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工业镀铬过程的模糊自适应控制

放大字体  缩小字体发布日期:2012-04-14  浏览次数:802

 陈铁军1, 2,贾东明1,赵 燕2

(1.郑州大学电气工程学院,郑州450001; 2.河南交通职业技术学院交通信息工程系,郑州450001)

摘要: 针对目前工业镀铬过程中人工调节多参数的现状,提出了在电镀过程中使用模糊自适应控制的算法,并根据温度和电流密度的内在关系采用了多变量协调的算法,解决了多变量的协调问题,最终使得控制效果达到令人满意的程度。

关键词: 镀铬过程;模糊自适应控制;多变量协调

中图分类号:TP273 文献标识码:B 文章编号:1000-3932(2011)02-0226-03

铬是一种银白色金属,相对原子量51.994,密度6.98~7. 21 g/cm3。铬镀层具有很高的硬度(HV400-1200),且加热温度在500℃以下,对其硬度没有明显影响[1]。铬镀层摩擦系数低,特别是其干摩擦系数在所有金属中是最低的。铬镀层在一般大气条件下能长久保持其原有的光泽而不变色。铬镀层具有很好的化学稳定性,碱、硫化物,硝酸和大多数有机酸对其均不发生作用。由于铬镀层的以上特点,使得铬镀层成为一种比较流行的镀层。

由于在镀铬过程中,铬的沉积机理甚为复杂,所以整个电镀过程对电流、电压、镀液温度、镀液成分及浓度、电镀时间等要求都相当严格[2]。而国内现在镀铬过程大多通过一些模拟仪表、数字仪表对控制参数进行显示,而后由操作人员根据经验调节各种变量以促使镀铬参数与工艺参数进行拟合。而由于操作人员经验不同以及现场情况复杂多变,从而致使产品质量性能不稳定及成品率较为低下。

1 镀铬过程分析

工业镀铬过程中相互联系的参数较多,其联系网状图如图1所示。

由以上参数网状图可以看出,镀铬过程各参数相互影响。镀铬工件成品对外观、硬度、耐磨性、镀层厚度均有要求。而镀层的外观、硬度、耐磨性又有相互依存的关系。对于镀硬铬来说,硬度为HV700-800时耐磨性能最好,所以成品镀层只要测试镀层硬度便可知耐磨性能是否达标。而硬度与外观均可通过调节镀液温度与电流密度来获得改善。镀层厚度与电流效率和电镀时间有关,电镀时间与镀件尺寸有关,可根据其进行选择,而电流效率又与镀液温度和电流密度密切相关。电压与镀液温度和镀液成分有关,当镀液温度稳定时,电压可作为镀液成分是否合理的依据。

由以上分析可以看出,镀液温度和电流密度是两个关键的参数,对其调节关系到镀层外观、镀层硬度、耐磨程度及电流效率等参数。根据镀层硬度及外观要求可以大致确定镀液温度及电流密度的范围,而电流密度和镀液温度的波动会直接影响到电流效率这个关键的因素。电流效率是铬金属沉积的数量与所耗电流的比值,其大小又直接影响到电能的利用率。并且在电镀过程中如果电流效率变动过大,会使得镀层不均匀,从而使镀层的应力增大,产生工件变形、镀层脱落以及结合力不强等诸多不良后果,所以电流效率也应该严格控制。在目前的工业镀铬过程中大多是通过对镀液温度和电流密度进行控制的,且多采用人工对两个变量分别进行控制。而对变量调节的机理便是依靠此二者的协调来控制电流效率达到要求的高值。而由于进行查表→调节→控制之后,工业现场的状况已经改变,因此实际的电流效率根本无法达到稳定,而若根据实际温度与所要求电流效率根据查表来协调控制电流密度则完全可以解决如上的问题。为此,考虑用模糊自适应机构来进行多变量协调控制。

2·模糊自适应控制器的设计

2.1 控制方案

在镀槽中温度的控制分成两部分:第1部分为电镀之前镀液的加热,此时用电热管进行加热即可,操作简单;第2部分为电镀过程中镀液的温度控制,这部分控制是温控的重点,因为在电镀反应过程中会产生大量的热,所以需要用水来进行冷却,即通过控制阀门的大小及开关状态来控制冷却水的流量从而控制镀液温度。在槽中为了使各处温度相同还要配有搅拌系统,为了使所测温度反映实际情况还要在槽中、槽面和槽底配有3个测温传感器。由于冷却水的流量控制无法使温度立即达到要求,因此温度控制为纯滞后环节,温度波动在所难免[3]。而电流密度的控制较容易做到快速准确,故用电流密度的快速反应来协调补偿温度的滞后迟缓。

图2为模糊自适应的控制方案,从控制方案中可以看出,总的控制结构大体可分为两部分:温度模糊控制部分和电流密度模糊自适应控制部分。输入变量为x1(理想温度值),输出变量为y1(实际温度值)和y2(实际电流密度值)。而理想的电流密度值x2由系统根据x1查表得到。

