设计基于智能控制的炉温系统的设计.docx
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设计基于智能控制的炉温系统的设计
【关键字】设计
摘要
热处理是提高金属材料及其制品质量的重要手段。
近年来随着工业的发展,对金属材料的性能提出了更多更高的要求,因而热处理技术也向着优质、高效、节能、无公害方向发展。
电阻炉是热处理生产中应用最广的加热设备,这样加热时均温过程的测量与控制就成为关键性的技术,促使人们更加积极地研究控制热加工工艺过程的方法。
电阻炉是一种具有纯滞后的大惯性系统,开关炉门、加热材料、环境温度以及电网电压等都影响控制过程,传统的加热炉控制系统大多建立在一定的模型基础上,难以保证加热工艺要求。
因此本文将模糊控制算法引入传统的加热炉控制系统构成智能模糊控制系统,利用模糊控制规则自适应地在线对PID参数进行修改,借此提高其控制效果。
本文以模糊自整定PID控制算法为基础,设计了两级计算机集散型控制系统控制电阻炉群。
下位机以AT51单片机为主体,构成一个能进行较复杂的数据处理和复杂控制功能的智能控制器,使其既可与微机配合构成两级控制系统,又可作为一个独立的单片机控制系统,具有较高的灵活性和可靠性。
单片机根据输入的各种命令,进行智能算法得到控制值,输出脉冲触发信号,通过过零触发电路驱动双向可控硅,从而加热电阻炉。
上位机在Windows98环境下开发,可监控多台下位机。
本文提出的基于模糊的自整定PID控制算法的控制系统具有真正的智能化和灵活性,有自动检测、数据实时采集、处理及控制结果显示等功能,所获控制精度高,对高质量热处理件的加工具有指导意义。
关键词:
电阻炉;单片机;智能控制器;模糊PID;可控硅
Abstract
Heattreatmentisamainmeansofimprovingmetalmaterialandmetalwork.Inrecentyeas,withthedevelopmentofindustry,therearemoreandmoresupernalrequestformetalwork,soheattreatmentishammeringathighqualityandefficient,low-powerandzero-socialeffectsofpollution.Resistancefurnaceisausedbroadestheatingequipmentinheattreatment,andmeasurementandcontroloftemperatureinheatingisbecomingpivotaltechnic.Theseurgepeoplestudymethodsofcontrollingheatingprocess.
Resistancefurnacehaspurelagandlargerinertia.Therearemanyfactorswhichaffectcontrollingprocess,suchasopeningandclosingfurnacedoor,heatedmetalmaterial,surroundingtemperatureandwirepower.Intradition,heatingfurnacecontrollingsystemismostbasedonsomemodel,whichcan’tachieveheatingprocessrequest.Sothispapertryindraughtfuzzycontrollingarithmeticintotraditionalheatingfurnacecontrollingsystemtoformbrainpowerfuzzycontrolsystem.Itmakesusingoffuzzycontrolruletoself-tuningPIDparametersonline,andimprovingitscontroleffect.
ThispaperdesignsthetowordersTDCtocontrolresistancesbaseofFuzzyself-tuningPIDcontrollingarithmetic.DDChasAT51SCMastheprincipalpartandisanintelligentcontrollerthatcanworkintricatedataprocessingandintricatecontrolfunction.ItnotonlyisamemberofTDCworkingwithcomputerbutalsoisaself-governedSCMcontrol,andhasmoreflexibleandsecurity.SCMgivesoutpulsesignaltospringcircuitthendrivingtriodeACandheatingfurnaceafterworksoutthecontrolvaluethroughinputorders.SCCisempolderedinWindows98andcanwatchseveralDDC.
Fuzzyself-tuningPIDcontrolthispaperbringforwardshasvariesintelligentandflexible,whichhasauto-measurement,gatheringanddealingwithrealtimedataandshowcontrolresult,etc.Ithashighcontrolprecisionanddirectivemeaningforprocessingqualityheatingmetalwork.
