【正文】 D 的控制結(jié)構(gòu)原理 ...............................................................29 加熱爐溫度的模糊自適應(yīng) PID 控制器的設(shè)計 ..................................................30 溫度值模糊自適應(yīng) PID 的模糊化 ...............................................................30 模糊自適應(yīng) PID 的模 糊規(guī)則及推理算法 ...................................................31 模糊自適應(yīng) PID 控制器的解模糊化 ...........................................................32 4 爐溫測控系統(tǒng)上位機 軟件實現(xiàn)技術(shù) .....................................................................34 MATLAB 軟件與 VC 軟件通信的實現(xiàn) ................................................................34 可視化上位機監(jiān)控界面的實現(xiàn) ..........................................................................35 總結(jié)與展望 .....................................................................................................................36 總結(jié) ......................................................................................................................36 展望 ......................................................................................................................37 致謝 .................................................................................................................................38 參考文獻 .........................................................................................................................39 附 錄 .............................................................................................................................41 附錄 A： 英文文獻 ...................................................................................................41 附錄 B： 中文譯文 ...................................................................................................44 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 1 頁 1 緒論 研究背景 和研究意義 隨著世界各國經(jīng)濟的 快速發(fā)展，對能源的消耗與日俱增，怎樣降低功耗提高經(jīng)濟效益，已經(jīng)成為世界人們所關(guān)注的問題。我國經(jīng)過 20多年的改革開放，經(jīng)濟的發(fā)展更是迅猛，但是也帶來了許多問題，例如煤炭，石油緊缺短缺的問題，這是一個國家發(fā)展的經(jīng)濟命脈，經(jīng)濟強國都競相開發(fā)上述資源的替代品。 電加熱爐技術(shù)可 以廣泛應(yīng)用于石油冶煉，軋鋼等工業(yè)行業(yè)上，并且加熱爐的能源消耗優(yōu)勢可以占一個工廠能源消耗的 60%以上，所以說，怎樣有效的降低加熱爐的能源消耗，提高經(jīng)濟效益，已經(jīng)擺在人們的面前，加熱爐技術(shù)已經(jīng)有幾十年的發(fā)展歷史了，各個時期有不同的產(chǎn)品，它們都代表各 個時期的發(fā)展水平。但是，縱觀加熱爐的發(fā)展史，它們都普遍存在的問題是加熱爐的控制精度不高，能源損失比較大的特點，隨著計算機控制技術(shù)的發(fā)展，用計算機來控制加熱爐已經(jīng)成為當前的發(fā)展趨勢，本次畢業(yè)設(shè)計就是在這個背景下提出來的 。 隨著新技術(shù)的不斷開發(fā)與應(yīng)用，近年來用單片機進行控制的技術(shù)革命浪潮正在蓬勃興起，單片機的應(yīng)用已經(jīng)滲透到電力、冶金、化工、建材機械、食品、石油等各個行業(yè)，尤其在工業(yè)控制、自動化儀器儀表、計算機系統(tǒng)接口、智能化外設(shè)等應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展很快，它的應(yīng)用對于產(chǎn)品升級換代、機電一體化都具有重要的意義。