我未必记得住每分每秒，但是我记得每一个有你们的精彩瞬间，我相信通过大学的历练，我们都已经长大，变成一个有担当，有能力的新时代青年，感谢你们的陪伴，感谢有你们，这篇论文也有你们的功劳，我想毕业不是我们的相处的结束，它是我们更好相处的开头，祝福你们！我也要感谢父母，这是他们给我的，所有的一切；感谢母校，尽管您不以我为荣，但我一直会以我是一名农大人为荣。 通过这次毕业设计，我学习了很多新知识，也对很多以前的东西有了更深的记忆与理解。漫漫求学路，过程很快乐。我要感谢信息与管理科学学院的老师，我从他们那里学到了许多珍贵的知识和做人处事的道理，以及科学严谨的学术态度，令我受益良多。同时还要感谢学院给了我一个可以认真学习，天天向上的学习环境和机会。 即将结束*大学习生活，我感谢****大学提供了一次在**大接受教育的机会，感谢院校老师的无私教导。感谢各位老师审阅我的论文。 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。 作 者 签 名：　　 　 　　日　 期：　　 　 　　 ​​​​​​​​​​​​ 指导教师签名：　　 　 　　 日　　期：　　 　 　　 使用授权说明 本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 作者签名：　　 　 　　 日　 期：　　 　 　　 ​​​​​​​​​​​​ 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权　　 　 　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 独 创 声 明 本人郑重声明：所呈交的毕业设计(论文)，是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律后果由本人承担。   作者签名: 年 月 日   毕业设计（论文）使用授权声明 本人完全了解**学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定。 本人愿意按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版，同意学校保存学位论文的印刷本和电子版，或采用影印、数字化或其它复制手段保存设计（论文）；同意学校在不以营利为目的的前提下，建立目录检索与阅览服务系统，公布设计（论文）的部分或全部内容，允许他人依法合理使用。 （保密论文在解密后遵守此规定）   作者签名: 年 月 日 基本要求：写毕业论文主要目的是培养学生综合运用所学知识和技能，理论联系实际，独立分析，解决实际问题的能力，使学生得到从事本专业工作和进行相关的基本训练。毕业论文应反映出作者能够准确地掌握所学的专业基础知识，基本学会综合运用所学知识进行科学研究的方法，对所研究的题目有一定的心得体会，论文题目的范围不宜过宽，一般选择本学科某一重要问题的一个侧面。 毕业论文的基本教学要求是： 1、培养学生综合运用、巩固与扩展所学的基础理论和专业知识，培养学生独立分析、解决实际问题能力、培养学生处理数据和信息的能力。2、培养学生正确的理论联系实际的工作作风，严肃认真的科学态度。3、培养学生进行社会调查研究；文献资料收集、阅读和整理、使用；提出论点、综合论证、总结写作等基本技能。 毕业论文是毕业生总结性的独立作业，是学生运用在校学习的基本知识和基础理论，去分析、解决一两个实际问题的实践锻炼过程，也是学生在校学习期间学习成果的综合性总结，是整个教学活动中不可缺少的重要环节。撰写毕业论文对于培养学生初步的科学研究能力，提高其综合运用所学知识分析问题、解决问题能力有着重要意义。 毕业论文在进行编写的过程中，需要经过开题报告、论文编写、论文上交评定、论文答辩以及论文评分五个过程，其中开题报告是论文进行的最重要的一个过程，也是论文能否进行的一个重要指标。 撰写意义：1.撰写毕业论文是检验学生在校学习成果的重要措施，也是提高教学质量的重要环节。