【正文】 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)熱部分簡單，對爐料種類的限制少，爐溫控制精度高，容 易實現(xiàn)在真空或控制氣氛中加熱等特點。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，所以通過對它的研究，可對此類對象進行深入的探討及了解。 本文研究對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流換熱，所以對于爐內(nèi)的被加熱對象具有大的熱慣性，并且爐內(nèi)的溫度分布是不均勻的。 圖 電阻爐正面視圖 電阻爐結(jié)構(gòu)如圖 所示，其中 2 點為熱電偶測量電熱元件溫度的充分接近點。點是熱電偶 測量加熱試樣溫度的充分接近點。當發(fā)生擾動時，控制系統(tǒng)輸出電壓 作為控量當輸出的電壓變化時，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 黃河科技學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 11 頁 變化。所以對 2 點溫度進行控制是比較容易實現(xiàn)的，這時的溫 、度響應(yīng)對象慣性小， 性弱。但實際上我們最關(guān)心的是試樣溫度，即 1 點溫度。因此保證 1 點溫度的精確性是產(chǎn)品工藝的主要要求。 當電熱元件溫度發(fā)生變化時，將導(dǎo)致爐內(nèi)溫度變化，從而試樣溫度也隨之發(fā)生同趨勢的變化。如果電阻爐熱容量比較小，那么這一過程的慣性時間也比較小，非線性也較弱。因此，這時可采用單環(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 2 點溫度進行測控 (加熱元件溫度 )，以近似作為加熱試樣溫度 ?；蛘咄ㄟ^一定的經(jīng)驗公式對 2 點溫度進行一定補償，近似推算出 1 點溫度。這種方法由于算法簡單、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、非線性強及時變性的特點，而且對電阻爐控溫精度要求高，這使得常規(guī) PID 控制方法不能滿足控制的要求。 綜上所述，為實現(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、時變性、強非線性、以及生產(chǎn)過程中的多擾動問題。 設(shè)計 方法 本文通過對電阻爐進行建模、仿真，綜合評價其動態(tài)特性，近而為實際控制系統(tǒng)設(shè)計提供參考，其主要工作由三部分組成。 箱式 電阻爐動態(tài)數(shù)學模型的建立 箱式 電阻爐動態(tài)數(shù)學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，且時變性大、生產(chǎn)過程復(fù)雜多變，因此對整個加熱過程進行細致研究、建立數(shù)值模型比較復(fù)雜。所以本文采用時域動態(tài)建模的方法，建立電阻爐的多種仿真模型，并通過與 實際對象的響應(yīng)曲線進行比較，從中選出適用于電阻爐對象的模型。具體步驟如下 : 第一 :在電阻爐溫度穩(wěn)定后，加入一個階躍電壓，然后測得電阻爐系統(tǒng)的溫 度響應(yīng)曲線。此溫度響應(yīng)曲線的測量，必須要保證在電阻爐溫度穩(wěn)定之后才能進行而且上 述的實驗過程，在相同的實驗條件下應(yīng)重復(fù)實驗多次，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)曲線化成標么曲線形式。 第二 :采用時域建模中的兩點法，對所測得的數(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行建模。 黃河科技學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 12 頁 第三 :分別對高階慣性模型與一階純滯后模型 輸入一個階躍響應(yīng)，并得到各自的響應(yīng)曲線，同時將響應(yīng)曲線化成標么曲線形式。 第四 :將高階慣性模型與一階純滯后模型的響應(yīng)曲線標么形式與實測的溫度標么響應(yīng)曲線進行比較，找出更能代表實測對象的模型。 按照上面的步驟，我們得到了電阻爐對象的傳遞函數(shù)模型 。這個模型將用于仿真分析。 控制系統(tǒng)建模及仿真分析 完成了電阻爐對象數(shù)學模型的建立，我們要對這一模型的特性進行分析。在本文中，選用了 MATLAB 軟件下的 SIMULINK 環(huán)境，對建立的動態(tài)模型進行仿真分析。 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)。 并通過對這兩個系統(tǒng)的調(diào)試，找出其最佳的控制效果，并分別對計算的動態(tài)指標與穩(wěn)定性指標進行比較，以確定單回路控制系統(tǒng)是否適合大慣性對象的控制。 