【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于衬底抛光，具体地说是一种基于pid控制气体辅助抛光系统的设计方法。
技术介绍
1、随着科技的进步，对工件表面质量的要求日益提高。在现有的研磨抛光技术中，化学机械抛光已被广泛采用，以获得更优质的工件表面。然而，化学机械抛光的效果受到多种因素的影响，其中抛光液的性质起着至关重要的作用；抛光液的温度、气体含量、ph值等参数均会对抛光结果产生显著影响。目前，实验室常用的抛光液主要成分是去离子水，但其性能和效果仍有待进一步提升。特别地，抛光液中的气体含量是影响抛光效果的关键因素之一。提高抛光液中对应的气体含量能够在一定程度上加快磨料与工件表面材料的化学反应，以此让化学机械耦合作用尽可能的保持平衡，这对于获得更高质量的工件表面至关重要。
2、现有的抛光系统通常无法有效地控制抛光液中的气体含量和抛光液中磨料分布的均匀性，导致抛光过程中磨料与工件表面的化学反应速率不一致，进而影响抛光质量。
3、为此，本领域技术人员提出了一种基于pid控制气体辅助抛光系统的设计方法，通过在单位时间内获得更大的气液体接触面积，进而大大提高气体与抛光液的接触面积，以优化磨料与工件表面的化学反应速率，并提高磨料在抛光液中的分布均匀性，以解决
技术介绍
提出的问题。
技术实现思路
1、为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种基于pid控制气体辅助抛光系统的设计方法，目的在于克服现有技术缺陷，大大提高抛光液中的气体含量、磨粒分布的均匀性和系统的可靠性，所述气体辅助抛光系统中，气体加压系统将抛
2、一种基于pid控制气体辅助抛光系统的设计方法，对模糊规则pid控制器三个参数kp、ki、kd进行整定和输出；所述模糊规则pid控制器参数的计算如下：
3、模糊pid控制器参数计算如下：
4、
5、模拟控制器的比例因子kkp、kki和kkd分别表示为：
6、
7、确定完量化因子和比列比例因子拟控制器的输入e和ec分别表示如下：
8、
9、模拟控制器的实际输出△kp、△ki和△kd公式表示如下：
10、
11、上式中，eh和ech分别表示误差和误差变化率的高限值，而el和ecl分别表示误差和误差变化率的低限值；△kph、△kih和△kdh分别表示输出的高限值，△kpl、△kil和△kdl分别表示输出的低限值。
12、通过辨识结果和传递函数辨识模型求得气体流量的传递函数表达式如下：
13、
14、随后通过气体流量传递函数表达式进行模糊p id运算，其中气体传感器输出经ad转换模块由主控制单元采集处理后传给上位机，气体流量传感器实时检测气体流量，通过上位机来显示气体传感器反馈的气体流量速率，控制气体流量控制装置载气阀门产生相应的动作，使气体流速速率高响应、高精度均匀稳定的注入搅拌系统中的搅拌罐内，经超声振动和磁力搅拌装置将加压气体与抛光液充分接触，以增大加压气体与抛光液的接触时间，从而获得更高的气体溶解量和更好的磨料分散性。
15、本专利技术的一种气体辅助抛光系统的设计方法：包括搅拌系统、超声振动系统、人机交互控制系统和气体加压系统，气体加压系统将气体加压，经过控制阀门注入搅拌系统中的搅拌罐内，经超声振动和磁力搅拌装置将加压气体与抛光充分接触，以增大加压气体与抛光液的接触时间，从而获得更大的溶解量，所述的溶解量变化计算公式为：
16、q＝μ·k·a·δt
17、其中：q为溶解量；μ为振动频率；k为搅拌速率；δt为加工时间；a为单位时间的气液体接触面积。
18、优选的，磁力搅拌装置安装在搅拌罐的底部，由转速传感器、d/a模块、驱动电路、磁力发生器和搅拌子构成，工作状态下，为了保证电机转速的稳态精度，采用转速传感器直接检测搅拌子转速，每转一圈转速传感器会产生一个脉冲信号，通过d/a模块传送至plc将搅拌子实际转速与设定转速进行比较，通过pid控制调节误差，最终使搅拌子转速稳定在设定值，pid公式表示如下：
19、δvk＝kp(ek-ek-1)+kiek(1.6)
