毕业论文—电阻炉温度控制系统设计及仿真研究设计.doc

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1、电阻炉温度控制系统设计及仿真研究摘 要本论文主要针对电阻炉这一类复杂的被控对象，研究一种最佳的控制方案，以达到系统稳定、调节时间短且超调量小的性能指标。借助MATLAB中的Simulink和Fuzzy工具箱，对电阻炉PID控制系统和模糊控制系统进行仿真分析。结果表明当采用PID控制时，虽然结构简单、容易实现，但无法保证控制精度；当采用纯模糊控制时，超调量与调节时间虽然同时达到预期效果，但系统出现了稳定误差，所以本文将模糊控制的智能性与PID控制的通用性、可靠性相互结合，提出了模糊控制与PID控制相结合的方案。经仿真研究，模糊控制与PID控制相结合的控制效果达到了电阻炉温度控制系统的性能指标，是

2、一种较为理想的智能性控制方案。关键词：电阻炉；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 one kind of best control plan to achieves the performance indic

3、ators 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. The result indicated that when uses the PID control, although

4、 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 presented the stable error, therefore this article proposed the fuzzy

5、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 kind of more ideal intelligence control plan.Key words: Resistanc

6、e furnace; PID control; Fuzzy control; MATLAB simulation第一章 电阻炉的介绍电阻炉是利用电流通过电热体元件将电能转化为热能来加热或熔化工件和物料的热加工设备。与其他电炉相比，电阻炉具有热效率高、温度易控制、操作条件好、炉体寿命长，适用于对加热制度要求较严的工件加热，并且发热部分简单，对炉料种类的限制少，炉温控制精度高，容易实现在真空或控制气氛中加热。电阻炉由炉体、电气控制系统和辅助系统组成。炉体由炉壳、加热器、炉衬(包括隔热屏)等部件组成。电气控制系统包括电子电路、微机控制、仪表显示及电气部件等。辅助系统通常指传动系统、气体管道系统、真空

7、系统、冷却系统等，随炉种的不同而异【9】。电阻炉的主要参数有额定电压、额定功率、额定温度、工作空间尺寸、生产率、空炉损耗功率、空炉升温时间、炉温控制精度及炉温均匀性等。电阻炉广泛应用于机械零件的淬火、回火、退火、渗碳、氮化等热处理，也用于各种材料的加热、干燥、烧结、钎焊、熔化等，是发展最早、品种规格最多、需要量最大的一类电炉。1.电阻炉的特点（1）热效率高。电阻炉不需要燃烧气体(或固体、液体)，没有排出因燃烧而产生的废气造成的热损失，炉膛空间内热强度高，能达到较高的温度，使高熔点工件得以熔化。（2）能满足工件在各种工艺氛围(保护、运载、反应)中的要求，并使之成为可控。能用质量流量计对所控气氛进

8、行监测。由保护气氛来保证炉内气氛的清洁。比如保护氛田为真空，可以将炉内的残余气体抽走，保护气氛为氢气，各种废气可随之运出。高纯度的氢气，其含氧量可小于0.1ppm，其露点小于-70。（3）能够满足工作空间温度场均匀度和恒温的精度要求，比如在48小时内温度不得漂移0.5。（4）整个工艺过程(电、气、水的压力与流量)能用微控和智能化程序控制。有连锁保护、报警、防爆、数显、曲线记录等功能，使之操作简便，工艺稳定，重复性好。（5）劳动条件好，不致污染环境。（6）占地面积小，节省投资。2.电阻炉的数学模型及其推导从实际应用中，可以知道电阻炉是一种能自衡的对象，其电阻炉的数学模型是，该模型是个纯滞后、一阶

