热风回流焊机的解耦及控制研究

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编号：G40(2014)14-02-01

作者：李晶磊

一、研究意义

近几年来由于表面组装技术的发展和普及,随着电子装联向表面组装转化,再流焊工艺技术有了很大的发展和很快的普及,它已取代以前的气象焊并有逐步取代的波峰焊的趋势。再流焊技术发展的热点在于用先进的控制方式和热传递方式达到节能、温度均匀，适应双面贴装印制板和新器件封装方式的焊接要求，取代波峰焊实现穿孔回流焊。为了适应世界范围内的无铅电子制造，无铅回流炉也有了更大的改进：增加温区数量；采用红外辐射与强制对流的加热方式；具有惰性气体环境；助焊剂收集系统；可控制的冷却系统及PCB变形的支撑条等。这些都为热风回流焊机的发展提出了更高的要求。

热风回流焊机作为一种先进的贴片焊接装置，具有独特先进的加热系统(进口发热板上下加热方式，专利风轮设计)，多个温区和加热块，两个冷却系统，需对各温区采用强制独立循环，独立控制，使炉腔温度准确，均匀，且热容量大，同时具有氦气保护，温度超差，PCB板自动跟踪（掉板检测）及设备异常声光报警等功能。该系统中，温度的精确测量和准确控制是关键问题，解决该问题的方法之一是提高系统的快速性，使之在外界大干扰情况下，立即反应，从而快速的达到平衡状态。此外，单一的控制算法不能满足该系统加载大负荷和负荷随动的动态控制精度要求，故需在传统的PID控制算法的基础上，研究适应于多变量系统温度控制的控制策略，以帮助实现热风回流焊机快速，准确，恒定的温度控制。

热风回流焊机作为一个多输入多输出控制系统，其内部结构比较复杂，往往会存在一定程度上的耦合。耦合是生产过程控制系统普遍存在的一种现象，因为生产过程都是一环扣一环协调进行工作。一个过程变量的变化必然会涉及到其他过程变量的变化，这种现象称为耦合。

对于多温区测控系统而言，各个温区之间由于存在着三种热传递方式：传导、对流、辐射，会使得各个回路之间存在较强的耦合性，相互影响，相互干扰，当对一个温区的温度进行控制势必会引起其他温区温度的波动，因而解决多回路的耦合，达到稳定运行是极为关键和重要的。解耦后的系统可以使各项参数有机的衔接起来，各个温区之间的控制不互相干扰，很大程度上提高了温度控制的效果和精度，为此，有必要将解耦控制引入到多变量温控系统中来，应用之后可以达到以下的效果：多温区同时投入运行时，对单个温区进行控温时不会影响到其他温区的温度变化，整个控温过程使温度输出按照给定的工艺曲线变化，温度曲线平稳，各温区之间的相互扰动较小，温控精度高。

二、国内外研究现状

解耦是控制理论中最经典的问题之一，它的设计思想几乎与控制学科同时产生，解耦控制思想最初狭义的提法是不相干控制原则的。它是由Roksenbom和Hoodllol提出来的，他们最先将矩阵分析法应用于多边连控制系统分析，分析了有关飞行器控制的问题，即如何通过分别控制燃料与推进器叶片角度来控制飞行器发动机的速度与功率，并使这两个控制系统互不干涉。1964年Morgan在现代控制理论的框架下正式提出了MIMO多输入多输出线性系统的输入输出解耦问题，即无交互系统的设计问题[3]。

MIMO存在着以下的特殊性：（1）难以获得精确的对象模型；（2）输入输出之间彼此交连；（3）控制部件失效的可能性比较大。以上的特性使得通常用于单输入单输出系统的控制方法不再适用，然而单变量控制的在工业控制领域发展得已经相当成熟，为了能够使用现在的单变量控制理论。使用解耦的方法将多输入多输出系统分解成可以独立控制的单变量控制系统将成为最好的选择。

目前，国内外的解耦控制方法主要分成以下四类：（1）传统解耦控制方法；（2）自适应解耦控制方法；（3）非线性与鲁棒解耦控制方法；（4）智能解耦控制方法。

结论

本文简单的介绍了国内外解耦研究现状，简要阐述了传统解耦方法和新发明的各种智能解耦方法，

专业：机械设计制造及其自动化（机电）　班级：机自102209H

学号：201022010914

（作者单位：山西省太原科技大学华科学院030000）