在工業(yè)生產(chǎn) 中，電流、電壓、溫度、壓力、流量、速度和開關(guān)量都是常用的主要被控參數(shù)。其中，溫度控制也越來越重要。在工業(yè)生產(chǎn)的很多領(lǐng)域中，人們都需要對各類電熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐和鍋爐中的溫度進行檢測和控制。采用單片機對溫度進行控制不僅具有控制方便、簡單和靈活性大等優(yōu)點，而且可以大幅度提高被控溫度的技術(shù)指標，從而能夠大大的提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。 所要解決的主要問題 在對溫度控制發(fā)展現(xiàn)狀、系統(tǒng)控制要求進行研究的基礎(chǔ)上，選擇了整個控制系統(tǒng)的控制方案； 完成系統(tǒng)的硬件設(shè)計，包括采樣電路、 A/D轉(zhuǎn)換電路、主控制電 路、保護電路等 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 2 頁 等的設(shè)計； 完成該系統(tǒng)的軟件設(shè)計，包括要程序模塊、控制運算模塊、數(shù)據(jù)輸入輸出及處理模塊等一些子功能模塊的設(shè)計； 研究了該系統(tǒng)的控制策略。在建立溫度控制系統(tǒng)數(shù)學模型的基礎(chǔ)之上，通過對PID控制 、 PID模糊自整定算法 的分析設(shè)計了系統(tǒng)控制器； 完成了系統(tǒng)的軟、硬件調(diào)試工作 ； 立足于提高國家電加熱 企業(yè)競爭力， 節(jié)能環(huán)保，低碳高效。 通過對 加熱爐算法的研究可以更快的控制溫度達到穩(wěn)定值的時間更小的減小誤差值。為提高企業(yè)競爭力 提出有效策略。 研究方法 和 創(chuàng)新之處 研究方法： 通過書店 、圖書館、網(wǎng)絡(luò)等途徑進行資料的收集和整理，并對 加熱爐進行實地溫度的測量，采集數(shù)據(jù)，用 matlab 軟件模擬出數(shù)學模型，為 PID 算法提供數(shù)學模型。同時用 實驗室 實驗箱 調(diào)試下位機 編寫 好的 軟件 ，達到理想效果 。 創(chuàng)新點： 本文是在通過 對國家提倡低碳環(huán)保，節(jié)能減排的大環(huán)境下提出的，用電加熱爐可以有效減小碳排放， 采用上位機和下位機 對溫度進行控制不僅具有控制方便、簡單和靈活性大等優(yōu)點，而且可以大幅度提高被控溫度的技術(shù)指標，從而能夠大大的提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。 本文 初步 研究了 MATLAB與 VC的 接口 通信問題。 本文對不同加熱算 法進行了研究，并用 MATLAB進行仿真觀察對比了不同控制算法的特點和不同控制特性，最后 選擇編程簡單 、 調(diào)試可針對對象的 PID算法燒寫入單片機，另外還設(shè)置了單片機與上位機的通信，根據(jù)不同的需要可以通過上位機對加熱爐選擇不同的復雜 控制算法。其中有大多數(shù)控制系統(tǒng)都適用的 普通 PID的算法，以及不需要建立模型的模糊算法等。 電加熱爐的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 最近幾年來，隨著工業(yè)的快速發(fā)展，需要消耗大量的能源，并且環(huán)境污染問題越來越突出，節(jié)省能源、保護環(huán)境已被人們所接受，成為今后科學技術(shù)發(fā)展的方向。因此，通過國內(nèi)加熱技 術(shù)在工業(yè)行業(yè)的應(yīng)用情況的總結(jié)對比分析，可以預見出國內(nèi)加熱爐的發(fā)展方向及趨勢。低碳、節(jié)能、環(huán)保、高效的加熱爐越來越得到認可。 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 3 頁 對于現(xiàn)在講品質(zhì)、講效率的時代，一個加熱爐的自動化水平的高低和加熱形式的多樣性，決定了該加熱爐適應(yīng)的生產(chǎn)行業(yè)的發(fā)展水平。 但是隨著計算機技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，用計算機來控制加熱爐的智能控制系統(tǒng)進行加熱已成為一個新的發(fā)展方向。 目前，國外已研究出多種加熱爐控制模式，實際應(yīng)用各有所長，我國加熱爐微機自動控制起步較晚，但也取得了很大的進展，但迄今為止，國內(nèi)加熱爐的控制（常規(guī)儀表控制或計算機控 制）大多還處于人工經(jīng)驗、單值設(shè)定控制階段。為此鞍山市戴維冶金科技開發(fā)有限公司經(jīng)過長期的現(xiàn)場實踐，通過對加熱爐加熱過程的分析，組成了一支由熱工、計算機自動控制工程師和專家為主體的攻關(guān)隊伍，并與清華大學，哈爾濱工業(yè)大學計算機與自動控制方面的教授、專家合作，開發(fā)出了“軋鋼加熱爐過程優(yōu)化與自動控制系統(tǒng)”，該系統(tǒng)在鞍鋼新扎線材廠、天鋼高速線材廠和唐鋼線材廠的生產(chǎn)實踐中得到了應(yīng)用，經(jīng)過長期的現(xiàn)場生產(chǎn)實踐的檢驗與考核，通過企業(yè)的驗收與鑒定，給企業(yè)帶來了巨大的經(jīng)濟效益，受到有關(guān)企業(yè)領(lǐng)導，冶金加熱工、冶金自動化、計算機、軋鋼 專業(yè)專家及加熱工人的好評。 