管式加热炉温度控制系统仿真设计.docx

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1、管式加热炉温度限制系统仿真设计摘要：随着科学技术的飞速发展，消费者对民用生产和工业生产对产品的性能有了更新的要求，其中，对产品的温度限制的要求也越来越高，所以探讨设计管式加热炉的温度限制器具有很大的现实意义和运用价值。本文是基于PID限制算法的管式加热炉智能温度限制器为探讨对象，首先阐述本文的探讨背景和温度自动限制器的需求，然后对分析了传统限制方法的弊端，对模糊限制方法进行了介绍。随后利用模糊PlD计算方法计算对系统功能的实现状况，并从硬件和软件两个方面进行系统运行调试，得出较好的结果。关键词：温度限制器；SSR固态继电器；STM32单片机ABSTRACT：Withtherapiddevelo

2、pmentofscienceandtechnology,consumerandindustrialproductiontocivilianproductionrequirementsforproductupdateperformance,which,onproducttemperaturecontrolrequirementshavebecomemoresophisticated,sodesigningresistancefurnacetemperaturecontrollerisofgreatpracticalsignificanceandusefulness.Thisarticleisar

3、esistancefurnacetemperaturecontrollerbasedonPIDcontrolalgorithmforthestudy,firstofallexplainsthebackgroundofthisstudyandtemperaturecontrolneeds,thendesigntheoverallsystem-wideprogramme,includinginparticularthehardwaresystemdesign,systemdesignandsoftwaredesignofthecontrolcircuitoftemperature.Thentake

4、advantageoffuzzyPIDcalculationsystemofimplementation,andrunfromthetwosystemsintermsofhardwareandsoftwaredebugging,producebetterresultsandconclusionfulltext.KEYWORDS：Temperaturecontroller;SSR-solidstaterelays;STM32microcontroller1引言12.管式加热炉温度系统22.1管式加热炉的一般结构22.2管式加热炉传热方式53管式加热炉温度系统的模糊限制83.1 常规限制方法的局限

5、性83.2 智能限制思想93.3 管式加热炉温度系统的智能模糊限制103.3.1 模糊限制概述103.3.2 模糊限制原理103.3.3 模糊限制器结构113.3.4 建立模糊规则表164限制系统仿真171.1 1/V。原理171.2 PID参数的选择181.3 Smith模糊PID限制算法211.4 模糊PID限制器的设计及仿真结果22结论27参考文献281引言随着现代科技的快速发展，科学技术的应用，大大改善了人类的生产、生活方式。但是近年来气候的改变无常，严峻的干扰了人类正常的生产、生活，人们对自己生活的质量和经济发展的要求逐步提高，对所用的设备功能和效用的要求也逐步提高。温度自动限制器家

6、电产品中的应用分为民用，工业用途两种。民用如空调，微波炉，热水器，采暖炉，冰箱等等方面；温度自动限制器在工业生产用途表现在工厂的大型的机械，如锅炉等大型的机械设备，这种设备对温度的限制要求特别高。此外，还在大棚种植、养殖，温室环境等对温度有肯定要求的地方应用广泛。温度自动限制器中，管式加热炉温度限制器作为管式加热炉应用的必备工具，从民用的日常生活，到钢铁冶金等大型工业生产都有涉及，可以说是具有广袤的应用前景。由于机械设备常常反复运用，对温度限制器的损耗大，并且其温度限制器都是机械式的，简洁损坏，对其进行修理只能更换配件，将费用加到企业消费者身上。这就使机械不具备经久耐用的特点。针对制冷制热产品

7、的运用范围广，需求量大的特点，设计出耗费成本低，温度限制效果好的温度限制器产品，必定会得到消费者的宠爱，为企业迎来利益增长。同时，温度限制器的应用不仅仅局限于家电产品，在企业须要制冷制热的机械设备中，也同样适用。由此可见，温度限制器在民用工业用途上，应用范围广，需求量大。2.管式加热炉温度系统管式加热炉是石油炼制、石油化工和化学、化纤工业中所运用的具有供应热源的火力加热设备，加热炉炉内装有无缝钢管连接而成的管土作，被加热物质(仅限加热气体或液体)在管内流淌，被加热到工艺要求的温度。管式加热炉渐渐成为工业生产中的重要设备，同其他工业炉相比有如下特点：(1)待加热介质在管内流淌，故适用于加热液体或

