【正文】 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 1 頁 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。對(duì)本研究提供過幫助和做出過貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。 作 者 簽 名： 日 期： 指導(dǎo)教師簽名： 日 期： 使用授權(quán)說明 本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝?、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉?jī)?nèi)容。 作者簽名： 日 期： 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 2 頁 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交 的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。 作者簽名： 日期： 年 月 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán) 大學(xué)可以將 本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。 作者簽名： 日期： 年 月 日 導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 3 頁 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 4 頁 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 5 頁 1 緒 論 箱式電阻爐是工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的利用電熱效應(yīng)產(chǎn)生的熱量加熱或熔化物料的設(shè)備，通常由爐體和配套的機(jī)電裝置組成。工業(yè)電阻爐種類繁多，應(yīng)用廣泛，按電熱方式不同，可分為電阻爐、感應(yīng)爐、電弧爐、等離子爐、電子束爐、介質(zhì)（微波）加熱設(shè)備等幾大類。而 每一類還可根據(jù)加熱方式、爐體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、物料輸送方式、操作方式、電源特點(diǎn)、加熱用途、爐內(nèi)氣氛與介質(zhì)的不同等等分成許多小類。 箱式電阻爐是利用電流通過電阻絲產(chǎn)生的熱量來加熱或熔化物料的一類電爐 。影響箱式電阻爐加工質(zhì)量的一個(gè)重要因素就是電阻爐的溫度控制的精度，所以，溫度控制是箱式電阻爐設(shè)備的制造之中的重中之重。 箱式 電阻爐溫度控制方法的應(yīng)用現(xiàn)狀 當(dāng)前，自動(dòng)化裝置己成為現(xiàn)代生產(chǎn)過 程的重要組成部分，自動(dòng)化裝置是保證生產(chǎn)過程正常進(jìn)行的重要因素和條件 ，生產(chǎn)過程自動(dòng)化的程度己成為衡量工業(yè)企業(yè)現(xiàn)代化水平的一個(gè)重 要標(biāo)志 。 電阻爐溫度控制方法 也不例外是一個(gè)自動(dòng)化控制的方式，使電阻爐的溫度控制精度更高，使熱加工質(zhì)量更好。 箱式 電阻爐控溫系統(tǒng)的常規(guī)結(jié)構(gòu)及方法 目前， 箱式 工業(yè)電阻爐的自動(dòng)化水平 較低，在控制方法上很多還停留在簡(jiǎn) 單控制水平上。由于小型 箱式 電阻爐一般應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)或小容量用爐的場(chǎng)合，這種電阻爐在設(shè)計(jì)方面滿足了慣性小、非線性弱的控制要求 、 同時(shí)在應(yīng)用過程中的擾動(dòng)也比較少 、 動(dòng)態(tài)參數(shù)時(shí)變性不大 、 因此， PID 控制器足以滿足這種電阻爐控溫系統(tǒng) 的要求。