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精品电阻炉温度控制系统设计及仿真研究毕业论文
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电阻炉温度控制系统设计及仿真研究
摘要
温度控制在工业控制中一直是富有新意的课题,对于不同的控制对象,有着不同的控制方式和模式。
温度系统惯性大、滞后现象严重,难以建立精确的数学模型,给控制过程带来很大难题。
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
TheTemperatureControlSystemDesignandSimulationResearch
ofResistanceFurnace
Abstract
Temperaturecontrolisainnovativetopicsintheindustrialcontrol.Fordifferentcontroltargets,ittoachievestheperformanceindicatorsofstablesystem,shortcontroltimeandsmallperformance.WithSimulinkandFuzzytoolboxinMATLABSimulink,thedesigncarriesonthesimulationanalysistotheresistancefurnacePIDcontrolsystemandthefuzzycontrolsystem.TheresultindicatedthatwhenusesthePIDcontrol,althoughthesystem;Whenitusesthepurefuzzycontrol,althoughcontroltimeandoveradjustmentachievestheexpectationeffect,butthesystempresentedthestableerror,thereforethisarticleproposedthefuzzycontrolandthePIDcontrolunifyplan.Afterthesimulationresearch,thecontroleffectwhichthefuzzycontrolandthePIDcontrolunified.
Keywords:
Resistancefurnace;PIDcontrol;Fuzzycontrol;MATLABsimulation
摘要I
AbstractII
第一章引言1
1.1课题背景1
1.2论文研究的主要内容1
1.3论文研究的重点和难点2
第二章电阻炉的介绍3
2.1电阻炉的特点3
2.2电阻炉的分类4
2.3电阻炉的工作原理6
2.4电阻炉的数学模型及其推导7
第三章电阻炉温度控制系统9
3.1温度控制方案的介绍9
3.2温度控制的基本原理12
3.3PID控制15
3.3.1PID控制发展的现状15
3.3.2PID的控制原理16
3.3.3PID的控制算法18
3.4PID控制的参数整定20
第四章模糊控制23
4.1模糊控制的发展23
4.2模糊控制的原理24
4.2.1模糊控制系统组成24
4.2.2模糊语言与模糊推理26
4.3模糊控制系统的设计27
4.3.1模糊控制策略27
4.3.2模糊控制规则29
4.3.3输入、输出变量的模糊化31
4.4模糊控制的特点33
第五章仿真结果的分析与讨论35
5.1仿真系统35
5.1.1MATLAB概述35
5.1.2SIMULINK的概述37
5.2仿真结果38
5.2.1PID控制的仿真38
5.2.2纯模糊控制的仿真41
5.2.3模糊-PID控制的仿真42
5.2.4模糊-PID控制与PID控制仿真结果的比较43
5.3仿真结果的讨论44
参考文献45
致谢47
第一章引言
一.1课题背景
工业电阻炉是一门综合性应用技术。
由于高性能新材料的出现,检测监控元件的更新换代,微机控制在电炉中的应用,使得我国工业电阻炉在90年代发展迅速。
行业间的垄断体制已开始打破。
对于间歇作业电阻炉有了快冷式内、外循环的真空护系列,对于连续作业式电阻炉有了使用于彩色显像管的工业隧道炉系列。
由于电阻炉是耗能很大的设备,而能源是国民经济和社会发展的重要物质基础。