8、气体，通常是易燃、易爆的燃类物质，同锅炉加热水产蒸汽相比，危急性大、操作条件苛刻。(2)液体燃料或燃烧气体。(3)干脆受火式加热方式。(4)长周期连续运行。管式加热炉性能优越，符合现代工业生产大型化、自动化、连续化的要求，它的发展对石化等行业的发展、进步起到了很大的推动作用，在一些生产过程中对产品质量、产品收率、能耗和操作周期甚至起着重要的支配作用。2.1 管式加热炉的一般结构管式加热炉包括5部分，分别是：对流室、辐射室、通风系统、燃烧系统及余热回收系统，如图2.1所示，结构中包括：钢结构、炉管、炉墙(内衬)、燃烧器、孔类配件等。图2.1管式加热炉的一般结构(1)辐射室辐射室通过火焰或高温烟气

9、进行辐射传热，是加热炉热交换的毛要场所。辐射室干脆受火焰冲刷，温度较高、所用材料的强度、耐热性定要好,其热负荷一般占加热炉热负荷的70朦80%,是加热炉最重要的部位。乙烯裂解炉、烧类蒸汽转化炉的裂解和反应过程全部在辐射室完成。辐射室有两个作用：一是用作燃烧室；二是将燃烧器喷出的火焰、高温烟气通过炉管传给介质。(2)对流室对流室是由辐射室出来的烟气进行对流传热的部分，对流室热负荷约占加热炉负荷的20%30%对流室的取热量比值越大，加热炉热效率越高,该比值的选择应依据管内流体同烟气的温度差和烟气通过对流管排的压力损失等方面考虑确定。对流室位置一般在辐射室之上，内部紧密分布着多排炉管，烟气通过较快的

10、速度冲刷炉管，从而实现对流传热。加热炉炉管中的介质一般由低温部分流到高温部分，即先到对流室，后到辐射室。水蒸气介质的流向是对于烟气上行的炉子为从上到下，烟气下行的炉子为从下到上。对流段的主要作用是：在对流室内的高温烟气以对流的方式将热量传给炉管内的介质。在对流室内也有很小一部分烟气及炉墙的辐射传热。(3)余热回收系统余热回收系统用以进一步回收离开对流室烟气中的余热。回收方法有2种：一是通过余热供燃烧用的空气来回收，使回收的热量再次返回炉中,称为“空气预热方式:另一种是采纳同加热炉完全无关的其它介质回收热量，称为“余热锅炉”方式，一般采纳强制循环方式，尽量放到对流室顶部。目前，加热炉的余热回收系

11、统多采纳空气余热回收方式，通常只有高温管式炉(如烧蒸气转化炉、乙烯裂解炉)和纯辐射炉才运用余热锅炉。这些炉子的排烟温度较高，安装余热回收后，加热炉的热效率可达到88%90%o(4)燃烧器燃烧器的作用是完成燃料的燃烧过程，为热交换供应热量。燃烧器由燃料喷嘴、配风器、燃烧通道3部分组成。燃烧器依据燃用燃料不同分为燃油燃烧器、燃气燃烧器和油气联合燃烧器。燃烧器性能的好坏，干脆影响炉子质量及炉子的热效率。为保证燃烧质量和整炉热效率，必需有牢靠的燃料供应系统和良好的空气预热系统。通风系统是把燃料燃烧所用空气导入燃烧器，同时将废烟气引出加热炉。通风方式有自然通风和强制通风，自然通风依靠烟囱本身的抽力，强制

12、通风则运用鼓风机和引风机。当加热炉炉内烟气侧阻力不大时，通风方式为自然通风，对于加热炉烟囱的高度，要求可以保证克服加热炉炉内烟气侧阻力。但是，近年来随着环保要求的提高，生产企业己起先安装独立于炉群的超高型集合烟囱，用来将多个加热炉的烟气集中在一起进行排放。随着管式加热炉性能的多元化、结构的困难化，炉内烟气侧阻力降增大，以及高效大功率燃烧器的应用、提高加热炉热效率和节能降耗工作的须要，强制通风方式越来越受到重视和运用。2. 2管式加热炉传热方式管式加热炉的工艺过程就是燃料燃烧释放出热量和油介质或者其他介质汲取热量，使其升温，产生相变或同时产生裂化和反应等的过程，是供热和吸热的过程。燃料在炉膛内燃

