【正文】 大慣性、時變性等特點(diǎn)，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。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。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(qiáng)度高，能達(dá)到較高的溫度，使高熔點(diǎn) 工件 得以熔化。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(yùn)出。 （ 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。 電阻爐的分類 按傳熱方式分 （ 1） 輻射式電阻爐 。 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℃。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 200～ 550℃。此外 ， 還 有立 式聯(lián)合電爐、淬火回火聯(lián)合電爐等。缺點(diǎn) 是當(dāng) 爐底移出時 爐內(nèi)熱量散失大，爐溫 下 降快。 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。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。工件入油后，淬火加熱爐開走，再對第二批工件加熱。通過實行機(jī)械化半連續(xù)操作，爐子生產(chǎn)率較高。 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)。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)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 測量值之間存在著一個時滯環(huán)節(jié) t ，同時控制器輸出的是控制信號 u ，而 ()us 可以設(shè)定正比于 ()tQs，即 ( ) ( )tku s Q s? ，輸出 ( ) ( )Ky s T S? ， 可 以 得出 : ()() 1( ) ( ) 1ssKTsy s k Keeu s u s T SCS R????? ? ? ????； （ 27） 其中， T RC? ，稱為對象的時間常數(shù)， K kR? ，稱為對象的增益 。在工程中，常用飛升曲線法測得這三個參數(shù)。執(zhí)行元件根據(jù)輸出信號調(diào)整電爐的輸 入功率，從而達(dá)到控制爐溫的目的。近年來提出改進(jìn)的電路，采用主回路無觸點(diǎn)控制，克服繼電器接觸不良的缺點(diǎn)，且維修方便，缺點(diǎn)是溫度控制范圍小，精度不高。 PID控制 的 溫控系統(tǒng)將熱電偶實 時采集的溫度值與設(shè)定值比較， 先 將差值作為 PID 功能塊的輸入 ，然后 根據(jù) PID 算法計算出合適的輸出控制參數(shù)，利用修改控制變量誤差的方法實現(xiàn)閉環(huán)控制，使控制過程連續(xù)，其缺點(diǎn)是現(xiàn)場 PID 參數(shù)整定麻煩，被控對象模型參數(shù)難以確定，外界干擾會使控制漂離最佳狀態(tài)。 在溫控系統(tǒng)中，將溫度的影響因素如天氣、氣溫、外加電壓、被加熱物體性質(zhì)以及被加熱物體溫度等作為網(wǎng)絡(luò)的輸入，將其輸出作為 PID 控制器的參數(shù)，以實驗數(shù)據(jù)作為樣本，在微機(jī)上反復(fù)迭代，隨實驗與研究的進(jìn)行與深入，自我完善與修正，直至系統(tǒng)收斂，得到網(wǎng)絡(luò)權(quán)值，達(dá)到整定 PID 參數(shù)的目的。對溫度誤差采樣的精確量模糊化，經(jīng)過數(shù)學(xué)處理輸入計算機(jī)中，計算機(jī)根據(jù)模糊規(guī)則推理做出模糊決策，求出相應(yīng)的控制量， 并將該控制量 變成精確量去驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，調(diào)整輸入達(dá)到調(diào)節(jié)溫度 并 使之穩(wěn)定的目的。 PID 控制結(jié)構(gòu)簡單，明確，能滿足大量工業(yè)過程的控制要求，特別是其強(qiáng)魯棒性能較好適應(yīng)過程工況的大范圍變動。因此模糊 PID 控制，比單一的模糊控制或 PID 控制有更好的控制性能，實現(xiàn)對任何一種模型參數(shù)的系統(tǒng)都能自動調(diào)節(jié) 出最佳的 PID 參數(shù)，使輸出與給定的溫度曲線趨于一致，實現(xiàn)快速響應(yīng)特性與超調(diào)量最優(yōu)的統(tǒng)一。 因此，應(yīng)使模糊控制向著自適應(yīng)方向發(fā)展，使模糊控制規(guī)則 、 隸屬函數(shù)模糊量化在控制過程自動地調(diào)整和完善。