1.1课题选题的背景
现代工业中，碳化硅是重要的非金属矿产品，广泛应用于半导体、太阳能、化工、机械、磨具、电子、冶金、陶瓷、光电材料等行业。碳化硅俗名金刚砂，化学式SiC，无色晶体，含杂质时呈蓝黑色，结构与金刚石相似，每个硅原子被4个碳原子包围，硬度仅次于金刚石，密度为3217kg/m3，熔点约为2700℃（分解升华），耐磨、耐高温、耐化学腐蚀，有较好的导电导热性。
其中，硅晶片线切割用碳化硅微粉属于高端硅产品，在国际市场呈现出良好的需求态势，市场潜力很大，而且随着我国太阳能和lC芯片等高科技产业突飞猛进的发展，对线切割碳化硅微粉需求量远远超过我国生产能力，并保持着旺盛的增长势头。硅晶片线切割用碳化硅微粉与普通碳化硅相比，在粒度分布集中程度、晶格结构、堆积密度、颗粒形貌、化学成份、表面特性（清洁度、亲水性、分散性）等一系列指标上都有严格的规定，对生产工艺要求极高，目前只有少数国外企业掌握了其制造技术，如日本的FUJIMI株式会社等。这导致目前硅晶片线切割用碳化硅微粉市场价格约为普通碳化硅微粉的10倍，更远远超过了普通碳化硅。
江苏省连云港市有丰富的硅资源，水晶、石英的储量和品质均居全国首位，拥有众多的碳化硅生产厂家，主要产品如碳化硅磨料以及石英砂等均在国内硅行业具有重要地位。目前连云港碳化硅企业生产存在的问题有：
●规模小，产量低（多数年产量仅几万吨），生产技术落后，生产能耗大，产品附加值偏低，高端产品的产量和质量低；因此企业亟需进行产品升级和高附加值产品的开发：
●生产过程综合自动化水平低，人工操作比较普遍，控制策略简单，控制效果较差，在生产能力、质量、能耗、磨损、设备稳定性、劳动环境、污染等方面与国外相比有较
大差距，进行升级改造势在必行，同时也应该看到现有生产线的升级潜力很大，技术工艺改造带来的效益相当明显；
●合理运用设备，改进生产工艺，加强生产管理的网络化和信息化，增加生产过程的自动化水平，采用有效的控制策略，提高产品产量和质量，减少能耗和机械磨损，提高生产效率是生产线改造的有效手段；
●近年来，不少企业积极进行硅晶片线切割用碳化硅微粉的研发工作，但试制品在6H晶相含量、颗粒形貌、表面特性等关键技术指标方面，仍达不到国际先进水平，产品无法进入国际市场，并且难以进行规模化生产，国内硅晶片线切割用碳化硅微粉仍严重依赖进口。为此，当前不少矿厂正在联合高校积极开展技术玫关，以提高产品附加值和规模化生产能力。
连云港研磨厂是冶炼、生产和加工碳化硅的专业工厂，年产碳化硅结晶块、粒度砂、微粉等过5万吨，其微粉产品规格分800目（15μm），1000目（13μm），1250目（lOμm）和1500目（9μm），而以1250目和1500目为主。该厂经过科技攻关，线切割用碳化硅微粉试制成功，生产工艺采用机械破碎、气流分级和水力分级的方法，依次经过中碎、筛分、整形、酸洗、粉碎、分级和二次分级，制备出了性能指标理想的碳化硅微粉。
其中，
雷蒙磨粉碎系统是生产线的核心之一。但由于粉碎生产线自动化程度低，生产能耗大、故障率高、分级效率低，微粉产量和质量稳定性不能满足规模化生产的要求。并且磨机进料量和进料粒度的干扰对生产影响很大，严重时常造成堵塞和烧毁电机。同时由于市场前景看好，连云港研磨厂生产规模将不断扩大，对微粉产量和质量需求不断提高。因此雷蒙磨粉碎系统的自动化改造已势在必行。
为此，在江苏省科技厅支持下，连云港研磨厂联合南京工业大学、东南大学申报2006年度江苏省科技成果转化专项资金项目（项目编号：BA2006049）——“硅晶片线切割用6H SiC微粉材料的研究及产业化”。东南大学负责自动检测和自动控制系统的设计与施工建设，其中磨粉系统的自动化改造是一个关键环节。磨粉系统进行自动化改造后，预期可提高雷蒙磨处理能力5%-20%，降低能耗、材料损耗，提高分级精度，以及为后续工艺打下良好基础，并将其纳入到生产综合自动化系统中。
1.2课题简介
1.2.1雷蒙磨的控制要求连云港研磨厂生产碳化硅微粉的工艺为：
●取碳化硅原料，经破碎机中碎，并筛分至不大于5mm的碳化硅颗粒，再用整形机对其进行整形至不大于2mm的碳化硅颗粒，且其中椭圆形颗粒占80%以上，再对其进行酸洗除杂，干燥：
