人造金刚石合成工艺的智能控制
收稿日期：2005 - 02 - 05
作者简介：朱凌云（1962 - ），女，副教授，主要从事计算机控制技
术、智能控制等方面的教学和研究工作。
人造金刚石合成工艺的智能控制
朱凌云1，吕承康1，何端阳2
（1. 东华大学 信息学院，上海 200051；2. 长沙矿冶研究院，湖南 长沙 410012）
摘要：采用计算机控制技术对 Y - 500 型六面顶压机生产人造金刚石的整个生产工艺过程进行
全方位控制和监测，大大提高了压机运行的可靠性和生产效率。根据工艺要求采用智能 PID 控制
和模糊 PID 控制策略对人造金刚石生产中的工艺参数加热功率和加压压力实现有效控制，大大提
高人造金刚石产品的质量和品位。
关键词：人造金刚石压机；工艺参数；智能 PID 控制；PID 自整定；模糊 PID 控制
中图分类号：TP273 .5 文献标识码：A 文章编号：1000-0682（2005）06-0027-03
The intelligent control of an artificial diamond synthesis process
ZHU Ling-yun1，LV Cheng-kang1，HE Duan-yang2
（1. College of Information & Engineering under Donghua University，Shanghai 200051，China；
2. Changsha Research Institute of Mining & Metallurgy，Hunan Changsha 410012，China）
Abstract：The working reliability and production efficiency of an artificial diamond synthesis machine（Y-
500 cubic press）can be improved through the computer control and monitoring of a production process . Accord-
ing to the requirements of industrial production，it is good practice to use artificial intelligent PID and fuzzy PID
control strategies，which can effectively control the production parameters，such as heating power and working
pressure . As a result，the artificial diamond quality can be upgraded .
Key words：artificial diamond synthesis machine；working parameter；intelligent PID control；PID self-tun-
ing；fuzzy PID control
0 引 言
目前我国人造金刚石的生产多采用六面顶压机。
然而六面顶压机的控制系统比较落后，虽然近几年有
所改进，但对各种工艺参数的控制仍没多大改善。压
力与加热控制现状很难满足金刚石生产工艺的要求，
不能实现变压力生产工艺控制、变温工艺曲线的程序
控制，精度又低，必然影响到产品的品级。
人造金钢石的合成效果（产量、质量）受诸多因
素影响，一定条件下，主要受温度、压力的影响，取决
于温度、压力的合理匹配。金刚石合成历经形核、长
大两个阶段，压力是金刚石合成的驱动力，它影响金
刚石形核，也就影响了金刚石的产量、转化率，而温
度主要是影响金刚石质量。顶锤的位移检测控制和
各种故障的自动分析处理，以及计算机生产管理等
方面的技术在人造金刚石生产中也起着非常重要的
作用，但这些技术的应用在人造金刚石行业中目前
还很少。
金刚石生产工艺要求控制系统各项技术指标如
下：压 力 控 制 范 围 及 稳 态 控 制 精 度 0 ～ 100 MPa ±
0.30 MPa，动态响应时间 < 3 s；加热电压控制范围 0
～ 6 V；加热电流控制范围 0 ～ 10 kA；加热功率控制
范围及稳态控制精度 0 ～ 60 kW ± 0.1 kW，动态响应
时间 < 2 s；顶锤位移量控制范围及控制精度 0 ～ 100
mm ± 0.01 mm。
1 控制系统的总体方案
人造金刚石压机是由电气控制系统和液压系统
两部分组成。压机的计算机控制系统主要是代替压
机原来的电控系统。它由加压控制、加热控制、顶锤
位移控制、综合分析处理、现场监控、中心监测几部
分组成，具有逻辑分析、数理计算、最优化动态控制、
状态检测、异常情况分析及处理、工艺自动跟踪、动
态显示、人机友好界面、网络通信等智能化功能。
系统的压力控制是通过 2 台交流油泵和 1 台直
流油泵来调节，交流主泵控制超压，直流副泵控制补
压。液压油经油路管道及增压器输入六面顶压机的
活塞，给 6 个顶锤施压。油路中油的通断是通过输