大学生在毕业前都必须完成毕业论文的撰写任务。申请学位必须提交相应的学位论文，经答辩通过后，方可取得学位。可以这么说，毕业论文是结束大学学习生活走向社会的一个中介和桥梁。毕业论文是大学生才华的第一次显露，是向祖国和人民所交的一份有份量的答卷，是投身社会主义现代化建设事业的报到书。一篇毕业论文虽然不能全面地反映出一个人的才华，也不一定能对社会直接带来巨大的效益，对专业产生开拓性的影响。但是，实践证明，撰写毕业论文是提高教学质量的重要环节，是保证出好人才的重要措施。 2.通过撰写毕业论文，提高写作水平是干部队伍“四化”建设的需要。党中央要求，为了适应现代化建设的需要，领导班子成员应当逐步实现“革命化、年轻化、知识化、专业化”。这个“四化”的要求，也包含了对干部写作能力和写作水平的要求。 3.提高大学生的写作水平是社会主义物质文明和精神文明建设的需要。在新的历史时期，无论是提高全族的科学文化水平，掌握现代科技知识和科学管理方法，还是培养社会主义新人，都要求我们的干部具有较高的写作能力。在经济建设中，作为领导人员和机关的办事人员，要写指示、通知、总结、调查报告等应用文；要写说明书、广告、解说词等说明文；还要写科学论文、经济评论等议论文。在当今信息社会中，信息对于加快经济发展速度，取得良好的经济效益发挥着愈来愈大的作用。写作是以语言文字为信号，是传达信息的方式。信息的来源、信息的收集、信息的储存、整理、传播等等都离不开写作。 论文种类：毕业论文是学术论文的一种形式，为了进一步探讨和掌握毕业论文的写作规律和特点，需要对毕业论文进行分类。由于毕业论文本身的内容和性质不同，研究领域、对象、方法、表现方式不同，因此，毕业论文就有不同的分类方法。 按内容性质和研究方法的不同可以把毕业论文分为理论性论文、实验性论文、描述性论文和设计性论文。后三种论文主要是理工科大学生可以选择的论文形式，这里不作介绍。文科大学生一般写的是理论性论文。理论性论文具体又可分成两种：一种是以纯粹的抽象理论为研究对象，研究方法是严密的理论推导和数学运算，有的也涉及实验与观测，用以验证论点的正确性。另一种是以对客观事物和现象的调查、考察所得观测资料以及有关文献资料数据为研究对象，研究方法是对有关资料进行分析、综合、概括、抽象，通过归纳、演绎、类比，提出某种新的理论和新的见解。 按议论的性质不同可以把毕业论文分为立论文和驳论文。立论性的毕业论文是指从正面阐述论证自己的观点和主张。一篇论文侧重于以立论为主，就属于立论性论文。立论文要求论点鲜明，论据充分，论证严密，以理和事实服人。驳论性毕业论文是指通过反驳别人的论点来树立自己的论点和主张。如果毕业论文侧重于以驳论为主，批驳某些错误的观点、见解、理论，就属于驳论性毕业论文。驳论文除按立论文对论点、论据、论证的要求以外，还要求针锋相对，据理力争。 按研究问题的大小不同可以把毕业论文分为宏观论文和微观论文。凡届国家全局性、带有普遍性并对局部工作有一定指导意义的论文，称为宏观论文。它研究的面比较宽广，具有较大范围的影响。反之，研究局部性、具体问题的论文，是微观论文。它对具体工作有指导意义，影响的面窄一些。 另外还有一种综合型的分类方法，即把毕业论文分为专题型、论辩型、综述型和综合型四大类： 1．专题型论文。这是分析前人研究成果的基础上，以直接论述的形式发表见解，从正面提出某学科中某一学术问题的一种论文。如本书第十二章例文中的《浅析领导者突出工作重点的方法与艺术》一文，从正面论述了突出重点的工作方法的意义、方法和原则，它表明了作者对突出工作重点方法的肯定和理解。2．论辩型论文。这是针对他人在某学科中某一学术问题的见解，凭借充分的论据，着重揭露其不足或错误之处，通过论辩形式来发表见解的一种论文。3．综述型论文。这是在归纳、总结前人或今人对某学科中某一学术问题已有研究成果的基础上，加以介绍或评论，从而发表自己见解的一种论文。4．综合型论文。这是一种将综述型和论辩型两种形式有机结合起来写成的一种论文。如《关于中国民族关系史上的几个问题》一文既介绍了研究民族关系史的现状，又提出了几个值得研究的问题。