箱式電阻爐及溫控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。對(duì)本研究提供過幫助和做出過貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。作 者 簽 名： 日 期： 指導(dǎo)教師簽名： 日期： 使用授權(quán)說明本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子

2、版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)校可以采用影印、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)校可以公布論文的部分或全部?jī)?nèi)容。作者簽名： 日 期： 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。作者簽名： 日期： 年 月 日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交

3、論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán) 大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。作者簽名：日期： 年 月 日導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日1 緒 論箱式電阻爐是工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的利用電熱效應(yīng)產(chǎn)生的熱量加熱或熔化物料的設(shè)備，通常由爐體和配套的機(jī)電裝置組成。工業(yè)電阻爐種類繁多，應(yīng)用廣泛，按電熱方式不同，可分為電阻爐、感應(yīng)爐、電弧爐、等離子爐、電子束爐、介質(zhì)（微波）加熱設(shè)備等幾大類。而每一類還可根據(jù)加熱方式、爐體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、物料輸送方式、操作方式、電源特點(diǎn)、加熱用途、爐內(nèi)氣氛與介質(zhì)的不同等等

4、分成許多小類。箱式電阻爐是利用電流通過電阻絲產(chǎn)生的熱量來加熱或熔化物料的一類電爐。影響箱式電阻爐加工質(zhì)量的一個(gè)重要因素就是電阻爐的溫度控制的精度，所以，溫度控制是箱式電阻爐設(shè)備的制造之中的重中之重。1.1箱式電阻爐溫度控制方法的應(yīng)用現(xiàn)狀 當(dāng)前，自動(dòng)化裝置己成為現(xiàn)代生產(chǎn)過程的重要組成部分，自動(dòng)化裝置是保證生產(chǎn)過程正常進(jìn)行的重要因素和條件，生產(chǎn)過程自動(dòng)化的程度己成為衡量工業(yè)企業(yè)現(xiàn)代化水平的一個(gè)重要標(biāo)志。 電阻爐溫度控制方法也不例外是一個(gè)自動(dòng)化控制的方式，使電阻爐的溫度控制精度更高，使熱加工質(zhì)量更好。1.1.1箱式電阻爐控溫系統(tǒng)的常規(guī)結(jié)構(gòu)及方法 目前，箱式工業(yè)電阻爐的自動(dòng)化水平較低，在控制方法上很多

5、還停留在簡(jiǎn)單控制水平上。由于小型箱式電阻爐一般應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)或小容量用爐的場(chǎng)合，這種電阻爐在設(shè)計(jì)方面滿足了慣性小、非線性弱的控制要求、同時(shí)在應(yīng)用過程中的擾動(dòng)也比較少、動(dòng)態(tài)參數(shù)時(shí)變性不大、因此，pid控制器足以滿足這種電阻爐控溫系統(tǒng)的要求。尤其工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家生產(chǎn)的pid溫度控制器，以及一些國(guó)內(nèi)采用引進(jìn)技術(shù)而生產(chǎn)的模擬pid控制器，都得到了廣泛的應(yīng)用1。 與小容量箱式電阻爐相比大容量工業(yè)電阻爐最大的特點(diǎn)是具有大慣性、大延遲，當(dāng)出現(xiàn)超調(diào)嚴(yán)重時(shí)，有可能引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定，甚至超過安全線，從而危及設(shè)備與生產(chǎn)安全。由于在生產(chǎn)中還要滿足不同生產(chǎn)過程的要求，需要?jiǎng)討B(tài)的改變爐內(nèi)溫度、加熱試樣的品種、及相應(yīng)加熱試樣的速度

6、等，這使得電阻爐對(duì)象參數(shù)擾動(dòng)頻繁，造成了大容量電阻爐控制的復(fù)雜性、困難性。而常規(guī)pid控制對(duì)這種對(duì)象達(dá)不到理想的控制效果。這就要求必須根據(jù)大容量電阻爐的結(jié)構(gòu)及動(dòng)態(tài)特性提出新的控制策略2-3。 在新興工業(yè)電阻爐溫控方法的研究方面，很多學(xué)者做了大量的研究。例如各種模糊技術(shù)在電阻爐溫度控制中的成功應(yīng)用，及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在對(duì)電的這種靈活性，使得它已成為當(dāng)前解決復(fù)雜被控對(duì)象的優(yōu)先選擇4-6。包鋼無(wú)縫廠環(huán)形加熱爐即采用了復(fù)合模糊控制與pid調(diào)節(jié)相結(jié)合方法，解決了加熱爐燃燒熱值波動(dòng)、閥線性不好和大慣性的難題。1.1.2箱式電阻爐應(yīng)用特點(diǎn) 隨著電力工業(yè)的發(fā)展，箱式電阻爐得到了大規(guī)模的工業(yè)的應(yīng)用。在20世紀(jì)末，為適應(yīng)

7、工業(yè) (特別是材料工業(yè))發(fā)展的需要，電阻爐又得到快速發(fā)展。它除應(yīng)用于材料工業(yè)外，還廣泛應(yīng)用于機(jī)械工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、建筑工業(yè)、輕工業(yè)及實(shí)驗(yàn)室等，它之所以應(yīng)用廣泛是因?yàn)楹腿紵隣t相比，具有很多優(yōu)點(diǎn)：1) 熱效率高：電阻爐不需要燃燒煙氣作傳熱介質(zhì)，沒有排除廢氣造成的熱損失，空間熱強(qiáng)度高，能達(dá)到很高溫度;2) 產(chǎn)品質(zhì)量好：爐內(nèi)氣氛潔凈，爐溫可以精確控制，溫度場(chǎng)均勻穩(wěn)定，可適應(yīng)各種燒成制度的要求;3) 能在各種人工氣氛中燒成：如在n2, ar, h2等氣氛中燒成制品;4) 設(shè)備簡(jiǎn)單，占地面積小，節(jié)省設(shè)備投資;5) 電阻爐潔凈衛(wèi)生，不污染環(huán)境;6) 電阻爐易于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的機(jī)械化和自動(dòng)化，勞動(dòng)條件好，勞動(dòng)生產(chǎn)

8、率高。 同時(shí)與其他電爐相比，電阻爐具有發(fā)熱部分簡(jiǎn)單，對(duì)爐料種類的限制少等特點(diǎn)它廣泛應(yīng)于機(jī)械零件的淬火、回火、退火、滲碳、氮化等熱處理，也用于各種材料的加熱、干燥、燒結(jié)、釬焊、熔化等，是發(fā)展最早、品種規(guī)格最多、需要量最大的一類電爐。1.1.3箱式電阻爐種類及控制特性 箱式電阻爐的類型很多，按其加熱方式不同，可分為間接加熱電阻爐和直接加熱電阻爐兩大類。前者依靠電流通過爐內(nèi)的電熱體或?qū)щ娨后w產(chǎn)生熱量，再經(jīng)過一定的傳熱過程將熱量傳給被加熱的物體。目前絕大多數(shù)電阻爐屬于這一類。后者是電流接通被加熱的物料，依靠物料本身的電阻發(fā)熱(物料的電阻要大)。1、直接加熱電阻爐的控制特性直接加熱電阻爐的工作原理示于圖

9、1.1。由于其導(dǎo)電觸頭和物料之間靠接觸導(dǎo)電，因此又稱為接觸熱。 圖1.1 直接加熱電阻爐工作示意圖 直接加熱電阻爐在生產(chǎn)過程中有以下特點(diǎn)，因?yàn)樵诩訜徇^程中電流直接從被加熱的物料中通過，加熱物料所需的熱量產(chǎn)生于被加熱的物料本身，所以與間接加熱相比，在其他條件相同的情況下，加熱速度很快，尤其在加熱金屬材料時(shí)，加熱時(shí)間只有幾十秒甚至幾秒，因此生產(chǎn)過程中的慣性時(shí)間要比間接電熱小的多。而且材料內(nèi)部的溫差較小使得系統(tǒng)的穩(wěn)定性也比較好。所以，這種電阻爐的控制是相對(duì)比較容易實(shí)現(xiàn)的，通常采用模糊控制或pid控制。2、間接加熱電阻爐的控制特性 間接加熱電阻爐中，電流是通過爐內(nèi)的專門電阻發(fā)熱元件即電熱體所產(chǎn)生的熱量