國內(nèi)各種形式的加熱爐發(fā)展到現(xiàn)在，還不能講哪一種形式是最先進、最成熟的，都多多少少存在一些問題，還有待我們?nèi)ヌ剿?，如各熱工參?shù)之間和設(shè)計結(jié)構(gòu)之間的定量關(guān)系，控制系統(tǒng)和調(diào)節(jié)系統(tǒng)的最優(yōu)化，但計算機控制加熱爐系統(tǒng)是一種發(fā)展方向。 從工業(yè)控制器的發(fā)展過程來看，溫度控制技術(shù)大致可分為一下幾種： 定值開關(guān)控溫法 所謂定值開關(guān)控溫法，就是通過硬件電路或軟件計算判別當時溫度值與設(shè)定目標溫度值之間的關(guān)系，進行對系統(tǒng)加熱裝置（或冷卻裝置）進行通斷控制。若當前溫度值比設(shè)定溫度值高，則關(guān)斷加 熱器，或者開動制冷裝置；若當前溫度值比設(shè)定溫度值低，則開啟加熱器并同時關(guān)斷制冷器，這種開關(guān)控溫方法比較簡單，在沒有計算機參與的情況下，用很簡單的模擬電路就能夠?qū)崿F(xiàn)。目前，采用這種控制方法的溫度控制器在我國許多工廠的老式工業(yè)電爐中仍被使用。 由于這種控制方式是當系統(tǒng)溫度上升至設(shè)定點時關(guān)斷電源，當系統(tǒng)溫度下降至設(shè)定點時開通電源，因而無法克服溫度變化過程的滯后性，致使別控對象溫度波動較大，控制精度低，完全不適用于高精度的溫度控制。 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 4 頁 PID 線性控溫法 這種控溫方法是基于經(jīng)典控制理論中的 PID調(diào)節(jié)器控制 原理， PID控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一，由于其算法簡單、魯棒性好、可靠性高等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用工業(yè)過程控制中。尤其適用于可建立精確數(shù)學模型的確定性控制系統(tǒng)。由于 PID調(diào)節(jié)器模型中考慮了系統(tǒng)的誤差，誤差變化及誤差積累三個因素，因此，其控制性能大大地優(yōu)越于定值開關(guān)控溫。其具體控制電路可以采用模擬電路或計算機軟件方法來實現(xiàn) PID調(diào)節(jié)功能。前者稱為模擬 PID控制器，后者稱為數(shù)字 PID控制器。其中數(shù)字 PID控制器的參數(shù)可以在現(xiàn)場實現(xiàn)在線整定，因此具有較大的靈活性，可以得到較好的控制效果。采用這種方法實現(xiàn)的溫度控制器 ，其控制品質(zhì)的好壞主要取決于三個 PID參數(shù)（比例值、積分值、微分值）。只要 PID參數(shù)選取的正確，對于一個確定的受控系統(tǒng)來說，其控制精度是比較令人滿意的。但是，它的不足也恰恰在于此，當對象特性一旦發(fā)生改變，三個控制參數(shù)也必須相應(yīng)地跟著改變，否則其控制品質(zhì)就難以得到保證。 智 能 溫度控制 法 為了克服 PID線性控溫法的弱點，人們相繼提出了一系列自動調(diào)整 PID參數(shù)的方法，如 PID參數(shù)的自學習，自整定等等。并通過將智能控制與 PID控制相結(jié)合，從而實現(xiàn)溫度的智能控制。智能控溫法以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊數(shù)學為理論基礎(chǔ) ，并適當加專家系統(tǒng)來實現(xiàn)智能化。其中應(yīng)用較多帶有模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制以及專家系統(tǒng)等。尤其是模糊控溫法在實際工程技術(shù)中得到了極為廣泛的應(yīng)用。目前已出現(xiàn)一種高精度模糊控制器，可以很好的模擬人的操作經(jīng)驗來改善控制性能，從理論上講，可以完全消除穩(wěn)態(tài)誤差。所謂第三代只能溫控儀表，就是指基于智能控溫技術(shù)而研制的具有自適應(yīng) PID算法的溫度控制儀表。 目前國內(nèi)溫控儀表的發(fā)展，相對國外而言在性能發(fā)面還存在一定的差距，他們之間最大的差別主要還是在控制算法方面，具體表現(xiàn)為國內(nèi)溫控儀在全量程范圍內(nèi)溫度控制精度比較低，自適應(yīng)性較差 。這種不足的原因是多方面造成的，如針對不同的被控對象，由于控制算法的不足而導致控制精度不穩(wěn)定。 系統(tǒng)總體設(shè)計方案 本論文所討論的基于單片機的溫度控制系統(tǒng)是某型號氣相色譜儀的溫度控制子系 東北大學秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 5 頁 統(tǒng)，其目的是對兩個溫控箱的溫度進行恒值溫度控制 ， 范圍在室溫 與 攝氏 1600度之間，溫度控制的精度要求為177。 2攝氏度。下面討論系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，包括：系統(tǒng)的性能要求及特點及系統(tǒng)的軟、硬件方案分析。 系統(tǒng)性能要求及特點 系統(tǒng)性能要求： （ 1）可以 人 為方便地通過控制面板或 PC機設(shè)定控制期望的溫度值，系統(tǒng)應(yīng) 能自動將溫控箱加熱至此設(shè)定溫度值并能保持，直至重新設(shè)定為另一溫度值，即能實現(xiàn)溫度的自動控制； （ 2）能夠?qū)崿F(xiàn)對溫控箱溫度的測量并且通過控制面板上的液晶顯示實時的顯示出