20、设第k圈的周期为tk，则第k次误差为：ek＝tg－tk(ms)。ek－1为第k－1次误差②kp为比例系数、ki为积分系数、δvk为第k次电压增量。
21、搅拌子通过磁力发生器产生的磁场对搅拌罐中的抛光液进行搅拌，以在单位时间内获得更大的气液接触面积，进而大大提高气体溶解量。
22、优选的，搅拌子通过磁力发生器产生的磁场对搅拌罐中的抛光液进行搅拌，以在单位时间内获得更大的气液接触面积，进而大大提高气体溶解量。
23、优选的，所述搅拌罐由304、316不锈钢中的一种制成，具有良好的耐腐蚀性和导热性，同时在罐体顶部设有气体含量监测仪，以实时监测罐体内部气体含量的变化，进而可根据其数值的变化调整气体的输送速率，维持罐体内部气体含量处于稳态，罐体内部设有o型密封圈，由三元乙丙橡胶制成，具有良好的耐热、耐老化和耐化学腐蚀性能。
24、优选的，所述超声振动装置，其中内设有振动头、变幅杆、换能器和超声波发生器，输出脉冲信号，由发生器发出预设频率的超声波，接触水体后发生振动，此时接触面上出现一个气液共存的状态，通过产生大量气泡，以提高气液接触面积，进而获得更高的气体溶解量。
25、优选的，所述人机交互控制系统中，控制器是s7-200 smart plc，接收处理来自超声振动、磁力搅拌装置和人机交互界面输入的控制信号，并对各种控制信号输入的时间、大小等信息进行记录，得出超声振动和磁力搅拌装置的特征参数，包括发生时间、振动频率、搅拌速率等，为分析系统工作状态提供依据。
26、优选的，所述压力报警系统，其中内设有d/a模块、人机界面、通信接口、泄压阀、蜂鸣器、压力传送传感器和执行继电器，由上位机接接收力传感器输出的数字脉冲信号，显示搅拌罐中实际气压大小，经逻辑运算器判定罐内压强大于预设报警压强值时，控制蜂鸣器报警，执行泄压阀动作，以确保气体辅助抛光系统在安全可靠的条件下运行。
27、优选的，所述液位计监测装置系统，由d/a模块、人机界面、通信接口、液位计传感器和执行器组成，检测传感器接收搅拌罐中实际液面高度的脉冲信号，经逻辑运算器判定是否与预设值相吻合后，以监测罐体内部液体总量的变化。
28、优选的，本专利技术的具体技术方案如下：
29、一种基于pid控制气体辅助抛光系统的设计方法，包括搅拌系统、液位计监测装置系统、压力报警系统、超声振动系统、人机交互控制系统和气体加压系统。
30、其运行机理是，气体加压系统将抛光罐内加压，提前设定气体流量目标值，获取当前气体流量采样值，改进模糊控制器偏差e和偏差变化率ec工艺参数，对模糊规则pid控制器三个参数kp、ki、kd进行整本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于PID控制气体辅助抛光系统的设计方法，包括搅拌系统、人机交互控制系统(1)、超声振动装置(2)、液位计监测装置系统、压力报警系统和气体加压系统，其特征在于：所述气体加压系统包括气源、气体流量控制装置、气体传感器以及数据采集和处理单元，所述气体加压系统引入模糊PID控制；
2.如权利要求1所述一种基于PID控制气体辅助抛光系统的设计方法，其特征在于：所述模糊规则PID控制器参数的计算如下：
3.如权利要求1所述一种基于PID控制气体辅助抛光系统的设计方法，其特征在于：所述搅拌系统包括磁力搅拌装置(9)和搅拌罐(6)，所述磁力搅拌装置(9)安装在搅拌罐(6)的底部，由转速传感器、D/A模块、驱动电路、磁力发生器和搅拌子构成，工作状态下，为了保证电机转速的稳态精度，采用转速传感器直接检测搅拌子转速，每转一圈转速传感器会产生一个脉冲信号，传送至PLC将搅拌子实际转速与设定转速进行比较，通过PID控制调节误差，最终使搅拌子转速稳定在设定值，PID公式表示如下：
4.如权利要求3所述一种基于PID控制气体辅助抛光系统的设计方法，其特征在于：所述
5.如权利要求1所述一种基于PID控制气体辅助抛光系统的设计方法，其特征在于：所述超声振动装置(2)中内设振动头、变幅杆、换能器和超声波发生器，输出脉冲信号，所述超声振动装置(2)由发生器发出预设频率的超声波，接触水体后发生振动，此时接触面上出现一个气液共存的状态；其涉及的公式如下：