13、烧后，100(150()C的高温烟气主要以辐射的方式将大部分热量传给辐射管的外表面，再通过炉管的金属壁以全传导的方式传递给炉管的内表面，又以对流方式传递给在炉管中流淌的介质，使之加热到工艺上要求的温度。以较少的传热面积，消耗较少的燃料，来完成既定的加热任务，是加热炉的基本工艺要求。加热炉不能由于局部过热导致油品或其它介质的分解，尤其是用于反应的加热炉除要达到规定的反应深度外，还要尽量削减炉管内结焦状况的发生，使加热炉长周期平安运行。在加热炉内，热辐射是重要的传热方式。在管式加热炉内炉管汲取的热量约有80%90%是以辐射的方式进行的。辐射是物质以电磁波或光子的形式传递能量的过程。是物质的固有属性

14、，所传递的能量叫辐射能。当辐射能落在另一个物体上被汲取时，可转化为该物体的内增能量，产生热效应、化学效应或光电效应等。辐射室中的传热方式主要包括炙热气体和火焰的对流放热和辐射放热。假如燃料燃烧产生的热量全部被生成物汲取，那么生成物的温度为最高温度，即虚拟火焰最高温度口”。由于炉膛墙壁和管排不断接受到辐射热量，而且在流淌方向上有温度梯度，所以温度。根本达不到。罗伯一伊万斯方法的基本动身点提出了如下的假设：在管式加热炉的辐射室中，可以用i来表示烟气的平均温度，其中，4是依据热平衡原理得到的离开辐射室时的烟气温度。虚拟最高火焰温度Jax明显高一于烟气平均温度Zg，而在辐射室出口，烟气的实际温度为4,

15、依据不同的加热炉，0要么高于乙,要么等于乙此外，接受了对流传热的炉膛墙壁也会有散热损失，管排的平均温度为小炉墙的不变温度为屋，上述过程如图2.2所示。I散热图2.2辐射室的传热过程图中，各温度之间的关系为：rmaxtgtgtlitt(2)对流传热在加热炉的辐射室以对流传热为主，同时高温烟气和炉墙也以辐射形式进行传热。对流室的传热在整个管式加热炉中虽然不占主要地位，但对降低排烟温度，削减热损失，提高全炉热效率具有重要的作用。一般辐射对流型加热炉要比全辐射型加热炉的热效率高10%15%o从发展趋势上看,辐射室和对流室的热负荷安排比改变较大。过去安排比是：辐射室：对流室：烟气损失二50：20：30,

16、而现在是40：50：IOo对流传热的主要作用是确定对流室的传热面积和对流管表面热强度。3管式加热炉温度系统的模糊限制2.1 常规限制方法的局限性在整个轧钢生产流程中，钢坯的加热和轧制是两个有各自生产目标的相互独立的工序，对其优化限制的过程也是分别进行的，即分别达到各自的最优化，但是从对整个热轧生产系统的综合优化限制角度来看，这样分别达到局部最优化的限制方案并不能够实现整个系统的最优化，即限制效果的局部最优化不能保证全局的最优化。就轧制工序而言，为保证轧制的正常进行，就要求钢坯的加热温度留有较大的裕度，事实上这个设定值有很大的可下降空间，因而钢坯出炉温度设定值得过高就使得燃料能耗增加很多，及加热

17、炉节能降耗的生产目标相冲突；就加热工序而言，为了尽量较少燃料消耗，炉温的设定值会尽量降低以实现节能降耗的优化目标，但是这样有可能造成钢坯的加热质量变差影响轧制的正常生产，影响轧机的运用寿命甚至会引起重大生产事故，从整个轧钢生产流程看反而增加了能耗，降低了生产效益。这是因为两个系统各自有其限制目标，将加热工序和扎制工序分开来限制造成加热炉限制系统不能刚好的依据轧制信息的反馈调整限制策略。所以就限制目标而言利用常规的限制方法将两个系统作为独立的开环系统不能得到很好的限制效果。为了达到良好的限制效果，将整个轧钢过程作为一个大的闭环系统进行优化限制，将粗轧机一侧的轧制信息反馈到加热炉一侧，并依据反馈信

18、息对加热炉的炉温设定值进行动态补偿，优化钢坯的加热过程。对这个限制过程，常规限制方法也存在局限性。常规限制方法是以被控对象能够建立精确的数学模型为基础的，而对于整个轧钢生产过程很难建立精确的数学模型，而且就轧制信息反馈动态补偿炉温设定值的这个过程而言目前也不能建立出数学模型，所以常规方法不再适用。因此，不须要建立被控对象精确数学模型的智能限制方法的出现为解决这个问题供应了新的思路。2.2 智能限制思想管式加热炉是一个困难的被控对象，通常加热炉都是实行分段加热的供热方式，在生产过程中各段之间简洁发生耦合，在描述钢坯在炉内的热交换机理时除了有关热传导、对流和辐射的关系式外，还包括像炉温的滞后效应、

