0引言
人造金剛石是一種重要的工業原材料，幾乎涉及國計民生的各個領域。我國目前是金剛石生產和出口大國，產量約占世界產量的2/3。但是，國產金剛石工業產值卻只占世界工業產值的1/3，這主要是由于質量不高所造成。生產人造金剛石的主要設備是壓機，從我國目前生產金剛石的設備來看，大部分生產廠家使用六面頂壓機，隨著國內六面頂腔體的大型化和對這一技術的發展應用，與國外在技術裝備上的差距在進一步縮小。但是，國內在壓機的控制水平上還相當落后，阻礙了金剛石質量的提高。因此，提高國內金剛石壓機的控制水平成為當務之急。
1金剛石的合成工藝
人造金剛石是由石墨片、觸煤片在一定的壓力、溫度條件下生成所得。目前,金剛石生產工藝過程中一個重要的技術環節是壓力的臺階型變化,即在金剛石合成初期，將壓力分成幾個壓力段，并在每個臺階壓力上保持一段時間。對于溫度控制,目前廣泛采用的恒功率控制,該技術的最大弱點是:當加熱時間足夠長時,石墨在催化劑中再結晶成片狀,不利于金剛石的生長。對于溫度的控制，我們可以通過對加熱電壓的間接控制來實現，且這種控制方法在實踐中也能達到很好的控制效果。
2.硬件設計方案
2.1TMS320LF2407簡介
TMS320LF2407片內集成有32kFLASH，1.5k字的數據／程序RAM，544字的雙口RAM(DARAM)和2k字的單口RAM(SARAM)；10個10位ADC外圍接口，CAN總線接口，4個通用定時器和一個看門狗計時器；運算數率高，單個指令周期執行時間僅為33ns；工作電壓為＋3.3V，工業級溫度范圍－40～＋8°C，特別適合于工業應用。由此可以看出該DSP控制器將實時處理能力和控制器外設功能集于一身，為控制系統提高實時性、實現小型化和低成本提供了一個理想的解決方案。另外，壓機的控制變量和所接的外設較多。選用DSP控制器，正好利用它的實時控制能力強和集成外設豐富的優點，故選用TMS320LF2407作為控制和數字化處理的核心。
根據壓機所需要實現的功能，以TMS320LF2407為核心的系統硬件結構如圖1所示。
圖1金剛石壓機控制系統原理圖
2.1數據采集
該系統共有9路信號輸入，依次輸入DSP的ADIN0～ADIN8接口，分別為6路位移量、1路電壓量、1路壓力量、1路電流量。其中位移、電壓、壓力三個需反饋給處理器，從而構成3個閉環控制，電流只是用作顯示。采樣過程中，需對信號進行濾波，根據要求我們選用二階有源濾波器，截至頻率為10Hz。
在控制系統中溫度控制可通過控制金剛石的加熱功率來實現，即P＝U×I，在此我選用電壓控制方法－即控制金剛石的加熱電壓來間接控制溫度。金剛石加熱端電壓為0～6V，需進行變壓、濾波，后轉換成0～3.3V信號輸入DSP的ADIO口，考慮到實際工業現場干擾較多，在此濾波電路選用二階有源濾波，截至頻率為10Hz。同時選用TIL300芯片來實現光電隔離。
2.2同步和觸發
壓機的溫度大小通過加熱電壓來間接控制，加熱電壓的大小通過串聯到220V工頻電路上的加熱晶閘管的導通角大小來嚴格控制。在此，采用數字觸發方式來觸發晶閘管的門級。所以必須使得觸發脈沖與晶閘管的陽極電壓保持嚴格的相位關系。該系統中，由于晶閘管與工頻電串聯，所以晶閘管的陽級的電壓就是工頻電壓，所以采用過零檢測的辦法，檢測工頻電的過零點，也就確定了晶閘管的陽極電壓過零點。然后在此過零點的基礎上，再根據計算得出的導通角大小來在合適的時間輸出門級觸發脈沖。通過過零檢測電路，在每次的交流電壓過零點處產生一次脈沖，也即確定一次晶閘管陽級電壓過零點，從而觸發DSP的INT1中斷。選用為50Hz工頻交流電，周期為20ms，所以10ms一個過零點，也即10ms一次脈沖觸發INT1中斷。觸發脈沖輸出信號由DSP的IO口，經數據鎖存器產生，通過觸發電路電路驅動晶閘管。觸發脈沖的寬度由控制器設定，考慮到控制系統為感性負載，觸發脈沖應加大，在此設為1ms。
3.控制算法
3.1加壓控制
根據工藝要求。加壓控制根據合成材料的不同分2～6段超壓、保壓，超壓到90MPa左右，再保壓幾分鐘后卸壓，完成一個工序，時間為幾分鐘到十幾分鐘。控制過程中，超壓采用主泵開關控制，保壓采用副泵補壓模糊PID控制。
模糊控制具有控制速度快、過程參數變化適應性強、可靠性高、不受工作環境影響、魯棒性好、靈敏度高、無需精確數學模型等特點。但模糊控制的穩態性能較差，故采用模糊－PID復合控制地方法，以提高模糊控制的精度。如下圖所示，壓力控制策略是采用多模態分段控制算法來綜合比例、模糊、比例積分控制的長處、3種控制方式在系統工作過程中分段切換使用。在偏值大于某一閾值時，希望控制參數能快速跟蹤調整，所以采用比例控制；當偏差減小到閾值以下時，切換轉入模糊控制，提高系統的阻尼性能，減小超調量。這樣，就綜合了比例控制和模糊控制的優點。該方法中模糊控制的論域僅是整個論域的一部分，相當于模糊控制的論域被壓縮，相當于語言變量的語言值增加，提高了靈敏度和控制精度。在誤差語言變量的語言值為零時切換至PI控制，當絕對誤差為零或積分飽和時，將積分器關閉。
