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学号: 毕业设计 题目: 电阻炉高精度温度 控制技术研究 作者届别系别专业电子信息工程 指导老师 职称完成时间 摘要本文介绍了电阻炉温度控制的原理,完成了电阻炉控制系统的数学建模,设计了一种自整定FUZZY一PID双模控制器,确定了双模复合控制算法,编写了相关软件对该模型的功能进行测试.

该系统将模糊控制和PID控制有机结合.基本思想是:大误差时,系统采用模糊控制;

小误差时,系统切换到PID控制.仿真结果表明,对于一阶纯滞后系统,该控制算法具有结构简单、动态响应速度快、稳态精度高、鲁棒性强的特点.并且,由于采用了继电自整定法,PID的三个参数能够实现自动整定,避免了人工整定的麻烦,实现了最佳控制.实验结果表明,在经过初启动时的短时间过渡过程后,全程的控温精度为士3摄氏度,在加热元件所能达到的最大升温速率下,系统升温速率任意可调;

在不比自然降温快时,降温速率任意可调.相信经过进一步的完善后,系统将会取得很好的经济效益.关键词:电阻炉;

模糊控制;

PID控制;

温度控制 Abstract In this paper, temperature-controlled resistance furnace principle, the completion of the resistance furnace control system for mathematical modeling, the design of a self-tuning PID of a dual-mode controller FUZZY identified dual-mode hybrid control algorithms, the preparation of the relevant software to the model functions for testing. The system of fuzzy control and PID control of the organic integration. The basic idea is: big error, the system uses a fuzzy control;

small error, the system switch to PID control. The simulation results show that for the first-order time delay system, the control algorithm is simple, fast dynamic response, steady-state and high precision, the characteristics of robustness. In addition, due to the fixed relay self-tuning, PID parameters can be achieved in three auto-tuning to avoid the trouble of people will be neat, to achieve the best control. The experimental results show that After a short period of time when starting the beginning of the transition process, the whole accuracy of the temperature

3 degrees Celsius with disabilities, in the heating elements can achieve the maximum heating rate, the system of arbitrary adjustable heating rate;

in faster than natural cooling, the cooling rate arbitrary adjustable.Believe that, after further improvement of the system will be the economic benefits of good Key words: The electric sintering furnace;

Fuzzy control;

PID control;

Self-tuning FUZZY一PID multiple control Temperature control 目录

第一章 绪论.1

第二章 电阻炉温度控制系统原理.7 2.1电阻炉温度控制系统原理.7 2.2控制系统中的晶闸管技术.7 2.3控制对象的数学建模.9

第三章 电阻炉的参数继电自整定PID控制.11 3.1 PID控制技术简介.11 3.2 PID参数继电自整定方法.12 3.2.1 PID参数继电自整定原理.12 3.2.2 继电特性参数的确定.14 3.3ITAE最佳传递函数.15

第四章 电阻炉的模糊控制.16 4.1常规模糊控制的基本原理.16 4.2常规模糊控制系统的性能分析.21 4.3自整定Fuzzy-PID双模复合控制器.23 4.4不同控制器的仿真比较.24

第五章电阻炉温度控制系统软件设计.26 5.1人机界面的设计.26 5.2主控制程序的设计.26 5.3实验结果.32

第六章 全文总结.35 参考文献.36

1 绪论 电阻烧结炉(简称电阻炉)是一种按时间进行加热的设备.当前阶段,实验室人员根据材料的烧成温度来调节电阻炉的输入电压以实现对电阻炉的温度控制,一般的有两种方法:第一种就是手动调压法;