其次 ，構(gòu)造出串級的模糊 PID 控制系統(tǒng)與串級的 PID 模糊控制系統(tǒng)。并分別對兩系統(tǒng)進行分析，觀察它們的控制效果是否優(yōu)于單回路系統(tǒng)。 最后，對串級的模糊 PID 控制系統(tǒng)與串級的 PID 模糊控制系統(tǒng)進行比較，看那一種結(jié)構(gòu)更適合擾動頻致的大容量電阻爐對象。 建立溫度控制系統(tǒng) 建立溫度控制系統(tǒng)時，首先要對 電阻爐的功率進行初步計算，以配置適當?shù)碾娂訜狍w及適當功率的可控硅，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間等參數(shù)，并通過一定的經(jīng)驗公式或計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，所以對于普通工作者無法接受。 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，兩者應(yīng)相平衡。所以只要計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)或稱儲備系數(shù)。 黃河科技學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 13 頁 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間內(nèi)所需的蓄熱熱量 都得要適當。 如上所述，根據(jù)傳熱學知識，可計算出各種熱損失率，進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。 我們將仿真中得到 FUZZYPID 串級控制系統(tǒng)應(yīng)用到實際控制系統(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。 最后將實際控制效果與仿真效果進行了比較，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，而實際過程存在著誤差，因此，對于建模、仿真還可以近一步改進，從而找出更符合大慣性電阻爐這一類熱工對象的建模方法、仿真方法及控制方法。 黃河科技學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 14 頁 2 箱式電阻爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計 本箱式電阻爐是對老產(chǎn)品的改造和升級換代產(chǎn)品，采用先進的溫度控制系統(tǒng)，使電阻爐的溫度控制精度更高，更自動化。廣泛適用于各類實驗室，工礦企業(yè)，科研單位作元素分析測定及一般小型件淬火，退火，回火等熱處理作業(yè)。 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： 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（此工作室是一個五面全封閉一面敞開的，長： 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)計的。它的坡度角為 5 度由經(jīng)驗公式 :mg/sinamp。amg/cosamp。(m：物體的重量； g：重力加速度； amp。：坡度角： a：安全系數(shù) )。碳化硅耐火材料制成的工作室上下左右四個面上鑲有電阻絲（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)的保溫材料作保護層。箱式電阻爐的后面是接線處，在工作室的后面有一個小孔是用于裝測溫元件的（鉑銠 — 鉑銠熱電偶）。 箱式電阻爐爐門的設(shè)計 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，為了是使爐門的隔熱效果更好。因為爐門的隔熱效果要是不好，不但會影響加熱速度，還會讓有害氣體進入爐膛工作室影響工件的質(zhì)量，例如在熱處理當中，進入爐膛工作室大量的不利氣體（氧氣，等氣體）就會使工件的熱處理失敗，工件熱處理后的表面被氧氣得氧化，這是熱處理當中非常忌諱的一個。要是 爐門的密封性隔熱性能良好就不會出現(xiàn)上述事件的發(fā)生，保證熱處理的正常進行。此外爐門密封性的好壞還會影響到箱式電阻爐的使用范圍，當爐門的密封性能良好時電阻爐就能進行滲碳，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中沖入氮氣或是炭黑等原料進行滲氮，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)用市場打開更大的大門， 黃河科技學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 15 頁 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，不會燙傷周圍的工作人員，使電阻爐的使用更加安全可靠，使用者更放心安全的使用，使電阻爐的市場前景更加美好。 