圖2壓力控制策略
3.2功率控制
人造金剛石生產工藝要求加熱控制是在超壓達到30MPa以后開始的，加熱控制也分加溫、保溫幾段進行，幾分鐘或十幾分鐘后停止加熱。該系統中，通過控制金剛石的加熱電壓來控制加熱功率，實踐中，這也是一種很好的控制方法。為了精確控制加熱功率和溫度，加熱功率采用基于模式識別的專家智能自整定PID控制算法，如圖5所示。在輸出和給定存在偏差或系統受到擾動時對系統誤差e的時間特性進行模式識別，分別識別出該過程響應曲線的多個特性參數，如超調量、阻尼比、衰減振蕩周期、上升時間。所測出的各特性參數值與實現設定好的特性參數值進行比較，其偏差量送入專家系統，專家系統在線推斷出為消除各特征量的偏差，控制器參數所應有的校正量Δkp、Δki、Δkd，將它們送入常規的PID控制器，以修正控制器各參數，輸出控制信號控制被控對象加熱電壓，使加熱電壓響應曲線的特征參數滿足工藝要求。設計專家式自整定控制器的核心是：在系統閉環運行時，合理選定描述系統暫態誤差特性的各個特征參數，獲取特定參數的偏差量與PID控制器參數的校正量Δkp、Δki、Δkd之間的關系。被控對象特征撮弄數的選擇方法是先測試被控對象的階躍響應，再用Cohn－Coon公式計算出特征參數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為系統輸出響應；ΔR為系統階躍響應；t0.28為系統輸出響應曲線中對應0.28Δy時的時間；t0.632為系統輸出響應曲線中對應0.632Δy時的時間。
圖3加熱功率控制策略
4.系統的軟件設計
4.1系統主程序
系統軟件主程序流程見圖6，采用模塊化結構。軟件采用C和匯編混合編程，在TI的DSPCodeComposer下編譯和調試。在控制程序中將采樣后的采樣值與設定值相比，得出誤差和誤差變化率，再根據制定好的控制規則來控制電磁閥和晶閘管的通斷，從而保證壓機能按照設定的時序要求運行。
圖4主程序流程
4.2中斷程序
該系統實際為實現3個信號的閉環實時控制，考慮到實時性，所用中斷較多。主要有過零檢測中斷、定時中斷、采樣中斷、鍵盤中斷。定時器2、4中斷程序負責時間控制以便進行相應的壓力、電壓時序控制步驟，定時器1、3中斷程序控制兩個可控硅的控制角大小。電壓過零檢測中斷程序確定與電壓同步以便觸發，鍵盤中斷控制中斷鍵的響應。其中，在工頻為50Hz，周期T為20ms的條件下，電壓過零檢測中斷每10ms發生一次。選用的雙向晶閘管需在每半個周期內觸發一次。控制角α和觸發時刻Tθ之間的關系為：
由于需要對導通角的精確控制，過零檢測中斷需要及時得到執行，故該中斷優先級為最高。
4.3數據采集和閉環控制
在每次信號采樣時，為消除隨機誤差，數據采用平均濾波法，其濾波公式為
采樣次數N越大，X越接近真值。實際應用中，為了提高實時控制速度，采用去極值平均濾波法。在此，即為連續采樣8次，去掉一個最大值和最小值，再求余下6個采樣值的平均值。
根據金剛石的生成工藝要求，壓力和電壓需保持為設定的階梯狀變化。在上升階段為加壓和加熱階段，此時只需開啟交流泵和兩個加熱接觸器即可。在水平階段為保壓和保溫階段，此時需根據采樣時刻相應的偏差值和偏差變化率，根據相應的控制策略來控制。
5.結語
該控制系統具有較好的工業意義，它較PLC的金剛石壓機控制器便宜，市場前景更大。同時，DSP(TMX320LF2407)內有CAN總線，便于系統升級，可通過CAN總線將多臺壓機與上位機構成一網絡，便于控制管理。
本文作者創新點：1.鑒于目前市場上壓機控制多為PLC、單片機，在此提出以DSP為控制核心，它具有運行速度快，價格優惠的特點.2.且實際中大多采用PID控制壓機的溫度和壓力，在此分別再用模糊控制和專家控制來改進，有較好的魯棒性能。
導師點評：本文提出了一種金剛石壓機的新型控制方案--基于DSP（TMS320LF2407）的嵌入式控制系統，并介紹了該控制系統的軟硬件設計。在算法上，根據工藝要求采用智能PID控制和模糊PID控制策略代替傳統的PID控制，對人造金剛石生產中的工藝參數加熱功率和加壓壓力實現有效控制，可提高了人造金剛石的質量和品級。以此設計為基礎構成的金剛石壓機智能控制設備在性能上優于目前市場上以PLC或單片機為核心組成的，采用常規PID算法控制壓機的溫度和壓力的壓機控制設備。