電阻爐溫度控制系統(tǒng)設計及仿真研究設計

1、本科生畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文）題 目：電阻爐溫度控制系統(tǒng)設計及仿真研究學生姓名： 學 號：專 業(yè)： 班 級： 指導教師： 電阻爐溫度控制系統(tǒng)設計及仿真研究摘 要本論文主要針對電阻爐這一類復雜的被控對象，研究一種最佳的控制方案，以達到系統(tǒng)穩(wěn)定、調(diào)節(jié)時間短且超調(diào)量小的性能指標。借助MATLAB中的Simulink和Fuzzy工具箱，對電阻爐PID控制系統(tǒng)和模糊控制系統(tǒng)進行仿真分析。結(jié)果表明當采用PID控制時，雖然結(jié)構(gòu)簡單、容易實現(xiàn)，但無法保證控制精度；當采用純模糊控制時，超調(diào)量與調(diào)節(jié)時間雖然同時達到預期效果，但系統(tǒng)出現(xiàn)了穩(wěn)定誤差，所以本文將模糊控制的智能性與PID控制的通用性、可靠性相互結(jié)合，提

2、出了模糊控制與PID控制相結(jié)合的方案。經(jīng)仿真研究，模糊控制與PID控制相結(jié)合的控制效果達到了電阻爐溫度控制系統(tǒng)的性能指標，是一種較為理想的智能性控制方案。關鍵詞：電阻爐；PID控制；模糊控制；MATLAB仿真The Temperature Control System Design and Simulation Research of Resistance Furnace AbstractAims at a kind of complex controlled plant as the resistance furnace, the present paper mainly studies o

3、ne kind of best control plan to achieves the performance indicators of stable system, short control time and small performance. With Simulink and Fuzzy toolbox in MATLAB Simulink ，the design carries on the simulation analysis to the resistance furnace PID control system and the fuzzy control system.

4、 The result indicated that when uses the PID control, although the system has simple structure and easy to realize, it is unable to guarantee the control precision; When it uses the pure fuzzy control, although control time and over adjustment achieves the expectation effect, but the system presente

5、d the stable error, therefore this article proposed the fuzzy control and the PID control unify plan. After the simulation research, the control effect which the fuzzy control and the PID control unified has achieved the resistance furnace temperature control systems performance index. It is one kin

6、d of more ideal intelligence control plan.Key words: Resistance furnace; PID control; Fuzzy control; MATLAB simulation第一章 電阻爐的介紹電阻爐是利用電流通過電熱體元件將電能轉(zhuǎn)化為熱能來加熱或熔化工件和物料的熱加工設備。與其他電爐相比，電阻爐具有熱效率高、溫度易控制、操作條件好、爐體壽命長，適用于對加熱制度要求較嚴的工件加熱，并且發(fā)熱部分簡單，對爐料種類的限制少，爐溫控制精度高，容易實現(xiàn)在真空或控制氣氛中加熱。電阻爐由爐體、電氣控制系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)組成。爐體由爐殼、加熱器、爐襯(

7、包括隔熱屏)等部件組成。電氣控制系統(tǒng)包括電子電路、微機控制、儀表顯示及電氣部件等。輔助系統(tǒng)通常指傳動系統(tǒng)、氣體管道系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等，隨爐種的不同而異【9】。電阻爐的主要參數(shù)有額定電壓、額定功率、額定溫度、工作空間尺寸、生產(chǎn)率、空爐損耗功率、空爐升溫時間、爐溫控制精度及爐溫均勻性等。電阻爐廣泛應用于機械零件的淬火、回火、退火、滲碳、氮化等熱處理，也用于各種材料的加熱、干燥、燒結(jié)、釬焊、熔化等，是發(fā)展最早、品種規(guī)格最多、需要量最大的一類電爐。1.電阻爐的特點（1）熱效率高。電阻爐不需要燃燒氣體(或固體、液體)，沒有排出因燃燒而產(chǎn)生的廢氣造成的熱損失，爐膛空間內(nèi)熱強度高，能達到較高的溫度，

