【正文】 制方案。溫度系統(tǒng)慣性大、滯后現(xiàn)象嚴(yán)重，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，給控制過程帶來很大難題。 本論文主要針對電阻爐這一類復(fù)雜的被控對象，研究一種最佳的控制方案，以達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定、調(diào)節(jié)時(shí)間短且超調(diào)量小的性能指標(biāo)。 關(guān)鍵詞： 電阻爐 ； PID 控制；模糊控制； MATLAB 仿真 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） The Temperature Control System Design and Simulation Research of Resistance Furnace Abstract Temperature control is a innovative topics in the industrial control. For different control targets, it has different control methods and models. The temperature system has big inertia and serious hysteresis. Since the establishment of accurate mathematical models is rather difficult,it brings very big difficult problems for the controlled process. Aims at a kind of plex controlled plant as the resistance furnace, the present paper mainly studies one kind of best control plan to achieves the performance indicators of stable system, short control time and small performance. With Simulink and Fuzzy toolbox in MATLAB Simulink ， the design carries on the simulation analysis to the resistance furnace PID control system and the fuzzy control system. The result indicated that when uses the PID control, although the system has simple structure and easy to realize, it is unable to guarantee the control precision。 Fuzzy control。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。 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。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(jì)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(diǎn)進(jìn)行了簡要分析。 （ 5） 對仿真結(jié)果進(jìn)行分析和討論。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 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。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。 電阻爐的特點(diǎn) （ 1） 熱效率高。由保護(hù)氣氛來保證爐內(nèi)氣氛的清潔。 ℃ 。 （ 6） 占地面積小，節(jié)省投資。 （ 2） 對流式電阻爐 。 ①電極鹽浴爐。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。 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。臺車式電阻爐除具 有 室式電阻爐的優(yōu)點(diǎn)外，還 具有 裝載量大、生產(chǎn) 率高 、裝卸料方便等優(yōu)點(diǎn)。常用井式電阻爐的爐膛直徑為 ～ ，爐膛深度可達(dá)30m。 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。工件熱處理時(shí)，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(yáng)機(jī)迅速將工件降到油槽中淬火。又因工 件始終在吊掛狀態(tài)下加熱，工件變形小。 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。 當(dāng)電阻爐爐膛溫度穩(wěn)定時(shí)，則某一時(shí)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(shí)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(gè)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(shí)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 )。 