因此，它是一篇综合型的论文。 写作步骤：毕业论文是高等教育自学考试本科专业应考者完成本科阶段学业的最后一个环节，它是应考者的 总结 性独立作业，目的在于总结学习专业的成果，培养综合运用所学知识解决实际 问题 的能力。从文体而言，它也是对某一专业领域的现实问题或 理论 问题进行 科学 研究 探索的具有一定意义的论说文。完成毕业论文的撰写可以分两个步骤，即选择课题和研究课题。 首先是选择课题。选题是论文撰写成败的关键。因为，选题是毕业论文撰写的第一步，它实际上就是确定“写什么”的问题，亦即确定科学研究的方向。如果“写什么”不明确，“怎么写”就无从谈起。 教育部自学考试办公室有关对毕业论文选题的途径和要求是“为鼓励理论与工作实践结合，应考者可结合本单位或本人从事的工作提出论文题目，报主考学校审查同意后确立。也可由主考学校公布论文题目，由应考者选择。毕业论文的总体要求应与普通全日制高等学校相一致，做到通过论文写作和答辩考核，检验应考者综合运用专业知识的能力”。但不管考生是自己任意选择课题，还是在主考院校公布的指定课题中选择课题，都要坚持选择有科学价值和现实意义的、切实可行的课题。选好课题是毕业论文成功的一半。 第一、要坚持选择有科学价值和现实意义的课题。科学研究的目的是为了更好地认识世界、改造世界，以推动社会的不断进步和发展 。因此，毕业论文的选题，必须紧密结合社会主义物质文明和精神文明建设的需要，以促进科学事业发展和解决现实存在问题作为出发点和落脚点。选题要符合科学研究的正确方向，要具有新颖性，有创新、有理论价值和现实的指导意义或推动作用，一项毫无意义的研究，即使花很大的精力，表达再完善，也将没有丝毫价值。具体地说，考生可从以下三个方面来选题。首先，要从现实的弊端中选题，学习了专业知识，不能仅停留在书本上和理论上，还要下一番功夫，理论联系实际，用已掌握的专业知识，去寻找和解决工作实践中急待解决的问题。其次，要从寻找科学研究的空白处和边缘领域中选题，科学研究。还有许多没有被开垦的处女地，还有许多缺陷和空白，这些都需要填补。应考者应有独特的眼光和超前的意识去思索，去发现，去研究。最后，要从寻找前人研究的不足处和错误处选题，在前人已提出来的研究课题中，许多虽已有初步的研究成果，但随着社会的不断发展，还有待于丰富、完整和发展，这种补充性或纠正性的研究课题，也是有科学价值和现实指导意义的。 第二、要根据自己的能力选择切实可行的课题。毕业论文的写作是一种创造性劳动，不但要有考生个人的见解和主张，同时还需要具备一定的客观条件。由于考生个人的主观、客观条件都是各不相同的，因此在选题时，还应结合自己的特长、兴趣及所具备的客观条件来选题。具体地说，考生可从以下三个方面来综合考虑。首先，要有充足的资料来源。“巧妇难为无米之炊”，在缺少资料的情况下，是很难写出高质量的论文的。选择一个具有丰富资料来源的课题，对课题深入研究与开展很有帮助。其次，要有浓厚的研究兴趣，选择自己感兴趣的课题，可以激发自己研究的热情，调动自己的主动性和积极性，能够以专心、细心、恒心和耐心的积极心态去完成。最后，要能结合发挥自己的业务专长，每个考生无论能力水平高低，工作岗位如何，都有自己的业务专长，选择那些能结合自己工作、发挥自己业务专长的课题，对顺利完成课题的研究大有益处。 致 谢 这次论文的完成，不止是我自己的努力，同时也有老师的指导，同学的帮助，以及那些无私奉献的前辈，正所谓你知道的越多的时候你才发现你知道的越少，通过这次论文，我想我成长了很多，不只是磨练了我的知识厚度，也使我更加确定了我今后的目标：为今后的计算机事业奋斗。在此我要感谢我的指导老师——***老师，感谢您的指导，才让我有了今天这篇论文，您不仅是我的论文导师，也是我人生的导师，谢谢您！我还要感谢我的同学，四年的相处，虽然我未必记得住每分每秒，但是我记得每一个有你们的精彩瞬间，我相信通过大学的历练，我们都已经长大，变成一个有担当，有能力的新时代青年，感谢你们的陪伴，感谢有你们，这篇论文也有你们的功劳，我想毕业不是我们的相处的结束，它是我们更好相处的开头，祝福你们！