【正文】 ........................................... 38 設(shè)計(jì)總結(jié) .......................................................................... 38 致謝 ............................................................................... 40 附錄 ............................................................................... 41 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 緒論 1 第 1章 緒論 引言 工業(yè)生產(chǎn)中使用的熱處理設(shè)備種類繁多，如窖爐、鼓風(fēng)爐、烘爐、退火爐、鍋爐等。如果按加溫方法分類，可將熱處理設(shè)備分為兩大類 1． 電熱爐 這類設(shè)備通過(guò)電熱元件通電發(fā)熱而升溫，調(diào)節(jié)加入 爐子的電功率則改變爐內(nèi)的溫度。電功率調(diào)節(jié)一般采用接觸器通斷控制、晶閘管移相觸發(fā)或通斷控制。這一類設(shè)備在工廠占有相當(dāng)大的比例。 2． 燃料爐 這類設(shè)備通過(guò)燃燒燃料發(fā)熱而升溫，調(diào)節(jié)加入爐子的燃料量則改變爐內(nèi)的溫度。如鍋爐、焦?fàn)t等。常用燃料有煤、煤氣、重油等。燃料量的調(diào)節(jié)通常利用閥門、翻板等實(shí)現(xiàn)。這類設(shè)備在工廠中也占有較大比例 熱處理設(shè)備雖然種類繁多，控制方法各有差異，但對(duì)他們采用微機(jī)控制時(shí)，控制原理和方法是基本相同的。 電爐是熱處理生產(chǎn)中應(yīng)用最廣的加熱設(shè)備，通過(guò)布置在爐內(nèi)的電熱元件將電能轉(zhuǎn)化為熱能 ,借助輻射與對(duì)流的傳 熱方式加熱工件。通常可用以下公式定性描述 ? ?02 ???? tKVXdtdXT （ 11） 式中 X—— 電爐內(nèi)溫升（指爐內(nèi)溫度與室溫溫差 ) K—— 放大系數(shù) t—— 加熱時(shí)間 T—— 時(shí)間系數(shù) V—— 控制電壓 τ 0—— 純滯后時(shí)間 但在實(shí)際熱力過(guò)程中，由于被加熱金屬的導(dǎo)熱率、裝入量以及加熱溫度等因素的不同，直接影響著 K 、 T 、τ 0等參數(shù)的變化，因此電爐本身具有很大的不確定性。 溫度控制在熱處理工藝過(guò)程中 ,是一個(gè)非常重要的環(huán) 節(jié)。控制精度直接影響著產(chǎn)品質(zhì)量的好壞。 根據(jù)不同的目的，將材料及其制件加熱到適宜的溫度。 控制器發(fā)展現(xiàn)狀 PID 控制器的發(fā)展現(xiàn)狀 在過(guò)去的 50 年，調(diào)節(jié) PID 控制器參數(shù)的方法獲得了極大的發(fā)展。其中有利用開(kāi)環(huán)階躍響應(yīng)信息，如 CoonCohen 響應(yīng)曲線法；還有使用 Nyquist 曲線法的，如ZieglerNichols 連續(xù)響應(yīng)法。然而這些調(diào)節(jié)方法只識(shí)別了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)信息的一小部分，不能理想的調(diào)節(jié)參數(shù)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人們利用人工智能的方法將操作人員的調(diào)整經(jīng)驗(yàn)作為知識(shí)存入計(jì)算 機(jī)中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，計(jì)算機(jī)能自動(dòng)調(diào)整 PID 參數(shù)。這樣能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整、短的整定時(shí)間、簡(jiǎn)便的操作，改善響應(yīng)特性而推動(dòng)了自整定 PID控制技術(shù)的發(fā)展。 自整定技術(shù)可追溯到 50 年代自適應(yīng)控制處于萌芽時(shí)期， 60 年代國(guó)外有人設(shè)計(jì)了東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 緒論 2 一種自動(dòng)調(diào)節(jié)式的過(guò)程控制器，因其價(jià)格高、體積大、可靠性差而未能商品化。 80 年代由于適用的控制理論的完善以及高性能微機(jī)的使用，才使得自整定控制器得以開(kāi)發(fā)，PID 控制器參數(shù)的自動(dòng)整定技術(shù)設(shè)想已慢慢實(shí)現(xiàn)。 電爐溫度控制技術(shù)發(fā)展日新月異，從模擬 PID、數(shù)字 PID 到最優(yōu)控制、自適 應(yīng)控制，再發(fā)展到智能控制，每一步都使控制的性能得到了改善。