9、惯性环节，将电阻炉炉膛内的温度作为唯一变量，可以写出它的常微分方程。当电阻炉炉膛温度稳定时，则某一时刻加热元件（本系统采用热电偶）发出的热量应该等于该时刻炉膛中积累的热量，和通过炉体散失掉的热量之和，即: （1-1）,大致可以用下面两个式子表示:； （1-2） 式中：为电阻炉的热容量，为炉内温度，t为烧结时间,为环境温度，为电阻炉的热阻(绝缘材料及炉内、外部流动气体产生的)。当炉内温度远远大于环境温度时，可忽略，于是: （1-3）两边取拉氏变换得： （1-4）所以： （1-5）由于测量元件的时间滞后，加上电阻炉本身所固有的热惯性，使得控制信号与温度测量值之间存在着一个时滞环节，同时控制器输出的

10、是控制信号，而可以设定正比于，即，输出，可以得出:； （1-6）其中，称为对象的时间常数，称为对象的增益。在工业生产过程中，大多数控制过程的模型常可以近似地用一阶惯性、二阶惯性或一阶惯性加延时、二阶惯性加延时来描述。而在本测控系统中，被控对象电阻炉的数学模型可用一个一阶惯性环节和一个延迟环节的串联来表示： （1-7）其中： 电阻炉的时间常数；各环节组成的系统总放大系数； 系统的纯滞后时间。这三个参数一般用实验的方法或数学分析的方法去求得。在工程中，常用飞升曲线法测得这三个参数。其方法是先不接把控制器接入控制回路，系统处于开环状态，用飞升曲线法可测得式(2-8)中的各系数的近似值如下:=360s

11、，=10s，=2 即： （1-8）第二章 电阻炉温度控制系统电阻炉的温度控制系统同其它各种自动控制系统一样，主要由测量、给定、比较、放大和执行几部分组成。采用可控硅作为执行元件的电阻炉温度控制系统，炉内的温度可以按照编定的程序进行控制。温度检测装置的测头(如热电偶)将炉内温度高低转变成相应的电信号输入控制系统与设定的电炉温度整定值进行比较，将比较所得到结果进行放大、校正等处理得到输出信号送至执行元件。执行元件根据输出信号调整电炉的输入功率，从而达到控制炉温的目的【5】。1.温度控制的基本原理电阻炉为被控对象的控制过程见图2.1。图2.1的工作原理为：由热电偶检测炉内实际温度，经过温度变送器转换

12、为电压信号，经计算机采集后与设定温度进行比较，根据偏差信号计算出相应控制量并输出，经过控制可控硅的导通角来控制电阻丝中电流，进而控制对象温度，使对象的实际温度向着给定温度变化并最终达到给定温度。温度控制系统的被控对象是电阻炉，被控参数为炉内温度，用热电偶检测炉内实际温度。控制器根据设定温度与实际温度的偏差及温度的变化率，利用控制算法求出控制输出量，该输出量输送到可控硅电路的输入端，使可控硅的导通角改变，导通角越大，输送到电阻炉两端的交流电压就会愈高，电阻炉的输入功率也就增大，炉温上升；反之，导通角减小，电阻炉输入功率减小；炉温偏差为零时，可控硅保持一定的导通角，电阻炉输入一定的功率，使炉温稳定

13、在给定值。图2.1 温度控制框图2.PID控制PID控制有模拟和数字两种类型，数字PID控制是在模拟PID控制发展而来的，它适合于在单机片机上实现。PID控制算法是按误差的比例，积分、微分进行控制的，其参数可以在现场在线整定，由于软件设计的灵活性，一般可以得到较好的控制效果。PID控制是20世纪30年代提出并实现的控制机理。其控制规律是： (2-1)u(t)是控制器的输出；e(t)是控制器的输入，是偏差值，即给定值r(t)与被控参数实际输出y(t)的差值：e(t)=r(t)-y(t)，Kp是比例系数；Ti是积分时间常数；TD是微分时间常数。从式（2-1）可知，控制器的输出由三个部分组成：第一部

