【正文】 LINK 的概述 ......................................................................................... 37 仿真結(jié)果 ................................................................................................................... 38 PID 控制的仿真 .............................................................................................. 38 純 模糊控制的仿真 ........................................................................................ 41 模糊 PID 控制的仿真 ................................................................................... 42 模糊 PID 控制與 PID 控制仿真結(jié)果的比較 ............................................... 43 仿真結(jié)果的討論 ....................................................................................................... 44 參考文獻(xiàn) .................................................................................................................................. 45 致謝 .......................................................................................................................................... 47 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 第一章 引 言 課題 背景 工業(yè)電阻爐是一門綜合性應(yīng)用技術(shù)。由于高性能新材料的出現(xiàn)，檢測監(jiān)控元件的更新?lián)Q代，微機(jī)控制在電爐中的應(yīng)用，使得我國 工業(yè)電阻爐在 90年代發(fā)展 迅 速 。行業(yè)間的壟斷體制已開始打破。對于間歇作業(yè)電阻爐有了快冷式內(nèi)、外循環(huán)的真空護(hù)系列，對于連續(xù)作業(yè)式電阻爐有了使用于彩色顯像管的工業(yè)隧道爐系列。由于電阻爐是耗能很大的設(shè)備，而能源是國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。為了節(jié)約能源，老式電阻爐大都要進(jìn)行技術(shù)改造，使其節(jié)約電能。對于新設(shè)計電阻爐，就要更加注意提高熱效率，降低能耗水平，特別是大容量和特高溫的電爐。 隨著 21 世紀(jì)的來臨，隨著我國進(jìn)入 WTO 行列，這將給我國的工業(yè)電阻爐帶來更佳的發(fā)展機(jī)遇。不僅要打破國內(nèi)工業(yè)行業(yè)的界限，也將和國際的產(chǎn) 業(yè)接軌，那么，對于電阻爐的研究有很大的意義。 論文研究的主要內(nèi)容 本文以電阻爐為研究對象，針對電阻爐的溫度，在比較、研究不同控制策略的基礎(chǔ)上，主要對模糊控制、 PID 控制算法在電阻爐溫度控制中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。利用模糊控制、 PID 控制算法的優(yōu)越性，改善電阻爐溫度的控制品質(zhì)，提高控制效果。本文主要進(jìn)行了以下幾方面的工作： （ 1） 論述了電阻爐溫度控制系統(tǒng)的課題目的、意義，當(dāng)前計算機(jī)測控系統(tǒng)的發(fā)展動態(tài)及本論文的主要內(nèi)容并對電阻爐的控制特點進(jìn)行了簡要分析。 （ 2） 介紹模糊控制及 PID 控制算法的相關(guān)知識。 （ 3） 設(shè)計電 阻爐溫度測控系統(tǒng)的方案及建立電阻爐測控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） （ 4） 針對被控對象電阻爐這一類大慣性、純延時的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計測溫電路，并利用 MATLAB 進(jìn)行了仿真。 （ 5） 對仿真結(jié)果進(jìn)行分析和討論。 論文研究的重點和難點 電阻爐具有高度非線性、大時滯、大慣性、時變性等特點，應(yīng)用傳統(tǒng)的 PID 控制雖然結(jié)構(gòu)簡單、容易實現(xiàn)，卻依賴于被控對象精確的數(shù)學(xué)模型且無法保證控制精度。