电阻炉二阶温度的史密斯控制方法Word格式文档下载.docx
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课程设计课题:
课题一、基于大林算法的电阻炉(一阶系统)温度控制
课题二、电阻炉(一阶)温度的史密斯控制方法
课题三、退火炉温度控制系统的大林控制器设计:
一阶系统
课题四、基于史密斯预估器的退火炉温度控制系统设计:
课题五、基于大林算法的电阻炉(二阶系统)温度控制
课题六、电阻炉(二阶)温度的史密斯控制方法
课题七、退火炉温度控制系统的大林控制器设计:
二阶系统
课题八、基于史密斯预估器的退火炉温度控制系统设计:
课程设计要求
(1)熟练使用MATLAB编程软件,掌握编写m文件的设计思路和利用Simulink实现编程的设计方法。
掌握程序调试的基本方法。
(2)根据选题分析工作过程和控制要求,分别采用史密斯预估器或者大林算法克服纯滞后环节给系统性能带来的影响。
(3)根据控制要求,设计合适的控制器,完成对编制的控制程序模拟调试。
(4)书写课程设计说明书。
格式如下:
封面:
按照学校统一格式的封面填写并装帧
目录:
2级标题
正文内容:
设计课题简介,系统控制流程图,程序设计的思路,Simulink编程图,系统调试报告,课程设计体会。
课程设计目标
使学生通过课程设计实现计算机控制技术知识的综合训练,并培养学生的创新精神,培育学生的控制系统集成设计意识,激发学生的学习兴趣,突出学生对所学理论知识的理解和应用。
参考文献
及资料
李华、范多旺.计算机控制技术,机械工业出版社,2013
课程考核要求
(1)课程考核成绩构成
平时(15%):
学习态度、纪律情况、辅导答疑、课题的讨论等;
模拟调试(35%):
按照课题的控制要求设计控制器,并能在调试时,熟练地说明工作流程;
课程设计说明书(25%):
撰写规范、资料齐备,方案设计论证、系统的原理说明、用户程序的设计思想、用户程序、调试说明、设计总结等;
答辩(25%):
通过提问了解学生知识掌握情况,学生完成情况,重点检查本课程设计的程序。
(2)评分办法和评分标准
90-100分:
控制系统原理正确,能独立分析、设计和解决实际问题,课程设计期间无违纪行为,圆满完成所规定的任务;
80-89:
能较好地完成课程设计任务,能正确回答问题,课程设计态度端正,期间无违纪行为;
70-79:
能完成基本功能和一半以上的功能,考核时能正确回答主要问题,课程设计期间无违纪行为;
60-69:
能完成基本功能,内容基本正确,但控制器设计不够系统。
课程设计期间无违纪行为;
60分以下:
不能实现基本功能的一半以上,或参加课程设计时间为所规定时间的1/4以下者,或课程设计期间有严重的违纪行为。
注意事项
须在规定的时间内完成本课程设计,请学生注意课题布置、课题讨论、调试、答辩的时间节点。
电阻炉(二阶)温度的史密斯控制方法
设计任务
带有纯滞后的电阻炉温度模型可由纯滞后环节与一阶惯性环节串联描述
采样周期,系统的结构图为:
电阻炉的温度设定为800oC。
设计控制器是系统满足:
调整时间,超调量,稳态误差。
工作要求:
1.查找资料,描述电阻炉的基本情况;
2.设计史密斯预估器控制算法,用Simulink实现;
3.设计传统PID控制器,选择合适的参数,并绘制系统的响应曲线;
4.比较史密斯预估器前后闭环系统的动态特性和稳态特性;
5.按照格式和设计内容写《计算机控制技术课程设计》和课程设计心得。
第1章引言
1.1课题背景
电阻炉在化工、冶金等行业应用广泛,因此温度控制在工业生产和科学研究中具有重要意义。
其控制系统属于二阶纯滞后环节,具有大惯性、纯滞后、非线性等特点,导致传统控制方式超调大、调节时间长、控制精度低。
常规的温度控制方法以设定温度为临界点,超出设定允许范围即进行温度调控:
低于设定值就加热,反之就停止或降温。
这种方法实现简单、成本低,但控制效果不理想,控制温度精度不高、容易引起震荡,达到稳定点的时间也长,因此,只能用在精度要求不高的场合。
电加热炉是典型的工业过程控制对象,在我国应用广泛。
电加热炉的温度控制具有升温单向性,大惯性,大滞后,时变性等特点。
其升温、保温是依靠电阻丝加热,降温则是依靠环境自然冷却。
当其温度一旦超调就无法用控制手段使其降温,因而很难用数学方法建立精确的模型和确定参数,应用传统的控制理论和方法难以达到理想的控制。
在温度控制技术领域中,普通采用PID控制算法。