這三個(gè)參數(shù)一般用實(shí)驗(yàn)的方法或數(shù)學(xué)分析的方法去求得。溫度檢測裝置的測頭 (如熱電偶 )將爐內(nèi)溫度高低轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的電信號輸入控制系統(tǒng)與設(shè)定的電爐溫度整定值進(jìn)行比較，將比較所得到結(jié)果進(jìn)行放大、校正等處理得到輸出信號送至執(zhí)行元件。傳統(tǒng)的繼電器調(diào)溫電路簡單實(shí)用，但由于繼電器動作頻繁，可能會因觸點(diǎn)不良而影響正常工作。自 19 世紀(jì) 40 年代以來，由于其結(jié)構(gòu)簡單、容易實(shí)現(xiàn)、控制效果好、魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn)，因而在工業(yè)過程控制中至今仍 被 廣泛應(yīng)用 。該方法響 應(yīng)速度快，抗干擾能力強(qiáng)，算法簡單，且易于用硬件和軟件實(shí)現(xiàn)。PID 控制簡單、 方便，但難以解決非線性和參數(shù)的變化，模糊控制不需要裝置的精確模型，僅依賴于操作人員的經(jīng)驗(yàn)直觀判斷，非常容易應(yīng)用。然而，模糊控制的局限性在于對控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析和標(biāo)準(zhǔn)缺乏系統(tǒng)的方法步驟，規(guī)則庫缺乏完整性，沒有明確的控制結(jié)構(gòu)。根據(jù)不同實(shí)時(shí)狀態(tài)下對 PID 參數(shù)的推理結(jié)果分析可得，當(dāng) 溫差較大時(shí)采用模糊控制，響應(yīng)速度快，動態(tài)性能好 ； 當(dāng)溫差較小時(shí)采用 PID 控制，使其靜態(tài)性能好，滿足系統(tǒng)精度要求。但是，模 糊控制所基于的專家經(jīng)驗(yàn)不易獲得，一成不變的控制規(guī)則也很難適應(yīng)被控制系統(tǒng)的非線性、時(shí)變性，嚴(yán)重影響控制效果。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)該根據(jù)具體的應(yīng)用場合、不同的被控 對象和所要求的控制曲線和控制精度，選擇不同的 控制 方法。 溫度控制系統(tǒng)的被控對象是電阻爐，被控參數(shù)為爐內(nèi)溫度，用熱電偶檢測爐內(nèi)實(shí)際溫度。 xmax、 xmin分別為被測變量的上限值和下限值。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 由圖 可求得變送器輸出與輸入之間的關(guān)系為： 0()1 Ky Cx zKF??? （ 31） 當(dāng)滿足深度負(fù)反饋的條件，即 KF》 1 時(shí)，上式變?yōu)椋? 01 ()y Cx zF?? （ 32） 此式表明，在 KF》 1 的條件下，變送器輸出與輸入之間的關(guān)系取決于測量部分和反饋部分的特性，而與放大器的特性幾乎無關(guān)。自從 20 世紀(jì) 50 年代問世以來已經(jīng)發(fā)展成了一個(gè)大的家族，它的主要成員有單向晶閘管、雙向晶閘管、光控晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管、可關(guān)斷晶閘管、快速晶閘管。熱電偶的工作原理基于熱電效應(yīng)。 不同 的溫區(qū)，都 可選擇不同型號的熱電偶實(shí)現(xiàn)溫度測量。 傳感器采用 K 型熱電偶，它的精度分為三級： 級 在 0~1000℃之間，其誤差為177。 級 在 200~0℃之間，其誤差為177。 PID 控制算法是按誤差的比例，積分、微分進(jìn)行控制的，其參數(shù)可以在現(xiàn)場在線整定，由于軟件設(shè)計(jì)的靈活性，一般可以得到較好的控制效果。 PID 控制能解決許多控制問題，尤其 是 在動態(tài)過程是良性 或者是 性能要求不太高的情 況下。盡管 1940 年以來，許多先進(jìn)的控制方法不斷推出，但 PID 控制 方法 以其結(jié)構(gòu)簡單，被廣泛應(yīng)用于冶金、化工、電力、輕工和機(jī)械等工業(yè)過程控制中。雖然隨著控制理論的發(fā)展和控制手段的更新，許多基于現(xiàn)代控制理論的新型控制 方法 不斷出現(xiàn)，但 PID 控制仍是最重要的控制方法。對于時(shí)變對象和非線性系統(tǒng)，基本的 PID 控制更是顯得無能為力。其控制規(guī)律是： ? ? ? ? ? ? ? ??????? ??? ? t Dip dttdeTdtteTteKtu01 (33) 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） u(t)是控制器的輸出； e(t)是控制器的輸入，是偏差值，即給定值 r(t)與被控參數(shù)實(shí)際輸出 y(t)的差值： e(t)=r(t)y(t)， Kp 是比例系數(shù)； Ti 是積分時(shí)間常數(shù)； TD 是微分時(shí)間常數(shù)。 第二部分 是積分控制部分，輸出為 ? ? ? ?2 01 tp iu t K e t dtT? ?,只要偏差 e(t)不為 0，它將通過累積作用影響控制量，以求減小偏差 。