單純模糊控制雖然能夠適用于無法精確解析建模的物理對象，但 是 要獲得好的控制效果需要有系統(tǒng)的 專業(yè) 知識和完整合理的模糊規(guī)則，這導(dǎo)致其應(yīng)用受到了很大局限。 如何運用 模糊 控制與 PID 控制 相結(jié)合的方法 對電阻爐溫度進(jìn)行實時控制并取得良好的控制效果，是本文研究的重點。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 第二章 電阻爐的介紹 電阻爐是利用電流通過電熱體元件將電能轉(zhuǎn)化為熱能來加熱或熔化工件和物料的熱加工設(shè)備。與其他電爐相比，電阻爐具有熱效率高、溫度易控制 、 操作條件好、爐體壽命長，適用于對加熱制度要求較嚴(yán)的工件加熱，并且發(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。電阻爐由爐體、電氣控制系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)組成。爐體由爐殼、加熱器、爐襯 (包括隔熱屏 )等部件組成。電氣控制系統(tǒng)包括電子電路 、微機(jī)控制、儀表顯示及電氣部件等。輔助系統(tǒng)通常指傳動系統(tǒng)、氣體管道系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等，隨爐種的不同而異 【 18】 。 電阻爐的主要參數(shù)有額定電壓、額定功率、額定溫度、工作空間尺寸、生產(chǎn)率、空爐損耗功率、空爐升溫時間、爐溫控制精度及爐溫均勻性等。電阻爐廣泛應(yīng)用于機(jī)械零件的淬火、回火、退火、滲碳、氮化等熱處理，也用于各種材料的加熱、干燥、燒結(jié)、釬焊、熔化等，是發(fā)展最早、品種規(guī)格最多、需要量最大的一類電爐。 電阻爐的特點 （ 1） 熱效率高。電阻爐不需要燃燒氣體 (或固體、液體 )，沒有排出因燃燒而產(chǎn)生的廢氣造成的熱 損失，爐膛空間內(nèi)熱強度高，能達(dá)到較高的溫度，使高熔點 工件 得以熔化。 （ 2） 能滿足工件在各種工藝氛圍 (保護(hù)、運載、反應(yīng) )中的要求，并使之成為可控。能用質(zhì)量流量計對所控氣氛進(jìn)行監(jiān)測。由保護(hù)氣氛來保證爐內(nèi)氣氛的清潔。比如保護(hù)氛田為真空，可以將爐內(nèi)的殘余氣體抽走，保護(hù)氣氛為氫氣，各種廢氣可隨之運出。高純度的氫氣，其含氧量可小于 ，其露點小于 70℃。 （ 3） 能夠滿足工作空間溫度場均勻度和恒溫的精度要求，比如在 48 小時內(nèi)溫度不得漂移177。 ℃ 。 （ 4） 整個工藝過程 (電、氣、水的壓力與流量 )能用微控和智能化程 序控制。有連鎖內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 保護(hù)、報警、防爆、數(shù)顯、曲線記錄等功能，使之操作簡便，工藝穩(wěn)定，重復(fù)性好。 （ 5） 勞動條件好，不致污染環(huán)境。 （ 6） 占地面積小，節(jié)省投資。 電阻爐的分類 按傳熱方式分 （ 1） 輻射式電阻爐 。 以輻射傳熱為主、對流傳熱作用很小。爐溫高于 1000℃時，稱高溫電阻爐；爐溫為 650～ l000℃時，稱中溫電阻爐；爐溫低于 650℃時，稱低溫電阻爐。 （ 2） 對流式電阻爐 。 以對流傳熱為主，輻射傳熱為輔，通常稱空氣循環(huán)電爐，爐溫多低于 650℃。 （ 3） 鹽浴爐 。 工件浸在鹽液內(nèi)加熱，分以下兩種類型。 ①電極鹽浴爐。鹽液 是發(fā)熱體又是加熱介質(zhì)，以傳導(dǎo)和對流方式對工件進(jìn)行加熱。鹽液溫度隨爐溫不 同 而異：鹽液溫度 1000～ 1350℃時，稱高溫鹽浴爐； 550～ 1000℃時，稱中溫鹽浴爐； 150～ 550℃時，稱低溫鹽浴爐。 ②硝鹽爐。用管狀電熱元件將硝鹽加熱熔化，熔融的硝鹽是加熱介質(zhì)，以傳導(dǎo)和對流方式對工件進(jìn)行加熱。鹽液溫度 200～ 550℃。如用堿類代替硝鹽，則稱為堿浴爐 。 按爐內(nèi)氣氛分 按爐內(nèi)氣氛分為氧化性氣氛爐 (一般電阻爐均 屬 此類 )、可控氣氛爐、真空電阻爐和流動粒子爐等。 按爐型分 電阻爐按結(jié)構(gòu)形式分為室式爐、臺車式爐、井式爐、連 續(xù)式 (包括推桿式、步進(jìn)式、振底式、輸送帶式 )爐等。此外 ， 還 有立 式聯(lián)合電爐、淬火回火聯(lián)合電爐等。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） ① 室內(nèi)電阻爐 箱式爐體，固定式爐底，實 行間 斷加熱， 具有 結(jié)構(gòu)簡單、通用性好、購置費用低等特點，適 用于中小型 工件熱處理加熱用。 ② 臺車式 電阻 爐 室狀爐膛，爐底為 一 活動臺車，臺 車 兩側(cè)及 尾 部有密封裝置，電熱元件布置在爐膛兩側(cè)及爐 底 溝槽內(nèi)，大型臺車式電阻爐的端墻 及 爐門 上 也 布置有 電熱元件，臺車進(jìn)出爐和爐門升降均有 專 門機(jī)構(gòu)驅(qū) 動 。