10、，借輻射、對(duì)流和導(dǎo)熱，傳遞給被加熱物料，這種爐子稱為間接加熱電阻爐。 間接加熱電阻爐在用途及結(jié)構(gòu)上種類繁多，但從爐子的電熱體向被加熱物料傳熱 過程來講，可分為三種基本類型，即輻射傳熱型、對(duì)流傳熱型和導(dǎo)熱傳熱型。它們的特點(diǎn)分別示于圖1.2 （a）輻射型 (b)對(duì)流型 (c) 傳導(dǎo)型 圖1.2 間接加熱電阻爐的基本結(jié)構(gòu)形式示意圖 圖中1.2(a)所示的爐子，電熱體直接安裝在爐內(nèi)。電熱體1的熱量只靠輻射傳熱傳給被加熱的物料2;若爐子在一般大氣壓狀態(tài)下工作，電熱體對(duì)物料的傳熱，除輻射作用外，還有一部分靠自然對(duì)流傳熱。兩者的比例視爐子的溫度而異，溫度越高，輻射所起的作用越大。對(duì)于這一類電阻爐，加熱體通常

11、采用加熱棒或加熱管等加熱體，電流通過加熱體時(shí)，電熱體的溫度迅速變化，從而將熱量向周圍以輻射和自然對(duì)流的方式傳遞。從上述的這些傳熱特點(diǎn)，可看出這一類電阻爐爐內(nèi)溫度的分布是不均勻的，而且對(duì)象的穩(wěn)定性能差;同時(shí)對(duì)試樣的加熱也往往具有大的熱慣性;因此，實(shí)現(xiàn)試樣的高精度控制，就必須解決對(duì)象的大慣性、非線性問題。當(dāng)采用單回路控制系統(tǒng)時(shí)，只需要一支熱電偶放在加熱試樣附近，控制方法最好采用智能控制。如果采用串級(jí)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，則需要兩熱電偶分別放在加熱體附近與試樣附近，控制方法可采用pid控制或模糊控制。 在圖1.2(b)屬于對(duì)流型結(jié)構(gòu)，其中電熱體和被加熱物料之間用罩子隔開，完全排除了電熱體對(duì)物料進(jìn)行直接輻射的可能

12、性。爐內(nèi)的氣體由于風(fēng)機(jī)的作用而強(qiáng)烈循環(huán)，當(dāng)氣流沖刷電熱體時(shí)，靠對(duì)流傳熱作用而被加熱;然后氣流又依靠對(duì)流傳熱作用將熱量傳給被加熱體的物料。這種電阻爐的體積通常較大，但因?yàn)橛袕?qiáng)制對(duì)流換熱，電熱體通電升溫后，很快就可將熱量以較大的換熱系數(shù)傳遞給加熱試樣;雖然試樣的溫度與加熱體有一定差值，但這種電阻爐的慣性時(shí)間不是很大，而且爐內(nèi)的溫度分布往往比較均勻，穩(wěn)定性能比較好。所以，這種電阻爐中熱電偶位置的選擇可以隨意一些，而且采用單回路模糊控制或pid控制就可以滿足控制要求。 圖1.2(c)是傳導(dǎo)型的結(jié)構(gòu)，帶有厚壁的耐火材料罩。電熱體的熱量以傳導(dǎo)的方式由罩子的外表面?zhèn)鞯絻?nèi)表面，然后由罩子內(nèi)表面以輻射和對(duì)流的方

13、式傳給被加熱的物料。對(duì)于這種類型的電阻爐，電熱體熱量傳遞到內(nèi)表面需要一定時(shí)間:如果爐內(nèi)的空間較大，且電阻爐的工作溫度不是很高時(shí)，其自然對(duì)流換熱與輻射換熱的強(qiáng)度都不是很大，所以對(duì)這種電阻爐也具有大慣性的特點(diǎn)。但這種電阻爐各點(diǎn)的熱慣性差異不會(huì)太大。因此，如果采用單回路的控制系統(tǒng)，則熱電偶最好放在試樣附近:如果由于生產(chǎn)要求，無(wú)法將熱電偶放在試樣附近，也可以放在貼近上壁面處，因?yàn)檫@里的溫度變化比較小，但實(shí)際測(cè)量的溫度并不是試樣溫度，所以應(yīng)該根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)測(cè)量溫度進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)償，使其接近試樣溫度。 從上面敘述可知，間接式電阻爐當(dāng)采用不同材料的電熱體可在爐內(nèi)達(dá)到不同的最高工作溫度;采用不同的電熱體安裝和布置方式

14、，可在爐內(nèi)得到不同的溫度分布以及做成各種形式的爐子。而且，隨著爐內(nèi)換熱方式與換熱程度的不同，也使得電阻爐的動(dòng)態(tài)特性有很大的不同。因此，充分了解電阻爐的工作原理對(duì)于電阻爐控制的研究是非常必要的20-25。1.2箱式電阻爐發(fā)展對(duì)控制的要求 最近幾年來，由于人類忽略了經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)自然生態(tài)的破壞作用，而一味追求工業(yè)的飛速發(fā)展與經(jīng)濟(jì)的繁榮，從而導(dǎo)致了空前的兩大危機(jī)，即能源危機(jī)與環(huán)境污染。隨著社會(huì)的發(fā)展和人類社會(huì)的文明，人們對(duì)環(huán)境及能源問題的認(rèn)識(shí)日益加深，因此已將環(huán)境保護(hù)作為我國(guó)的一項(xiàng)基本國(guó)策26?，F(xiàn)代工業(yè)是朝著節(jié)能與環(huán)保的大方向發(fā)展的，在這種趨勢(shì)的推動(dòng)下，燃燒爐已經(jīng)退出歷史的舞臺(tái)，而電阻爐在這方面的優(yōu)勢(shì)，

15、使得它在工業(yè)上得到了進(jìn)一步的廣泛應(yīng)用。因此，實(shí)現(xiàn)我國(guó)工業(yè)電阻爐的自動(dòng)化，達(dá)到精確控制爐溫，提高成品率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能及減少污染，己成為近幾年來熱工與自動(dòng)化專業(yè)人員的一項(xiàng)研究課題27 新型工業(yè)箱式電阻爐研制的難度更大，控制要求水平更高。而解決這類問題的重要途徑之一就是將人工智能、控制理論和運(yùn)籌學(xué)三者結(jié)合的智能控制。這一方面已受到國(guó)內(nèi)外控制界的極大重視，并已有在化工、熱工和水泥工業(yè)中有成功應(yīng)用的報(bào)導(dǎo)。因此，作為從事熱工自動(dòng)化方向的科技工作者深入到智能控制的研究中是非常必要的。1.3箱式電阻爐的設(shè)計(jì) 箱式電阻爐的設(shè)計(jì)主要內(nèi)容是圍繞著解決具有大慣性動(dòng)態(tài)特性對(duì)象的控制精度而展開的。大慣性對(duì)象是指那些對(duì)控制量的

16、響應(yīng)時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于控制器執(zhí)行動(dòng)作時(shí)間的對(duì)象。這種對(duì)象，廣泛存在于我們的現(xiàn)實(shí)生活中，提到的大容量間接加熱電阻爐外，還有如大房間的溫度控制等，都具有較大的熱容量。本文以間接加熱電阻爐為實(shí)際研究對(duì)象進(jìn)行系統(tǒng)分析，從而找出適合大慣性動(dòng)態(tài)特性對(duì)象的一般控制方法。1.3.1研究對(duì)象 箱式電阻爐是利用電流通過電熱體產(chǎn)生的熱量來加熱或熔化物料的一類電爐。與其它電爐相比，箱式電阻爐具有發(fā)熱部分簡(jiǎn)單，對(duì)爐料種類的限制少，爐溫控制精度高，容易實(shí)現(xiàn)在真空或控制氣氛中加熱等特點(diǎn)。是發(fā)展最早、品種規(guī)格最多、需要量最大的一類電爐。由于大容量電阻爐是具有大慣性等復(fù)雜熱工特性的一種典型代表，所以通過對(duì)它的研究，可對(duì)此類對(duì)象進(jìn)行深