增大 Ti將減慢消除靜差的過程 (降低響應(yīng)速度 )。偏差變化越快， u3(t)越大，反饋校正量越大。在階躍信號作用下，首先是比例和微分作用，使控制器控制作用加強(qiáng)；然后再進(jìn)行積分，直到最后消除靜差為止。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字 PID 控制正在逐漸取代模擬 PID 控制。 由于 式 （ 37） 的輸出值與閥門開度的位置一一對應(yīng)，因此通常把式 （ 37） 稱為位置 式 PID 控制算式。 增量 式 PID 與位置 式 PID 控制算法，本質(zhì)上是一樣的，僅在計(jì)算方法上有所變化。 PID 控制的參數(shù)整定 數(shù)字控制系統(tǒng)就其本 質(zhì)來說是一種采樣控制系統(tǒng)。 1． 擴(kuò)充臨界比例度法 擴(kuò)充臨界比例度法是以模擬 控制 中使用的臨界比例度法為基礎(chǔ)的一種 PID數(shù)字控制參數(shù)的整定方法。然后逐漸減小比例度 1pK?????????，直到系統(tǒng)發(fā)生持續(xù)等幅振蕩?？刂菩Ч脑u價(jià)函數(shù)通常用 誤差平方面積 ? ?20 e t dt??表示。 表 按擴(kuò)充臨界比例度法整定參數(shù) 控制度 控制規(guī)律 T Kp Ti Td PI K? TK PID K? TK TK PI K? TK PID K? TK PI K? TK PID K? TK TK PI K? PID K? TK 2． 擴(kuò)充響應(yīng)曲線法 在模擬控制系統(tǒng)中可以用響應(yīng)曲線法代替臨界比例 度法，因此在 DDC 中也可以用擴(kuò)充響應(yīng)曲線法代替擴(kuò)充臨界比例度法。 （ 4） 根據(jù)所求得的 TΤ 、τ和它們的比值 TΤ /τ，選擇一個(gè)控制度，查表即可求得控制器的 pK 、 iT 、 dT 和采樣周期 T。智能控制又包括模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家控制和仿人智能控制等。該算法由于其簡單實(shí)用而被廣大工程技術(shù)人員所熟悉。盡管數(shù)值計(jì)算與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展為求解模型參數(shù)提供了有效的方法和工具，但由于這些模型方程中有眾多的參數(shù)需要估計(jì)，而求解這些參數(shù)時(shí)又往往缺少足夠的信息特征和信息量，因此限制了現(xiàn)代控制理論的有效應(yīng)用。他以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，用語言規(guī)則表示方法和先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，由模糊推理進(jìn)行判決的一種高級控制策略。 1986 年，在日本，基于模糊控制技術(shù)所開發(fā)的產(chǎn)品及系統(tǒng)開始出現(xiàn)，并在實(shí)際應(yīng)用中取得明顯的經(jīng)濟(jì)效益。 到目前為止，模糊控制還沒有統(tǒng)一的定義。從線性控制與非線性控制的角度分類，模糊控制是一種非線性控制；從控制器的智能性看，模糊控制屬于智能控制的范疇，而且它已成為目前實(shí)現(xiàn)智能控制的一種重要而有效的形式。由于被控對象的不同，以及對系統(tǒng)靜態(tài)、動態(tài)特性的要求和所應(yīng)用的控制規(guī)則（或策略）各異，可以構(gòu)成各種類型的控制器，如在經(jīng)典控制理論中，用運(yùn)算放大器加上阻容網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的 PID 控制器和由前饋、反饋環(huán)節(jié)構(gòu)成的各種串、并聯(lián)校正器 。模糊控制器通過輸入 /輸出接口從被控對象獲取數(shù)字信號量，并將模糊控制器決策的輸出數(shù)字信號經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號，然后送給被控對象。它可以是一種設(shè)備或裝置以及它們的群體，也可以是一個(gè)生產(chǎn)的、自然的、社會的、生物的或其他各種的狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程。傳感器是將被控對象或各種過程的被控制量轉(zhuǎn)換為電信號（模擬或數(shù)字）的一類裝置。自然語言的重要特點(diǎn)是它的模糊性，即自然語言中的某些詞匯很難用定量的方法確定它的確切外延。 （ 1） 語言變量是 以 自然語言中的字、詞或句作為名稱，并且以自然語言中的單詞或詞組作為值的變量，它不同于一般數(shù)學(xué)中以數(shù)為值的數(shù)值變量。語言算子是指語言系統(tǒng)中的一類修飾字詞的前綴詞或模糊量詞，通常加在單詞或詞組的前面，用來調(diào)整單詞或詞組的含義。 把“大概”，“大約”，“近乎”等詞加在一個(gè)單詞的前面，會使該詞的確切詞義模糊化。 “屬于”，“接近”，“偏向于”，“傾向于”等詞是另外一種算子，叫做判定化算 子。 對于模糊命題“若 A 則 B”， 在 1973 年利用模糊變換關(guān)系提出了近似推理的方法，稱為模糊推理合成規(guī)則。 模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 模糊控制策略