电阻炉温度控制系统设计及仿真研究毕业设计论文(编辑修改稿)

电阻炉温度控制系统设计及仿真研究毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 测量值之间存在着一个时滞环节 t ，同时控制器输出的是控制信号 u ，而 ()us 可以设定正比于 ()tQs，即 ( ) ( )tku s Q s ，输出 ( ) ( )Ky s T S ， 可 以 得出 : ()() 1( ) ( ) 1ssKTsy s k Keeu s u s T SCS R   ； （ 27） 其中， T RC ，称为对象的时间常数， K kR ，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 ：   1 f sfKG s eTs   （ 28） 其中 ： fT — 电阻炉的时间常数 ； fK — 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 (28)中的各系数的近似值如下 : fT =360s，  =10s， fK =2, 即：   sessG 101360 2  （ 29） 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 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。 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。 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） （ 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，而模内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 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。 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 温度控制的基本原理 电阻炉为被控对象的控制过程见图。 图 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。 给 定 温 度 控 制 器 可 控 硅 电 路 电 炉 实 际 温 度温 度 变 送 器 图 温度控制框图 变送器 变送器是基于负反馈原理工作的，其构成原理如图 所示，它包括测量部分、放大器和反馈部分。 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 测 量 部 分 C反 馈 部 分 F放 大 器 K调 整 、 零 点 迁 移Z 0Z fZ iε 图 构成原理图 变送器的输入输出特性 如 图 ， 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。 ym a xxm a xym i nxm a xyx0 图 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。 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 由图 可求得变送器输出与输入之间的关系为： 0()1 Ky Cx zKF （ 31） 当满足深度负反馈的条件，即 KF》 1 时，上式变为： 01 ()y Cx zF （ 32） 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。 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】。 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 可选择不同型号的热电偶实现温度测量。 自 19 世纪发现热电效应以来，热电偶便被广泛用来测量 100~1300℃内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 范围内的温度，根据需要还可以用来测量更高或更低的温度。 除此以外，热电偶还具有明显的优点： （ 1） 结构简单，制造方便，价格便宜； （ 2） 测温精度较高，高温区的复现性和稳定性好； （ 3） 由于测温显示 的是 电信号， 这就 便于 信 号的远传和记录，也有利于集中检测和控制； （ 4） 热电偶体积小，热容量及热惯性 也相对很 小。 根据国际电工委员会 (IEC)推荐的八种类型标准化热电偶，以及本设计要求，测控对象 (电阻炉 )的温度变化范围，选用 K 型热电偶 (镍铬 — 镍硅热电偶 )作为检测元件，其测温范围一般在 200~1200℃，具有高温下抗氧化，抗腐蚀，稳定性好等特点，并且所用的元器件少，性能优良，精度高，具有先进水平。 传感器采用 K 型热电偶，它的精度分为三级： 级 在 0~1000℃之间，其误差为177。 ℃，为测量温度的 %。 级 在 0~1200℃之间，其误差为177。 ℃，为测量温度的 %。 级 在 200~0℃之间，其误差为177。 ℃，为测量温度的 %。 本系统采用 级 K 型热电偶。 PID 控制 PID 控制有模拟和数字两种类型，数字 PID 控制 是在模拟 PID 控制 发展而来的，它适合于在单机片机上实现。 PID 控制算法是按误差的比例，积分、微分进行控制的，其参数可以在现场在线整定，由于软件设计的灵活性，一般可以得到较好的控制效果。 PID 控制 发展 的现状 在工业过程控制中， PID 控制是历史最悠久，生命力最强的一种控制方式。 它是迄今为止最通用的控制方法。 它提供一种反馈控制，通过积分作用可以消除稳态误差，通过微分作用可以预测未来。 PID 控制能解决许多控制问题，尤其 是 在动态过程是良性 或者是 性能要求不太高的情 况下。 PID 控制不仅是分布式控制系统的重要组成部分，而且。