17、入的探討及了解。 本文研究對(duì)象是以加熱棒為加熱體的電阻爐。爐內(nèi)壓力處于一般大氣壓狀態(tài)下，爐內(nèi)的熱量傳遞方式是輻射換熱與自然對(duì)流換熱，所以對(duì)于爐內(nèi)的被加熱對(duì)象具有大的熱慣性，并且爐內(nèi)的溫度分布是不均勻的。圖1.3 電阻爐正面視圖 電阻爐結(jié)構(gòu)如圖1.3所示，其中2點(diǎn)為熱電偶測(cè)量電熱元件溫度的充分接近點(diǎn)。點(diǎn)是熱電偶測(cè)量加熱試樣溫度的充分接近點(diǎn)。當(dāng)發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，控制系統(tǒng)輸出電壓作為控量當(dāng)輸出的電壓變化時(shí)，通過電熱元件的功率同步發(fā)生變化，從而使電熱元件的溫度也生變化。所以對(duì)2點(diǎn)溫度進(jìn)行控制是比較容易實(shí)現(xiàn)的，這時(shí)的溫、度響應(yīng)對(duì)象慣性小，性弱。但實(shí)際上我們最關(guān)心的是試樣溫度，即1點(diǎn)溫度。因此保證1點(diǎn)溫度的精確

18、性是產(chǎn)品工藝的主要要求。 當(dāng)電熱元件溫度發(fā)生變化時(shí)，將導(dǎo)致爐內(nèi)溫度變化，從而試樣溫度也隨之發(fā)生同趨勢(shì)的變化。如果電阻爐熱容量比較小，那么這一過程的慣性時(shí)間也比較小，非線性也較弱。因此，這時(shí)可采用單環(huán)控制結(jié)構(gòu)，控制方法也可使用pid控制.這種方式是早期電阻爐的常規(guī)控制方法，即直接對(duì)2點(diǎn)溫度進(jìn)行測(cè)控 (加熱元件溫度)，以近似作為加熱試樣溫度;或者通過一定的經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)2點(diǎn)溫度進(jìn)行一定補(bǔ)償，近似推算出1點(diǎn)溫度。這種方法由于算法簡(jiǎn)單、方便易行、所以在小容量電阻爐或精度要求不高的電阻爐控溫系統(tǒng)中具有良好的效果。但是，本文中的電阻爐具有慣性大、非線性強(qiáng)及時(shí)變性的特點(diǎn)，而且對(duì)電阻爐控溫精度要求高，這使得常規(guī)p

19、id控制方法不能滿足控制的要求。 綜上所述，為實(shí)現(xiàn)本課題任務(wù)，必須解決電熱元件 ，溫度變化導(dǎo)致加熱試樣和溫度變化這一傳遞過程的大慣性、時(shí)變性、強(qiáng)非線性、以及生產(chǎn)過程中的多擾動(dòng)問題。1.3.2設(shè)計(jì)方法 本文通過對(duì)電阻爐進(jìn)行建模、仿真，綜合評(píng)價(jià)其動(dòng)態(tài)特性，近而為實(shí)際控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考，其主要工作由三部分組成。1、箱式電阻爐動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的建立 箱式電阻爐動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型是指電阻爐吸熱后溫度隨熱量 (或隨加熱功率)的變化規(guī)律。箱式電阻爐的溫度受熱工過程諸多因素影響，且時(shí)變性大、生產(chǎn)過程復(fù)雜多變，因此對(duì)整個(gè)加熱過程進(jìn)行細(xì)致研究、建立數(shù)值模型比較復(fù)雜。所以本文采用時(shí)域動(dòng)態(tài)建模的方法，建立電阻爐的多種仿真模型

20、，并通過與實(shí)際對(duì)象的響應(yīng)曲線進(jìn)行比較，從中選出適用于電阻爐對(duì)象的模型。具體步驟如下: 第一:在電阻爐溫度穩(wěn)定后，加入一個(gè)階躍電壓，然后測(cè)得電阻爐系統(tǒng)的溫度響應(yīng)曲線。此溫度響應(yīng)曲線的測(cè)量，必須要保證在電阻爐溫度穩(wěn)定之后才能進(jìn)行而且上述的實(shí)驗(yàn)過程，在相同的實(shí)驗(yàn)條件下應(yīng)重復(fù)實(shí)驗(yàn)多次，以得到至少要有兩條基本相同的曲線。最后，要將得到的溫度響應(yīng)曲線化成標(biāo)么曲線形式。 第二:采用時(shí)域建模中的兩點(diǎn)法，對(duì)所測(cè)得的數(shù)據(jù)分別按照高階慣性模型與一階純滯后模型的方式進(jìn)行建模。 第三:分別對(duì)高階慣性模型與一階純滯后模型輸入一個(gè)階躍響應(yīng)，并得到各自的響應(yīng)曲線，同時(shí)將響應(yīng)曲線化成標(biāo)么曲線形式。 第四:將高階慣性模型與一階純

21、滯后模型的響應(yīng)曲線標(biāo)么形式與實(shí)測(cè)的溫度標(biāo)么響應(yīng)曲線進(jìn)行比較，找出更能代表實(shí)測(cè)對(duì)象的模型。 按照上面的步驟，我們得到了電阻爐對(duì)象的傳遞函數(shù)模型;這個(gè)模型將用于仿真分析。2、控制系統(tǒng)建模及仿真分析 完成了電阻爐對(duì)象數(shù)學(xué)模型的建立，我們要對(duì)這一模型的特性進(jìn)行分析。在本文中，選用了matlab軟件下的simulink環(huán)境，對(duì)建立的動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行仿真分析。 首先，在simulink環(huán)境下，構(gòu)造出單回路pid控制系統(tǒng)與單回路模糊控制系統(tǒng)。并通過對(duì)這兩個(gè)系統(tǒng)的調(diào)試，找出其最佳的控制效果，并分別對(duì)計(jì)算的動(dòng)態(tài)指標(biāo)與穩(wěn)定性指標(biāo)進(jìn)行比較，以確定單回路控制系統(tǒng)是否適合大慣性對(duì)象的控制。 其次，構(gòu)造出串級(jí)的模糊pid控制

22、系統(tǒng)與串級(jí)的pid模糊控制系統(tǒng)。并分別對(duì)兩系統(tǒng)進(jìn)行分析，觀察它們的控制效果是否優(yōu)于單回路系統(tǒng)。 最后，對(duì)串級(jí)的模糊pid控制系統(tǒng)與串級(jí)的pid模糊控制系統(tǒng)進(jìn)行比較，看那一種結(jié)構(gòu)更適合擾動(dòng)頻致的大容量電阻爐對(duì)象。3、建立溫度控制系統(tǒng) 建立溫度控制系統(tǒng)時(shí)，首先要對(duì)電阻爐的功率進(jìn)行初步計(jì)算，以配置適當(dāng)?shù)碾娂訜狍w及適當(dāng)功率的可控硅，使得控制功率能夠滿足爐膛內(nèi)的溫度要求及控制溫度的均勻分布，并符合工藝要求。 電阻爐功率的確定有估算法與熱平衡法15。估算法是按爐溫及爐膛容積或爐溫與爐膛有效面積及空爐升溫時(shí)間等參數(shù)，并通過一定的經(jīng)驗(yàn)公式或計(jì)算圖表來確定電阻爐的功率。但由于這種方法必須具有非常豐富的經(jīng)驗(yàn)，所以