14、分是比例控制部分，输出u1(t)=Kpe(t)与输入偏差e(t)成正比；只要偏差e(t)一出现，控制器立即产生控制作用，使被控参数朝着减小偏差的方向变化，具有控制及时的特点。控制作用的强弱取决于Kp的大小。如果只用比例控制，系统稳定时要使控制器仍维持一定控制量输出，必然存在静差；加大Kp可以使静差减小，Kp过大会使系统动态品质变坏，引起被控量振荡导致系统不稳定。 第二部分是积分控制部分，输出为,只要偏差e(t)不为0，它将通过累积作用影响控制量，以求减小偏差;偏差为0，控制作用不再变化，系统达到稳定。积分作用加人可以消除系统静差。积分时间Ti小，积分速度快，积分作用强。增大Ti将减慢消除静差的

15、过程(降低响应速度)。从而可以减小超调、提高稳定性。对温度参量等滞后较大的对象，宜选Ti大一些。 第三部分是微分控制部分，输出为 ，输出与偏差信号e (t)的变化速度成正比，即使偏差很小，只要出现变化趋势，便马上产生控制作用，以调整系统的输出，阻止偏差的变化.这是一种“超前”控制作用，在偏差出现或变化的瞬间作用明显。偏差变化越快，u3(t)越大，反馈校正量越大。微分控制将有助于减小超调、克服振荡，使系统趋于稳定。采用PID控制器，从静态和动态方面改善了控制器的品质。某时刻改变r(t)或y(t)，作为控制器输人信号的偏差值e(t)是阶跃信号，作为控制器输出信号的u(t)是对e(t)的响应信号。在

16、阶跃信号作用下，首先是比例和微分作用，使控制器控制作用加强；然后再进行积分，直到最后消除静差为止。即这个过渡过程是快速并平稳，然后准确跟踪。PID控制器成为一种应用广泛的控制器。3.PID控制参数整定数字控制系统就其本质来说是一种采样控制系统。由于连续生产过程的控制回路一般都有较大的时间常数，在大多数使用情况下，采样周期与系统的时间常数相比往往要小得多，所以数字控制系统中数字控制的参数整定可以利用模拟控制的参数整定方法来进行整定。在连续控制系统中，模拟控制的参数整定方法较多，但简单易行的方法还是简易工程法。此法的优点在于，整定参数时不必依赖被控对象的数学模型。（1）扩充临界比例度法扩充临界比例

17、度法是以模拟控制中使用的临界比例度法为基础的一种PID数字控制参数的整定方法。用它整定、和的步骤如下：选择一个足够短的采样周期，具体的说就是选择采样周期为被控对象纯滞后时间的1/10以下。用选定的采样周期使系统工作。这时，数字控制器去掉积分作用和微分作用，只保留比例作用。然后逐渐减小比例度，直到系统发生持续等幅振荡。记下使系统发生振荡的临界比例度及系统的振荡周期。选择控制度。所谓控制度就是以模拟控制为基准，将DDC的控制效果与模拟控制的控制效果相比较。控制效果的评价函数通常用误差平方面积表示。 （2-2）实际应用中并不需要计算出两个误差平方面积，控制度仅表示控制效果的物理概念。例如，当控制度为

18、1.05时，就是指DDC与模拟控制效果相当；控制度为2.0时，是指DDC比模拟控制效果差。根据选定的控制度，查表2.1求得、和的值。表2.1 按扩充临界比例度法整定参数控制度控制规律TKpTiTd1.05PI0.03TK0.530.88 TKPID0.014TK0.630.49 TK0.14 TK1.2PI0.05TK0.490.91 TKPID0.043TK0.47待添加的隐藏文字内容20.47TK0.16 TK1.5PI0.14TK0.420.99 TKPID0.09TK0.340.43 TK0.20 TK2.0PI0.22TK0.361.05TKPID0.16TK0.270.40TK0.

