【正文】 制系統(tǒng)與串級的 PID 模糊控制系統(tǒng)。 最后將實際控制效果與仿真效果進(jìn)行了比較，可以看到它們之間還有一定差別，這主要是在建模、仿真過程中，假設(shè)了一些理想條件，而實際過程存在著誤差，因此，對于建模、仿真還可以近一步改進(jìn)，從而找出更符合大慣性電阻爐這一類熱工對象的建模方法、仿真方法及控制方法。爐門也用優(yōu)質(zhì)的碳化硅耐火材料制成形狀也爐口相互配合的形狀，鑲嵌到爐門上，爐口是用冷 軋鋼板焊接而成，它們中間用優(yōu)質(zhì)的保溫材料作保護(hù)層。但也應(yīng)該承認(rèn)，只有在非常特殊的情況下，數(shù)學(xué)模 型才能表達(dá)對象或過程的所有細(xì)節(jié)。 對于某些較簡單的生產(chǎn)過程或?qū)ο?，通過理論分析，應(yīng)用一些基本定律如質(zhì)量守恒定律、能量守恒定律、牛頓定律等就可以找到輸入量、輸出量和其他變量間的動態(tài)數(shù)學(xué)表達(dá)式，既動態(tài)模型。 對象實驗建模各步驟之間的關(guān)系如圖 所示。當(dāng)階躍響應(yīng)曲線呈 S 形狀時，即可用純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)或高階慣性環(huán)節(jié)來確定其動態(tài)模型，然后根據(jù)畫出的階躍響應(yīng)曲線計算出模型動態(tài)參數(shù)。因此，在以后各章中，我們只通過對 600℃的溫區(qū)模型進(jìn)行分析、仿真，而 800℃溫區(qū)的特性分析，與其是相似的，就不重復(fù)敘述了。通過圖形界面，可以像堆積木一樣畫圖形模塊。所以仿真分析也主要是在這個范圍內(nèi)進(jìn)行。 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 25 頁 2)建立模糊控制規(guī)則進(jìn)行模糊推理，即根據(jù)當(dāng)前的系統(tǒng)狀態(tài)信息來決定模糊控制的輸出子集。 串級結(jié)構(gòu)電阻爐控溫系統(tǒng)的仿真分析 從控制結(jié)構(gòu)上看，串級結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)對于內(nèi)環(huán)的擾動，具有很好的抑制效果，從而提高了整個系統(tǒng)抗擾動的能力。在本控制系統(tǒng)中，執(zhí)行器為可控硅，屬于電器裝置，它的執(zhí)行速度是很快的，可以滿足副控對象的高頻率要求，而熱電偶的慣性時間一般相對于大慣性被控對象而言是可以忽略的，所以測溫裝置的熱電偶也可以滿足系統(tǒng)的要求。 2) 在設(shè)計模糊控制器時，應(yīng)該考慮模糊控制器的穩(wěn)定性問題，模糊控制器的穩(wěn)定性能是與模糊控制器的量化因子 K, , K,和比例因子 K，等因素有關(guān)的，通常情況，在一定采樣時間下，滿足 K, x K t(常數(shù) )即可，而常數(shù)的值是隨著系統(tǒng)而變化的。那么 箱式 電阻爐過程控制系統(tǒng)設(shè)計的前期準(zhǔn)備工作己基本完成，本文以此方法構(gòu)建 箱式 電阻爐的溫控系統(tǒng)。因為本實驗中的電爐為單相， 所以控制柜的可控硅電源電壓為單相交流 220V。一種是 VB 中 VBA 語言，另 一種是 DDE。 2) 創(chuàng)建一個公共的方法，向 Matlab 發(fā)送指令。 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 33 頁 但在本文中，對控制系統(tǒng)所做的分析是基于恒溫控制過程，即是在恒定溫度過程對系統(tǒng)中出現(xiàn)的擾動等現(xiàn)象的控制。這種對象，當(dāng)其溫度一旦超調(diào)就無法用控制手段使其降溫，而且也很難確定控制參數(shù)，應(yīng)用傳統(tǒng)控制理論及方法難以達(dá)到好的控制效果。 4)采用單回路模糊控制系統(tǒng)時，雖然也可保證一定的控制精度，但對于擾動頻繁且強(qiáng)度比較大的控制 對象，其控制能力并不能很好的滿足生產(chǎn)要求。 