23、對(duì)于普通工作者無(wú)法接受。 熱平衡法是通過能量守恒定律，即將電功率轉(zhuǎn)變?yōu)闊峁β蕰r(shí)，兩者應(yīng)相平衡。所以只要計(jì)算出各種熱消耗功率的總和，即可算出電阻爐所需的總電功率。其計(jì)算公式如下: p=ke其中，p一電阻爐消耗的總功率，即電熱體的總功率; k一安全系數(shù)或稱儲(chǔ)備系數(shù)。 e一電阻爐各種熱消耗功率的總和 為將工件加熱到預(yù)定溫度所給定的熱流和損耗電爐的熱損耗率較低爐子側(cè)體及附件所給的功率即單位時(shí)間內(nèi)所需的蓄熱熱量都得要適當(dāng)。 如上所述，根據(jù)傳熱學(xué)知識(shí)，可計(jì)算出各種熱損失率，進(jìn)而確定了電阻爐的總功率。電阻爐的功率確定后，則電阻爐溫控系統(tǒng)的硬件也就基本確定了。因此，下面的工作是建立溫控系統(tǒng)的軟件。 我們將仿真

24、中得到fuzzy-pid串級(jí)控制系統(tǒng)應(yīng)用到實(shí)際控制系統(tǒng)中，這部分主要的工作是模糊控制器的建立，本文采用了dde鏈接的方法將matlab仿真中的模糊控制器直接應(yīng)用到了實(shí)際控制系統(tǒng)中，從而解決了系統(tǒng)構(gòu)造中的最大難題。 最后將實(shí)際控制效果與仿真效果進(jìn)行了比較，可以看到它們之間還有一定差別，這主要是在建模、仿真過程中，假設(shè)了一些理想條件，而實(shí)際過程存在著誤差，因此，對(duì)于建模、仿真還可以近一步改進(jìn)，從而找出更符合大慣性電阻爐這一類熱工對(duì)象的建模方法、仿真方法及控制方法。2箱式電阻爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 本箱式電阻爐是對(duì)老產(chǎn)品的改造和升級(jí)換代產(chǎn)品，采用先進(jìn)的溫度控制系統(tǒng)，使電阻爐的溫度控制精度更高，更自動(dòng)化。廣泛適

25、用于各類實(shí)驗(yàn)室，工礦企業(yè)，科研單位作元素分析測(cè)定及一般小型件淬火，退火，回火等熱處理作業(yè)。2.1箱式電阻爐的結(jié)構(gòu)尺寸本箱式電阻爐的外殼采用優(yōu)質(zhì)的三角鐵焊接成而成的矩形框架（長(zhǎng)：a=900mm; 寬：b=650mm; 高：h=600mm），表面用冷軋鋼板鉚接到矩形框架上。工作室由優(yōu)質(zhì)碳化硅耐火材料制成（此工作室是一個(gè)五面全封閉一面敞開的，長(zhǎng)：a1=400mm; 寬：b1=250mm; 高：h1=160mm）。此工作室底面有一定的坡度，是為了完成工作后取出工件方便設(shè)計(jì)的。它的坡度角為5度由經(jīng)驗(yàn)公式:mg/sin&amg/cos&(m：物體的重量；g：重力加速度；&：坡度角：a：安全系數(shù))。碳化硅耐

26、火材料制成的工作室上下左右四個(gè)面上鑲有電阻絲（加熱元件）上下各5根電阻絲，左右各3根電阻絲。爐膛與爐殼之間用優(yōu)質(zhì)的保溫材料作保護(hù)層，隔絕工作室的熱量同外界的交換，保證工作室正常工作。爐門也用優(yōu)質(zhì)的碳化硅耐火材料制成形狀也爐口相互配合的形狀，鑲嵌到爐門上，爐口是用冷軋鋼板焊接而成，它們中間用優(yōu)質(zhì)的保溫材料作保護(hù)層。箱式電阻爐的后面是接線處，在工作室的后面有一個(gè)小孔是用于裝測(cè)溫元件的（鉑銠鉑銠熱電偶）。2.2箱式電阻爐爐門的設(shè)計(jì)爐門的密封性要求很高，本箱式電阻爐的爐門采用左右兩側(cè)都加緊的加緊裝置，為了是使?fàn)t門的隔熱效果更好。因?yàn)闋t門的隔熱效果要是不好，不但會(huì)影響加熱速度，還會(huì)讓有害氣體進(jìn)入爐膛工作

27、室影響工件的質(zhì)量，例如在熱處理當(dāng)中，進(jìn)入爐膛工作室大量的不利氣體（氧氣，等氣體）就會(huì)使工件的熱處理失敗，工件熱處理后的表面被氧氣得氧化，這是熱處理當(dāng)中非常忌諱的一個(gè)。要是爐門的密封性隔熱性能良好就不會(huì)出現(xiàn)上述事件的發(fā)生，保證熱處理的正常進(jìn)行。此外爐門密封性的好壞還會(huì)影響到箱式電阻爐的使用范圍，當(dāng)爐門的密封性能良好時(shí)電阻爐就能進(jìn)行滲碳，滲氮的熱處理。因外爐門的密封性好就可以再爐膛工作室當(dāng)中沖入氮?dú)饣蚴翘亢诘仍线M(jìn)行滲氮，滲碳的熱處理。這樣大大增加了箱式電阻爐的使用范圍，為電阻爐的應(yīng)用市場(chǎng)打開更大的大門，本電阻爐的外形噴涂有紅色的防銹漆是外觀更加美觀，并且外殼始終保持常溫，不會(huì)燙傷周圍的工作人員，

28、使電阻爐的使用更加安全可靠，使用者更放心安全的使用，使電阻爐的市場(chǎng)前景更加美好。2.3箱式電阻爐的使用說明烘爐，當(dāng)電阻爐第一次使用或長(zhǎng)時(shí)間停止使用后再次使用時(shí)，必須進(jìn)行烘爐。其程序如下：（1）當(dāng)由室溫升到200度時(shí) 4小時(shí)（打開爐門讓水蒸氣散發(fā)）；（2）當(dāng)由200度升到600度時(shí) 4小時(shí)（關(guān)閉爐門）；（3）當(dāng)由600度升到800度時(shí) 2小時(shí)（關(guān)閉爐門）直到自然冷卻到室溫為止才能進(jìn)行正常工作。 3 控制對(duì)象動(dòng)態(tài)建模 控制對(duì)象動(dòng)態(tài)建模是研究被控對(duì)象輸入量發(fā)生擾動(dòng)時(shí)各輸出量隨時(shí)間變化的特性，即動(dòng)態(tài)特性。研究控制對(duì)象動(dòng)力學(xué)的實(shí)質(zhì)是要建立被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，簡(jiǎn)稱建模。數(shù)學(xué)模型是人們對(duì)所研究客觀系統(tǒng)的

29、數(shù)學(xué)描述。通過這種描述使我們對(duì)系統(tǒng)的特性有一定了解163.1熱工控制對(duì)象動(dòng)力學(xué)研究的意義 動(dòng)態(tài)建模就是在對(duì)實(shí)際物理對(duì)象觀察或?qū)嶒?yàn)的基礎(chǔ)上，導(dǎo)出描述對(duì)象動(dòng)態(tài)性能的數(shù)學(xué)表達(dá)式，是人們從數(shù)量角度更清楚直觀的了解事物的本質(zhì)特征。因此所得到的模型是這些觀察或?qū)嶒?yàn)結(jié)果的綜合，在某種意義上，它完全可以代替物理現(xiàn)象本身。原來的物理對(duì)象在用一個(gè)數(shù)學(xué)表達(dá)式代替之后，就可以比較方便的從多方面來探討這個(gè)問題。但也應(yīng)該承認(rèn)，只有在非常特殊的情況下，數(shù)學(xué)模型才能表達(dá)對(duì)象或過程的所有細(xì)節(jié)。一般地講，我們最多只能指望得到和對(duì)象或過程有關(guān)的最重要的可觀察特性的描述，它將包括關(guān)鍵性操作變量與參數(shù)。 現(xiàn)代熱工控制對(duì)象的規(guī)模日益龐大