19、压力改变等很多不确定因素的影响，所以对钢坯的加热过程是一个典型的强耦合、非线性、纯滞后特性的过程，要想用常规的数学方法对这种困难的对象建模特别困难。实际运用的通过各种假设建立的数学模型不能精确描述被控对象的特点，常规/V。的限制效果也不是很志向。在实际生产中，有阅历的操作工人能够很轻松的把加热炉限制在一个很稳定的工作状态，这是因为他们可以通过现场各种仪表的检测数据依据自己的阅历精确推断出加热炉的工作状态，并刚好对其做出相应的调整。受这一现象的启发，可以在实际工程应用中采纳基于仿人智能限制的限制策略对加热炉进行限制,将人类专家和娴熟操作工人的阅历存储在限制器中应用于整个限制系统，同样可以取得很好

20、的限制效果。针对在传统限制中，加热炉的限制和轧机的限制被割裂开来单独考虑的状况，提出如下限制思想：将两个信息流只能向前传播的开环系统改造成信息流可以反向传播的闭环限制系统，利用智能限制算法对炉温设定值进行修正，使加热炉能够依据轧制节奏以及轧机反馈的信息动态的实时优化钢坯的加热过程，改善钢坯加热质量，以达到在此过程中达到降低能耗、提高产品质量和生产效率的同时满足生产指标和经济指标的要求，提高企业利润的目标。在这个闭环限制系统中，将轧机电流反馈作为验证钢坯加热质量好坏的检验标准，并以实测电流和额定电流的偏差作为对炉温设定值进行补偿的依据，以优化钢坯的加热过程，从而降低加热炉和轧机的整体能耗。2.3

21、 管式加热炉温度系统的智能模糊限制3. 3.1模糊限制概述模糊限制方法：一种基于模糊语言的表示、模糊数学以及模糊逻辑规则推理，一种有反馈通道的，闭环数字系统，它依靠及计算机技术。随着智能限制技术的不断发展，出现的新科学方法，例如模糊限制、遗传算法和神经网络以及混纯理论等，这些智能限制方法是一种有效的限制形式，可以发挥出更优越的作用。运用模糊的限制方法，它能较好的将人工阅历运用在限制系统的自动限制中。假如一个娴熟的操作人员，在不了解被控对象的精确数学模型状况下，凭借以往的操作阅历，运用相对应的方法能较好的限制较复条的系统。将操作的实践阅历进行描述，将其以语言的形式表达，可以得到不精确、定性的的规

22、则。3. 3.2模糊限制原理模糊限制方法首先将现场操作人员的对策或专家阅历编写成及限制相对应的规则，后系统将传感器检测到的信号进行模糊化，再将模糊化后的信号作为模糊规则输入，最终将所推理得到的限制输出量加到对应的执行限制器上。3. 3.3模糊限制器结构运用计算机程序来限制模糊限制器。一般状况下选择的误差信号为e和误差的改变率为ec,将选择的信号作为限制器的输入量。误差e和误差改变率ec的模糊量能运用相对应的模糊语言来表示，在其模糊化后会生成相对应的模糊量，及由误差e和误差的改变率ec在模糊语言集合中得到一个模糊矢量E和EC,依据模糊限制的规则R和模糊矢量E、EC,依据推理的规则进行模糊决策以得

23、出模糊限制量最终依据得出的模糊限制量进行反模糊，得到精确的限制量上图3.1模糊限制器结构图图3.1为模糊限制器的结构，在实际的工作中，一般选择查表法、软件模糊推理法等模糊限制器。本设计为节约限制器的时间，削减Cn/的运算量，采纳查表法。设计步骤如下：(1)在限制系统中，输入量是由输入目标值和实时所检测得到的实际值的偏差e以及该偏差的改变率ec组成。(2)将限制系统的输入量e和ec进行模糊化处理，将输入量量带入到确定的模糊子集中。(3)依据实际的操作实践阅历和专家学问确定限制的策略，并建立当前的模糊规则表。依据模糊限制的规则，查找及限制系统相对应的模糊限制量。(5)采纳如下几种解模糊的方法对限制

