【文章內(nèi)容簡介】 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 。 在工業(yè)生產(chǎn)過程中，大多數(shù)控制過程的模型?？梢越频赜靡浑A慣性、二階慣性或一階慣性加延時、二階慣性加延時來描述。而在本測控系統(tǒng)中，被控對象電阻爐的數(shù)學(xué)模型可用一個一階慣性環(huán)節(jié)和一個延遲環(huán)節(jié)的串聯(lián)來表示 ： ? ? 1 f sfKG s eTs ??? ? （ 28） 其中 ： fT — 電阻爐的時間常數(shù) ； fK — 各環(huán)節(jié)組成的系統(tǒng)總放大系數(shù) ； ? — 系統(tǒng)的純滯后時間。 這三個參數(shù)一般用實驗的方法或數(shù)學(xué)分析的方法去求得。在工程中，常用飛升曲線法測得這三個參數(shù)。其方法是先不接把控制器接入控制回路，系統(tǒng)處于開環(huán)狀態(tài)，用飛升曲線法可測得式 (28)中的各系數(shù)的近似值如下 : fT =360s， ? =10s， fK =2, 即： ? ? sessG 101360 2 ??? （ 29） 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 第三章 電阻爐溫度控制系統(tǒng) 電阻爐的溫度控制系統(tǒng)同其它各種自動控制系統(tǒng)一樣，主要由測量、給定、比較、放大和執(zhí)行幾部分組成。采用可控硅作為執(zhí)行元件的電阻爐溫度控制系統(tǒng) ，爐內(nèi)的溫度可以按照編定的程序進行控制。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行比較，將比較所得到結(jié)果進行放大、校正等處理得到輸出信號送至執(zhí)行元件。執(zhí)行元件根據(jù)輸出信號調(diào)整電爐的輸 入功率，從而達到控制爐溫的目的。 溫度控制方案的介紹 在控制領(lǐng)域中，溫度控制電路廣泛應(yīng)用于社會生活的各個領(lǐng)域，電阻爐溫度控制具有升溫單向性、大慣性、大滯后的特點。其升溫單向性是 指 電阻爐的升溫 、 保溫 過程 依靠電阻絲 的 加熱 來控制 ，降溫則是依靠環(huán)境自然冷卻，當(dāng)其溫度一旦超調(diào)，就無 法用控制手段使其降溫。傳統(tǒng)的繼電器調(diào)溫電路簡單實用，但由于繼電器動作頻繁，可能會因觸點不良而影響正常工作。近年來提出改進的電路，采用主回路無觸點控制，克服繼電器接觸不良的缺點，且維修方便，缺點是溫度控制范圍小，精度不高。 所以， 最近幾年快速發(fā)展的 PID 控制 、 模糊控制以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 、 遺傳算法在溫度控制中 被廣泛 應(yīng)用。 （ 1） PID 控制 PID 控制即比例、積分、微分控制。自 19 世紀 40 年代以來，由于其結(jié)構(gòu)簡單、容易實現(xiàn)、控制效果好、魯棒性強等特點，因而在工業(yè)過程控制中至今仍 被 廣泛應(yīng)用 。 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)。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） （ 2） 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制 溫度控制系統(tǒng)由于負載的變化以及外界干擾因素復(fù)雜， PID 控制只能對電參數(shù)的影響做精確的計算，對于外界環(huán)境的變化只能做近似的估算，影響控制精度。 而 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以其高度的非線映射，自組織，自學(xué)習(xí)和聯(lián)想記憶等功能，可對復(fù)雜的非線性系統(tǒng)建模。該方法響 應(yīng)速度快，抗干擾能力強，算法簡單，且易于用硬件和軟件實現(xiàn)。 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，在微機上反復(fù)迭代，隨實驗與研究的進行與深入，自我完善與修正，直至系統(tǒng)收斂，得到網(wǎng)絡(luò)權(quán)值，達到整定 PID 參數(shù)的目的。 （ 3） 模糊控制 模糊控制是基于模糊邏輯的描述一個過程的控制算法，主要嵌入操作人員的經(jīng)驗和直覺知識。它適用于控制不易取得精確數(shù)學(xué)模型和數(shù)學(xué)模型不確定或經(jīng)常變化的對象。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)驗直觀判斷，非常容易應(yīng)用。對溫度誤差采樣的精確量模糊化，經(jīng)過數(shù)學(xué)處理輸入計算機中，計算機根據(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)行機構(gòu)，調(diào)整輸入達到調(diào)節(jié)溫度 并 使之穩(wěn)定的目的。同傳統(tǒng)的 PID 控制比較，模糊控制響應(yīng)速度快，超調(diào)量小，參數(shù)變化不敏感。 （ 4） 模糊控制與 PID 控制相 結(jié)合 模糊控制的優(yōu)點是不須知道被控對象的精確模型，易于控制不確定對象和非線性對象，對被控對象參數(shù)變化有強魯棒性，對 控制系統(tǒng)千擾有較強抑制能力。然而，模糊控制的局限性在于對控制系統(tǒng)設(shè)計分析和標(biāo)準缺乏系統(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)。 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，特別是其強魯棒性能較好適應(yīng)過程工況的大范圍變動。但 PID 控制 本質(zhì)是線性控制，而模內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 糊控制具有智能性，屬于非線性領(lǐng)域。 如果模糊控制與 PID 控制 結(jié)合將具備兩者的優(yōu)點，其實質(zhì)是一種以模糊規(guī)則調(diào)節(jié)PID 參數(shù)的自適應(yīng)控制，即在一般 PID 控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上，加上一個模糊控制規(guī)則環(huán)節(jié)。根據(jù)不同實時狀態(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)溫差較小時采用 PID 控制，使其靜態(tài)性能好，滿足系統(tǒng)精度要求。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。 （ 5） 模糊控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合 溫控系統(tǒng)由于被控過程常常具有嚴重的非線性、時變性以及種類繁多的干擾，使得基于精確數(shù)學(xué)模型的傳統(tǒng)控制方案很難獲得滿意的動靜態(tài)控制效果。