我也要感谢父母，这是他们给我的，所有的一切；感谢母校，尽管您不以我为荣，但我一直会以我是一名农大人为荣。 通过这次毕业设计，我学习了很多新知识，也对很多以前的东西有了更深的记忆与理解。漫漫求学路，过程很快乐。我要感谢信息与管理科学学院的老师，我从他们那里学到了许多珍贵的知识和做人处事的道理，以及科学严谨的学术态度，令我受益良多。同时还要感谢学院给了我一个可以认真学习，天天向上的学习环境和机会。 即将结束*大学习生活，我感谢****大学提供了一次在**大接受教育的机会，感谢院校老师的无私教导。感谢各位老师审阅我的论文。 _1302419819.unknown _1302501517.unknown _1302504007.unknown _1306135973.vsd  FI _1306643874.vsd 比例环节 积分环节 微分环节 对象模型 e(t) ｕ(t) ＿ ＋ ＋ ＋ r(t) y(t) _1306644216.vsd 实时数据库 组 态 软 件 核 心 实时数据库 动画显示 现场控制 报警输出 报表打印 设备输出 构建动画 流程控制 报警组态 设计报表 连接设备 多任务 多线程 组态环境 运行环境 _1306666472.vsd � 数据采集 PID控制 打开尾气 压缩机电磁阀 关闭尾气 压缩机电磁阀 尾气压缩机 压力过大 氧含量 符合要求？ 用气量 符合要求？ 满足要求， 进入氧化炉 结束 N N N Y Y Y 储气罐 压力过大 关闭储气罐 进气电磁阀 打开储气罐 进气电磁阀 Y N 开始 _1306666503.vsd � 采样y1(t),y2(t) 开始 e1(t)=y1(t)-r1(t) e2(t)=y2(t)-r2(t) 数据转换，PLC输出 , 结束 = = 输入解耦矩阵D(kT) _1306658586.vsd 电源 模块 CPU 模块 模拟量模块 4AI/2AO 模拟量模块 4AI/2AO 数字量模块 8DI/8DO 上位机 储气罐压力变送器 一号空压机工作信号 用气点流量计信号 空气流量计信号 尾气流量计信号 氧含量检测信号 一号空压机工作信号 二号空压机工作信号 用气点电动调节阀控制信号 空气电动调节阀控制信号 尾气电动调节阀控制信号 电磁阀控制信号 一号空压机工作状态指示信号 二号空压机工作状态指示信号 工作正常及报警指示灯 适配器 _1306644013.vsd 控制器 D/A 调节阀 对象 A/D 变送器 Sp(n) Ev(n) Pv(n) Mv(n) Mv(t) Pv(t) Y(t) + - _1306644215.vsd 氧化锌晶须加工控制系统 过程状态 可视化监控 数据 管理 工 艺 流 程 图 监 控 氧 含 量 曲 线 图 流 量 曲 线 图 工 艺 参 数 显 示 报 警 输 出 数据 采集 存储 和显示 控制算 法实现 解耦算法实现 PID算法实现 _1306513741.unknown _1306584728.unknown _1306605394.vsd � 开始 调入Kc、Ti、Td、Ts、d_s等 增量式PID算法 形成输出指令、输出output 递推：e(k-2)=e(k-1)、e(k-1)=e(k) N Y _1306137782.unknown _1302504631.unknown _1302939298.unknown _1305621070.vsd #g_valve #s_valve IN1 IN2 OUT #temp0 EN ENO SUB_R #temp0 #temp1 EN ENO ABS EN EN ENO ENO IN1 IN2 OUT OUT IN1 IN2 DIV_R MUL_R #d_s 1.000000e+002 #temp2 #temp2 #s_valve #temp3 #temp1 #temp3 IN1 IN2 CMP>R ( ) #encal #encal EN IN 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