2.2 温度模糊控制部分设计

2.2.1 模糊化

设此处E1、E·1和U1的论域定义为(-7,7)之间,它们的语言变量均定义为7级:PB(正大)、PM(正中)、PS(正小)、ZO(零)、NS(负小)、NM(负中)、NB(负大)。其赋值表见表1。

2.2.2 建立模糊控制规则

由于此控制部分有3个变量定义了模糊子集:E1、E·1、U1{NB,NM,NS, ZO, PS, PM, PB},将其量化为{-3, -2, -1,0,1,2,3},则可将控制表制定为带修正因子的控制规则[4,5]。算式如下:

U1=αE1+(1-α)E·1

当x=0,±1,±2,±3时,α分别取0. 45,0.55, 0. 65, 0. 75。目的是当偏差E1的绝对值较大时,增大α以改善系统的动态特性,当E1的绝对值较小时,增大E·1的权重,抑制系统超调,使系统尽快达到稳定。其控制规则见表2。

2.2.3 模糊推理及精确化

表2所列的内容可由若干条IFE1i(k)ANDE·1i(k)THENU1i(k)的模糊条件语句来表示,根据这些语句可推出模糊关系R,R=∪(E1i(k)×E·1i(k)×U1i(k)),然后按合成推理算法求得控制器输出的模糊集:U1=(E1×E·1) R,最后将U1精确化即可用于阀门的调节。也可离线编制控制表,直接由E1、E·1的值查表得到U1的值。

2.3 电流密度模糊自适应控制部分设计

2.3.1 参数调整机构的设计

传统的镀铬过程,依靠工艺参数对温度和电流密度分别进行调节,实际上是人为地削弱了两参数之间的依赖关系[6]。若能找到这两个参数及电流效率间的关系,然后由实际的温度测量值来控制电流密度的理想值,则可使控制得到令人满意的效果。因为即使在实际温度未及时跟踪理想温度的条件下,对电流密度进行了快速调整,而保证电流效率保持在正常的设定值,从而使镀层致密均匀。而传统的镀铬过程是无法使电流效率保持在设定值附近的。传统的镀铬工艺认为,电流效率与电流密度的关系为:

ηk=algDk+b

式中:ηk———阴极电流效率;Dk———电流密度;a,b———与镀液成分和温度相关的变量。当镀液成分确定后,a, b便只与温度相关了。由此可知当温度确定时,电流效率和电流密度存在对数关系。大部分生产厂家通过多年的生产经验已将不同温度下的电流密度和电流效率的关系绘制成表,从而指导电镀工人寻求最优的电流效率来进行生产。而此过程对大多数电镀工人来说无疑是一个工作量大而效果不佳的过程。因此将此表存入电脑中,由参数自调整机构通过查表自动调整x2的值。

参数调整机构除了解决如上问题外还负责对K1、K2、K3的调整。因为由电流密度和电流效率的关系式可以看出,当温度改变时,a的值随之改变,而a值的大小直接影响到密度-效率曲线的陡峭程度。当曲线变陡时会引起E2、E·2过大,而曲线舒缓时E2、E·2过小。如果选用不变的K1、K2值,则在满足陡峭情况下,舒缓时控制作用便会削弱;满足舒缓的情况下陡峭时模糊值便会超出模糊论域。K3的选择依靠K1、K2的作用进行,确定其主要作用是减小超调还是加快响应时间而进行改变。而K1、K2、K3均可依靠温度绘制成表,当温度确定时,据表选择其值。

2.3.2 电流密度模糊控制部分设计

除以上两点之外,电流密度模糊控制部分与温度模糊控制部分设计思路一样,也由模糊化、建立控制规则、推理及精确化3部分组成。在此不再赘述。

3 结束语

针对传统镀铬工艺中参数独立调节的缺点,笔者提出了多变量相互协调的观点,使事物恢复其本来面目,从而降低了工人劳动强度、减少了人为失误的可能,使得工艺过程稳定可靠,最终保证了产品质量稳定与成品率的提高。

参考文献

[1]冯 辉,张 勇,张林森。电镀理论与工艺[M].北京:化学工业出版社, 2008.

[2]王计波,冯栓良。活塞环镀铬过程的计算机监控初探[J].内燃机配件, 2002, (4): 18-20.

[3]俞金寿。复杂工业过程中的先进控制系统[J].炼油自动化, 1994, (2): 46-52.

[4]谢仕宏,姜丽波,刘国栋。模糊自适应PID控制算法在纸机烘缸蒸汽系统中的应用[J].化工自动化及仪表, 2007, 34(1): 33-36.

[5]白珍龙,耿继宏。分数阶模型参考自适应控制在重碱烧煅中的应用[ J].化工自动化及仪表,2007, 34(1): 33-36.

[6]YANG Quan-da,WANG B Z,XU G X.ExperimentalStudies on the Recovery

of Chrominum byMembraneElectronlysis from Spem Regenerantof Ion

Exchange[J].WaterTreatment, 1989, 4(2): 231-246.

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