【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(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 電阻爐正面視圖 電阻爐結(jié)構(gòu)如圖 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 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 11 頁 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 ?；蛘咄ㄟ^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) PID 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。 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。 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，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。 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 12 頁 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。 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。 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)，所以對(duì)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(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)。 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(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。 我們將仿真中得到 FUZZYPID 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。 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 14 頁 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)。 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/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(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）。 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， 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(huì)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(chǎng)前景更加美好。 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。 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 16 頁 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 [16] 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，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 /29311，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)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)。 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 17 頁 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。 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 [3235]。 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