此种方法在当今试验室中比较普遍,这种方法的缺点是控制过程中必须有试验人员在场,浪费人力资源,控制精度依赖于试验者的调节,控制精度不高.第二种控制方法在主回路中采取双向可控硅装置,并结合一些简单的仪表,使得保温阶段能够自动保温,但其升温过程还是依赖于试验者的调节,并不能精确的按照给定的升降温速度来调节.总之,我国的电阻炉的控制设备的现状不容乐观. 目前国内的一些生产企业和研究机构主要开发一些大型微机控制系统,中小型的控制系统很少见.这方面的缺口较大,市场前景看好.因此,本课题研究有关控制理论及算法,编制基于智能化的控温程序,配以相应的硬件装置,使得高温电阻炉按照预先给定的升温保温曲线加热,达到提高控制精度、实现烧结自动化的目的. 电阻炉温度控制具有升温单向性、大惯性、大滞后的特点.其升温单向性是由于电阻炉的升温保温是依靠电阻丝加热,降温则是依靠环境自然冷却,当其温度一但超调,就无法用控制手段使其降温.准确而有效的控制温度是优质、高产、低耗和安全尘产的重要条件.控制温度的算法较多,主要有位式调竹、PID控制、模糊控制、神经网络控制等. (1)PID控制技术及其发展 PID控制适应性好,能满足相当多的工业控制对象,是目前在过程控制中应用得最为主要的一种控制方法.然而,它基于反馈原理,对于滞后大的过程.另一方面,PTD控制算法要预先建立控制对象的数学模型.但是,生产过程中工况的改变、负荷的波动以及多扰动,非线性等因素引入的各种不确定扰动往往是随机的,它们对系统动态特性的影响很难归并到模型中.在传统的电阻炉温度控制过程中,电阻炉老化、电阻炉中热电偶的粗细等一些不确定因素的干扰,使得基于固定参数的PID控制的精度大大降低,原因是PID的三个参数随着各种因素的变化,已不再适合该控制对象. 目前,大多数工业过程都采用PID调节器来控制,一个大型工业对象可能有上百个这样的调节器,为了选择,安装和操作这些调节器要有许多仪表工程师和工业装置的专门人员参与.如果在调节这些参数时,它们之间的影响甚少,便可采用手动的整定方法,但是,对于比较复杂的调节器,就不大可能采用手动的整定方法,整定这类复杂的调节器的传统方法是进行建模或辨识,再设计调节器,这种方法既费时又昂贵,为了较好地解决对象特性与模型之间出现大范围显著变化时,系统仍能自动地保持在接近某种意义下的最优运动状态这个问题,新的设计思想― 自整定控制的设计思想应运而生.其中,自动整定PID调节器的具体方法特别有吸引力. 如果把普通调节器视为过程操作员操纵的自动化,则自动整定可视为第二级自动化,它把仪表工程师的作用自动化了.尽管自动整定主要用于简单的调节器,但是它对更复杂的调节器也是有益的. 自整定PID的具体方法有很多种.通常,PID的整定以一个试验为基础,试验时要加入阶跃或脉冲,这样的试验信号也可采用固有的扰动信号作为试验信号,调节器参数可依据整定PID控制器的标准法则通过试验加以确定.在试验中利用继电反馈可得到一类特定的自整定器,这时由所得到的极限环振荡特性可获得有关过程的动力学信息.PID参数的继电自整定思想由此可以找到理论根据.基于继电反馈方法所需的试验是在闭环条件下完成的,所以,它对扰动不灵敏.在本文温度控制系统中,PID控制器参数的整定即采用继电自整定法. (2) 模糊控制技术[1][2] 模糊控制实际上是一种基于知识的无模控制方法,模糊动态系统建模和分析的基本思想是用具有算法结构的语言模型对不确定、大惯性、参数飘逸大,并且高度复杂的动态系统进行足够准确的定性描述.然而,单纯的模糊控制也存在着一定的缺陷: A 精度不太高.这主要是由于模糊控制表的量化等级有限而造成的,通过增加量化等级数目虽可提高精度,但查询表将过于庞大,须占用较大空间,使运算时间增加. B 自适应能力有限.由于量化因子和比例因子是固定的,当对象参数随环境的变迁而变化时,它不能对自己的控制规则进行有效地调整,从而使其良好的性能不能得到充分地发挥. C 易产生振荡现象.如果量化因子和比例因子选择不当,都会导致系统振荡. 本文在研究PID算法和模糊控制算法的基础上,取长补短,提出了自整定FUZZY――PID双模控制算法,其核心是采用PID控制器与模糊控制器并联方式,大偏差时采用模糊控制,小偏差则用自整定PID控制,既提高了控制精度,又消除了极限环振荡,从而使二者的优点得以充分发挥,并且,重要的是PID的三个参数可以自动整定而不需要人工调整,实现了最佳控制.

2 电阻炉温度控制系统原理 2.1电阻炉温度控制系统原理 系统原理框图如图2.1所示:热电偶传来的带有温度信号的毫伏级电压经滤波、放大,送至A/D转换器.这样通过采样和A/D转换,就将所检测的炉温对应的电压信号转换成数字量........