为了节约能源,老式电阻炉大都要进行技术改造,使其节约电能。
对于新设计电阻炉,就要更加注意提高热效率,降低能耗水平,特别是大容量和特高温的电炉。
随着21世纪的来临,随着我国进入WTO行列,这将给我国的工业电阻炉带来更佳的发展机遇。
不仅要打破国内工业行业的界限,也将和国际的产业接轨,那么,对于电阻炉的研究有很大的意义。
一.2论文研究的主要内容
本文以电阻炉为研究对象,针对电阻炉的温度,在比较、研究不同控制策略的基础上,主要对模糊控制、PID控制算法在电阻炉温度控制中的应用进行了研究。
利用模糊控制、PID控制算法的优越性,改善电阻炉温度的控制品质,提高控制效果。
本文主要进行了以下几方面的工作:
(1)论述了电阻炉温度控制系统的课题目的、意义,当前计算机测控系统的发展动态及本论文的主要内容并对电阻炉的控制特点进行了简要分析。
(2)介绍模糊控制及PID控制算法的相关知识。
(3)设计电阻炉温度测控系统的方案及建立电阻炉测控系统的数学模型。
(4)针对被控对象电阻炉这一类大惯性、纯延时的数学模型,设计测温电路,并利用MATLAB进行了仿真。
(5)对仿真结果进行分析和讨论。
1.3论文研究的重点和难点
电阻炉具有高度非线性、大时滞、大惯性、时变性等特点,应用传统的PID控制虽然结构简单、容易实现,却依赖于被控对象精确的数学模型且无法保证控制精度。
单纯模糊控制虽然能够适用于无法精确解析建模的物理对象,但是要获得好的控制效果需要有系统的专业知识和完整合理的模糊规则,这导致其应用受到了很大局限。
如何运用模糊控制与PID控制相结合的方法对电阻炉温度进行实时控制并取得良好的控制效果,是本文研究的重点。
第二章电阻炉的介绍
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【18】。
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。
二.1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。
二.2电阻炉的分类
二.2.1按传热方式分
(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。
二.2.2按炉内气氛分
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。
二.2.3按炉型分
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。
①室内电阻炉
箱式炉体,固定式炉底,实行间断加热,具有结构简单、通用性好、购置费用低等特点,适用于中小型工件热处理加热用。
②台车式电阻炉
室状炉膛,炉底为一活动台车,台车两侧及尾部有密封装置,电热元件布置在炉膛两侧及炉底沟槽内,大型台车式电阻炉的端墙及炉门上也布置有电热元件,台车进出炉和炉门升降均有专门机构驱动。
台车式电阻炉除具有室式电阻炉的优点外,还具有装载量大、生产率高、装卸料方便等优点。
缺点是当炉底移出时炉内热量散失大,炉温下降快。
③井式电阻炉
炉膛为一竖直圆筒,电热元件沿炉膛分层布置,多区分别控温,炉内温差小,适用于轴类及杆件吊挂加热,可避免工件弯曲变形,工件进出炉多用桥式起重机起吊。
小型井式电阻炉采用整体炉温,吊具装在炉内,炉口密封性好;大型井式炉采用对开式炉盖,吊具顶端挂在炉外承料梁上。
常用井式电阻炉的炉膛直径为0.6~1.5m,炉膛深度可达30m。
④连续式电阻炉
炉膛前后贯通,炉膛两端分别设有升降式炉门,炉内通常分为预热、加热、保温等几个加热区段。
工件置放在炉底或炉底上的料盘内,由推料机、步进机或振底机构连续进料,也可将工件放在输送带上连续、慢速地向炉内进料。
工件由入炉到出炉的过程,亦即工件的全部加热过程。
连续式电阻炉的生产率高,操作条件好,适于在生产线上对工件进行淬火、回火、正火处理,炉温多在950℃以下。
电热元件布置在炉膛侧墙上,大型炉子的炉顶、炉底上也需布置电热元件,元件可采用螺旋线或波形带式。
⑤立式联合电炉
立式联合电炉是将工件在热处理过程中需要的主要热处理设备按工艺顺序排列成线,组成一个可连续操作的生产线。
淬火加热炉布置在车间地面以上,可沿轨道左右移动;硝盐炉、预热炉、淬火油槽(淬火水槽)冷却井、洗涤槽、热水槽、回火电阻炉等布置在地坑内。
