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1、I内蒙古科技大学毕业设计说明书（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
2、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；可编程控制器内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） The production of zinc oxide whis
3、ker system design based on MCGSAbstractThe 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
4、 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 th
5、e 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
6、to the request of the main factorsthe 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 proce
7、ss,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 soft
8、ware, 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 co
9、ntent and the stability of flow control and alarm functions.Key words: Zinc Oxide Whisker; PID control;MCGS; programmable logic controller内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）目 录摘 要IAbstractII第一章 引 言11.1 课题的来源及意义21.2 氧化锌晶须国内外研究现状21.2.1 氧化锌晶须制备方法的研究31.2.2氧化锌晶须的应用前景41.3 控制系统研究现状71.3.1 传统过程控制的方法71.3.2 智能控制的方法81.4 研究内容8
10、1.5 论文结构9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102.1.1 晶须生长机理过程分析112.1.2 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122.3 系统设计思想及方法132.4 控制系统设计152.4.1 两级计算机控制系统152.4.2 硬件选型及特点162.4.2.1西门子PLC162.4.2.2流量计172.4.2.3压力变送器182.4.2.4执行器192.4.3 控制系统组成20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（MIM
11、O）系统建模方法223.2.2 解耦控制器的设计思路233.2.3 前馈补偿解耦控制器设计原理243.3 增量式PID控制器设计263.3.1 PID控制原理263.3.2 PID控制器设计283.4 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303.4.3 仿真结果及分析31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334.1.2 监控软件结构及功能344.2 PLC编程及算法实现354.2.1 Siemens STEP7标准软件包354.2.2 S
12、TEP7编程354.2.3 控制逻辑分析364.2.4 前馈解耦控制算法384.2.5 增量式PID算法实现39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40第六章 结束语426.1 结论426.2 展望42参考文献44附录A 氧化锌晶须的生产工艺图46附录B 数据显示图47附录C PID算法在PLC中的具体实现48致 谢51 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）第一章 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
13、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一1235。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,
14、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，
15、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0.71.4m，针状体根部直径0.514m，针状体长度3200m。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