30、，過程也日益復(fù)雜。要對(duì)這樣龐大、復(fù)雜的控制對(duì)象或過程進(jìn)行操作、自動(dòng)控制、最優(yōu)設(shè)計(jì)方面的研究和開發(fā)，首先要求建立熱工控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型/29-311，具體來說研究控制對(duì)象動(dòng)力學(xué)的意義可以歸納為以下幾個(gè)方面: 1)自動(dòng)控制系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)和調(diào)節(jié)器最佳參數(shù)的整定都是以被控對(duì)象的特性為依據(jù)的，為了實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的最優(yōu)化，更需要充分了解對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性。 2)指導(dǎo)生產(chǎn)設(shè)備的條件。通過對(duì)生產(chǎn)設(shè)備數(shù)學(xué)模型的分析和仿真，可以確定個(gè)別因素對(duì)整個(gè)控制對(duì)象動(dòng)態(tài)特性的影響，從而對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出合理的建議和要求。 3)培訓(xùn)運(yùn)行操作人員。對(duì)一些復(fù)雜的生產(chǎn)操作過程，都應(yīng)該事先對(duì)操作人員進(jìn)行實(shí)際操作培訓(xùn)。隨著電子計(jì)算機(jī)

31、和仿真技術(shù)的發(fā)展，己經(jīng)不需要建立小的物理模型，而是首先建立這些復(fù)雜生產(chǎn)過程的數(shù)學(xué)模型，然后通過計(jì)算機(jī)仿真使之成為活的模型。在這樣的模型下，可以方便、全面、安全地對(duì)運(yùn)行人員進(jìn)行培訓(xùn)。 4)檢查在真實(shí)系統(tǒng)中不能實(shí)現(xiàn)的現(xiàn)象。具有破壞性的實(shí)驗(yàn)往往不允許輕易地在實(shí)際生產(chǎn)設(shè)備上進(jìn)行，而是首先需要生產(chǎn)過程的數(shù)學(xué)模型，再通過仿真對(duì)模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。3.2熱工控制對(duì)象建模方法熱工對(duì)象動(dòng)力學(xué)模型的建模方法可分為理論建模和實(shí)驗(yàn)建模兩大類32-35。3.2.1理論建模 理論建模是根據(jù)對(duì)象的內(nèi)部機(jī)理過程，分析建立起描述對(duì)象動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)表達(dá)式即數(shù)學(xué)模型。這種方法最大的優(yōu)點(diǎn)是在生產(chǎn)設(shè)備還處于設(shè)計(jì)階段就能建立起模型，而且由

32、于該模型的參數(shù)直接和設(shè)備的結(jié)構(gòu)、性能參數(shù)有關(guān)，這對(duì)設(shè)各的研究和設(shè)計(jì)都有重要意義。對(duì)那些在實(shí)際生產(chǎn)過程中不允許輕易進(jìn)行實(shí)驗(yàn)或很難進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的場(chǎng)合，理論建模是唯一可取的途徑。 對(duì)于某些較簡(jiǎn)單的生產(chǎn)過程或?qū)ο?，通過理論分析，應(yīng)用一些基本定律如質(zhì)量守恒定律、能量守恒定律、牛頓定律等就可以找到輸入量、輸出量和其他變量間的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)表達(dá)式，既動(dòng)態(tài)模型。 但對(duì)于大多數(shù)的生產(chǎn)過程或?qū)ο?，尤其像熱工過程這樣復(fù)雜的對(duì)象來講，由于它具有多變量、多回路、非線性和分布參數(shù)等特點(diǎn)，或是由于對(duì)其內(nèi)部物理、化學(xué)過程至今了解得還不夠清楚，因此就不能像上述簡(jiǎn)單對(duì)象那樣，經(jīng)過一般的理論分析就能建立起嚴(yán)格、精確的數(shù)學(xué)模型。通常的方法是首

33、先作一些必要的假設(shè)和簡(jiǎn)化。如應(yīng)用分割的方法，把復(fù)雜的對(duì)象分割成若干個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的區(qū)間，求出各區(qū)間的近似模型，然后再疊加起來，但是假設(shè)和簡(jiǎn)化的結(jié)果無(wú)疑會(huì)帶來一些誤差，因此對(duì)于復(fù)雜的熱工對(duì)象應(yīng)用理論建模往往會(huì)降低其數(shù)學(xué)模型的真實(shí)性和準(zhǔn)確性。3.2.2實(shí)驗(yàn)建模 實(shí)驗(yàn)建模是在實(shí)際的生產(chǎn)設(shè)備上通過實(shí)驗(yàn)獲得該對(duì)象某些參數(shù)的動(dòng)態(tài)特性。一般來說，實(shí)驗(yàn)結(jié)果是可靠的原始資料，在某種特定的情況下，這些結(jié)果允許被推廣到其他類似形式的對(duì)象上去。這種通過對(duì)實(shí)際生產(chǎn)過程或?qū)ο蟮膶?shí)驗(yàn)，取得輸入、輸出數(shù)據(jù)，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，由此來確定模型的過程，也稱為過程辨識(shí)。從大量的實(shí)驗(yàn)輸入、輸出數(shù)據(jù)中，找到一個(gè)與實(shí)際對(duì)象逼近的模型，

34、該模型能真實(shí)表示實(shí)際對(duì)象的本質(zhì)特性。 實(shí)驗(yàn)建?；蜻^程辨識(shí)一般都需要在被研究的過程或?qū)ο蟮妮斎攵耍尤胍欢ㄐ问降臄_動(dòng)信號(hào)，這個(gè)擾動(dòng)信號(hào)可以是階躍信號(hào)、脈沖信號(hào)、周期信號(hào)，或者是在統(tǒng)計(jì)研究中采用的白色噪聲信號(hào)。就擾動(dòng)信號(hào)的形式來分，實(shí)驗(yàn)建模可分為時(shí)間域方法、頻率域方法和統(tǒng)計(jì)方法。對(duì)象實(shí)驗(yàn)建模過程通常可分為以下步驟: 1)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，根據(jù)辨識(shí)的目的、被研究生產(chǎn)過程或?qū)ο蟮奶攸c(diǎn)以及所具備的實(shí)驗(yàn)條件，確定實(shí)驗(yàn)建模方法。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，還應(yīng)當(dāng)考慮實(shí)現(xiàn)各種實(shí)驗(yàn)方法的細(xì)節(jié)，如擾動(dòng)信號(hào)的幅度、測(cè)量手段以及同實(shí)驗(yàn)相關(guān)的相應(yīng)措施等。 2)模型結(jié)構(gòu)選擇，根據(jù)辨識(shí)的目的，利用基本知識(shí)、定理等，進(jìn)行具體分析，確定所要建立的模型

35、階次的高低。 3)參數(shù)估計(jì)，是根據(jù)輸入、輸出數(shù)據(jù)以及模型結(jié)構(gòu)來確定模型參數(shù)。 4)模型校正，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、模型結(jié)構(gòu)選擇、參數(shù)估計(jì)三個(gè)步驟可獲得初步的數(shù)學(xué)模型，該模型是否可用，需要經(jīng)過校驗(yàn)，即校核模型與實(shí)際對(duì)象的誤差是否滿足一定的指標(biāo)函數(shù)。如果滿足，則確定為最后的模型，否則修改模型的結(jié)構(gòu)、階次，有時(shí)甚至要重新進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。對(duì)象實(shí)驗(yàn)建模各步驟之間的關(guān)系如圖3.1所示。 圖 3.1實(shí)驗(yàn)建模結(jié)構(gòu)框圖3.3建立電阻爐對(duì)象動(dòng)態(tài)模型 由于電阻爐這類熱工對(duì)象的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)復(fù)雜多變，不易于采用理論建模方法。因此，本文采用實(shí)驗(yàn)建模方法。實(shí)驗(yàn)建模方法其主要途徑是獲得對(duì)象的輸入、輸出數(shù)據(jù)，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，求出對(duì)