24、量进行解模糊：加权平均的方法、取中位数的方法以及最大隶属度的方法。1、模糊量化(a)对检测到的输入量进行相应的处理，转变为模糊限制器所要求的输入量。计算误差疔L六其中r表示限制系统的参考输入量，y表示限制系统的实际输出量，e表示误差，ec代表误差的改变速率。对于计算得到的误差e以及误差改变%就是系统输入语言的变量。(6)对输入量进行相应尺度的变换，转变到模糊量的论域范围中。(。对限制系统处理后的输入量进行模糊化。例如输入量中的误差，将误差的论域e分为七个等级：正大(阳)、正中(门协、正小(6)、零(R)、负小(八。、负中(A胁、负大(A%。选择的隶属函数为三角形函数、棒型函数、钟形函数、高斯函

25、数等。本文选取的是高斯函数。2、学问库学问库分为两部分：数据库和规则库。(1)数据库全部模糊子集的隶属度矢量值都存放在限制系统的数据库中。(2)规则库模糊规则有相应的关系词：如if-thenelse、also、end、or等，IfAandBthenC,A是论域上的一个模糊子集，6是论域上的一个模糊子集。(3)模糊推理在模糊推理过程中，每一条限制规则对应一条模糊语句，全部的规则构成一组多重复合的模糊蕴含关系，依据模糊推理规定，第i条规则对应于推理关系Ri,R.(x,y,u)=At(x)aB.(y)Cw)全部/7条规则对应于总的模糊推理关系任A=Ua=U(HxgxC)/1Al模糊限制器的所用的性能

26、由确定。(4)反模糊化进行了模糊推理后，所得到的结果还是模糊量，然而在实际的限制中运用的结果是精确量。所以，在进行推理过程后，必需将模糊输出量进行精确化的处理。解模糊的方法如下所示：Q)重心法重心法以模糊集合的隶属函数曲线和所对应的横坐标轴围成面积的重心为代表点，即(6)最大隶属度法最大隶属度的方法：在模糊集合中选取隶属度最大的元素作为精确的限制量。假如同时出现最大隶属度值的状况时，取这些元素的平均值作为最终的结果。(。系数加权平均法系数加权平均法：将模糊集合中各元素进行加权平均，将最终计算得出的加权平均值作为最终的精确值，即(由隶属度限幅元素平均法依据设置的隶属度值外切割模糊集合的隶属函数曲

27、线，将等于该隶属度的全部元素进行取平均值，将得出的平均值作为精确量进行输出。假如3取最大隶属度1时，代表“完全隶属”的关系；假如取0.5时,代表“也许隶属”的关系。(e)中位数法中位数法：把隶属函数曲线和横坐标围成的面积等分为两部分，将两部分的分界点所对应的元素作为精确量进行输出。该种方法能够全面考虑模糊集合全部信息的作用。五种解模糊的方法各有特点，适用于不同的状况，详细分析如下：(1)重心法的优点：不但可以依据公式，理论上也相对合理，这种方法利用模糊集合的全部信息。缺点：计算困难，主要被用于理论推导要求不高的场合。(2)最大隶属度法的优点：简洁可行，算法实时性较好，运用也便利。缺点：因为利用

28、最大隶属的信息所以计算相对困难，它忽视了较小隶属度元素的影响，信息量利用较少，这种方法一般被应用于简洁的限制系统中。(3)系数加权平均法的优点：能选择和调整权系数的大小，改善系统的响应性能。缺点：权系数的选择是基于工作人员的操作阅历及观测的试验数据，须要对其进行持续的调整。(4)隶属度限幅元素平均法是在以上一些方法对比中处于中间的位置。中位数法的优点：比较全面的利用相关信息，也考虑了全部信息的作用。缺点：计算过程相对困难，缺少重视隶属度较大元素的主导地位。中位数法是相对全面的解模糊方法，但实际中应用不广泛。所以，在实际的应用中依据系统的困难性以及系统的限制精度等。本文运用系数加权平均法来对模糊

29、量进行清楚化。反模糊化有两部分组成：先对推理得到的模糊量经过反模糊化的变换，变成输出量论域范围的等级量，后再对论域范围的等级量进行尺度的变换。变换中，模糊限制器的输入量误差、误差改变率的实际范围为模糊量的基本论域。假如误差的基本论域为JxL,+xl,误差的改变率基本论域为-2,+2,输出变量的基本论域为-W，+匕/。一般状况下选择误差的论域为76,选择误差改变率的论域为加二6,选择限制量论域为/二7。所以误差及误差改变率的模糊子集的论域为-，-加1，0,，/7-1,、-m,加L,0,ZZrLM；限制量的模糊子集的论域为-/,-/+1,0,，7-L7；则量化因子、比例因子为：ke=nfk后Inl