19、22 TK(2) 扩充响应曲线法在模拟控制系统中可以用响应曲线法代替临界比例度法，因此在DDC中也可以用扩充响应曲线法代替扩充临界比例度法。用扩充曲线法整定、和的步骤如下：断开数字控制器，使系统在手动状态下工作；将被调节量调节到给定值附近，并使之稳定下来；然后，突然改变给定值，给对象一个阶跃输入信号。用记录仪记录被调量在阶跃输入下的整个变化过程曲线，如图2.2所示。图2.2被控的对象的阶跃响应曲线在曲线最大斜率处作切线，求得滞后时间、被控对象时间常数T，以及它们的比值T/。根据所求得的T、和它们的比值T/，选择一个控制度，查表即可求得控制器的、和采样周期T。表2.2中的控制度求法与扩充临界比例

20、度法相同。表2.2按扩充响应曲线法整定参数控制度控制规律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以上两种方法适用于被控对象是一阶惯性纯滞后环节。第三章 模糊控制1.模糊控制原理模糊自动控制是以模糊集合化、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制。从线性控制与非线性控制的角度分类，模糊控制是一种非线性控制；从控制器的智

21、能性看，模糊控制属于智能控制的范畴，而且它已成为目前实现智能控制的一种重要而有效的形式。一个模糊控制系统必须包含一些必要的部件。模糊控制属于计算机数字控制的一种形式，它的组成类似于一般的数字控制系统，其框图如图3.1所示。图3.1 模糊控制系统的组成模糊控制系统一般可分为五个组成部分：模糊控制器，是各类自动控制系统中的核心部分。由于被控对象的不同，以及对系统静态、动态特性的要求和所应用的控制规则（或策略）各异，可以构成各种类型的控制器，如在经典控制理论中，用运算放大器加上阻容网络构成的PID控制器和由前馈、反馈环节构成的各种串、并联校正器。在现代控制理论中，设计的有限状态观测器、自适应控制器、

22、解耦控制器、鲁棒控制器等。而在模糊控制理论中，则采用基于模糊控制知识表示和规则推理的语言型“模糊控制器”，这也是模糊控制系统区别于其他自动控制系统的特点所在。输入/输出接口。模糊控制器通过输入/输出接口从被控对象获取数字信号量，并将模糊控制器决策的输出数字信号经过数模转换，将其转变为模拟信号，然后送给被控对象。在I/O接口装置中，除A/D、D/A转换外，还包括必要的电平转换电路。执行机构：包括各交、直流电动机，伺服电动机，步进电动机，气动调节阀和液压电动机、液压缸等。被控对象。它可以是一种设备或装置以及它们的群体，也可以是一个生产的、自然的、社会的、生物的或其他各种的状态转移过程。这些被控对象

23、可以是确定的或模糊的、单变量的、有滞后或无滞后的，也可以是线性的或非线性的、定常的或时变的，以及具有强耦合和干扰等多种情况。对于那些难以建立精确数学模型的复杂对象，更适宜采用模糊控制。传感器。传感器是将被控对象或各种过程的被控制量转换为电信号（模拟或数字）的一类装置。被控制量往往是非电量，如位移、速度、加速度、温度、压力、流量、浓度、湿度等。传感器在模糊控制系统中占有十分重要的地位，它的精度往往直接影响整个控制系统的精度，因此，在选择传感器时，应注意选择精度高且稳定性好的传感器。2.模糊控制规则控制规则的输入是在Rule Editor窗口输入的，以if-then的形式表达。温度控制规则共56条

24、如表3.1所示：表3.1模糊控制规则表模糊if-then规则又称模糊隐含或模糊条件语句。if-then规则语句用以阐明包含模糊逻辑的条件语句。一个单独的模糊if-then规则形式如下：if x is A then y is B其中，A和B是由模糊集合分别定义在x，y范围(论域)上的语言值。模糊规则中的if部分“x is A”被称为规则的前提或假设，同时then部分“y is B”被称为结果或结论。实质上，该表达式描述了变量x与y之间的关系。因此，我们可以把if-then规则定义为乘积空间中的二元模糊关系。例如，要购买一个软件，其价格由其用户界面和软件功能决定。若单独考虑其价格，则：if int