36、象模型。而其中的頻域方法和統(tǒng)計(jì)方法，一般對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備要求精度高，建模及數(shù)據(jù)處理方法復(fù)雜，所以熱工過程通常采用時(shí)域方法建模。時(shí)域建模方法主要是求取對(duì)象的飛升曲線或方波響應(yīng)曲線，如輸入量作階躍變化，測(cè)繪出對(duì)象輸出量隨時(shí)間變化的曲線。當(dāng)階躍響應(yīng)曲線呈s形狀時(shí)，即可用純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)或高階慣性環(huán)節(jié)來確定其動(dòng)態(tài)模型，然后根據(jù)畫出的階躍響應(yīng)曲線計(jì)算出模型動(dòng)態(tài)參數(shù)。熱工對(duì)象模型，通?？啥橛凶云胶饽芰Φ募儨笠浑A慣性對(duì)象模型或高階慣性對(duì)象模型。因此，只要得出被控對(duì)象擾動(dòng)的階躍響應(yīng)曲線，并通過一定算法，即可求出熱工對(duì)象模型中的各個(gè)參數(shù)，而確定數(shù)學(xué)模型。3.3.1模型分析及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 本文分別選用單回路控制與串

37、級(jí)控制方法，在這兩種控制方法中對(duì)象模型是不同的，所以它們的模型建立也要分別進(jìn)行。1、單回路控制中模型分析與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)采用單回路控制系統(tǒng)，即系統(tǒng)只有一個(gè)控制器。其結(jié)構(gòu)框圖3.2所示: 圖 3.2 單回路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 其中，d/a可表示為傳遞函數(shù)gi(s)、可控硅表示為傳遞函數(shù)gas)、被控對(duì)象表示為傳遞函數(shù)wi(s), a/d表示為傳遞函數(shù)kj(s)、信號(hào)采集板表示為傳遞函數(shù)k2(s)、熱電偶表示是為傳遞函數(shù)k3(s), t，為輸入量，t2為輸出量。通過對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分析可知，a/d, d/a及信號(hào)采集板都為電器元件，其執(zhí)行的動(dòng)作雖然也有一定的慣性，但對(duì)于整個(gè)對(duì)象的大慣性而言，其慣性與延遲所占的比例

38、還是很小的，所以這里可以忽略，而僅看作比例環(huán)節(jié)。可控硅及熱電偶的反應(yīng)速度相對(duì)于具有大慣性的被控對(duì)象也是很迅速的，因此它們的慣性時(shí)間與延遲時(shí)間也可忽略，但它們卻不是簡(jiǎn)單的比例環(huán)節(jié)，可控硅的控制電壓與輸出電壓通常呈現(xiàn)出嚴(yán)重的非線形函數(shù)關(guān)系;而熱電偶，它的電壓與溫度的關(guān)系根據(jù)其類型的不同而不同。常用的熱電偶有三種，t型熱電偶 (鉑佬一鉑熱電偶)、k型熱電偶 (鎳鉻一鎳硅電偶)、b型作階躍變化，測(cè)繪出對(duì)象輸出量隨時(shí)間變化的曲線。當(dāng)階躍響應(yīng)曲線呈s形狀時(shí)，即可用純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)或高階慣性環(huán)節(jié)來確定其動(dòng)態(tài)模型，然后根據(jù)畫出的階躍響應(yīng)曲線計(jì)算出模型動(dòng)態(tài)參數(shù)。熱工對(duì)象模型，通常可定為有自平衡能力的純滯后一

39、階慣性對(duì)象模型或高階慣性對(duì)象模型。因此，只要得出被控對(duì)象擾動(dòng)的階躍響應(yīng)曲線，并通過一定算法，即可求出熱工對(duì)象模型中的各個(gè)參數(shù)，而確定數(shù)學(xué)模型。2、串級(jí)控制系統(tǒng)的模型分析與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 串級(jí)控制是復(fù)雜控制中的一種方法，在其結(jié)構(gòu)上形成了兩個(gè)閉環(huán)。一個(gè)閉環(huán)在里面，被稱為副環(huán)或副回路。它在控制過程中起著 “粗調(diào)”的作用。另一個(gè)閉環(huán)在外面，被稱為主環(huán)或主回路，用來完成 “細(xì)調(diào)”任務(wù)，以最終保證被調(diào)量滿足工藝要求川。無(wú)論主環(huán)或副環(huán)都有各自的調(diào)節(jié)對(duì)象、測(cè)量變送元件。 對(duì)串級(jí)控制系統(tǒng)中的對(duì)象進(jìn)行建模，采用的實(shí)驗(yàn)方法與單回路基本相似，即分兩個(gè)溫度段進(jìn)行，階躍擾動(dòng)值用單回路中的取值.對(duì)于 600的溫度范圍，將電阻爐從

40、550狀態(tài)下的3165mv控制電壓下，階躍到 3300mv，待穩(wěn)定后測(cè)取加熱體溫度b,及試樣溫度02.的飛升曲線，然后應(yīng)用兩點(diǎn)法對(duì)飛升曲線進(jìn)行處理計(jì)算。3、實(shí)驗(yàn)溫度對(duì)建立電阻爐動(dòng)態(tài)模型的影響 綜上所述，可知電阻爐對(duì)象模型是隨著溫度的變化而變動(dòng)的。從總的趨勢(shì)來看，隨著溫度的升高，對(duì)象模型的慣性時(shí)間常數(shù)或滯后時(shí)間常數(shù)變大，但增益變小，即放大系數(shù)減小。這是因?yàn)?，隨著電阻爐溫度升高，其向環(huán)境傳遞的熱量會(huì)更大，即使在兩個(gè)溫度段內(nèi)，給定相同的單位時(shí)間熱量擾動(dòng)，也會(huì)由于高溫區(qū)向外界環(huán)境傳遞的熱量多，而造成它升溫的速度要慢于低溫段的升溫速度。同樣，即使給定相同的單位時(shí)間熱量擾動(dòng)，但高溫段散熱多，電阻爐所獲得的

41、熱量相對(duì)減少，所以增益也會(huì)減小。當(dāng)然，增益還會(huì)受到控制電壓與輸出電壓關(guān)系的影響。 通過上面的分析，可以對(duì)電阻爐的特性有一定了解。但要想獲得電阻爐對(duì)象的詳細(xì)特性，還需要對(duì)模型進(jìn)行仿真、分析，而這是非常復(fù)雜、煩瑣的。因此，在以后各章中，我們只通過對(duì)600的溫區(qū)模型進(jìn)行分析、仿真，而800溫區(qū)的特性分析，與其是相似的，就不重復(fù)敘述了。 3.3.2電阻爐動(dòng)態(tài)模型確定 電阻爐動(dòng)態(tài)模型建立以后是否可用，仍需要校驗(yàn)，即看校驗(yàn)?zāi)Ｐ团c實(shí)際對(duì)象的誤差是否滿足一定的指標(biāo)函數(shù)1285。本文是將模型置于matlab軟件的simulink環(huán)境下，然后給定階躍輸入，觀察其仿真輸出曲線與實(shí)際擾動(dòng)電壓飛升曲線的擬合情況，當(dāng)然實(shí)

42、際比較的，是仿真輸出曲線的標(biāo)么形式與實(shí)際響應(yīng)曲線的標(biāo)么形式，進(jìn)而判斷模型的有效性。這里，我們僅對(duì) 600c溫區(qū)的試樣響應(yīng)溫度模型及加熱體響應(yīng)溫度模型進(jìn)行校驗(yàn)。 首先，對(duì)600溫區(qū)以擾動(dòng)電壓為輸入量、試樣溫度為輸出量的模型進(jìn)行校驗(yàn)，由節(jié)的計(jì)算，我們得到它的兩種結(jié)構(gòu)模型，一階慣性加純滯后模型及高階慣性模型，對(duì)這兩個(gè)模型分別輸入階躍信號(hào)，然后觀察輸出的響應(yīng)曲線，并與實(shí)際響應(yīng)曲線的標(biāo)么圖進(jìn)行比較，選擇誤差較小的，作為電阻爐的模型。4 箱式電阻爐控溫系統(tǒng)的仿真分析系統(tǒng)仿真技術(shù)近幾十年來得到很快發(fā)展，尤其是近幾年，數(shù)字計(jì)算機(jī)的軟硬件飛速發(fā)展，運(yùn)算速度己不再成為問題，全數(shù)字實(shí)時(shí)仿真已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)，仿真技術(shù)成為