尤其工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家生產(chǎn) 的 PID 溫度控制器，以及一些國(guó)內(nèi)采用引進(jìn) 技術(shù)而生產(chǎn)的模擬 PID 控制器，都得到了廣泛的應(yīng)用 [1]。 與小容量箱式電阻爐相比 大容量工業(yè)電阻爐最大的特點(diǎn)是具有大慣性、大延遲，當(dāng)出現(xiàn)超調(diào)嚴(yán)重時(shí)，有可能引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定，甚至超過安全線，從而危及設(shè)備與生產(chǎn)安全。由于在生產(chǎn)中還要滿足不同生產(chǎn)過程的要求，需要?jiǎng)討B(tài)的改變爐內(nèi)溫度、加熱試樣的品種、及相應(yīng)加熱試樣的速度等，這使得電阻爐對(duì)象參數(shù)擾動(dòng)頻繁，造成了大容量電 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 6 頁 阻爐控制的復(fù)雜性、困難性。而常規(guī) PID 控制對(duì)這種對(duì)象達(dá)不到理想的控制效果。這就要求必須根據(jù)大容量電阻爐的結(jié)構(gòu)及動(dòng)態(tài)特性提出新的控制策略 [23]。 在新興工業(yè)電阻爐溫控方法的研究方面，很多學(xué)者做 了大量的研究。例如 各種模糊技術(shù)在電阻爐溫度控制中的成功應(yīng)用，及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在對(duì)電 的 這種靈活性，使得它已成為當(dāng)前解決復(fù)雜被控對(duì)象的優(yōu)先選擇 [46]。包鋼無縫廠環(huán)形加熱爐即采用了復(fù)合模糊控制與 PID 調(diào)節(jié)相結(jié)合方法，解決了加熱爐燃燒熱值波動(dòng)、閥線性不好和大慣性的難題。 箱式 電阻爐應(yīng)用特點(diǎn) 隨 著 電力工業(yè)的發(fā)展， 箱式 電阻爐得到了 大規(guī)模的工業(yè) 的應(yīng)用 。 在 20 世紀(jì)末， 為適應(yīng)工業(yè) (特別是材料工業(yè) )發(fā)展的需要，電阻爐又得到快速發(fā)展。它除應(yīng)用于材料工業(yè)外 ，還廣泛應(yīng)用于機(jī)械工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、建筑工業(yè)、輕工業(yè)及實(shí)驗(yàn)室等，它之所以應(yīng)用廣泛是因?yàn)楹腿紵隣t相比，具有很多優(yōu)點(diǎn) ： 1) 熱效率高： 電阻爐不需要燃燒煙氣作傳熱介質(zhì)，沒有排除廢氣造成的熱損失，空間熱強(qiáng)度高，能達(dá)到很高溫度 。 2) 產(chǎn)品質(zhì)量好： 爐內(nèi)氣氛潔凈，爐溫可以精確控制，溫度場(chǎng)均勻穩(wěn)定，可適應(yīng)各種燒成制度的要求 。 3) 能在各種人工氣氛中燒成： 如在 N2, Ar, H2 等氣氛中燒成制品 。 4) 設(shè)備簡(jiǎn)單，占地面積小，節(jié)省設(shè)備投資 。 5) 電阻爐潔凈 衛(wèi)生，不污染環(huán)境 。 6) 電阻爐易于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的 機(jī)械化和自動(dòng)化 ，勞動(dòng)條件好，勞動(dòng)生產(chǎn)率高。 同時(shí)與其他電爐相比，電阻爐具有發(fā)熱部分簡(jiǎn)單，對(duì)爐料種類的限制少等特 點(diǎn)它廣泛應(yīng) 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。 箱式 電阻爐種類及控制特性 箱式 電阻爐的類型很多，按其加熱方式不同，可分為間接加熱電阻爐和直接加熱電阻爐兩大類。前者依靠電流通過爐內(nèi)的電熱體或?qū)щ娨后w產(chǎn)生熱量，再經(jīng)過一定的傳熱過程將熱量傳給被加熱的物體。目前絕大多數(shù)電阻爐屬于這一類。