在現(xiàn)有的電加熱爐溫度控制方案中， PID 控制和模糊控制應(yīng)用最多，也最具代表性。 模糊 PID 控制 模糊控制的概念是由美國(guó)加利福尼亞大學(xué)著名教授 首先提出的，經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，模糊控制取得了矚目的成就。模糊控制適用于非線性、數(shù)學(xué)模型不確定的控制對(duì)象，對(duì)被控對(duì)象的時(shí)滯非線性和時(shí)變性具有一定的適應(yīng)能力，同時(shí)對(duì)噪聲也有較強(qiáng)的抑制作用，即魯棒性較好。但模糊控制器本身消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的性能比較差，難以達(dá)到較高的控制精度。而 PID 控制正好可以彌補(bǔ)其不足，近年來(lái)已有不少將模糊技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)結(jié)合起來(lái)設(shè)計(jì)模糊邏輯控制的先例。在文獻(xiàn)中介紹了多種能提高 PID控制精度的模糊 PID 混合控制方案，例如：引入積分因子的模糊 PID 控制器；混合型模糊 PID 控制器；另外將其與其它先進(jìn)控制技術(shù)結(jié)合又有模糊自適應(yīng) PID 控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊 PID 控制等。 模糊自整定 PID 控制 模糊自整定 PID 控制是在一般 PID 控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，加上一個(gè)模糊控制規(guī)則環(huán)節(jié)，利用模糊控制規(guī)則在線對(duì) PID 參數(shù)進(jìn)行修改的一種自適應(yīng)控 制系統(tǒng)。它以誤差 e和誤差變化 ec作為輸入，可以滿足不同時(shí)刻的 e和 ec 對(duì)參數(shù)自整定的要求。它將模糊控制和 PID 控制器兩者結(jié)合起來(lái)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，既具有模糊控制靈活而適應(yīng)性強(qiáng)，調(diào)節(jié)速度快的優(yōu)點(diǎn)，又具有 PID 控制無(wú)靜差、穩(wěn)定性好、精度高的特點(diǎn)，對(duì)復(fù)雜控制系統(tǒng)和高精度伺服系統(tǒng)具有良好的控制效果。 圖 11 模糊自整定 PID 控制 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 緒論 3 電爐采用模糊自整定 PID 控制的可行性 在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，電爐隨著負(fù)荷變化或干擾因素的影響，其對(duì)象特性或結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。電爐溫控具有升溫單向性、大時(shí)滯和時(shí)變 的特點(diǎn)，如升溫靠電阻絲加熱，降溫依靠自然冷卻，溫度超調(diào)后調(diào)整慢，因此用傳統(tǒng)的控制方法難以得到更好的控制效果。另外對(duì)于 PID 控制，若條件稍有變化，則控制參數(shù)也需調(diào)整。 自適應(yīng)控制運(yùn) 用現(xiàn)代控制理論在線辨識(shí)對(duì)象特征參數(shù)，實(shí)時(shí)改變其控制策略，使控制系統(tǒng)指標(biāo)保持在最佳范圍內(nèi)。但由于操作者經(jīng)驗(yàn)不易精確描述，控制過(guò)程中各種信號(hào)量以及評(píng)價(jià)指標(biāo)不易定量表示，而模糊理論正是解決這一問(wèn)題的有效途徑。 人們運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)的基本理論和方法，把規(guī)則的條件操作用模糊集表示并把這些模糊控制規(guī)則及有關(guān)信息 (如評(píng)價(jià)指標(biāo)、初始 PID 參數(shù)等 )作為知識(shí)存入計(jì)算機(jī)知識(shí)庫(kù)中，然后計(jì)算機(jī)根據(jù)控制系統(tǒng)的實(shí)際響應(yīng)情況運(yùn)用模糊推理，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì) PID 參數(shù)的最佳調(diào)整。 從以上的分析可知模糊自整定 PID 控制應(yīng)用在具有明顯的純滯后、非線性、參數(shù)時(shí)變類似于電爐這樣特點(diǎn)的控制對(duì)象可以獲得很好的控制性能。大量的理論研究和實(shí)踐也充分證明了用模糊自整定 PID 控制電爐溫度是一非常好的解決方法。它不僅能發(fā)揮模糊控制的魯棒性好、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、上升時(shí)間快和超調(diào)小的特點(diǎn)，又具有 PID 控制器的動(dòng)態(tài)跟蹤品質(zhì)和穩(wěn)態(tài)精度。