·72·2005 年第 6 期 工业仪表与自动化装置
油管道中电磁阀的开关来控制的。温度控制是通过
控制加热功率的变化来实现的。在六面顶压机的两
个相对加热锤头上加以电压，电流就流经合成块，合
成块因自身有电阻而发热。因此控制合成块中加热
功率的大小就可控制合成块的温度。
每台压机的现场控制和检测用 1 台可编程控制
器计算机及扩展的 I / O、A / D、D / A 接口模块、通信接
口及 现 场 的 各 种 传 感 器、执 行 机 构 来 实 现。通 过
RS-232C 连接安装在现场控制台面上的触摸式图型
显示操作终端，进行现场监测和工作参数、工艺曲线
设定。各台压机的现场工作状况通过现场总线传输
至安装在生产管理或技术部门的中心监测计算机。
控制系统结构示意图如图 1。
图 1 控制系统结构示意图
现场控制计算机的软件是根据人造金刚石合成
工艺的要求，运用智能 PID 控制理论、模糊 PID 控制
理论和 PID 参数自整定技术，将系统的各种信息综
合分析，建立最佳工艺控制模型和故障分析处理最
佳方案，分别发出加压、加热、位移控制信号，将设备
运行控制在最佳工作状态。软件设计采用模块化设
计，如图 2 所示。在故障分析处理模块软件中设有
状态预测功能，可预测出顶锤位移发展趋势、系统压
力运行发展趋势和系统加热功率运行发展趋势，以
供计算机进行分析，对所有执行系统实行超前控制，
保障了设备运行的稳定和安全。
图 2 控制系统软件结构示意
2 加压采用模糊 PID 控制
人造金刚石压机生产工艺要求加压控制根据合
成材料的不同分 2 ～ 6 段超压、保压，超压到 90 MPa
左右，再保压几分钟后卸压，完成一个工序，时间为
几分钟到十几分 钟。可 根 据 工 艺 要 求 任 意 设 为 多
段，由现场人机界面随时输入修改。加压闭环控制
系统将压力传感变送器所测的油液压力信号与计算
机中预设的压力控制工艺曲线进行分析比较，经过
高级控制算法处理后，控制液压泵组和液压阀组的
工作状态，使系统的压力工作状态跟踪给定压力工
艺曲线。被控对象油路压力是由电动机带动增压器
增压的，要 求 系 统 在 几 分 钟 内 将 油 路 压 力 从 10 Pa
左右分几段提升到 90 MPa 左右，并且超调不能大于
0.3 MPa。控制速度要快，控制精度要高。因此超压
采用主泵开关控制，保压采用副泵补压模糊 PID 控
制。
模糊控制具有控制速度快、过程参数的变化适
应性强、可靠性高、不受工作环境影响、鲁棒性好、灵
敏度高、不需要精确数学模型等特点。但模糊控制
的稳态精度较差，故采用模糊 - PID 复合控制的方
法，以提高模糊控制的精度。如图 3 所示，压力控制
策略是采用多模态分段控制算法来综合比例、模糊、
比例积分控制的长处。3 种控制方式在系统工作过
程中分段切换使用，不会同时出现而互相影响调试。
在偏差大于某一阈值时，希望控制参数能快速跟踪
调整，所以采用比 例 控 制；当 偏 差 减 小 到 阈 值 以 下
时，切换转入模糊控制，提高系统的阻尼性能，减小
响应过程中的超调量。这样，就综合了比例控制和
模糊控制的优点。该方法中模糊控制的论域仅是整
个论域的一部分，相当于模糊控制的论域已被压缩，
这就相当于语言变量的语言值增加，提高了灵敏度
和控制精度。在误差语言变量的语言值为零时切换
至 PI 控制，当绝对误差为零或积分饱和时，将积分
器关闭。
图 3 压力控制策略
图 4 压力工艺曲线
在现场调试中的压力实测曲线证明加压控制系
统能满足生产要求，压力工艺给定及实测曲线如图
·82· 工业仪表与自动化装置 2005 年第 6 期
4。模糊 PID 控制器与 PID 控制器相比，提高了系统
抗外部干扰和适应内部参数变化的鲁棒性，减少了
超调，改善了动态特性；与简单模糊控制器相比，它
减少了稳态误差、提高了平衡点的稳定度。
3 加热采用智能 PID 控制
人造金刚石压机生产工艺要求加热控制是在超
压达 30 MPa 以后开始的，加热控制也分加温、保温几
段进行，几分钟或十几分钟后停止加热。加热功率给
定工艺曲线如图 5，由人机界面随机输入和修改。
图 5 加热功率工艺曲线
加热控制系统将加热电压和加热电流采样信号
相乘得到功率测量值，与计算机预设的加热功率工
艺曲线进行分析比较，经高级控制算法处理后，通过
控制功率可控硅的导通角来控制大电流加热变压器
的输出电压和输出电流，使系统的加热功率满足工
艺要求。被控对象 合 成 块 为 叶 腊 石 作 触 媒 内 装 石
墨，为电阻性负载。由于采用变压器降压和升流，串
入了电感性负载，容易引起超调和振荡。合成块的
温度是根据热功当量原理产生和计算，由于传热介
质编织带、合金顶锤、叶腊石的特性，使温度具有滞
后性质。被控对象合成块在合成过程中被 6 个顶锤
全封闭，其温度采用红外线测温仪测量。为了精确
控制加热功率和温度，加热功率控制采用基于模式
识别的专家式智能自整定 PID 控制算法，如图 6。
图 6 加热功率控制策略
在输出和给定存在偏差或系统受到扰动时对系
统误差 e 的时间特性进行模式识别，分别识别出该
过程响应曲线的多个特征参数，如超调量、阻尼比、