30、Xkj=lyu因为限制量的基本论域是连续的实数域，所以用下式进行计算，表示限制量的模糊集论域到基本论域的变换：yi=k，上式中Ii为限制量的模糊集判决得到的限制量，加为基本论域中的一个精确量。模糊限制器不仅及模糊限制规则有关，还及所选择的量化因子以及比例因子有关。对限制系统的动态性能影响较大的是量化因子ke和kec的大小。2.2.4建立模糊规则表依据误差和误差的改变率，第Ij条模糊限制规则的表达形式为：假如从and勺，则采纳乘积推理机的方法，推出规则前部分的隶属函数为：4=a,)aM采纳系数加权平均法解模糊器的方法进行清楚化，得到模糊限制器为：式中，口的值由模糊规则表确定。在模糊规则表里，各条

31、规则的输出的值可依据模糊推理或者阅历来确定。如e和各有五个隶属函数，则模糊规则表的形式如表3-1所示：eeNBNZPPBNBUuUi2U13U14U15NU2U22U23U24U25ZU31U32U33U34U35PSlU42U43Ui4U45PBU51u5l2U53U54U55表中A人表示负误差很大，N表示负误差比较大，Z表示误差为0,户表示正误差比较大，%表示正误差很大。依据不同的状况，输出对应的值。主要依据温控系统硬件的设计，再结合基本的限制阅历，确定输入输出变量的基本论域、模糊子集、模糊论域、比例因子以及量化因子。本设计的各项模糊化参数如下表所示。表3-2输入输出改变表变量eeckpk

32、ikd语言变量EECkpkikd基本论域-3,3-3,30,1-0.06,0.06-0.6,O.6模糊:集NB,NMNS,Z,PSPMPB模糊论域-6,6-0.6,0.6-0.6,0,6-0.6.0.6-0.6,0.6系统的辨别率是由隶属度函数的斜率确定的，假如斜率大时，则系统的辨别率越高，限制的效果好。依据误差e以及误差的改变率小的输入值以及所建立的模糊限制规则表，经过模糊推理，求出限制系统的kp、ki和/W的模糊集。温度限制系统的限制精度及稳定性是由Kp、Ki、Kd三个参数确定的，所以对他、Ki、用三个参数的自整定是模糊户限制方法的核心部分。4.限制系统仿真Matlab为我们供应了友好便利

33、的仿真试验环境，Simulink工具箱更是供应了多种模块，避开了代码重复编写的繁杂工作。物以初具有的工具箱齐全、运用透亮度高等优势使其己经成为最常用的过程限制系统仿真试验平台。本文利用SiiQlink工具箱,分别对串级9限制策略、模糊PID限制和本文提出的限制方案进行仿真，通过对仿真结果的对比分析，来确定加热炉燃烧限制系统新策略的可行性。4.19原理PID限制器的出现到现在己经有六七十年的历史了。将偏差的比例(0、积分(和微分()通过线性组合的方式构成限制量，对被控对象进行限制，这种限制方法是ZV限制。/V限制是最早发展起来的限制策略之一，因为它所采纳的限制算法和结构都很简洁、工作牢靠性能稳定

34、、调整便利，特别适用于工程应用背景。此外，/V限制对被控对象并不要求精确的数学模型，采纳PID限制的效果一般比较令人满足，所以，PID限制是一种应用比较广泛的限制策略。由于管式加热炉的加热过程是一非线性的随机过程，具有非线性，大时滞的特性，且简洁受到随机因素的干扰，因此，实际的管式加热炉加热过程很难得到精确的数学模型。要解决这个问题，我们可以把加热炉的温度限制系统看成一个近似的纯滞后的线性系统。其模型可以近似的描述为：zyT+Y=K0U2(t-r)(4-1)dt其中7为系统时间常数，V为加热对象，方为加热时间，Ko为放大倍数，为限制电压，。为纯滞后时间。假如设定限制器输出为u,而U正比于U?,

35、即：K0U2=Ku,对式(IT)做拉斯变换得：TsY(s)+Y(s)=KU(s)e-is(4-2)于是可得加热炉温度限制系统的近似传递函数为：(4-3)4.2PID参数的选择对于数字PID限制器，PID参数的选择，确定着限制器的精确及否，所以PID参数的整定是PID限制技术的重要内容，它须要依据被控对象的特性确定PID限制器的比例系数、积分系数和微分系数的大小。首先,依据模拟PID限制参数整定的方法选择数字PID限制器的参数，然后在做适当的调整，并考虑采样周期对整定参数的影响。PID参数的整定有很多种方法，应用较多的有扩充临界比例度法和扩充响应曲线法。采纳扩充临界比例度法和扩充响应曲线法，求得