后者是電 流接通被加熱的物料，依靠物料本身的電阻發(fā)熱 (物料的電阻要大 )。 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 7 頁 直接加熱電阻爐的控制特性 直接加熱電阻爐的工作原理示于圖 。由于其導(dǎo)電觸頭和物料之間靠接觸導(dǎo) 電，因此又稱為接觸 熱。 圖 直接加熱電阻爐工作示意圖 直接加熱電阻爐在生產(chǎn)過程中有以下特點(diǎn)，因?yàn)樵诩訜徇^程中電流直接從被加熱的物料中通過，加熱物料所需的熱量產(chǎn)生于被加熱的物料本身，所以與間接加熱相比，在其他條件相同的情況下，加熱速度很快，尤其在加熱金屬材料時(shí)，加熱時(shí)間 只有幾十秒甚至幾秒，因此生產(chǎn)過程中的慣性時(shí)間要比間接電熱小的多。而且材 料內(nèi)部的溫差較小使得系統(tǒng)的穩(wěn)定性也比較好。所以，這種電阻爐的控制是相對(duì)比較容易實(shí)現(xiàn)的，通常采用模糊控制或 PID 控制。 間接加熱電阻爐的控制特性 間接加熱電阻爐中，電流是通過爐內(nèi)的專門電阻發(fā)熱元件即電熱體所產(chǎn)生的熱量，借輻射、對(duì)流和導(dǎo)熱，傳遞給被加熱物料，這種爐子稱為間接加熱電阻爐。 間接加熱電阻爐在用途及結(jié)構(gòu)上種類繁多，但從爐子的電熱體向被加熱物料傳熱 過程來講，可分為三種基本類型 ，即輻射傳熱型、對(duì)流傳熱型和導(dǎo)熱傳熱型 。 它 們的特點(diǎn)分別示于 圖 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 8 頁 （ a） 輻射型 (b)對(duì)流 型 (c) 傳導(dǎo)型 圖 間接加熱電阻爐的基本結(jié)構(gòu)形式示意圖 圖中 (a)所示的爐子，電熱體直接安裝在爐內(nèi)。電熱體 1 的熱量只靠輻射傳熱傳給被加熱的物料 2。若爐子在一般大氣壓狀態(tài)下工作，電熱體對(duì)物料的傳熱，除輻射作用外，還有一部分靠自然對(duì)流傳熱 。兩者的比例視爐子的溫度而異，溫度越高，輻射所起的作用越大。對(duì)于這一類電阻爐，加熱體通常采用加熱棒或加熱管等加熱體，電流通過加熱體時(shí)，電熱體的溫度迅速變化，從而將熱量向周圍以輻射和自然對(duì)流的方式傳遞。從上述的這些傳熱特點(diǎn)，可看出這一類電阻爐爐內(nèi)溫度的分布是不均勻的，而且對(duì)象的穩(wěn)定性能差 。同時(shí)對(duì)試樣的加熱也往往具有大的熱慣性 。因此，實(shí)現(xiàn)試樣的高精度控制，就必須解決對(duì)象的大慣性、非線性問題。當(dāng)采用單回路控制系統(tǒng)時(shí)，只需要一支熱電偶放在加熱試樣附近，控制方法最好采用智 能控制。如果采用串級(jí)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，則需要兩 熱電偶分 別放在加熱體附近與試樣附近，控制方法可采用 PID 控制或模糊控制。 在圖 (b)屬于對(duì)流型結(jié)構(gòu)，其中電熱體和被加熱物料之間用罩子隔開，完全排除了電熱體對(duì)物料進(jìn)行直接輻射的可能性。爐內(nèi)的氣體由于風(fēng)機(jī)的作用而強(qiáng)烈循環(huán)，當(dāng)氣流沖刷電熱體時(shí)，靠對(duì)流傳熱作用而被加熱 。然后氣流又依靠對(duì)流傳熱作用將熱量傳給被加熱體的物料。這種電阻爐的體積通常較大，但因?yàn)橛袕?qiáng)制對(duì)流換熱，電熱體通電升溫后，很快就可將熱量以較大的換熱系數(shù)傳遞給加熱試樣 。雖然試樣的溫度與加熱體有一定差值，但這種電阻爐的慣性時(shí)間不是很大，而且爐內(nèi)的溫度 分布往往比較均勻，穩(wěn)定性 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 9 頁 能比較好。所以，這種電阻爐中熱電偶位置的選擇可以隨意一些，而且采用單回路模糊控制或 PID 控制就可以滿足控制要求。 圖 (c)是傳導(dǎo)型的結(jié)構(gòu)，帶有厚壁的耐火材料罩。電熱體的熱量以傳導(dǎo)的方式由罩子的外表面?zhèn)鞯絻?nèi)表面，然后由罩子內(nèi)表面以輻射和對(duì)流的方式傳給被加熱的物料。