衰减振荡周期、上升时间。所测出的各特征参数值
与事先设定好的特征参数值进行比较，其偏差量送
入专家系统，专家系统在线推断出为消除各特征量
的偏差，控制器参数所应有的校正量 ΔkP 、ΔkI 、ΔkD ，
将它们送入常规的 PID 控制器，以修正控制器各参
数，输出控制信号控制被控对象加热功率，使加热功
率响应曲线的特征参数满足工艺要求。设计专家式
自整定控制器的核心是：在系统闭环运行时，合理选
定描述系统暂态误差特性的各个特征参数，获取特
征参数的偏差量与 PID 控制器参数的校正量 ΔkP 、
ΔkI 、ΔkD 之间的关系。被控对象特征参数的选择方
法是先 测 试 被 控 对 象 的 阶 跃 响 应，再 用 Cohn-Coon
公式计算出特征参数 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 为系统输出响应；ΔR 为系统 阶 跃 响
应；t0.28为系统输出响应曲线中对应 0.28Δy 时的时
间；t0.632为系统输出响应曲线中对应 0.632Δy 时的
时间。
现场测试和生产实践证明：基于模式识别的专
家式智能自整定 PID 控制算法使加热控制系统运行
稳定，能满足加热功率稳态控制精度和动态响应指
标。
4 顶锤位移控制采用高速指令
顶锤位移检测系统的作用是根据 6 个顶锤位移
传感器检测的位移量，计算出每对顶锤的同步差，以
及在合成过程中预测每个顶锤位移发展趋势，以提
供计算机可靠的顶锤位移数据，并控制 6 个顶锤按
工艺流程要求准确无误地动作。人造金刚石合成过
程中充液时 6 个顶锤的同步差的精度，是合成金刚
石的重要指标，要求同步差小于 0.01 mm。充液时
间却只有 4 ～ 5 s，要在极短的时间内准确无误地采
样 20 × 6 组顶锤位移数据，并及时 进 行 分 析 处 理。
采用高速处理指令、浮点运算指令和各种抗干扰措
施等确保控制的精度。
5 人机界面和中心监测系统
一个好的应用系统，有一个完善的人机交互界面
是非常重要的。现场监控采用的触摸式图型显示操
作终端操作简便、显示清晰、画面丰富、安全可靠。动
态彩色画面显示的运行工况包括开关量、模拟量、工
艺运行曲线、故障报警类型等，工艺参数设定有工作
参数、位移参数、PID 参数、温度曲线、压力曲线等。
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·92·2005 年第 6 期 工业仪表与自动化装置
图 4 常规变结构控制
图 5 模糊决策变结构控制
若系统为大时滞系统，即τ
T ≥0.3，通过 Matlab
进行仿真可以发现，其平滑过渡的效果更加明显。
4 结 论
从图 4 的常规变结构控制的阶跃响应曲线可以
看出：在 t1 时刻，即在 | e | = 0.7，y = 0.3 时，控制器
由 P 控制转变为 PD 控制，此时，输出发生了阶跃性
的突变，由 y = 0.3 突变为 y = 0.6，响应曲线为垂直
直线，中间没有任何过渡，这说明在由 P 控制转变为
PD 控制时，控制器输出 u 发生了突变；在 | e | = 0.2，
y = 0.8 时，即由 PD 控制转变为 PID 控制时，输出量
y 由 0.8 突 变 为 0.95，同 样 出 现 了 阶 跃 性。和 图 4
相比，在控制器参数相同的情况下，图 5 中由于模糊
决策的存在，整个过渡过程中响应曲线比较平滑，实
现了平滑过渡。若系统中存在干扰，则在常规变结
构中，切换面上会出现抖动，而该文提出的方法则消
除了切换面上抖动。
参考文献：
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2003.
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中心监测计算机汇总全厂或全车间各台压机的
实时和历史数据，也可随时查看和打印某台压机的工
作状况和历史数据，便于生产管理和技术分析。中心
监测系统软件采用 Kingview 6.5 作为开发平台，它运
行于 Windows2000 / XP / NT 平台，采用 32 位实施多任
务多线程编程技术、动态优化读取技术、OEL 自动化
技术，支持 ActiveX 控件，具有强大的图形功能、动画
控制功能和硬件驱动功能，支持 RS232、RS485、RS422、
TCP / IP 通讯协议，能方便地开发复杂的用户界面及
搭建分布式的监测系统，以完成数据采集、监测设备
运行状态、生产过程可视化监测等任务。
6 结 论
Y-500 型压机控制系统通过省级技术鉴定，确
认该控制系统各项技术指标均 达 到 了 工 艺 设 计 要
求。该项目获 2002 湖南省科技进步二等奖。已在
国内外多家超硬材料厂推广使用几十台套，实践证
明该控制系统结构简单、操作方便、控制精确、运行
可靠，为提高人造金刚石的产量、质量和品位创造了
非常有利的条件。该系统也可用于其他超硬材料的
生产，具有广泛的应用前景。
参考文献：
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