因此在溫度控制器設(shè)計(jì)中，采用 PID 參數(shù)模糊自整定復(fù)合控 制，實(shí)現(xiàn) PID 參數(shù)的在線自調(diào)整功能，可以進(jìn)一步完善 PID 控制的自適應(yīng)性能，在實(shí)際應(yīng)用中也取得了較好的效果。 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 方案簡(jiǎn)介 4 第 2章 方案簡(jiǎn)介 課題背景與意義 在工業(yè)生產(chǎn)中，電流、電壓、溫度、壓力、流量、流速和開(kāi)關(guān)量都是常用的主要被控參數(shù)。例如，在冶金工業(yè)、化工生產(chǎn)、電力工程、機(jī)械制造和食品加工等許多領(lǐng)域中，人們都需要對(duì)各類設(shè)備如電冰箱、熱處理爐中的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。 工業(yè)控制中希望對(duì)原有系統(tǒng)的技術(shù)進(jìn)行改造，從而提高生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化水平。并在此基礎(chǔ)上配備相應(yīng)的系 統(tǒng)管理軟件，改變傳統(tǒng)的落后的管理方式，使管理工作規(guī)范化，提高溫度控制系統(tǒng)流程的業(yè)務(wù)管理水平。由于工廠原有的溫度控制系統(tǒng)是一個(gè)完全依靠值班人員手動(dòng)控制的系統(tǒng)，所以對(duì)該系統(tǒng)技術(shù)改造的要求是在原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行，設(shè)計(jì)一套溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)，克服由于采用單純手動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行控制帶來(lái)的控制不方便，從而降低了能源消耗和資源浪費(fèi)，提高設(shè)備的可維護(hù)性和運(yùn)行的可靠性，以達(dá)到降低溫控的人力、財(cái)力成本和提高生產(chǎn)管理水平的目的。 傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)主要由測(cè)量電路和控制電路組成，所具備的功能較少，也比較弱，而且結(jié)構(gòu)很復(fù)雜。計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅 速發(fā)展，使得傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)發(fā)生了根本性的變革，即采用微機(jī)作為控制系統(tǒng)的核心，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的控制系統(tǒng)的傳統(tǒng)的電子線路，從而成為新一代的微機(jī)化控制系統(tǒng)。將微機(jī)技術(shù)引入控制系統(tǒng)中，不僅可以解決傳統(tǒng)控制系統(tǒng)不能解決的問(wèn)題，而且還能簡(jiǎn)化電路、增加或增強(qiáng)功能、提高控制精度和可 靠 性，顯著增強(qiáng)測(cè)控系統(tǒng)的自動(dòng)化、智能化程度，而且可以縮短系統(tǒng)研制周期、降低成本、易于升級(jí)和維護(hù)。因此，現(xiàn)代控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，特別是高精度、高性能的控制系統(tǒng)，目前已 大多數(shù) 采用計(jì)算機(jī)技術(shù)了。 計(jì)算機(jī)技術(shù)的引入，可以為控制系統(tǒng)帶來(lái)以下一些新特點(diǎn)和新功能。 （ 1） 自動(dòng)調(diào)零功能在每次采樣前對(duì)傳感器的輸出值自動(dòng)清零，從而大大降低因控制系 統(tǒng)漂移變化造成的誤差。 （ 2） 數(shù)字濾波功能利用 計(jì) 算機(jī)軟件對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以抑制各種干擾和脈沖信號(hào)。 （ 3） 數(shù)據(jù)處理功能利用計(jì)算機(jī)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀器無(wú)法實(shí)現(xiàn)的各種復(fù)雜的處理和運(yùn)算功能。 （ 4） 復(fù)雜控制規(guī)律利用計(jì)算機(jī)技術(shù)不僅可以實(shí)現(xiàn)經(jīng)典的 PID 控制，還可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的控制規(guī)律，例如，自適應(yīng)控制、模糊控制等。 （ 5） 自我診斷功能采用計(jì)算機(jī)技術(shù)后，可對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)故 障則立即進(jìn)行報(bào)警，并可顯示故障部位或可能的故障原因，對(duì)排除故障的方法進(jìn)行提示。 