43、分析、研究各種系統(tǒng)，尤其是復(fù)雜系統(tǒng)的重要工具，被廣泛應(yīng)用在許多工程領(lǐng)域和非工程領(lǐng)域。本章的目的是通過對(duì)箱式電阻爐動(dòng)態(tài)模型控溫系統(tǒng)的仿真分析，比較多種控制方法的性能，從而找出一種能適合箱式電阻爐這類具有大慣性、非線形、時(shí)變性等特點(diǎn)的對(duì)象的控制方法，并在實(shí)際的控制系統(tǒng)中應(yīng)用。4.1m atia b 軟件的介紹lyla tlah 是 由mathworks公司推出的一套高性能的數(shù)值計(jì)算和可視化數(shù)學(xué)軟件，其含義是矩陣實(shí)驗(yàn)室(matrix laboratory). matlab仿真軟件自1984年推出以來，己廣泛的應(yīng)用于各個(gè)科研領(lǐng)域，現(xiàn)已成為國(guó)際上公認(rèn)的最優(yōu)秀的數(shù)值計(jì)算及仿真分析軟件。4.1.1 simu

44、l ink工具箱簡(jiǎn)介 simulink是基于matlab平臺(tái)下實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的一個(gè)集成環(huán)境，它能夠應(yīng)用圖形化模塊對(duì)模擬、:離散或混合系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真。近幾年來，matlab和simulink以及許多相關(guān)的工具箱在工程仿真、數(shù)字計(jì)算領(lǐng)域得到了很好的應(yīng)用。因此廣泛應(yīng)用在科研院所、高等院校及工業(yè)企業(yè)中。本文使用matlab中的simulink工具對(duì)所建立的模型進(jìn)行仿真、分析。 simulink環(huán)境中有simulink庫(kù)、控制系統(tǒng)工具箱(control system toolbox)、模糊邏輯工具箱(fuzzy logic toolbox)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊集(neural netw

45、ork blockset ).simulink附加庫(kù) (simulink extras)等16個(gè)仿真模塊子庫(kù)。每個(gè)子庫(kù)中又包含許多不同的模塊，這些模塊均可以直接調(diào)用36。 在建模方面，simulink提供了一個(gè)圖形化的用戶界面 (gui)，可以用鼠標(biāo)點(diǎn)擊和拖拉模塊的圖表建模。通過圖形界面，可以像堆積木一樣畫圖形模塊。這是以前需要用編程語(yǔ)言明確地用公式表達(dá)微分方程的仿真軟件包所遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能相比的。simulink包括一個(gè)復(fù)雜的由接受器、信號(hào)源、線性和非線性組件以及連接件組成的4.1.2模糊邏輯工具箱的簡(jiǎn)介 matlab軟件中的模糊邏輯工具箱是專門用來創(chuàng)建模糊推理系統(tǒng)的工具箱。該工具箱集成度高，內(nèi)容豐

46、富，基本包括了模糊集合理論的各個(gè)方面，功能強(qiáng)大，簡(jiǎn)捷快速，方便易用，而且仿真過程結(jié)果可視化，在仿真的過程中修改優(yōu)化設(shè)計(jì)方案比較容易，大大加快了設(shè)計(jì)進(jìn)程37-41 在模糊邏輯工具箱中有5個(gè)基本圖形用戶界面用于建立、編程和觀察模糊推理系統(tǒng) (fis)，它們分別是fis編輯器 (fis editor)、隸屬函數(shù)編輯器、規(guī)則編輯器、規(guī)則觀察器和曲面觀察器。這些工具之間是動(dòng)態(tài)鏈接的，使用他們中的任何一個(gè)對(duì)fis進(jìn)行修改將影響其它的窗口，并可使用任意一個(gè)或全部的界面來打開任意給定的系統(tǒng)或?qū)ぷ鲄^(qū)間進(jìn)行讀和寫。 fis編輯器為系統(tǒng)處理高層屬性:確定輸入、輸出變量的個(gè)數(shù)，定義變量的名稱，以及確定模糊推理方法。

47、隸屬函數(shù)編輯器用于定義每個(gè)隸屬函數(shù)的形狀。規(guī)則編輯器用于定義系統(tǒng)行為的一系列規(guī)則。規(guī)則觀察器和曲面觀察器是用于察看 fis的工具。規(guī)則觀察器是一個(gè)基于matlab的用于顯示模糊推理方框圖的工具。曲面觀察器用于顯示一個(gè)輸出與輸入之間的依賴情況。但規(guī)則觀察器和曲面觀察器都無(wú)法修改fis數(shù)據(jù)，可與工作空間或磁盤交換圖形。 在仿真過程中，應(yīng)該注意仿真條件與實(shí)際條件符合。這對(duì)于仿真分析是很重要的。本文所研究的電阻爐溫度控制系統(tǒng)，輸入變量偏差，荃本論域+300, +300;輸入變量偏差變化率，基本論域+5, +5的范圍內(nèi);所以仿真分析也主要是在這個(gè)范圍內(nèi)進(jìn)行。輸變量的基本論域即可控硅的控制電壓為0iiiv

48、, 10000 mv,所以控制器的輸出應(yīng)該限制在這個(gè)范圍內(nèi)。4.2單回路電阻爐溫控系統(tǒng)的仿真及分析 圖3.1中虛方框中所表示的傳遞函數(shù)為l(s) = li(s) x k1 x k2 x l2(s)，其中熱電偶將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，并被采集板接受、放大，由a/d換算成數(shù)字量，最后通過電壓與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，將電壓的數(shù)字量值從新變?yōu)闇囟茸x數(shù)值，送入計(jì)算機(jī)中。所以，虛方框中輸入量為溫度，輸出量也為溫度，但本身具有一定的慣性或滯后。所以在計(jì)算發(fā)生，所以在仿真中也要將擾動(dòng)表現(xiàn)出來。那么，最后只剩下控制器的建立了，在本節(jié)中，分別采用pid控制方法及模糊控制方法來對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，以觀測(cè)兩種控制方法的特性。

49、圖 4.1 單回路爐溫控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖4.2.1箱式電阻爐pid控溫仿真系統(tǒng) 第三章中得出的電阻爐對(duì)象模型為連續(xù)模型，而實(shí)際采集到的飛升曲線卻是在采樣間隔為t=15s條件下取得的離散數(shù)據(jù)。連續(xù)模型與離散模型是有一定區(qū)別的，連續(xù)模型的輸出量是連續(xù)平滑的，而離散模型的輸出最呈階梯狀，即在一段采樣。 對(duì)于fuzzypid串級(jí)系統(tǒng)中模糊控制器的穩(wěn)定性問題，也采用敘述的方法進(jìn)行分析。只要將圖3.11中的內(nèi)環(huán)部分等效為一個(gè)對(duì)象，則結(jié)構(gòu)上就相當(dāng)于單回路系統(tǒng)。從而，按照單回路系統(tǒng)中的模糊控制器進(jìn)行穩(wěn)定性分析。如圖 4.1中pid控制器，ko=2, k,=0.01, k=10，將其化為相應(yīng)的傳遞函數(shù)，并與系統(tǒng)中