通過對目前幾種主要的控制系統(tǒng)比較，本文決定采用模糊控制與 PID 控制相 結(jié)合的方法，組成智能控制系統(tǒng)來控制 電阻 爐的爐溫?？刂破鞲鶕?jù)設(shè)定溫度與實際溫度的 偏 差及溫度的變化率，利用控制算法求出控制輸出量 ， 該輸出量輸送到可控硅 電路 的輸入端，使可控硅的導(dǎo)通角改變 ， 導(dǎo)通角越大，輸送到電阻爐兩端的交流電壓就會愈高，電阻爐的輸入功率也就增大，爐溫上升；反之，導(dǎo)通角減小，電阻爐輸入功率減小 ； 爐溫偏差為零時，可控硅保持一定的導(dǎo)通角，電阻爐輸入一定的功率，使?fàn)t溫穩(wěn)定在給定值。 ym a xxm a xym i nxm a xyx0 圖 輸入輸出特性 測量部分用以檢測被測變量 x，并將其轉(zhuǎn)換成能被放大器接受的輸入信號 Zi（電壓、電流、位移、作用力和力矩等信號 ）。如果轉(zhuǎn)換系數(shù) C 和反饋 F 是常數(shù)，則變送器的輸出與輸入之間將保持良好的線性關(guān)系。它能在高電壓、大 電流條件下，具有耐壓高、容量大、體積小等優(yōu)點(diǎn)，它是大功率開關(guān)型半導(dǎo)體器件，被廣泛應(yīng)用在電力、電子線路，自動控制技術(shù)中 【 15】 。熱電偶是一種熱電型的溫度傳感器，它將溫度信號轉(zhuǎn)換成電勢 (mV)信號，配以測量 mV 信號的儀表或變換器，便可以實現(xiàn)溫度的測量和溫度信號的轉(zhuǎn)換。自 19 世紀(jì)發(fā)現(xiàn)熱電效應(yīng)以來，熱電偶便被廣泛用來測量 100~1300℃內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 范圍內(nèi)的溫度，根據(jù)需要還可以用來測量更高或更低的溫度。 ℃，為測量溫度的 %。 ℃，為測量溫度的 %。 PID 控制 發(fā)展 的現(xiàn)狀 在工業(yè)過程控制中， PID 控制是歷史最悠久，生命力最強(qiáng)的一種控制方式。 PID 控制不僅是分布式控制系統(tǒng)的重要組成部分，而且內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 還 嵌入在許多有特殊要求的控制系統(tǒng)中。據(jù)日本電氣計量器工業(yè)會先進(jìn)控制動向調(diào)查委員會統(tǒng)計，在日本有 91%的控制回路采用的是 PID 控制。據(jù)估計：在我國過程控制工業(yè)中需要約 50 萬個智能的 PID 控制器。因此，基本 PID 控制的應(yīng)用受到很大限制和挑戰(zhàn)。從 式 （ 33） 可知，控制器的輸出由三個部分組成： 第一部分 是比例控制部分，輸出 u1(t)=Kpe(t)與輸入偏差 e(t)成正比 ； 只要偏差 e(t)一 出現(xiàn)，控制器立即產(chǎn)生控制作用，使被控參數(shù)朝著減小偏差的方向變化，具有控制及時的特點(diǎn)。偏差為 0，控制作用不再變化，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定。從而可以減小超調(diào)、提高穩(wěn)定性。微分控制將有助于減小超調(diào)、 克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。即這個過渡過程是快速并平穩(wěn)，然后準(zhǔn)確跟蹤。數(shù)字 PID 控制算法通常分為位置式 PID 控制算法和增量式 PID 控制算法。 PID 的控制算法 根據(jù)遞推原理，可寫出 （ k1） 次的 PID 輸出表達(dá)式： ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ??????? ??????? ???10 211kjDipkEkETTjETTkEKkP （ 38） 用式 （ 37） 減去式 （ 38） ，可得： [ ] [ ]( ) ( 1 ) ( ) ( 1 ) ( ) ( ) 2 ( 1 ) ( 2 )IDP k P k K p E k E k K E k K E k E k E k= + + + + （ 39） 式中：I iTK KpT= ─積分系數(shù)； DD TK KpT= ─微分系數(shù)； 由式 （ 39） 可知，要計算第 k 次輸出值 ()Pk ，只需知道 ( 1)Pk ， ()Ek ， ( 1)Ek ，( 2)Ek 即可， 比用式 （ 37） 計算要簡單得多。但增量 式 PID 控制算法具有如下優(yōu)點(diǎn) ： 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） （ 1） 增量 式 PID 控制算法僅與最近幾次采樣偏差有關(guān)，無需進(jìn)行累加，因而不易產(chǎn)生積累誤差，控制效果好。由于連續(xù)生產(chǎn)過程的控制回路一般都有較大的時間常數(shù)，在大多數(shù)使用情況下，采樣周期與系統(tǒng)的時間常數(shù)相比往往要小得多，所以 數(shù)字 控制系統(tǒng)中數(shù)字控制 的 參數(shù) 整定 可以利用模擬 控制 的 參數(shù) 整定方法 來進(jìn)行整定 。