Keywords:
resistancefurnace,SCM,intellectivecontroller,PID,SCR
第1章绪论
1.1引言
电阻炉是热处理生产中应用最广的加热设备,通过布置在炉内的电热元件将电能转化为热能借助辐射与对流的传热方式加热工件。
通常可用以下模型定性描述[1]
(1-1)
式中x--电阻炉内温升(指炉内温度与室温温差)
K--放大系数
--纯滞后时间
t--加热时间
T--时间系数
v--控制电压
但在实际热力过程中,由于被加热金属的导热率、装入量以及加热温度等因素的不同,直接影响着K、T、
等参数的变化,因此电阻炉本身具有很大的不确定性[2-3]。
热处理是提高金属材料及其制品性能的工艺。
根据不同的目的,将材料及其制件加热到适宜的温度,保温,随后用不同的方法冷却,改变其内部组织,以获得所要求的性能,通过热处理可以提高制件的使用效能或寿命。
在其加热工艺中,不仅需要准确控制制件的加热温度,对一些大型制件,还需要给出加热温度下均温或透烧的时间(既是使被加热物件表面或堆垛外部温度与其心部或中心部位的温度与设定的加热温度均匀一致的时间)。
然而,现行电加热炉使用的控温仪表,无论是传统的交流接触式的位式控温仪表[4-5](如XCT、XMT、DWG等等系列)还是移相或过零触发晶闸管调压(功)式的温控系统,以及微电脑控温系统(如DX系列智能温度控制器、SD0.25级精度微处理机智能数显表、PTC微处理机温度控制器、微电脑热处理控温系统以及RKC、OMEON、EURO、HONNYWELL等等温度控制器)其控制器大多是70~80年代的产品,功能和精度已不适应生产的发展和检验的要求;并且只能是测量与控制电阻加热炉炉膛或者说是被加热对象表面的温度,而对于大件心部或堆跺中间工件的温度是无法进行测量与控制的。
何时透烧或者均温多长时间是通过理论计算、试验参数、安全保证系数及操作者的经验等内外因素人为地给定一个均温时间,在设定温度下,均温时间一到,就出炉进行下一道工序。
对于不同材料、不同装炉量、不同放置方式以及不同加热功率等均是如此,透没透烧,是否“过烧”,谁也不知道,这是不科学的。
因此具有均温时间长、生产效率低、耗费能量大、内部组织粗化、性能低、产品质量恶化、废品率高、原材料消耗多等缺点。
另一方面,在这两大类控温仪的技术开发上,也只是局限在仪表的高精度、多通道、数字显示、智能化微机控制等方面进行。
1.2控制器发展现状
1.2.1PID控制器的发展现状
在过去的50年,调节PID控制器参数的方法获得了极大的发展。
其中有利用开环阶跃响应信息,如Coon-Cohen响应曲线法[7];还有使用Nyquist曲线法的,如Ziegler-Nichols连续响应法[8-9]。
然而这些调节方法只识别了系统动态信息的一小部分,不能理想的调节参数。
随着计算机技术的发展,人们利用人工智能的方法将操作人员的调整经验作为知识存入计算机中,根据现场实际情况,计算机能自动调整PID参数。
这样能实现自动调整、短的整定时间、简便的操作,改善响应特性而推动了自整定PID控制技术的发展。
自整定技术可追溯到50年代自适应控制处于萌芽时期,60年代国外有人设计了一种自动调节式的过程控制器,因其价格高、体积大、可靠性差而未能商品化。
80年代由于适用的控制理论的完善以及高性能微机的使用,才使得自整定控制器得以开发,PID控制器参数的自动整定技术设想已慢慢实现。
随着微处理技术的发展和数字智能式控制器的实际应用,在控制领域出现的一系列新的技术课题之一的被控对象动、静态参数、控制系统结构、参数发生较大范围变化的情况下,控制系统仍能满足给定的品质指标,这是自适应控制的最基本特征[6],自适应PID控制可以在线不断整定参数,克服干扰,跟踪系统的时变特性,使控制对象达到一定的目标。
同时,随着现代控制理论(诸如智能控制、自适应模糊控制和神经网络技术等)研究和应用的发展与深入,为控制复杂无规则系统开辟了新途径,逐步弱化或取消了对受控对象数学模型结构不变的限制。
近年来,出现了许多新型PID控制器,对于复杂对象,其控制效果远远超过常规PID控制[7]。
电阻炉温度控制技术发展日新月异,从模拟PID、数字PID到最优控制、自适应控制,再发展到智能控制,每一步都使控制的性能得到了改善。
在现有的电加热炉温度控制方案中,PID控制和模糊控制应用最多,也最具代表性。
模糊控制的概念是由美国加利福尼亚大学著名教授,经过20多年的发展,模糊控制取得了瞩目的成就[10-12]。
模糊控制适用于非线性、数学模型不确定的控制对象,对被控对象的时滞非线性和时变性具有一定的适应能力,同时对噪声也有较强的抑制作用,即鲁棒性较好。
但模糊控制器本身消除系统稳态误差的性能比较差,难以达到较高的控制精度。
而PID控制正好可以弥补其不足,近年来已有不少将模糊技术与传统技术结合起来设计模糊逻辑控制的先例。
在参考文献中介绍了多种能提高PID控制精度的模糊PID混合控制方案,例如:
引入积分因子的模糊PID控制器;混合型模糊PID控制器;另外将其与其它先进控制技术结合又有模糊自适应PID控制、神经网络模糊PID控制等。
Fuzzy-PID混合控制这种控制器的思想是在大偏差范围内采用Fuzzy控制,在小偏差范围内用PID控制,两者的转换由微机程序根据事先给定的偏差范围自动实现。
由于两种控制作用均包含有积分作用,故稳态精度相同,但Fuzzy-PID控制比PID控制有更快的动态响
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- 设计 基于 智能 控制 炉温 系统
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