●将上述干燥后的碳化硅颗粒用雷蒙磨粉机粉碎成dso=9.5-11.5pm的碳化硅粉，粉碎时，磨粉机主机电流设定为65-75A，风机流量设定为40_50rn3／min，分析机转速为400-600转／分；
●然后用涡流式气流分级机对碳化硅粉进行分级，分级时，涡流式气流分级机的风机流量为25_43m3/min，分级轮转速为2600-3300转／分，从分级口分出粒度dSg4=6.5-5.5μrn的成品A，旋风口分出dSg4≤5.5μm的半成品；
●将涡流式气流分级机旋风口分出的半成品用叶轮式气流分级机再进行二次分级，分级时，叶轮式气流分级机的风机流量为25-lOrr13／rrrrri，分级轮转速为1300-1700转／分，从分级口分出粒度为dSg4=4.5-3.Oμm的成品B，旋风口则分出副产品。根据厂家提出的控制要求，结合生产工艺，确定磨粉系统的控制要点为：
●磨粉系统通过网络实现集中控制，实时测量现场设备的温度、电流等参数传至网络以实现远程控制和人机对话及数据分析，通过人机互动界面远程实现启动、停车等开关量的顺序控制。
●根据主机电流自动调节喂料，以稳定生产，避免产量和质量的波动，并有效保护设备。需要电振喂料控制器能提供4-20mA自动化接口。
●分析机和鼓风机变频能接受从计算机人机界面上输入的频率值，自动按输入的频率设定值运行，以稳定产品质量，达到最佳的工艺指标。需要变频器能提供4-20mA自动化接口。
●每台主机加温度传感器一套，实时测量温度。当温度或主机电流超高限时自动报警，直至超高高限时自动停车，保护生产设备。报警时，可通过人机对话选择是否立即停车。
●系统具有数据库功能，在计算机上可以实时查看检测参数，历史数据分类存储以各随时查阅，为分析工艺提供参考。
●系统的开放性和功能模块化设计，具有良好的功能扩展性。
1.2.2课题的理论意义和应用价值
本课题针对中国使用最广泛的悬辊式雷蒙磨用于生产碳化硅微粉的系统提出进行自动化改造的方案，利用现代化的检测和控制手段，采用合理的控制算法，对影响因素多、变化复杂的磨粉过程进行自动检测和控制，以实现稳定生产，提高产量和产品粒径指标，降低能耗，提高系统运行稳定性，提高经济效益。
本课题对PLC系统开发、PID控制和模糊自适应算法进行了深入的研究。控制方案以SIMATIC S7-300 PLC为核心控制器，采用总线结构，使用STEP7对S7-300 PLC进行模块化的硬件组态和软件编程，大幅度地降低材料成本和线路敷设成本，提高了通讯的实时性和可靠性，系统开发方便快捷。监控平台基于组态软件iFix和Windows2003 Server设计，对生产现场的远程监控更为便利。在控制算法上，采用模糊自适应PID控制对雷蒙磨给料环节进行调节，具有一定的先进性，可以较好地克服系统的纯滞后和时变，有效提高了给料精度。
雷蒙磨粉碎自动控制系统的设计和投入使用，实现了对电磁振动给料机喂料速度的自动调节、对分析机转速和鼓风机风速的精确控制，保证雷蒙磨处于最佳工作状态，微粉质量得到很大提高。高限报警和自动停车功能使系统故障率大为降低，保护了现场生产设备，减少了材料损耗。监控平台实现了远程控制，对不同产品所需参数的调节更加方便、高效。粉碎自动控制系统大大提高了碳化硅微粉的产量和质量，降低了生产成本，实现了生产的规模化，提高了企业整体经济效益，并且为企业扩大生产预留了接口和提供了完整的实施方案。
本课题的方案和成功经验对其它应用雷蒙磨的磨粉系统的设计研发也具有一定的推广应用价值。我国有众多的非金属矿企业，大量使用雷蒙磨，而生产工艺相对落后，进行生产线自动化改造可大幅提高经济效益，增强企业竞争力，还可以实现从生产粗粉到生产高附加值微粉的质的飞跃。
1.2.3课题的难点与关键点
对微粉生产来说，磨粉和分级难度比普通矿更大，尤其是用雷蒙磨这样的老式设备生产微粉，并无成熟经验可循。课题的技术关键点在于保证设备的平稳运行和可靠的数据通讯，通过实时检测雷蒙磨主机负荷以及分析机、鼓风机的工作电流，由控制系统对电磁振动给料机控制器及分析机、鼓风机变频器进行自动调节，精确控制生产过程参数，以保证设备始终工作在最佳状态。