臺車式電阻爐除具 有 室式電阻爐的優(yōu)點外，還 具有 裝載量大、生產(chǎn) 率高 、裝卸料方便等優(yōu)點。缺點 是當(dāng) 爐底移出時 爐內(nèi)熱量散失大，爐溫 下 降快。 ③井 式 電阻 爐 爐膛為一豎直圓筒，電熱元件沿爐膛分層布置，多區(qū)分別控溫，爐內(nèi)溫差小，適用于軸類及桿件吊掛加熱，可避免工件彎曲變形，工件進(jìn)出爐多用橋式起重機(jī)起吊。小型井式電阻爐采用整體爐溫，吊具裝在爐內(nèi)，爐口密封性好；大型井式爐采用對開式爐蓋，吊具頂端掛在爐外承料梁上。常用井式電阻爐的爐膛直徑為 ～ ，爐膛深度可達(dá)30m。 ④連續(xù) 式 電阻 爐 爐膛前后貫通，爐膛兩端分別設(shè)有升降式爐門，爐內(nèi)通常分為預(yù)熱、加熱、保溫等幾個加熱區(qū)段。工件置放在爐底或爐底上的料盤內(nèi)，由推料機(jī)、步進(jìn)機(jī) 或振底機(jī)構(gòu)連續(xù)進(jìn)料，也可將工件放在輸送帶上連續(xù)、慢速地向爐內(nèi)進(jìn)料。工件由入爐到出爐的過程，亦即工件的全部加熱過程。 連續(xù)式電阻爐的生產(chǎn)率高，操作條件好，適于在生產(chǎn)線上對工件進(jìn)行淬火、回火、正火處理，爐溫多在 950℃以下。電熱元件布置在爐膛側(cè)墻上，大型爐子的爐頂、爐底上也需布置電熱元件 ， 元件可采用螺旋線或波形帶式。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） ⑤立 式 聯(lián)合電 爐 立 式聯(lián) 合 電爐 是 將 工 件 在 熱處理過程中需要 的主 要熱處 理 設(shè)備按 工藝 順序排列成線，組成 一 個 可 連續(xù)操作的 生 產(chǎn)線。 淬火加熱爐布置在車間地面以上，可沿軌道左右移動；硝鹽爐、預(yù)熱爐、淬火油槽 (淬 火水槽 )冷卻井、洗滌槽、熱水槽、回火電阻爐等布置在地坑內(nèi)。工件熱處理時，先將工件在預(yù)熱爐內(nèi)預(yù)熱 (有的工件可不需預(yù)熱 )，再吊裝入淬火加熱爐內(nèi)加熱，加熱后的工件隨淬火加熱爐一起移動到淬火油槽 (或淬火水槽、硝鹽爐 )上方，開動卷揚機(jī)迅速將工件降到油槽中淬火。工件入油后，淬火加熱爐開走，再對第二批工件加熱。淬火后的工件吊入洗滌裝置清洗、干燥后，再吊入回火爐中進(jìn)行回火處理，從而完成一個熱處理周期。 立式聯(lián)合電爐適用于軸類、桿件等長形工件的熱處理，工件從出加熱爐到入淬火油槽中冷卻，在大氣中停留的時間短，因而氧化少。又因工 件始終在吊掛狀態(tài)下加熱，工件變形小。通過實行機(jī)械化半連續(xù)操作，爐子生產(chǎn)率較高。 電阻爐的工作原理 電阻爐 工作 原理是使電流 通過 在爐中的特殊發(fā)熱元件。按楞次 —— 焦耳定律在元件中發(fā)出熱 量 ： RTIQ ? （ 21） 式中： I— 發(fā)熱元件中的電流，安； R— 電路電阻，歐； T— 加熱時間，秒。 發(fā)熱元件由于放射熱量而提高爐膛的溫度，因而就把被加熱金屬加熱至所需要的溫度。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 電阻爐的數(shù)學(xué)模型及其推導(dǎo) 整定 PID 的基礎(chǔ)是對控制系統(tǒng)和控制對象的數(shù)學(xué)建模，它需要確定對象數(shù)學(xué)模型中的參數(shù)。對象的數(shù)學(xué)模型不同，所用的整定程序及整定公式也會不同。 從實際應(yīng)用中，可以知道電阻爐是一種能自衡的對象， 其 電阻爐的數(shù)學(xué)模型是1 sK eTS ???? ，該模型是個純滯后、一階慣性環(huán)節(jié)， 將電阻爐爐膛內(nèi)的溫度作為唯一變量，可以寫出它的常微分方程。 當(dāng)電阻爐爐膛溫度穩(wěn)定時，則某一時刻加熱元件 （本系統(tǒng)采用熱電偶） 發(fā)出的熱量 tQ應(yīng)該等于該時刻爐膛中積累的熱量 1Q ，和通過爐體散失掉的熱量 2Q 之和，即 : 21 Qt ?? （ 22） 1Q , 2Q 大致可以用下面兩個式子表示 : 1 KdTQCdt?； 02 KTTQ R?? （ 23） 式中： C 為電阻爐的熱容量， KT 為爐內(nèi)溫度， t 為燒結(jié)時間 ,0T 為環(huán)境溫度， R 為電阻爐的熱阻 (絕緣材料及爐內(nèi)、外部流動氣體產(chǎn)生的 )。當(dāng)爐內(nèi)溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于環(huán)境溫度時，0T 可忽略，于是 : KKt dT TQCdt R?? （ 24） 兩邊取拉氏變換得： 11( ) ( ) ( )t K K KQ C S T s T s C S T sRR??? ? ? ? ? ? ? ????? （ 25） 所以： () 11()KtTsQt CS R? ?? （ 26） 由于測量元件的時間滯后，加上電阻爐本身所固有的熱慣性，使得控制信號與溫度內(nèi)蒙古