近些年來模糊邏輯控制取得了巨大成功。但是，模 糊控制所基于的專家經(jīng)驗不易獲得，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、時變性，嚴重影響控制效果。 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。模糊控制提供了一種新的有效途徑，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)能力來修正偏差和偏差變化的比例系數(shù)，達到優(yōu)化模糊控制的作用，從而進一步改進實時控制效果，其優(yōu)點動態(tài)響應(yīng)快，能達到高精度的快速控制，具有極強的魯棒性和適應(yīng)能力。 綜上所述，實現(xiàn)溫控系統(tǒng)的參數(shù)調(diào)整，將線性控制與非線性相結(jié)合，使溫度能滿足用戶的需要是溫控系統(tǒng)的最 終目的。在實際應(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。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。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 溫度控制的基本原理 電阻爐為被控對象的控制過程見圖 。 圖 的工作原理為：由熱電偶檢測爐內(nèi)實際溫度，經(jīng)過溫度變送器轉(zhuǎn)換為電壓信號，經(jīng)計算機采集后與設(shè)定溫度進行比較，根據(jù)偏差信號計算出相應(yīng)控制量并輸出，經(jīng)過控制可控硅的導(dǎo)通角來控制電阻絲中電流，進而控制對象溫度，使對象的實際溫度向 著給定溫度變化并最終達到給定溫度。 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)實際溫度?？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。 給 定 溫 度 控 制 器 可 控 硅 電 路 電 爐 實 際 溫 度溫 度 變 送 器 圖 溫度控制框圖 變送器 變送器是基于負反饋原理工作的，其構(gòu)成原理如圖 所示，它包括測量部分、放大器和反饋部分。 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 部 分 C反 饋 部 分 F放 大 器 K調(diào) 整 、 零 點 遷 移Z 0Z fZ iε 圖 構(gòu)成原理圖 變送器的輸入輸出特性 如 圖 ， x是檢測信號， y是標(biāo)準信號。 xmax、 xmin分別為被測變量的上限值和下限值。 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 ）。 反饋部分則把變送器的輸出信號 y轉(zhuǎn)換成反饋信號 Zf， 再 送回至輸入端。 Zi 與調(diào)零信號 Zo 的代數(shù)和同反饋信號 Zf 進行比較，其差值 ε 送入放大器進行放大，并轉(zhuǎn)換成標(biāo)準輸出信號 y。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 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)滿足深度負反饋的條件，即 KF》 1 時，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)。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。要進行量程調(diào)整、零點調(diào)整和零點遷移只要改變 F、 C、 Zo 的大小就能實現(xiàn) 。 可控硅 可控硅（ SCR）國際通用名稱為 Thyyistoy，中文簡稱晶閘管。自從 20 世紀 50 年代問世以來已經(jīng)發(fā)展成了一個大的家族，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。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，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 溫度傳感器一般分為接觸式和非接觸式兩大類。電阻爐的溫度測量傳統(tǒng)大都采用熱電偶。熱電偶的工作原理基于熱電效應(yīng)。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。 熱電偶由于測溫范圍寬，它在工程實際中的應(yīng)用非常廣泛。熱電偶能用來測量點的溫度和壁面溫度，也能用來進行動態(tài)溫度測量。 不同 的溫區(qū)，都 可選擇不同型號的熱電偶實現(xiàn)溫度測量。自 19 世紀發(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。除此以外，熱電偶還具有明顯的優(yōu)點： （ 1） 結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，價格便宜； （ 2） 測溫精度較高，高溫區(qū)的復(fù)現(xiàn)性和穩(wěn)定性好； （ 3） 由于測溫顯示 的是 電信號， 這就 便于 信 號的遠傳和記錄，也有利于集中檢測和控制； （ 4） 熱電偶體積小，熱容量及熱慣性 也相對很 小。 根據(jù)國際電工委員會 (IEC)推薦的八種類型標(biāo)準化熱電偶，以及本設(shè)計要求，測控對象 (電阻爐 )的溫度變化范圍，選用 K 型熱電偶 (鎳鉻 — 鎳硅熱電偶 )作為檢測元件，其測溫范圍一般在 200~1200℃，具有高溫下抗氧化，抗腐蝕，穩(wěn)定性好等特點，并且所用的元器件少，性能優(yōu)良，精度高，具有先進水平。 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。 ℃，為測量溫度的 %。 級 在 0~1200℃之間，其誤差為177。 ℃，為測量溫度的 %。 級 在 200~0℃之間，其誤差為177。 ℃，為測量溫度的 %。 本系統(tǒng)采用 級 K 型熱電偶。 PID 控制 PID 控制有模擬和數(shù)字兩種類型，數(shù)字 PID 控制 是在模擬 PID 控制 發(fā)展而來的，它適合于在單機片機上實現(xiàn)。 PID 控制算法是按誤差的比例，積分、微分進行控制的，其參數(shù)可以在現(xiàn)場在線整定，由于軟件設(shè)計的靈活性，一般可以得到較好的控制效果。 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，生命力最強的一種控制方式。它是迄今為止最通用的控制方法。它提供一種反饋控制，通過積分作用可以消除穩(wěn)態(tài)誤差，通過微分作用可以預(yù)測未來。 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。 PID 控制不僅是分布式控制系統(tǒng)的重要組成部分，而且