25、erface is good then charge is high。注意“good”用一个0和1之间的数字表示，因此所谓的前提是一个解析，它返回一个0和1之间的单位。另一面，“high”由一个模糊集合表示，因此所谓的结果是一个分配，它分配整个模糊集合B到输出变量y。在if-then规则中，当“is”分别出现在前提和结果中时，其意义完全不同。就如在MATLAB术语中，使用关系运算符“=”和使用变量赋值符号“”时，其意义也完全不同，书写这个规则时，避免混淆的写法是：if interfacegood then chargehigh，一般来说，if-then规则的输入是输入变量的当前值(在此是“in

26、terface”)，输出是一个模糊集合的整体(在此是“high”)。在后面将对这个集合进行反模糊化，将一个值分配到输出。第四章 仿真分析1.PID控制仿真PID控制的仿真结构图如图4.1所示。图4.1 PID控制系统本图是电阻炉特性仿真图，以单回路控制系统为研究基础，又因为单回路最简单，所以在仿真过程中，所得仿真特性图最能体现对象的特性。由于该PID控制只调整一个参数Kp，取不同的Kp值，可得到一系列的仿真成果，当Kp=0.5, TD=5,Ti=1/200时，仿真结果如图4.2所示。图4.2 PID仿真结果参数Kp、Ti、TD的选定是很重要的。当比例系数KP增大时，余差虽然会减小，但是系统的稳

27、定性会变差，容易产生振荡，相反的话，余差又会增大，当被控变量受干扰影响而偏离给定值后，不可能再回到原先数值上，因为如果被控变量值和给定值之间的偏差为零，调节器的输出不会发生变化，系统也就无法保持平衡。2.模糊控制仿真模糊控制的仿真结构图如图4.3所示。图4.3 纯模糊控制系统纯模糊控制仿真结果如图4.4所示。图4.4 纯模糊仿真结果3.模糊-PID控制仿真 模糊-PID控制的仿真结构图如图4.5所示。图4.5 模糊-PID控制系统模糊-PID控制仿真结果如图4.6所示。图4.6模糊-PID仿真结果4.结论模糊-PID控制模糊控制是基于模糊逻辑的描述一个过程的控制算法，主要嵌入操作人员的经验和直

28、觉知识。它适用于控制不易取得精确数学模型和数学模型不确定或经常变化的对象。PID控制简单、方便，但难以解决非线性和参数的变化，模糊控制不需要装置的精确模型，仅依赖于操作人员的经验直观判断，非常容易应用。对温度误差采样的精确量模糊化，经过数学处理输入计算机中，计算机根据模糊规则推理做出模糊决策，求出相应的控制量，并将该控制量变成精确量去驱动执行机构，调整输入达到调节温度并使之稳定的目的。同传统的PID控制比较，模糊控制响应速度快，超调量小，参数变化不敏感。参考文献1.于海生著.微型计算机控制技术M,北京：清华大学出版社，19982.高金源著.计算机控制系统M,北京：北京航空航天大学出版社，20003.潘新民著.微型计算机控制技术M,北京：人民邮电出版社，19984.张晋格著.计算机控制原理及应用M,北京：电子工业出版社,19955.任兴全著.控制系统计算机仿真M,北京：机械工业出版社，19876.王慧平著.MATLAB基础与应用M,北京：航空航天大学出版社，20017.李士勇著.模糊控制和智能控制理论与应用M,哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，19908.崔宗芳,李斌著.智能仪表输出通道的一种组成方法J,自动化仪表,20009.周江扬著.电加热炉的模糊控制D,中国控制与决策学术年会论文集,199610.李友善著.模糊控制理论及其在过程控制中的应用M,北京：国防工业出版社，1993