8、使高熔點工件得以熔化。（2）能滿足工件在各種工藝氛圍(保護、運載、反應)中的要求，并使之成為可控。能用質(zhì)量流量計對所控氣氛進行監(jiān)測。由保護氣氛來保證爐內(nèi)氣氛的清潔。比如保護氛田為真空，可以將爐內(nèi)的殘余氣體抽走，保護氣氛為氫氣，各種廢氣可隨之運出。高純度的氫氣，其含氧量可小于0.1ppm，其露點小于-70。（3）能夠滿足工作空間溫度場均勻度和恒溫的精度要求，比如在48小時內(nèi)溫度不得漂移0.5。（4）整個工藝過程(電、氣、水的壓力與流量)能用微控和智能化程序控制。有連鎖保護、報警、防爆、數(shù)顯、曲線記錄等功能，使之操作簡便，工藝穩(wěn)定，重復性好。（5）勞動條件好，不致污染環(huán)境。（6）占地面積小，節(jié)省投

9、資。2.電阻爐的數(shù)學模型及其推導從實際應用中，可以知道電阻爐是一種能自衡的對象，其電阻爐的數(shù)學模型是，該模型是個純滯后、一階慣性環(huán)節(jié)，將電阻爐爐膛內(nèi)的溫度作為唯一變量，可以寫出它的常微分方程。當電阻爐爐膛溫度穩(wěn)定時，則某一時刻加熱元件（本系統(tǒng)采用熱電偶）發(fā)出的熱量應該等于該時刻爐膛中積累的熱量，和通過爐體散失掉的熱量之和，即: （1-1）,大致可以用下面兩個式子表示:； （1-2） 式中：為電阻爐的熱容量，為爐內(nèi)溫度，t為燒結(jié)時間,為環(huán)境溫度，為電阻爐的熱阻(絕緣材料及爐內(nèi)、外部流動氣體產(chǎn)生的)。當爐內(nèi)溫度遠遠大于環(huán)境溫度時，可忽略，于是: （1-3）兩邊取拉氏變換得： （1-4）所以： （1

10、-5）由于測量元件的時間滯后，加上電阻爐本身所固有的熱慣性，使得控制信號與溫度測量值之間存在著一個時滯環(huán)節(jié)，同時控制器輸出的是控制信號，而可以設定正比于，即，輸出，可以得出:； （1-6）其中，稱為對象的時間常數(shù)，稱為對象的增益。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，大多數(shù)控制過程的模型常可以近似地用一階慣性、二階慣性或一階慣性加延時、二階慣性加延時來描述。而在本測控系統(tǒng)中，被控對象電阻爐的數(shù)學模型可用一個一階慣性環(huán)節(jié)和一個延遲環(huán)節(jié)的串聯(lián)來表示： （1-7）其中： 電阻爐的時間常數(shù)；各環(huán)節(jié)組成的系統(tǒng)總放大系數(shù)； 系統(tǒng)的純滯后時間。這三個參數(shù)一般用實驗的方法或數(shù)學分析的方法去求得。在工程中，常用飛升曲線法測得這三個

11、參數(shù)。其方法是先不接把控制器接入控制回路，系統(tǒng)處于開環(huán)狀態(tài)，用飛升曲線法可測得式(2-8)中的各系數(shù)的近似值如下:=360s，=10s，=2 即： （1-8）第二章 電阻爐溫度控制系統(tǒng)電阻爐的溫度控制系統(tǒng)同其它各種自動控制系統(tǒng)一樣，主要由測量、給定、比較、放大和執(zhí)行幾部分組成。采用可控硅作為執(zhí)行元件的電阻爐溫度控制系統(tǒng)，爐內(nèi)的溫度可以按照編定的程序進行控制。溫度檢測裝置的測頭(如熱電偶)將爐內(nèi)溫度高低轉(zhuǎn)變成相應的電信號輸入控制系統(tǒng)與設定的電爐溫度整定值進行比較，將比較所得到結(jié)果進行放大、校正等處理得到輸出信號送至執(zhí)行元件。執(zhí)行元件根據(jù)輸出信號調(diào)整電爐的輸入功率，從而達到控制爐溫的目的【5】。1

12、.溫度控制的基本原理電阻爐為被控對象的控制過程見圖2.1。圖2.1的工作原理為：由熱電偶檢測爐內(nèi)實際溫度，經(jīng)過溫度變送器轉(zhuǎn)換為電壓信號，經(jīng)計算機采集后與設定溫度進行比較，根據(jù)偏差信號計算出相應控制量并輸出，經(jīng)過控制可控硅的導通角來控制電阻絲中電流，進而控制對象溫度，使對象的實際溫度向著給定溫度變化并最終達到給定溫度。溫度控制系統(tǒng)的被控對象是電阻爐，被控參數(shù)為爐內(nèi)溫度，用熱電偶檢測爐內(nèi)實際溫度?？刂破鞲鶕?jù)設定溫度與實際溫度的偏差及溫度的變化率，利用控制算法求出控制輸出量，該輸出量輸送到可控硅電路的輸入端，使可控硅的導通角改變，導通角越大，輸送到電阻爐兩端的交流電壓就會愈高，電阻爐的輸入功率也就增