选择合适的算法是课题的难点，常规控制算法都对系统模型的精确性提出很高的要求，本系统的时滞、时变、非线性和强干扰增加了给料控制的难度，控制效果可能欠佳，一些先进控制算法又面临算法复杂或难以实现的问题，要达到控制目标需考虑先进控制算法。
1.3过程控制的主要策略
过程控制策略经过多年发展，在理论上逐渐完善并日益丰富，在工业实际中也得到越来越多地重视和运用。过程控制常用的策略有：
1)基于对象模型的内模控制(internal mode control)。在被控制过程模型G(s)确定、非奇异情况下，选择合适的G+，可实现克服外界扰动。但内模控制过分依赖系统模型，限制了它在工业上的应用。
2)对大纯滞后系统可以采用纯滞后补偿法来改善调节质量，即以PID调节为基础，加上滞后补偿控制算法构成。例如在其中引入一个与对象并联的Smith预估器，以及类似的“大林”算法。有研究表明Smith预估和大林算法以及内模控制在一定程度上是等价的。
3)模型预测控制，如模型算法控制(MAC)、动态矩阵控制(DMC)。DMC的预测模型是以对象的阶跃响应为基础，并不要对模型的结构有先验知识，解决了过程建模问题，算法具有良好的鲁棒性。DMC算法包括3个部分：预测模型、滚动优化、反馈校正。模型预测控制尤其适用于多变量、大纯滞后、大时间常数过程。
4)自适应控制。通过参考模型以及参数自动校正，对被控对象的模型进行辨识以及优化控制。自适应控制对时变系统控制效果良好，但缺点是计算量大，对难以获取模型、非线性系统、变结构系统和大时滞系统效果不理想。
5)变结构控制。优点是控制速度快、鲁棒性好、对被控对象的参数变化和外界干扰不敏感，但对被控对象的惯性和纯滞后敏感，易造成振荡和失控。如何设计切换函数是变结构控制的难点。有文献提出将状态辨识和状态预估引入到变结构控制中以克服系统的滞后和大惯性。
6)H。鲁棒控制。现在对其研究非常活跃，理论了取得不少进展，并走向工业应用，优点是能有效抑制干扰和对象模型的不确定性，参数整定过程简单。鲁棒控制与智能控制相结合，又形成鲁棒自适应控制、基于神经网络的鲁棒控制等。但鲁棒控制计算的复杂性阻碍了它的发展。
7)基于专家知识库、模糊控制、神经网络、遗传算法的人工智能控制策略。传统的控制理论难以完全解决过程多变量、非线性、时变的问题，提出以知识库为基础、采用人工智能自动寻优控制策略来控制过程的有关参数，使控制目标工作在极值范围。人工神经网络同模糊智能控制技术有效的结合，可显著加快系统的响应速度。最常用的人工神经网络为多层前向BP网络和径向基函数RBF网络、正交多项式网络、样条函数网络。
8)模糊控制是近十几年来迅速发展的一项技术，但由于其简单实用，目前已成功应用于各种控制系统中。模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种计算机数学控制方法，属于非线性控制。模糊控制结合了专家的经验智慧，意义清晰、易于掌握、容易实现，计算量小，实时性好，对模型要求不高，对传统技术难以控制的时滞系统、时变系统有良好的控制效果。
1.4论文章节安排
全文围绕雷蒙磨负荷自动控制系统的设计与实现这一主题展开，共分六章。
第一章绪论：介绍选题的背景和意义，课题的难点与关键点，简介控制策略的进展，概括论文要做的工作和章节安排；
第二章雷蒙磨生产过程分析：介绍雷蒙磨磨粉工艺，分析被控过程，建立过程模型；
第三章控制系统总体方案设计：设计系统的总体控制方案，运用常规PID控制、串级控制等方法进行设计和Matlab仿真；
第四章雷蒙磨生产过程的模糊PID控制：针对常规PID控制的不足，提出模糊PID控制算法，并进行分析；
第五章控制系统的实现：具体介绍磨粉自动控制系统的实现，从过程控制级、过程监控级和生产管理级三个层次对系统的整体架构进行阐述，包括系统硬件选取和组态、数据通讯、软件实施等内容。
第六章总结和展望：评价控制方案的实施效果，提出今后发展的方向。