用它整定 T 、 pK 、 iT 和 dT 的步驟如下： （ 1） 選擇一個足夠短的采樣周期 T ，具體的說就是選擇采樣周期為被控對象純滯后時間的 1/10 以下。記下使系統(tǒng)發(fā)生振蕩的臨界比例度 K? 及系統(tǒng)的振蕩周期 KT 。 ? ?? ?模擬控制度?????????????????dttedtteD D C0202 （ 311） 實際應(yīng)用中并不需要計算出兩個誤差平方面積，控制度僅表示控制效果的物理概念。用擴(kuò)充曲線法整定 T 、 pK 、 iT 和 dT 的步驟如下： （ 1） 斷開數(shù)字控制器，使系統(tǒng)在手動狀態(tài)下工作；將被調(diào)節(jié)量調(diào)節(jié)到給定值附近，并使之穩(wěn)定下來；然后，突然改變給定值，給對象一個階躍輸入信號。表 中的控制度求法與擴(kuò)充臨界比例度法相同。在古典控制理論中，應(yīng)用最成功的是比例積分微分 (PID)控制。但是當(dāng)被控對象比較復(fù)雜時，便難以取得滿意 的控制效果。對于上述難以控制的工業(yè)生產(chǎn)過程，有時一個有實踐經(jīng)驗的操作人員，手動操作效果卻很好。自從 1974 年英國的 首先把模糊語言組成的模糊控制器用于控制蒸汽發(fā)動機(jī)，在以后的二十多年中，模糊控制在控制領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛，也越來越受到人們的重視。之后，模糊 控制在許多國家如美國、西歐、內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 中國、東南亞引起了廣泛的重視，并受到國際控制理論學(xué)術(shù)界的關(guān)注。但從廣義上可將它定義為：模糊控制指的是以模糊集合理論、模糊語言變量及模糊推理為基礎(chǔ)的一類計算機(jī)數(shù)字控制方法或者定義為基于模糊集合理論、 模糊邏輯，并同傳統(tǒng)的控制理論相結(jié)合，模擬人的思維方式，對難以建立數(shù)學(xué)模型的對象實施的一種控制方法 。 模糊控制系統(tǒng)組成 一個模糊控制系統(tǒng)必須包含一些必要的部件。 在現(xiàn)代控制理論中，設(shè)計的有限狀態(tài)觀測器 、自適應(yīng)控制器、解耦控制器、魯棒控制器等。在 I/O 接口裝置中，除 A/D、 D/A 轉(zhuǎn)換外，還包括必要的電平轉(zhuǎn)換電路。這些被控對象可以是確定的或模糊的、單變量的、有滯后或無滯后的，也可以是線性的或非線性的、定常的或時變的，以及具有強(qiáng)耦合和干擾等多種情況。被控制量往往是非電量，如位移、速度、加速度、溫度、壓力、流量、濃度、濕度等。自然語言的這種模糊性是人類思維方式的特點(diǎn)，也是人類解決復(fù)雜問題、表達(dá)復(fù)雜思想所不可缺少的。因此，語言變量實際上是一種模糊變量，是用模糊語言表示的模糊集合。根據(jù)語言算子功能的不同，通常劃分為語氣 算子、模糊化算子、判定化算子三種。因此，它們也是一種算子，稱為模糊化算子。與模糊化算子相反，判定化算子是將模糊化為肯定，在模糊中給出一個粗糙的判斷。 設(shè) U 和 V 是兩個各自具有基礎(chǔ)變量 u， v的論域， R 是在 U V 論域上描述模糊蘊(yùn)含“若 A 則 B”的模糊關(guān)系，對于給定的 1A ∈ U，可推得由 1A 引出的結(jié)論 1B ∈ V為： 1B = 1A 。它是隨著計算機(jī)技術(shù) 的 發(fā)展和工業(yè)過程控制對象日益復(fù)雜化而出現(xiàn)的，它屬于智能控制的范疇，如今在工業(yè)過程控制中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。模糊推理部分主要由模糊化、模糊推理、去模糊化三部分組成。這里，對誤差求微分，指的是在一個 A/D 采樣周期內(nèi)求誤差的變化△ e。 4．控制規(guī)則。輸入量模糊化后的語言變量 E、 EC(具有一定的語言值 )推理部分的輸入，再由 E、 EC 和總的控制規(guī)則 R，根據(jù)推理規(guī)則進(jìn)行模糊推理得到模糊控制量 U 為： U= 1)*( TECE 。 模糊控制規(guī)則 控制規(guī)則的輸入是在 Rule Editor 窗口輸入的，以 ifthen 的形式表達(dá)。模糊規(guī)則中的if 部分“ x is A”被 稱為規(guī)則的前提或假設(shè)，同時 then 部分“ y is B”被稱為結(jié)果或結(jié)論。若單獨(dú)考慮其價格，則： if interface is good then charge is high。就如在 MATLAB 術(shù)語中，使用關(guān)系運(yùn)算符“＝ =”和使用變量賦值符號“＝”時，其意義也完全不同，書寫這個規(guī)則時，避免混淆的寫法是：if interface＝＝ good then charge＝ high， 一般 來說 ， ifthen 規(guī)則的輸入是輸入變量的當(dāng)前值 (在此