9)本系統(tǒng)的開發(fā)方式 具有一定的特點，這是因為 Matlab 不僅在開發(fā)控制系統(tǒng)方面擁有優(yōu)勢，而且特別適合于數(shù)值計算，并具有強(qiáng)大的繪圖功能。 2)對于電阻爐對象，采用高階 ,盼勝模型比一階純滯后模型更能反應(yīng)對象的動態(tài)特性。其控溫單向性，是 箱式 電阻爐在升溫、保溫階段，可以依靠加熱體加熱來進(jìn)行控制 。 控溫系統(tǒng)應(yīng)用結(jié)果 由于實際的 箱式 電阻爐生產(chǎn)過程通常由過程控制及恒溫控制兩部分組成 。 4) 通過 LinkPoke, LinkRequest 或 LinkExecute 方法來通知服務(wù)器執(zhí)行操作命令。 用 Visual Basic. Visual C++等編寫模糊控制器或智能控制器，不僅編程工作量大，調(diào)試、改進(jìn)難度高，控制精度及穩(wěn)定性也不易保證，而且設(shè)計者的大部分時間都將用在控制器的編寫、調(diào)試上。 A/D 轉(zhuǎn)換啟動方式可以選用 程序啟動、定時器自動觸發(fā)、外同步觸發(fā)等方式。 綜上所述，當(dāng)擾動量不太頻繁，且擾動量不大時， PIDFUZZY 系統(tǒng)是較好的選 擇方案，但電阻爐是具有大慣性、強(qiáng)擾動的熱工對象，所以 FUZZYPID 是這類對象 的首選結(jié)構(gòu)。 1) 對于電阻爐這類具有大慣性特性的對象，單回路控制系統(tǒng)不能很好的解決外部 擾動問題。因此，只取副回路作為單回路系統(tǒng)，進(jìn)行穩(wěn) 定性分析，即可確定模糊控制器在 PIDFUZZY 串級控制系統(tǒng)中的穩(wěn)定性。采樣時間增大，控制器的穩(wěn)定性會更好些，但對于電阻爐這類熱工對象，往往由于生產(chǎn)安全需要使得采樣時間不能太大。 箱式 電阻爐模糊控溫仿真系統(tǒng) 模糊控制器，是按照人的實際操作經(jīng)驗通過模糊算法模仿人的操作策略，實現(xiàn)以機(jī)器代替人的生產(chǎn)過程的自動控制設(shè)備。 在仿真過程中，應(yīng)該注意仿真條件與實際條件符合。本文使用 Matlab 中的 Simulink 工具對所建立的模型進(jìn)行仿真、分析。同樣，即使給定相同的單位時間熱量擾動，但高溫段散熱多，電阻爐所獲得的熱量相對減少，所以增益也會減小。通過對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分析可知，A/D, D/A 及信號采集板都為電器元件，其執(zhí)行的動作雖然也有一定的慣性，但對于整個對象的大慣性而言，其慣性與延遲所占的比例還是很小的，所以這里可以忽略，而僅看作比例環(huán)節(jié)。 2)模型結(jié)構(gòu)選擇，根據(jù)辨識的目的，利用基本知識、定理等，進(jìn)行具體分析，確定所要建立的模型階次的高低。 熱工控制對象建模方法 熱工對象動力學(xué)模型的建模方法可分為理論建模和實驗建模兩大類 [3235]。數(shù)學(xué)模型是人們對所研究客觀系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述。(m：物體的重量； g：重力加速度； amp。 如上所述，根據(jù)傳熱學(xué)知識，可計算出各種熱損失率，進(jìn)而確定了電阻爐的總功率。 控制系統(tǒng)建模及仿真分析 完成了電阻爐對象數(shù)學(xué)模型的建立，我們要對這一模型的特性進(jìn)行分析?；蛘咄ㄟ^一定的經(jīng)驗公式對 2 點溫度進(jìn)行一定補(bǔ)償，近似推算出 1 點溫度。本文以間接加熱電阻爐 為實際研究對象進(jìn)行系統(tǒng)分析，從而找出適合大慣性動態(tài)特性對象的一般控制方法。但這種電阻爐各點的熱慣性差 異不會太大。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。 6) 電阻爐易于實現(xiàn)生產(chǎn)過程的 機(jī)械化和自動化 ，勞動條件好，勞動生產(chǎn)率高。