13、大，爐溫上升；反之，導通角減小，電阻爐輸入功率減小；爐溫偏差為零時，可控硅保持一定的導通角，電阻爐輸入一定的功率，使爐溫穩(wěn)定在給定值。圖2.1 溫度控制框圖2.PID控制PID控制有模擬和數(shù)字兩種類型，數(shù)字PID控制是在模擬PID控制發(fā)展而來的，它適合于在單機片機上實現(xiàn)。PID控制算法是按誤差的比例，積分、微分進行控制的，其參數(shù)可以在現(xiàn)場在線整定，由于軟件設計的靈活性，一般可以得到較好的控制效果。PID控制是20世紀30年代提出并實現(xiàn)的控制機理。其控制規(guī)律是： (2-1)u(t)是控制器的輸出；e(t)是控制器的輸入，是偏差值，即給定值r(t)與被控參數(shù)實際輸出y(t)的差值：e(t)=r(t

14、)-y(t)，Kp是比例系數(shù)；Ti是積分時間常數(shù)；TD是微分時間常數(shù)。從式（2-1）可知，控制器的輸出由三個部分組成：第一部分是比例控制部分，輸出u1(t)=Kpe(t)與輸入偏差e(t)成正比；只要偏差e(t)一出現(xiàn)，控制器立即產(chǎn)生控制作用，使被控參數(shù)朝著減小偏差的方向變化，具有控制及時的特點?？刂谱饔玫膹娙跞Q于Kp的大小。如果只用比例控制，系統(tǒng)穩(wěn)定時要使控制器仍維持一定控制量輸出，必然存在靜差；加大Kp可以使靜差減小，Kp過大會使系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)變壞，引起被控量振蕩導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。 第二部分是積分控制部分，輸出為,只要偏差e(t)不為0，它將通過累積作用影響控制量，以求減小偏差;偏差為0，控

15、制作用不再變化，系統(tǒng)達到穩(wěn)定。積分作用加人可以消除系統(tǒng)靜差。積分時間Ti小，積分速度快，積分作用強。增大Ti將減慢消除靜差的過程(降低響應速度)。從而可以減小超調(diào)、提高穩(wěn)定性。對溫度參量等滯后較大的對象，宜選Ti大一些。 第三部分是微分控制部分，輸出為 ，輸出與偏差信號e (t)的變化速度成正比，即使偏差很小，只要出現(xiàn)變化趨勢，便馬上產(chǎn)生控制作用，以調(diào)整系統(tǒng)的輸出，阻止偏差的變化.這是一種“超前”控制作用，在偏差出現(xiàn)或變化的瞬間作用明顯。偏差變化越快，u3(t)越大，反饋校正量越大。微分控制將有助于減小超調(diào)、克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。采用PID控制器，從靜態(tài)和動態(tài)方面改善了控制器的品質(zhì)。某時刻

16、改變r(t)或y(t)，作為控制器輸人信號的偏差值e(t)是階躍信號，作為控制器輸出信號的u(t)是對e(t)的響應信號。在階躍信號作用下，首先是比例和微分作用，使控制器控制作用加強；然后再進行積分，直到最后消除靜差為止。即這個過渡過程是快速并平穩(wěn)，然后準確跟蹤。PID控制器成為一種應用廣泛的控制器。3.PID控制參數(shù)整定數(shù)字控制系統(tǒng)就其本質(zhì)來說是一種采樣控制系統(tǒng)。由于連續(xù)生產(chǎn)過程的控制回路一般都有較大的時間常數(shù)，在大多數(shù)使用情況下，采樣周期與系統(tǒng)的時間常數(shù)相比往往要小得多，所以數(shù)字控制系統(tǒng)中數(shù)字控制的參數(shù)整定可以利用模擬控制的參數(shù)整定方法來進行整定。在連續(xù)控制系統(tǒng)中，模擬控制的參數(shù)整定方法較