箱式電阻爐的使用說明 烘爐，當電阻爐第一次使用或長時間停止使用后再次使用時，必須進行烘爐。其程序如下： （ 1）當由室溫升到 200 度時 4 小時（打開爐門讓水蒸氣散發(fā)）； （ 2）當由 200 度升到 600 度時 4 小時（關(guān)閉爐門）； （ 3）當由 600 度升到 800 度時 2 小時（關(guān)閉爐門）直到自然冷卻到室溫為止才能進行正常工作。 黃河科技學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 16 頁 3 控制對象動態(tài)建模 控制對象動態(tài)建模 是研究被控對象輸入量發(fā)生擾動時各輸出量隨時間變化的特性，即動態(tài)特性。研究控制對象動力學的實質(zhì)是要建立 被控對象的動態(tài)數(shù)學模型，簡稱建模。數(shù)學模型是人們對所研究客觀系統(tǒng)的數(shù)學描述。通過這種描述使我們對系統(tǒng)的特性有一定了解 [16] 熱工控制對象動力學研究的意義 動態(tài)建模 就是在對實際物理對象觀察或?qū)嶒灥幕A(chǔ)上，導(dǎo)出描述對象動態(tài)性能的數(shù)學表達式 ，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)嶒灲Y(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。原來的物理對象在用一個數(shù)學表達式代替之后，就可以比較方便的從多方面來探討這個問題。但也應(yīng)該承認，只有在非常特殊的情況下，數(shù)學模 型才能表達對象或過程的所有細節(jié)。一般地講，我們最多只能指望得到和對象或過程有關(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)代熱工控制對象的規(guī)模日益龐大，過程也日益復(fù)雜。要對這樣龐大、復(fù)雜的控制對象或過程進行操作、自動控制、最優(yōu)設(shè)計方面的研究和開發(fā)，首先要求建立熱工控制對象的動態(tài)數(shù)學模型 /29311，具體來說研究控制對象動力學的意義可以歸納為以下幾個方面 : 1)自動控制系統(tǒng)的合理設(shè)計和調(diào)節(jié)器最佳參數(shù)的整定都是以被控對象的特 性為依據(jù)的，為了實現(xiàn)生產(chǎn)過程的最優(yōu)化，更需要充分了 解對象的動態(tài)特性。 2)指導(dǎo)生產(chǎn)設(shè)備的條件。通過對生產(chǎn)設(shè)備數(shù)學模型的分析和仿真，可以確定個別因素對整個控制對象動態(tài)特性的影響，從而對生產(chǎn)設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計提出合理的建議和要求。 3)培訓(xùn)運行操作人員。對一些復(fù)雜的生產(chǎn)操作過程，都應(yīng)該事先對操作人員進行實際操作培訓(xùn)。隨著電子計算機和仿真技術(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)學模型，然后通過計算機仿真使之成為活的模型。在這樣的模型下，可以方便、全面、安全地對運行人員進行培訓(xùn)。 黃河科技學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 17 頁 4)檢查在真實系統(tǒng)中不能實現(xiàn)的現(xiàn) 象。具有破壞性的實驗往往不允許輕易地在實際生產(chǎn)設(shè)備上進行，而是首先需要生產(chǎn)過程的數(shù)學模型，再通過仿真對模型進行實驗研究。 熱工控制對象建模方法 熱工對象動力學模型的建模方法可分為理論建模和實驗建模兩大類 [3235]。 理論建模 理論建模是根據(jù)對象的內(nèi)部機理過程，分析建立起描述對象動態(tài)特性的數(shù)學表達式即數(shù)學模型。這種方法最大的優(yōu)點是在生產(chǎn)設(shè)備還處于設(shè)計階段就能建立起模型，而且由于該模型的參數(shù)直接和設(shè)備的結(jié)構(gòu)、性能參數(shù)有關(guān)，這對設(shè)各的研究和設(shè)計都有重要意義。對那些在實際生產(chǎn)過程中不允許 輕易進行實驗或很難進行實驗的場合，理論建模是唯一可取的途徑。 對于某些較簡單的生產(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態(tài)數(shù)學表達式，既動態(tài)模型。 但對于大多數(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，或是由于對其內(nèi)部物理、化