由于小型 箱式 電阻爐一般應(yīng)用在實驗或小容量用爐的場合，這種電阻爐在設(shè)計方面滿足了慣性小、非線性弱的控制要求 、 同時在應(yīng)用過程中的擾動也比較少 、 動態(tài)參數(shù)時變性不大 、 因此， PID 控制器足以滿足這種電阻爐控溫系統(tǒng) 的要求。 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（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計（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（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績?nèi)容。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。 箱式 電阻爐應(yīng)用特點 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 。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。然后氣流又依靠對流傳熱作用將熱量傳給被加熱體的物料。因此，實現(xiàn)我國工業(yè)電阻爐的自動化，達(dá)到精確控制爐溫，提高成品率，實現(xiàn)節(jié)能及減少污染，己成為近幾年來熱工與自動化專業(yè)人員的一項研究課 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。當(dāng)發(fā)生擾動時，控制系統(tǒng)輸出電壓 作為控量當(dāng)輸出的電壓變化時，通過電熱元件的功率同步發(fā)生變化，從而使電 熱元件的溫度也 生 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 11 頁 變化。此溫度響應(yīng)曲線的測量，必須要保證在電阻爐溫度穩(wěn)定之后才能進(jìn)行而且上 述的實驗過程，在相同的實驗條件下應(yīng)重復(fù)實驗多次，以得到至少要有兩條 基本相同的曲線。估算法是按爐溫及爐膛容積或爐溫與爐膛有效面積及空爐升溫時間等參數(shù)，并通過一定的經(jīng)驗公式或計算圖表來確定電阻爐的功率。 高： h=600mm），表面用冷軋鋼板鉚接到矩形框架上。此外爐門密封性的好壞還會影響到箱式電阻爐的使用范圍，當(dāng)爐門的密封性能良好時電阻爐就能進(jìn)行滲碳，滲氮的熱處理。通過對生產(chǎn)設(shè)備數(shù)學(xué)模型的分析和仿真，可以確定個別因素對整個控制對象動態(tài)特性的影響，從而對生產(chǎn)設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計提出合理的建議和要求。一般來說，實驗結(jié)果是可靠的原始資料，在某種特定的情況下，這些結(jié)果允許被推廣到其他類似形式的對象上去。時域建模方法主要是求取對象的 飛升曲線或方波響應(yīng)曲線，如輸入量作階躍變化，測繪出對象輸出量隨時間變化的曲線。它在控制過程中起著 “粗 調(diào)”的作用。 首先，對 600℃溫區(qū)以擾動電壓為輸入量、試樣溫度為輸出量的模型進(jìn)行校驗，由節(jié)的計算，我們得到它的兩種結(jié)構(gòu)模型，一階慣性加純滯后模型及高階慣性模型，對這兩個模型分別輸入階躍信號，然后觀察輸出的響應(yīng)曲線，并與實際響應(yīng)曲線的標(biāo)么圖進(jìn)行比較，選擇誤差較小的，作為電阻爐的模型。 FIS 編輯器為系統(tǒng)處理高層屬性 :確定輸入、輸出變量的個數(shù) ，定義變量的名稱，以及確定模糊推理方法。那么，最后只剩下控制器的建立了，在本節(jié)中，分別采用 PID控制方法及模糊控制方法來對系統(tǒng)進(jìn)行仿真，以觀測兩種控制方法的特性。 一維控制器是一種最簡單的模糊控制器，控制器的輸入、輸出語言變量只有一個。 其中 pid2 模塊為主控制器，是采樣時間為 15s 的離散 PID 控制器 :fty2 模塊采樣時間為 30s 的副控制器 :out I 擾動的幅值為 100，持續(xù)時間為 100s。