17、多，但簡單易行的方法還是簡易工程法。此法的優(yōu)點在于，整定參數(shù)時不必依賴被控對象的數(shù)學模型。（1）擴充臨界比例度法擴充臨界比例度法是以模擬控制中使用的臨界比例度法為基礎的一種PID數(shù)字控制參數(shù)的整定方法。用它整定、和的步驟如下：選擇一個足夠短的采樣周期，具體的說就是選擇采樣周期為被控對象純滯后時間的1/10以下。用選定的采樣周期使系統(tǒng)工作。這時，數(shù)字控制器去掉積分作用和微分作用，只保留比例作用。然后逐漸減小比例度，直到系統(tǒng)發(fā)生持續(xù)等幅振蕩。記下使系統(tǒng)發(fā)生振蕩的臨界比例度及系統(tǒng)的振蕩周期。選擇控制度。所謂控制度就是以模擬控制為基準，將DDC的控制效果與模擬控制的控制效果相比較?？刂菩Ч脑u價函數(shù)通

18、常用誤差平方面積表示。 （2-2）實際應用中并不需要計算出兩個誤差平方面積，控制度僅表示控制效果的物理概念。例如，當控制度為1.05時，就是指DDC與模擬控制效果相當；控制度為2.0時，是指DDC比模擬控制效果差。根據(jù)選定的控制度，查表2.1求得、和的值。表2.1 按擴充臨界比例度法整定參數(shù)控制度控制規(guī)律TKpTiTd1.05PI0.03TK0.530.88 TKPID0.014TK0.630.49 TK0.14 TK1.2PI0.05TK0.490.91 TKPID0.043TK0.470.47TK0.16 TK1.5PI0.14TK0.420.99 TKPID0.09TK0.340.43

19、TK0.20 TK2.0PI0.22TK0.361.05TKPID0.16TK0.270.40TK0.22 TK(2) 擴充響應曲線法在模擬控制系統(tǒng)中可以用響應曲線法代替臨界比例度法，因此在DDC中也可以用擴充響應曲線法代替擴充臨界比例度法。用擴充曲線法整定、和的步驟如下：斷開數(shù)字控制器，使系統(tǒng)在手動狀態(tài)下工作；將被調(diào)節(jié)量調(diào)節(jié)到給定值附近，并使之穩(wěn)定下來；然后，突然改變給定值，給對象一個階躍輸入信號。用記錄儀記錄被調(diào)量在階躍輸入下的整個變化過程曲線，如圖2.2所示。圖2.2被控的對象的階躍響應曲線在曲線最大斜率處作切線，求得滯后時間、被控對象時間常數(shù)T，以及它們的比值T/。根據(jù)所求得的T、和它

20、們的比值T/，選擇一個控制度，查表即可求得控制器的、和采樣周期T。表2.2中的控制度求法與擴充臨界比例度法相同。表2.2按擴充響應曲線法整定參數(shù)控制度控制規(guī)律TKpTiTd1.05PI0.10.84T/0.34PID0.051.15T/2.00.451.2PI0.20.78T/3.6PID0.161.0T/1.90.551.5PI0.50.68T/3.9PID0.340.85T/1.620.652.0PI0.80.57T/4.2PID0.60.6T/1.50.82以上兩種方法適用于被控對象是一階慣性純滯后環(huán)節(jié)。第三章 模糊控制1.模糊控制原理模糊自動控制是以模糊集合化、模糊語言變量及模糊邏輯推

21、理為基礎的一種計算機數(shù)字控制。從線性控制與非線性控制的角度分類，模糊控制是一種非線性控制；從控制器的智能性看，模糊控制屬于智能控制的范疇，而且它已成為目前實現(xiàn)智能控制的一種重要而有效的形式。一個模糊控制系統(tǒng)必須包含一些必要的部件。模糊控制屬于計算機數(shù)字控制的一種形式，它的組成類似于一般的數(shù)字控制系統(tǒng)，其框圖如圖3.1所示。圖3.1 模糊控制系統(tǒng)的組成模糊控制系統(tǒng)一般可分為五個組成部分：模糊控制器，是各類自動控制系統(tǒng)中的核心部分。由于被控對象的不同，以及對系統(tǒng)靜態(tài)、動態(tài)特性的要求和所應用的控制規(guī)則（或策略）各異，可以構(gòu)成各種類型的控制器，如在經(jīng)典控制理論中，用運算放大器加上阻容網(wǎng)絡構(gòu)成的PID控