6.如权利要求1所述一种基于PID控制气体辅助抛光系统的设计方法，其特征在于：所述气体加压系统将气体加压，经过滤网过滤后注入搅拌系统中的搅拌罐(6)内，经超声振动和磁力搅拌装置(9)使加压气体与抛光液充分接触，以增长气体与抛光液的接触时间，从而获得更大的溶解量。
7.如权利要求1所述一种基于PID控制气体辅助抛光系统的设计方法，其特征在于：所述人机交互控制系统(1)包括S7-200 smart PLC控制器、输入输出模块、人机界面、通信接口、检测传感器和执行器，检测传感器接收搅拌罐(6)中实际气体含量的脉冲信号，经逻辑运算器判定是否与预设值相吻合后，对气体加压系统发出动作/不动作指令，以维持搅拌罐(6)中气体溶解速率的稳定；
8.如权利要求1所述一种基于PID控制气体辅助抛光系统的设计方法，其特征在于：所述液位计监测装置系统安装在搅拌罐(6)外部，由D/A模块、人机界面、通信接口、液位计传感器和执行器组成，液位计监测传感器接收搅拌罐(6)中实际液面高度的脉冲信号，经逻辑运算器判定是否与预设值相吻合后，同时在罐体外侧设有水位观测点，以监测罐体内部液体总量的变化。
9.如权利要求1所述一种基于PID控制气体辅助抛光系统的设计方法，其特征在于：所述压力报警系统安装在搅拌罐(6)盖顶部，由D/A模块、人机界面、通信接口、泄压阀、蜂鸣器、压力传送传感器和执行继电器组成，由上位机接收压力传感器输出的数字脉冲信号，显示搅拌罐(6)中实际气压大小，经逻辑运算器判定罐内压强大于预设报警压强值时，控制蜂鸣器报警，执行泄压阀动作，以确保气体辅助抛光系统在安全可靠的条件下运行。
10.如权利要求1-9任意一项所述的一种基于PID控制气体辅助抛光系统的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种基于pid控制气体辅助抛光系统的设计方法，包括搅拌系统、人机交互控制系统(1)、超声振动装置(2)、液位计监测装置系统、压力报警系统和气体加压系统，其特征在于：所述气体加压系统包括气源、气体流量控制装置、气体传感器以及数据采集和处理单元，所述气体加压系统引入模糊pid控制；
2.如权利要求1所述一种基于pid控制气体辅助抛光系统的设计方法，其特征在于：所述模糊规则pid控制器参数的计算如下：
3.如权利要求1所述一种基于pid控制气体辅助抛光系统的设计方法，其特征在于：所述搅拌系统包括磁力搅拌装置(9)和搅拌罐(6)，所述磁力搅拌装置(9)安装在搅拌罐(6)的底部，由转速传感器、d/a模块、驱动电路、磁力发生器和搅拌子构成，工作状态下，为了保证电机转速的稳态精度，采用转速传感器直接检测搅拌子转速，每转一圈转速传感器会产生一个脉冲信号，传送至plc将搅拌子实际转速与设定转速进行比较，通过pid控制调节误差，最终使搅拌子转速稳定在设定值，pid公式表示如下：
4.如权利要求3所述一种基于pid控制气体辅助抛光系统的设计方法，其特征在于：所述搅拌罐(6)由304、316不锈钢中的一种制成，具有良好的耐腐蚀性和导热性，同时在罐体顶部设有气体含量监测仪、ph传感器检测仪，经ad转换模块由主控制单元采集处理后传给上位机，以实时监测罐体内部气体含量的变化和抛光液ph酸碱度变化，进而可根据实时数值来调整气体的输送速率，维持罐体内部气体含量处于稳态；
5.如权利要求1所述一种基于pid控制气体辅助抛光系统的设计方法，其特征在于：所述超声振动装置(2)中内设振动头、变幅杆、换能器和超声波发生器，输出脉冲信号，所述超声振动装置(2)由发生器发出预设频率的超声波，接触水体后发生振动，此时接触面上出现一个气液共存的状...
【专利技术属性】
技术研发人员：许永超，杨岱睿，刘琼，王乾廷，陈丙三，
申请(专利权)人：福建理工大学，
类型：发明
国别省市：
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