36、的ZV参数调试运行，视察限制的效果，再将参数做适当调整，直到得到令人满足的限制效果。在确定PID参数及限制误差e和误差改变率“之间的模糊关系后，通过在线连续考查e和ec的数值，由模糊限制原理来修正PID参数，取得最佳的e和ec对限制参数，自整定模糊PID限制器通过模糊化、模糊推理机和去模糊化三大步，得到自整定后的PID参数KP、Kl和KD.模糊PID限制表达式可表示为：k伏卜*z40+8/)+x)-)l八(4-4)式(4-4)中，眸K2WP、KI=KR+MI和KD-KgWD,KFTATO和的分别为只/和参数的的初始值，WP,A7和A7?分别为依据系统实际运行中的偏差e和偏差改变率ec由模糊推理

37、得出的户参数的自调整量，分别由图4.3中模糊限制器人Cl、FCl.也输出，其中，产/1(e,ec)f(e,ec)9A7z3(e,ec)o图4-1参数自调整模糊-/V限制框图以下分析比例系数叱、积分系数7以及微分系数仞在系统稳定性、超调量等限制性能上的作用效果。(1)比例系数储的用于缩短系统的响应时间，降低系统偏差。当增大叱数值时，系统响应时间特殊短，偏差较小，然而会增加超调量，系统会处于不稳定状态中；当减小册数值时，系统响应时间很明显会延长,并且降低了超调量，反而会增大偏差。因此需适当调整，获得最佳限制效果。(2)积分系数可以刚好的利用积分作用来消退系统的偏差。当7增大时，闭环系统超调量会相应

38、地增加，但系统响应时间变短；当以减小时，闭环系统超调量会削减，但系统响应时间会延长，系统静差消退的越快。假如“过大，则会由于积分饱和使系统产生过大的超调量；若7过小，则会使静差那以消退，影响系统的调整精度。(3)微分系数的是用于改善系统的动态特性，它可以抑制偏差不定向的改变，提前预报偏差动向，对响应进行提前制动。的的值增大，可以将超调量降下来，这样就增加了系统的稳定性。假如数值过大，对系统响应抑制过强，从而微分时间过长，造成系统不稳定；的过小微分作用不明显。模糊/Y参数自整定基本原则如下：（1）假如系统误差（Iel）是较大值时，为保证系统在最短时间内消退误差并且不会出现积分过饱和现象，任凭取任

39、一极性，比例系数KP和积分系数KI都应设置为较大的数值；假如误差e和误差改变率ec极性不一时，微分系数KD的数值应设置的大一些，避开超调量的增加；假如误差e和误差改变率ec极性一样时，微分系数加应设置为适当数值，抑制误差的增长。（2）假如系统误差（Iel）是中等数值时，若要降低超调量，解数值应设置较小些并且积分系数KI的数值须要适当设置。假如误差e和误差改变率极性不一时，微分系数/的数值应设置为较小量；假如误差e和误差改变率ec极性一样时，微分系数外的数值需设置大一些，抑制止误差的增长。（3）假如系统误差（e）是较小数值甚至趋于无穷小量时，为使系统具有良好的稳态性能，比例系数的值应设置的大一些

40、并且积分系数IK的数值要设置的小一些。假如误差e和误差改变率ec极性不一时，微分系数DK的值须要设置的较小一些；假如误差e和误差改变率ec极性一样时，微分系数外的数值须要适当设置。4. 3Smith模糊PID限制算法由于真空感应加热炉结构极其困难，炉内反应过程也是困难多变的，其温度限制系统存在大时滞是不行避开的，为其炉温限制系统建立数学模型过程是比较繁琐的。很多实例和阅历表明Smith预估补偿限制策略对于存在时滞系统起到良好的补偿作用，本论文将Smith预估补偿策略及模糊PID限制算法组合，形成一种Smith预估模糊PID限制系统，其限制方法如图4-2所示。图4-2Smith模糊PID自适应限

41、制系统图4.4模糊PID限制器的设计及仿真结果在用Simulink搭建限制器之前，先要创建一个FIS文件。其方法是在Matlab的吩咐窗口中键入勿吩咐，进入图形用户界面(GUI)之后新建一个名为FUZZyPID.fis文件,随后编辑隶属函数、模糊规则，建立切比极Lr模糊推理系统。这里的解模糊化方法为重心法，将编辑好的/YS导出工作空间，在Simulink中需导入到模糊限制器中。(1)确定变量限制系统的输入采纳的是阶跃信号，其输入设定为r,同时其输出设定为y，误差设定为(即后LP),误差改变率设定为Ea建立三个模糊限制器，且都为两输入单输出，两个输入分别为区EC,单输出分别为为dkp、dki、d