22、制器和由前饋、反饋環(huán)節(jié)構(gòu)成的各種串、并聯(lián)校正器。在現(xiàn)代控制理論中，設計的有限狀態(tài)觀測器、自適應控制器、解耦控制器、魯棒控制器等。而在模糊控制理論中，則采用基于模糊控制知識表示和規(guī)則推理的語言型“模糊控制器”，這也是模糊控制系統(tǒng)區(qū)別于其他自動控制系統(tǒng)的特點所在。輸入/輸出接口。模糊控制器通過輸入/輸出接口從被控對象獲取數(shù)字信號量，并將模糊控制器決策的輸出數(shù)字信號經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號，然后送給被控對象。在I/O接口裝置中，除A/D、D/A轉(zhuǎn)換外，還包括必要的電平轉(zhuǎn)換電路。執(zhí)行機構(gòu)：包括各交、直流電動機，伺服電動機，步進電動機，氣動調(diào)節(jié)閥和液壓電動機、液壓缸等。被控對象。它可以是一種設備

23、或裝置以及它們的群體，也可以是一個生產(chǎn)的、自然的、社會的、生物的或其他各種的狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程。這些被控對象可以是確定的或模糊的、單變量的、有滯后或無滯后的，也可以是線性的或非線性的、定常的或時變的，以及具有強耦合和干擾等多種情況。對于那些難以建立精確數(shù)學模型的復雜對象，更適宜采用模糊控制。傳感器。傳感器是將被控對象或各種過程的被控制量轉(zhuǎn)換為電信號（模擬或數(shù)字）的一類裝置。被控制量往往是非電量，如位移、速度、加速度、溫度、壓力、流量、濃度、濕度等。傳感器在模糊控制系統(tǒng)中占有十分重要的地位，它的精度往往直接影響整個控制系統(tǒng)的精度，因此，在選擇傳感器時，應注意選擇精度高且穩(wěn)定性好的傳感器。2.模糊控制規(guī)

24、則控制規(guī)則的輸入是在Rule Editor窗口輸入的，以if-then的形式表達。溫度控制規(guī)則共56條如表3.1所示：表3.1模糊控制規(guī)則表模糊if-then規(guī)則又稱模糊隱含或模糊條件語句。if-then規(guī)則語句用以闡明包含模糊邏輯的條件語句。一個單獨的模糊if-then規(guī)則形式如下：if x is A then y is B其中，A和B是由模糊集合分別定義在x，y范圍(論域)上的語言值。模糊規(guī)則中的if部分“x is A”被稱為規(guī)則的前提或假設，同時then部分“y is B”被稱為結(jié)果或結(jié)論。實質(zhì)上，該表達式描述了變量x與y之間的關系。因此，我們可以把if-then規(guī)則定義為乘積空間中的二

25、元模糊關系。例如，要購買一個軟件，其價格由其用戶界面和軟件功能決定。若單獨考慮其價格，則：if interface is good then charge is high。注意“good”用一個0和1之間的數(shù)字表示，因此所謂的前提是一個解析，它返回一個0和1之間的單位。另一面，“high”由一個模糊集合表示，因此所謂的結(jié)果是一個分配，它分配整個模糊集合B到輸出變量y。在if-then規(guī)則中，當“is”分別出現(xiàn)在前提和結(jié)果中時，其意義完全不同。就如在MATLAB術語中，使用關系運算符“=”和使用變量賦值符號“”時，其意義也完全不同，書寫這個規(guī)則時，避免混淆的寫法是：if interfacegoo

26、d then chargehigh，一般來說，if-then規(guī)則的輸入是輸入變量的當前值(在此是“interface”)，輸出是一個模糊集合的整體(在此是“high”)。在后面將對這個集合進行反模糊化，將一個值分配到輸出。第四章 仿真分析1.PID控制仿真PID控制的仿真結(jié)構(gòu)圖如圖4.1所示。圖4.1 PID控制系統(tǒng)本圖是電阻爐特性仿真圖，以單回路控制系統(tǒng)為研究基礎，又因為單回路最簡單，所以在仿真過程中，所得仿真特性圖最能體現(xiàn)對象的特性。由于該PID控制只調(diào)整一個參數(shù)Kp，取不同的Kp值，可得到一系列的仿真成果，當Kp=0.5, TD=5,Ti=1/200時，仿真結(jié)果如圖4.2所示。圖4.2 PID仿真結(jié)果參數(shù)Kp、Ti、TD的選定是很重要的。當比例系數(shù)KP增大時，余差雖然會減小，但是系統(tǒng)的穩(wěn)定性會變差，容易產(chǎn)生振蕩，相反的話，余差又會