工件热处理时,先将工件在预热炉内预热(有的工件可不需预热),再吊装入淬火加热炉内加热,加热后的工件随淬火加热炉一起移动到淬火油槽(或淬火水槽、硝盐炉)上方,开动卷扬机迅速将工件降到油槽中淬火。
工件入油后,淬火加热炉开走,再对第二批工件加热。
淬火后的工件吊入洗涤装置清洗、干燥后,再吊入回火炉中进行回火处理,从而完成一个热处理周期。
立式联合电炉适用于轴类、杆件等长形工件的热处理,工件从出加热炉到入淬火油槽中冷却,在大气中停留的时间短,因而氧化少。
又因工件始终在吊挂状态下加热,工件变形小。
通过实行机械化半连续操作,炉子生产率较高。
二.3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:
(2-1)
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。
二.4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:
(2-2)
大致可以用下面两个式子表示:
;
(2-3)
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:
(2-4)
两边取拉氏变换得:
(2-5)
所以:
(2-6)
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:
;(2-7)
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:
(2-8)
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,
=10s,
=2,
即:
(2-9)
第三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。
三.1温度控制方案的介绍
在控制领域中,温度控制电路广泛应用于社会生活的各个领域,电阻炉温度控制具有升温单向性、大惯性、大滞后的特点。
其升温单向性是指电阻炉的升温、保温过程依靠电阻丝的加热来控制,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。
传统的继电器调温电路简单实用,但由于继电器动作频繁,可能会因触点不良而影响正常工作。
近年来提出改进的电路,采用主回路无触点控制,克服继电器接触不良的缺点,且维修方便,缺点是温度控制范围小,精度不高。
所以,最近几年快速发展的PID控制、模糊控制以及神经网络、遗传算法在温度控制中被广泛应用。
(1)PID控制
PID控制即比例、积分、微分控制。
自19世纪40年代以来,由于其结构简单、容易实现、控制效果好、鲁棒性强等特点,因而在工业过程控制中至今仍被广泛应用。
PID控制的温控系统将热电偶实时采集的温度值与设定值比较,先将差值作为PID功能块的输入,然后根据PID算法计算出合适的输出控制参数,利用修改控制变量误差的方法实现闭环控制,使控制过程连续,其缺点是现场PID参数整定麻烦,被控对象模型参数难以确定,外界干扰会使控制漂离最佳状态。
(2)神经网络控制
温度控制系统由于负载的变化以及外界干扰因素复杂,PID控制只能对电参数的影响做精确的计算,对于外界环境的变化只能做近似的估算,影响控制精度。
而人工神经网络以其高度的非线映射,自组织,自学习和联想记忆等功能,可对复杂的非线性系统建模。
该方法响应速度快,抗干扰能力强,算法简单,且易于用硬件和软件实现。
在温控系统中,将温度的影响因素如天气、气温、外加电压、被加热物体性质以及被加热物体温度等作为网络的输入,将其输出作为PID控制器的参数,以实验数据作为样本,在微机上反复迭代,随实验与研究的进行与深入,自我完善与修正,直至系统收敛,得到网络权值,达到整定PID参数的目的。
(3)模糊控制
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。
(4)模糊控制与PID控制相结合
模糊控制的优点是不须知道被控对象的精确模型,易于控制不确定对象和非线性对象,对被控对象参数变化有强鲁棒性,对控制系统千扰有较强抑制能力。
然而,模糊控制的局限性在于对控制系统设计分析和标准缺乏系统的方法步骤,规则库缺乏完整性,没有明确的控制结构。