微機(jī)化的控制系統(tǒng)是以微機(jī)為核心、測(cè)量控制一體化的系統(tǒng)，這種系統(tǒng)對(duì)被控對(duì)象的控制是依據(jù)對(duì)被控對(duì)象的測(cè)量結(jié)果決定的。因此，它實(shí)質(zhì)上是一種閉環(huán)控制系統(tǒng)東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 方案簡(jiǎn)介 5 系統(tǒng)方案概述 單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)是數(shù)控系統(tǒng)的一個(gè)簡(jiǎn)單應(yīng)用。在冶金、化工、建材、機(jī)械、食品、石油等各類工業(yè)中，廣泛使用著加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐等，因此，溫度是工業(yè)對(duì)象中一個(gè)主要的被控參數(shù)。由于爐子的種類不同，因而所使用的燃料和加熱方法也不同，例如煤氣、天然氣、油、 電等 。由于工藝不同，所需要的溫度高低不同，因而所采用的測(cè)溫元件和測(cè)溫方法也不同 。產(chǎn)品工藝不同，控制溫度的精度也不同，因而對(duì)數(shù)據(jù)采集的精度和所采用的控制算法也不同。 單片微型計(jì)算機(jī)的功能不斷的增強(qiáng)，為先進(jìn)的控制算法提供的載體，許多高性能的新型機(jī)種應(yīng)運(yùn)而生。 本系統(tǒng)所使用的加熱爐為電加熱爐，爐絲功率為 2kw，系統(tǒng)要求爐膛恒溫，誤差為士 VC,超調(diào)量可能小，溫度上升較快且有良好的穩(wěn)定性 . 單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)是以 MS5l單片機(jī)為控制核心，輔以采樣反饋電路，驅(qū)動(dòng)電路，晶閘管主電路對(duì)電爐爐溫進(jìn)行控制的微機(jī)控制系統(tǒng)。其系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)框圖可表示為 :系統(tǒng)采用單閉環(huán)形式，其基本控制原理為 :將溫度設(shè)定值 (即輸入控制量 )和溫度反饋值同時(shí)送入控制電路部分，然后經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)器運(yùn)算得到輸出控制量，輸出控制量控制驅(qū)動(dòng)電路得到控制電壓施加到被控對(duì)象上，電爐因此達(dá)到一定的溫度。 圖 11 控制電路的設(shè)計(jì) 給定值 8031 控制電路 驅(qū)動(dòng) 電路 晶閘管 主電路 被控 對(duì)象 輸出 溫度 采樣電路 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 方案簡(jiǎn)介 6 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求： 該系統(tǒng)為溫度控制系統(tǒng)，在整個(gè)工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中起著關(guān)鍵性的作用，在工業(yè)生產(chǎn)中，溫度是一個(gè)最重要的物理量。對(duì)其進(jìn)行測(cè)量和控制必須有嚴(yán)格的要求，故本系統(tǒng) 對(duì)溫度檢測(cè)、采樣和控制都具有嚴(yán)格的要求標(biāo)準(zhǔn)。按照系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功能要求，本 溫度控制系統(tǒng)采用單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用自行編寫的軟件系統(tǒng)來(lái)完成被測(cè)溫度的采集、計(jì)算，以及顯示等等功能。同時(shí)，控制各種外圍的設(shè)備，使整個(gè)系統(tǒng)能高效準(zhǔn)確的運(yùn)行，以達(dá)到溫度控制的目的。 基于此，系統(tǒng)的大致要求有以下兩點(diǎn)： 1) 要有一定的控制精度和轉(zhuǎn)換精度（一般采用數(shù)字式 PID 控制）。 2) 要求設(shè)計(jì)一個(gè)清晰明了的整體方案，各個(gè)芯片的選用要具體，具有良好的擴(kuò)展技術(shù)和接口技術(shù)。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案： 本設(shè)計(jì)的主要解決的問(wèn)題是通過(guò)單片機(jī)控制系統(tǒng) ,實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的智能控制。具體設(shè)計(jì)方案如下：采用溫度傳感器完成對(duì)溫度的數(shù)據(jù)采集，并把溫度值轉(zhuǎn)換為電壓值，經(jīng)過(guò)放大、 A/D 轉(zhuǎn)換為數(shù)字量進(jìn)入單片機(jī)控制系統(tǒng)，與單