42、kd,其中幽P如图4-3所示。(2)模糊变量语言将系统偏差及偏差的改变率比为模糊集上的论域为：E,止-6,-4,-2,0,2,4,6,输出论域分别是附，7=-6,-4,-2,0,2,4,6),成户-0.06,-0.04,-0.02,0,0.02,0.04,0.06o模糊语言值设置为7个，即“负大NB”负中NM负小NS”,“零Z正小PS”,“正中PM”和“正大PB其模糊子集为打E(XNB,NM,NS,Z,PS,PM,PaQE、星的参数设置如图4-4所示。图4-3模糊系统文件图图4-4隶属度函数设置在已有的模糊规则基础上，在RUleEditor中用ifthen”的形式来将模糊限制规则表示出来，三个

43、模糊限制器的模糊限制规则共计493条。传统尸?限制仿真原理图如图4-5所示。Simulink中搭建的带Smith模糊/V模型如图4-5,带SmithPID如图4-6.将系统的阶跃输入的幅值设置为Il00,采样时间设置为10ms。FuzzyConuollef图4-5Sl加7/在界面图一图4-6Simulink界面图二仿真结果如下图4-7Smith模糊PID仿真结果图4-8SmithPID仿真结果依据上面所得的结果图，可以做一总结：采纳防“力预估补偿后，明显的改善了系统由于时滞造成的系统不稳定性。在模糊PID及传统/Y限制相比之下，模糊/具有较短的响应时间，超调量近似趋于零，限制精度相对较高等优势

44、，物”才预估和模糊/V组合的限制策略可以有效的改善系统的时滞缺陷，系统采纳这一限制方法后，抗干扰实力势必增加并且鲁棒性较好。结论本文通过了解人们在现代生产生活中对温度限制器的大量须要，探讨开发温度自动限制器对民用工业用途的温度限制将起到很大的便利作用。本文主要是设计开发管式加热炉温度自动限制器，在探讨管式加热炉温度限制过程中，用到的微处理器和转化芯片都是工业级的集成芯片，都具有低价位、低功耗、性能稳定牢靠的优点，而且模拟试验也可以取得良好效果。管式加热炉智能温度限制器具有高精度、高稳定性、小型化、智能化的特点，满足工业生产对管式加热炉温度限制器各方面的要求，同时可以削减企业成本开支，增加企业的

45、经济效益。因此，可以推断该温度自动限制器在以后无论是民用还是工业生产都会有极大的利用空间和商业价值，符合生态环保的理念。参考文献1刘金琨.先进PID限制及MATLAB仿真M电子工业出版社.2008.王昌华.固态继电器及其应用J.西北电力技术,2009(5):49-52.3王魁汉.温度测量好用技术.北京：机械工业出版社.2007,302-3044纪友芳，李大海，林美娜.智能温度限制仪的设计及实现J.计算机工程及设计，2007,28(17):4200-4202.5朱奕丹,倪浩如1.基于单片机限制的高精度多点温度检测显示系统J.自动化仪表,2008,29(8):58-61,64.6吴雅楠,殳国华,张

46、士文.基于MSP430单片机的网络智能电子水表的设计JL自动化仪表,2008,29(4):49-51.7孙安青PIC单片机好用C语言程序设计及典型实例M.北京：中国电力出版社，2008,67-69.8陈夕松，汪木兰.过程限制系统M,北京：科学技术出版社,2008,55-62.9李国勇，智能限制及其MATLAB实现M,北京：电子工业出版社，2009,36-41.口0梁军，符雪桐，吕勇哉，自适应PID限制-基本原理及算法J,浙江高校学报，2006,28(5):523-529.11毛义敏,一种PID参数模糊自整定限制器的设计及仿真J,自动化及仪表，2007.3:24-25.12章卫国，杨向忠，模糊限制理论及应用M,西安：西北工业高校出版社，2008.10:42-45.13徐显海.一种管式加热炉智能温度限制仪的研制D.东南高校，2008:17-30.14赵国强，李新春，贾树良.管式加热炉温控系统模糊限制器J.辽宁工程技术高校，2010,10(03):74-76.15吕小红,周凤星，马亮.基于单片机的管式加热炉温度限制系统设计J.微计算机信息,2012,24(6-2):119-120.16伍铁斌,刘祖润,王俊年.一种新型管式加热炉温度限制系统的设计J