50、的主、副對(duì)象合并，此時(shí)得到的傳遞函數(shù)分母達(dá)到五階，分子為兩階，對(duì)所得傳遞函數(shù)進(jìn)行降階，得到等效傳遞函數(shù) w (s) 最后分析(704s + 1)(510s + 1)模糊控制器與該等效傳遞函數(shù)構(gòu)成的單回路系統(tǒng)，確定模糊控制器的穩(wěn)定性。4.2.2箱式電阻爐模糊控溫仿真系統(tǒng) 模糊控制器，是按照人的實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)通過模糊算法模仿人的操作策略，實(shí)現(xiàn)以機(jī)器代替人的生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制設(shè)備。其實(shí)質(zhì)上反映的是輸入語(yǔ)言變量和輸出語(yǔ)言變量以及語(yǔ)言規(guī)則的模糊定量關(guān)系和算法結(jié)構(gòu)。然而在實(shí)際控制中我們檢測(cè)得到的測(cè)量值和控制量都是精確量，這就要求我們將精確量進(jìn)行模糊化，通過控制規(guī)則后得到的控制量是模糊子集，還需將其反模糊化。

51、所以設(shè)計(jì)一個(gè)模糊控制器主要需完成以下三個(gè)任務(wù):1)精確量的模糊化，是將實(shí)測(cè)物理量轉(zhuǎn)化為在該語(yǔ)言變量相應(yīng)論域內(nèi)不同語(yǔ)言值的模糊子集。2)建立模糊控制規(guī)則進(jìn)行模糊推理，即根據(jù)當(dāng)前的系統(tǒng)狀態(tài)信息來決定模糊控制的輸出子集。3)反模糊化，是將輸出模糊子集轉(zhuǎn)化為一個(gè)清晰、確定的輸出控制量。在設(shè)計(jì)模糊控制器時(shí)，首先應(yīng)根據(jù)被控對(duì)象的具體情況來確定模糊控制器的結(jié)構(gòu)。模糊控制器根據(jù)被控對(duì)象輸入變量和輸出變量的多少分為單輸入 單輸出結(jié)構(gòu)和多輸入 多輸出結(jié)構(gòu)。單輸入- 單輸出結(jié)構(gòu)又分為一維模糊控制器、二維模糊控制器和多維模糊控制器。 一維控制器是一種最簡(jiǎn)單的模糊控制器，控制器的輸入、輸出語(yǔ)言變量只有一個(gè)。由于此類控制

52、器的規(guī)則只考慮系統(tǒng)的誤差，只要誤差相近，不管誤差的趨勢(shì)如何，其控制輸出的結(jié)果是相近的。 二維模糊控制器有兩個(gè)輸入變量，一個(gè)輸出變量，同一維模糊控制器一樣，適用于被控對(duì)象是單輸入一單輸出的系統(tǒng)。由于規(guī)則既考慮了系統(tǒng)的誤差又考慮了誤差變化率，所以性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于一維模糊控制器。多維控制器的輸入變量有多個(gè)，由于輸入維數(shù)的增加導(dǎo)致了控制規(guī)則和控制算一般是個(gè)固定值，對(duì)于不同的對(duì)象，constant隨對(duì)象參數(shù)的變化而變化。本系統(tǒng)中的constant等于3.6，所以只要模糊控制器的k x k 3.6，即保證了模糊控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當(dāng)采樣時(shí)間發(fā)生變化時(shí)，也會(huì)對(duì)控制器的穩(wěn)定性產(chǎn)生一定影響;采樣時(shí)間增大，控制器的穩(wěn)定

53、性會(huì)更好些，但對(duì)于電阻爐這類熱工對(duì)象，往往由于生產(chǎn)安全需要使得采樣時(shí)間不能太大。所以，對(duì)于電阻爐采樣時(shí)間通常在15-25秒的范圍內(nèi)，其采樣時(shí)間對(duì)模糊控制器的穩(wěn)定性影響不大。 在本系統(tǒng)中，采樣時(shí)間為15秒的條件下，模糊控制器的k, =1, kd =2.4, k =0.8滿足k, x k 3.6的要求，并且有足夠的余量。因此上面所設(shè)計(jì)的模糊控制系統(tǒng)是具有穩(wěn)定性的。4.3串級(jí)結(jié)構(gòu)電阻爐控溫系統(tǒng)的仿真分析 從控制結(jié)構(gòu)上看，串級(jí)結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)對(duì)于內(nèi)環(huán)的擾動(dòng)，具有很好的抑制效果，從而提高了整個(gè)系統(tǒng)抗擾動(dòng)的能力。本節(jié)中，即分別采用fuzzy-pid與pid-fuzzy兩種串級(jí)結(jié)構(gòu)對(duì)電阻爐對(duì)象進(jìn)行仿真分析，以觀

54、察其各自的控制效果。4.3.1主副控制器為fuzzy-pid串級(jí)系統(tǒng)仿真分析 這種系統(tǒng)，采用模糊控制器為主控制器，pid控制器為副控制器，來實(shí)現(xiàn)對(duì)電阻爐主、副模型的控制。在sinmulink仿真平臺(tái)下，建立fuzzy pid串級(jí)控制結(jié)構(gòu)的仿真框圖。4.3.2主副控制器為pid-fuzzy串級(jí)系統(tǒng)仿真分析pid-fuzzy串級(jí)系統(tǒng)是采用pid控制器為主控制器、模糊控制器為副控制器來實(shí)現(xiàn)對(duì)電阻爐主、副模型的控制。 其中pid2模塊為主控制器，是采樣時(shí)間為15s的離散pid控制器:ft-y2模塊采樣時(shí)間為30s的副控制器:out i擾動(dòng)的幅值為100，持續(xù)時(shí)間為100s。通過實(shí)仿真得到模糊控制器、p

55、id控制器的輸出波形及整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)曲線。通過計(jì)算，得出pid-fuzzy串級(jí)控制系統(tǒng)的暫態(tài)響應(yīng)性能指標(biāo)，最大超調(diào)百分?jǐn)?shù)。=0.97%，峰值時(shí)間t;二3930s、上升時(shí)間t, = 2850 s、以穩(wěn)態(tài)值的5%為容許范圍的調(diào)整時(shí)間t= 2280 s。由于擾動(dòng)造的最大偏差為3.7415 0c、對(duì)擾動(dòng)的調(diào)節(jié)時(shí)im為2320s。 對(duì)于pid-fuzzy串級(jí)系統(tǒng)，只要模糊控制器滿足副回路系統(tǒng)穩(wěn)定性，則基本可以保證模糊控制器在串級(jí)結(jié)構(gòu)中是穩(wěn)定的1571。因此，只取副回路作為單回路系統(tǒng)，進(jìn)行穩(wěn)定性分析，即可確定模糊控制器在pid-fuzzy串級(jí)控制系統(tǒng)中的穩(wěn)定性。4.3.3 fuzzy-pid與pid-fu

56、zzy串級(jí)控制系統(tǒng)分析 從上面兩節(jié)的分析中可以看出，對(duì)于以pid控制器為副調(diào)節(jié)器、以fuzzy控制器為主調(diào)節(jié)器的串級(jí)控制系統(tǒng)，它的上升時(shí)間、調(diào)節(jié)時(shí)間都要小于p工d-fuzzy系統(tǒng)，說明fuzzy- pid系統(tǒng)的響應(yīng)速度要好于pid-fuzzy系統(tǒng)。當(dāng)擾動(dòng)量為100mv,為最大輸出控制量的兩倍，持續(xù)時(shí)間為 100s時(shí)，fuzzy- p工d串級(jí)控制系統(tǒng)可以很好的將擾動(dòng)抑制住;由副控制器的輸出波形，可看出其控制頻率是很高的，這就對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)提出了較高的要求，即執(zhí)行動(dòng)作必須迅速，而且要求測(cè)溫裝置熱電偶的慣j性時(shí)間要滿足系統(tǒng)的要求。在本控制系統(tǒng)中，執(zhí)行器為可控硅，屬于電器裝置，它的執(zhí)行速度是很快的，可以滿足副控對(duì)象的高頻率要求，而熱電偶的慣性時(shí)間一般相對(duì)于大慣性被控對(duì)象而言是可以忽略的，所以測(cè)溫裝置的熱電偶也可以滿足系統(tǒng)的要求。 對(duì)于pid-fuzzy