但是在一些具有纯滞后环节的系统中,PID控制很难兼顾动、静两方面的性能,而且多参数整定也很难实现最佳控制。
针对许多被控对象具有纯滞后性质,施密斯(Smith)预估控制算法提出了一种纯滞后补偿控制算法,在计算机控制系统中能够方便的实现。
Smith预估补偿是在系统的反馈回路中引入补偿装置,将控制通道传递函数中的纯滞后部分与其他部分分离。
施密斯预估器是预先估计出系统在给定信号下的动态特性,然后由预估器进行补偿,力图使被延迟了的被调量超前反映到调节器,使调节器提前动作,从而减少超调量并加速调节过程。
如果预估模型准确,该方法能后获得较好的控制效果,从而消除纯滞后对系统的不利影响,使系统品质与被控过程无纯滞后时相同。
算法是运用于自动控制领域中的一种算法,是一种先设计好闭环系统的响应再反过来综合调节器的方法。
设计的数字控制器(算法)使闭环系统的特性为具有时间滞后的一阶惯性环节,且滞后时间与被控对象的滞后时间相同。
此算法具有消除余差、对纯滞后有补偿作用等特点。
本设计主要采用施密斯(Smith)算法来实现炉温控制,并与PID算法进行比较。
1.2设计任务和要求
(1-1)
6.查找资料,描述电阻炉的基本情况;
7.设计史密斯预估器控制算法,用Simulink实现;
8.设计传统PID控制器,选择合适的参数,并绘制系统的响应曲线;
9.比较史密斯预估器前后闭环系统的动态特性和稳态特性;
10.按照格式和设计内容写《计算机控制技术课程设计》和课程设计心得。
第2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、真空系统、冷却系统等,随炉种的不同而异。
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。
2.1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。
2.2电阻炉的分类
2.2.1按传热方式
(1)辐射式电阻炉。
以辐射传热为主、对流传热作用很小。
炉温高于1000℃时,称高温电阻炉;
炉温为650~l000℃时,称中温电阻炉;
炉温低于650℃时,称低温电阻炉。
(2)对流式电阻炉。
以对流传热为主,辐射传热为辅,通常称空气循环电炉,炉温多低于650℃。
(3)盐浴炉。
工件浸在盐液内加热,分以下两种类型。
①电极盐浴炉。
盐液是发热体又是加热介质,以传导和对流方式对工件进行加热。
盐液温度随炉温不同而异:
盐液温度1000~1350℃时,称高温盐浴炉;
550~1000℃时,称中温盐浴炉;
150~550℃时,称低温盐浴炉。
②硝盐炉。
用管状电热元件将硝盐加热熔化,熔融的硝盐是加热介质,以传导和对流方式对工件进行加热。
盐液温度200~550℃。
如用碱类代替硝盐,则称为碱浴炉。
2.2.2按炉内气氛
按炉内气氛分为氧化性气氛炉(一般电阻炉均属此类)、可控气氛炉、真空电阻炉和流动粒子炉等。
2.2.3按炉型
电阻炉按结构形式分为室式炉、台车式炉、井式炉、连续式(包括推杆式、步进式、振底式、输送带式)炉等。
此外,还有立式联合电炉、淬火回火联合电炉等。
2.3电阻炉的工作原理
电阻炉工作原理是使电流通过在炉中的特殊发热元件。
按楞次——焦耳定律在元件中发出热量:
式中:
I—发热元件中的电流,安;
R—电路电阻,欧;
T—加热时间,秒。
发热元件由于放射热量而提高炉膛的温度,因而就把被加热金属加热至所需要的温度。
2.4电阻炉的数学模型及其推导
整定PID的基础是对控制系统和控制对象的数学建模,它需要确定对象数学模型中的参数。
对象的数学模型不同,所用的整定程序及整定公式也会不同。
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:
大致可以用下面两个式子表示:
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:
两边取拉氏变换得:
所以:
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,同时控制器输出的是控制信号,而可以设定正比于,即,输出,可以得出:
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:
其中:
—电
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