而電阻爐在工作時，爐門經(jīng)常要開關(guān)送入、取出試樣，經(jīng)常處于有擾動的非穩(wěn)態(tài)工作條件下，所以， FUZZY PID 系統(tǒng)是比較適合大 慣性電阻爐的一種控制系統(tǒng)。調(diào) 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 28 頁 節(jié)時間較短。不同的熱電勢對應(yīng)著不同的溫度，熱電偶就是通過測量熱電勢來實現(xiàn)測溫的。其中 VB 的語言構(gòu)成簡單，容易上手，使它為廣大程序員 所接受。在應(yīng)用系統(tǒng)中， Matlab 是服務(wù)器， VB 應(yīng)用程序是客戶端。此命令中， FuzzyName，為 Matlab中定義的模糊控制器的名稱，此模糊控制器有兩個輸入。 綜上所述，本系統(tǒng)比較好的控制住了 箱式 電阻爐的溫度，并保證了控制精度，使其沒有發(fā)生大幅度的波動，滿足了大容量 箱式 電阻爐的牛產(chǎn)討 fy 要 3k。 第三 章使用數(shù)學(xué)方法 對電阻爐對 象進(jìn)行動態(tài)建模。而對于 PIDFUZZY 系統(tǒng)，則更適合于擾動比較少，長期處于穩(wěn)定工作狀態(tài)的對象。這種通過將仿真中的控制器直接應(yīng)用到實際控制程序中的使用方法，使仿真控制與實際控制直接聯(lián)系起來，把仿真結(jié)果直接 用來構(gòu)建控制系統(tǒng)模型提供理論指導(dǎo)。第五 章將 FUZZYPID 控制系統(tǒng)應(yīng)用到電阻爐對象上，并取得了一定的效果。 在這段時間里，我大量借鑒了國內(nèi)已有的理論成果和實際產(chǎn)品，根據(jù)自己的要求，結(jié)合自己對熱處理的理解和設(shè)計想法，借助老師的幫助，設(shè)計出了箱式電阻爐及溫控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計；通過理論計算，選出了符合任務(wù)要求的設(shè)計方案；都通文字說明與圖紙的形式表現(xiàn)了 出來。 Evalfis，為 Matlab 命令，用來求取模糊控制器的輸出。在大部分實例中常使用 Text 控件，它能夠處理大部分的文本 (大約 32021 個字符 )。 模糊控制器的實現(xiàn) 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 31 頁 模糊控制器應(yīng)用設(shè)計一節(jié)里，介紹了兩種方法，模糊關(guān)系矩陣法和查表法。也有外面包裹耐火材料的工業(yè)熱電偶 。 5) PIDFUZZY 結(jié)構(gòu)在擾動量不太頻繁，且擾動量不大時，可以做到很精確平滑的控制效果，但其動態(tài)指標(biāo)不如 FUZZYPID 結(jié)構(gòu)。如果這一點不能保證，很可能會造成控制系統(tǒng)的振蕩。通過計算，得出 PIDFUZZY 串級控制系統(tǒng)的暫態(tài)響應(yīng)性能指標(biāo)，最大超調(diào)百分?jǐn)?shù)。 二維模糊控制器有兩個輸入變量，一個輸出變量，同一維模糊控制器一樣，適用于被控對象是單輸入一單輸出的系統(tǒng)。連續(xù)模型與離散模型是有一定區(qū)別的，連續(xù)模型的輸出量是連續(xù)平滑的，而離散模型的輸出最呈階梯狀，即在一段采樣 。規(guī)則編輯器用于定義系統(tǒng)行為的一系列規(guī)則。本章的目的是通過對 箱式 電阻爐動態(tài)模型控溫系統(tǒng)的仿真分析，比較多種控制方法的性能，從而找出一種能適合 箱式 電阻爐這類具有大慣性、非線形、時變性等特點的對象的控制方法，并在實際的控制系統(tǒng)中應(yīng)用。無論主環(huán)或副環(huán)都有各自的調(diào)節(jié)對象、測量變送元件。熱工對象模型，通?？啥橛凶云胶饽芰Φ募儨笠浑A慣性對象模型或高階慣性對象模型。從大量的實驗輸入、輸出數(shù)據(jù)中，找到一個與實際對象逼近的模型，該模型能真實表示實際對象的本質(zhì)特性。對一些復(fù)雜的生產(chǎn)操作過程，都應(yīng)該事先對操作人員進(jìn)行實際操作培訓(xùn)。這樣大大增加了箱式電阻爐的使用范圍，為電阻爐的應(yīng)用市場打開更大的大門， 黃河科技學(xué)院畢