對(duì)于這種類型的電阻爐，電熱體熱量傳遞到內(nèi)表面需要一定時(shí)間 :如果爐內(nèi)的空間較大，且電阻爐的工作溫度不是很高時(shí)，其自然對(duì)流換熱與輻射換熱的強(qiáng)度都不是很大，所以對(duì)這種電阻爐也具有大慣性的特點(diǎn)。但這種電阻爐各點(diǎn)的熱慣性差 異不會(huì)太大。因此，如果采用單回路的控制系統(tǒng)，則熱電偶最好放在試樣附近 :如果由于生產(chǎn)要求，無法將熱電偶放在試樣附近，也可以放在貼近上壁面處，因?yàn)檫@里的溫度變化比較小，但實(shí)際測(cè)量的溫度并不是試樣溫度，所以應(yīng)該根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)測(cè)量溫度進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)償，使其接近試樣溫度。 從上面敘述可知，間接式電阻爐當(dāng)采用不同材料的電熱體可在爐內(nèi)達(dá)到不同的最高工作溫度 。采用不同的電熱體安裝和布置方式，可在爐內(nèi)得到不同的溫度分布以及做成各種形式的爐子。而且，隨著爐內(nèi)換熱方式與換熱程度的不同，也使得電阻爐的動(dòng)態(tài)特性有很大的不同。因此，充 分了解電阻爐的工作原理對(duì)于電阻爐控制的研究是非常必要的[2025]。 箱式 電阻爐發(fā)展對(duì)控制的要求 最近幾 年來，由于人類忽略了經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)自然生態(tài)的破壞作用，而一味追求工業(yè)的飛速發(fā)展與經(jīng)濟(jì)的繁榮，從而導(dǎo)致了空前的兩大危機(jī)，即能源危機(jī)與環(huán)境污染 。 隨著 社會(huì)的發(fā)展和人類社會(huì)的文明 ，人們對(duì)環(huán)境及能源問題的認(rèn)識(shí)日益加深，因此已將環(huán)境保護(hù)作為我國(guó)的一項(xiàng)基本國(guó)策 [26]?，F(xiàn)代工業(yè)是朝著節(jié)能與環(huán)保的大方向發(fā)展的，在這種趨勢(shì) 的推動(dòng)下，燃燒爐已經(jīng)退出歷史的舞臺(tái)， 而電阻爐在這方面的優(yōu)勢(shì)，使得它在工業(yè)上得到了進(jìn)一步的廣 泛應(yīng)用。因此，實(shí)現(xiàn)我國(guó)工業(yè)電阻爐的自動(dòng)化，達(dá)到精確控制爐溫，提高成品率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能及減少污染，己成為近幾年來熱工與自動(dòng)化專業(yè)人員的一項(xiàng)研究課 題 [27] 新型工業(yè) 箱式 電阻爐研制的難度更大，控制要求水平更高。而解決這類問題的重要 途徑之一就是將人工智能、控制理論和運(yùn)籌學(xué)三者結(jié)合的智能控制。這一方面已受到國(guó)內(nèi)外控制界的極大重視，并已有在化工、熱工和水泥工業(yè)中有成功應(yīng)用的報(bào)導(dǎo)。因此， 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 10 頁 作為從事熱工自動(dòng)化方向的科技工作者深入到智能控制的研究中是非常必要的。 箱式電阻爐的 設(shè)計(jì) 箱式電阻爐的設(shè)計(jì) 主要內(nèi)容 是圍繞著解決具有大慣性動(dòng)態(tài)特性對(duì)象的控制精度而展開的。大慣性對(duì)象是指那些對(duì)控制量的響應(yīng)時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于控制器執(zhí)行動(dòng)作時(shí)間的對(duì)象。這種對(duì)象，廣泛存在于我們的現(xiàn)實(shí)生活中，提到的大容量間接加熱電阻爐外，還有如大房間的溫度控制等，都具有較大的熱容量。本文以間接加熱電阻爐 為實(shí)際研究對(duì)象進(jìn)行系統(tǒng)分析，從而找出適合大慣性動(dòng)態(tài)特性對(duì)象的一般控制方法。 研究對(duì)象 箱式 電