PID控制结构简单,明确,能满足大量工业过程的控制要求,特别是其强鲁棒性能较好适应过程工况的大范围变动。
但PID控制本质是线性控制,而模糊控制具有智能性,属于非线性领域。
如果模糊控制与PID控制结合将具备两者的优点,其实质是一种以模糊规则调节PID参数的自适应控制,即在一般PID控制系统基础上,加上一个模糊控制规则环节。
根据不同实时状态下对PID参数的推理结果分析可得,当温差较大时采用模糊控制,响应速度快,动态性能好;当温差较小时采用PID控制,使其静态性能好,满足系统精度要求。
因此模糊PID控制,比单一的模糊控制或PID控制有更好的控制性能,实现对任何一种模型参数的系统都能自动调节出最佳的PID参数,使输出与给定的温度曲线趋于一致,实现快速响应特性与超调量最优的统一。
(5)模糊控制与神经网络结合
温控系统由于被控过程常常具有严重的非线性、时变性以及种类繁多的干扰,使得基于精确数学模型的传统控制方案很难获得满意的动静态控制效果。
近些年来模糊逻辑控制取得了巨大成功。
但是,模糊控制所基于的专家经验不易获得,一成不变的控制规则也很难适应被控制系统的非线性、时变性,严重影响控制效果。
因此,应使模糊控制向着自适应方向发展,使模糊控制规则、隶属函数模糊量化在控制过程自动地调整和完善。
模糊控制提供了一种新的有效途径,利用神经网络的学习能力来修正偏差和偏差变化的比例系数,达到优化模糊控制的作用,从而进一步改进实时控制效果,其优点动态响应快,能达到高精度的快速控制,具有极强的鲁棒性和适应能力。
综上所述,实现温控系统的参数调整,将线性控制与非线性相结合,使温度能满足用户的需要是温控系统的最终目的。
在实际应用中,应该根据具体的应用场合、不同的被控对象和所要求的控制曲线和控制精度,选择不同的控制方法。
通过对目前几种主要的控制系统比较,本文决定采用模糊控制与PID控制相结合的方法,组成智能控制系统来控制电阻炉的炉温。
三.2温度控制的基本原理
电阻炉为被控对象的控制过程见图3.1。
图3.1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,使炉温稳定在给定值。
图3.1温度控制框图
三.2.1变送器
变送器是基于负反馈原理工作的,其构成原理如图3.2所示,它包括测量部分、放大器和反馈部分。
图3.2构成原理图
变送器的输入输出特性如图3.3,x是检测信号,y是标准信号。
xmax、xmin分别为被测变量的上限值和下限值。
图3.3输入输出特性
测量部分用以检测被测变量x,并将其转换成能被放大器接受的输入信号Zi(电压、电流、位移、作用力和力矩等信号)。
反馈部分则把变送器的输出信号y转换成反馈信号Zf,再送回至输入端。
Zi与调零信号Zo的代数和同反馈信号Zf进行比较,其差值ε送入放大器进行放大,并转换成标准输出信号y。
由图3.3可求得变送器输出与输入之间的关系为:
(3-1)
当满足深度负反馈的条件,即KF》1时,上式变为:
(3-2)
此式表明,在KF》1的条件下,变送器输出与输入之间的关系取决于测量部分和反馈部分的特性,而与放大器的特性几乎无关。
如果转换系数C和反馈F是常数,则变送器的输出与输入之间将保持良好的线性关系。
要进行量程调整、零点调整和零点迁移只要改变F、C、Zo的大小就能实现。
三.2.2可控硅
可控硅(SCR)国际通用名称为Thyyistoy,中文简称晶闸管。
自从20世纪50年代问世以来已经发展成了一个大的家族,它的主要成员有单向晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管、逆导晶闸管、可关断晶闸管、快速晶闸管。
它能在高电压、大电流条件下,具有耐压高、容量大、体积小等优点,它是大功率开关型半导体器件,被广泛应用在电力、电子线路,自动控制技术中【15】。
三.2.3热电偶
温度传感器一般分为接触式和非接触式两大类。
电阻炉的温度测量传统大都采用热电偶。
热电偶的工作原理基于热电效应。
热电偶是一种热电型的温度传感器,它将温度信号转换成电势(mV)信号,配以测量mV信号的仪表或变换器,便可以实现温度的测量和温度信号的转换。
热电偶由于测温范围宽,它在工程实际中的应用非常广泛。
热电偶能用来测量点的温度和壁面温度,也能用来进行动态温度测量。
不同的温区,都可选
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