【正文】 分析和設(shè)計控制系統(tǒng)，選擇控制系統(tǒng)參數(shù)，驗證控制系統(tǒng)的新結(jié)構(gòu)與新算法。 對于那些很難以用解析方法計算或描述的，具有復(fù)雜動態(tài)特性的對象，采用仿真技術(shù)對其進(jìn)行仿真、分析，具有其他方法不可比擬的優(yōu)越性。箱式電阻爐對象是具有控溫單向性、大慣性、時變性等特點(diǎn)的熱工對象。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。降溫階段，則只能依靠環(huán)境自然冷卻，無法進(jìn)行控制。大慣性是由于電阻爐的熱容量大，同時還向外界傳遞熱量。時變性是因為箱式電阻爐是一種特性參數(shù)隨爐溫變化而變化的被控對象。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。所以，找出一種新的控制方法以滿足電阻爐的高精度要求是必要的。 本文基于這種方法，建立箱式電阻爐串級控制系統(tǒng)。第一章為總論部分，針對當(dāng)前電爐控制中普遍存在的問題進(jìn)行分析，提出改進(jìn)控制方法的提案。第二章為電阻爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計。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。第四章應(yīng)用多種控制方法，在SIMULINK環(huán)境下對建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行仿真分析，從中選出了適合電阻爐對象的控制方法，即FUZZYPID串級控制系統(tǒng)。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。通過建模、仿真分析及實(shí)際應(yīng)用結(jié)果可總結(jié)如下結(jié)論: 1)對于電阻爐對象的建模，可以有多種方法:如時域法、頻域法、解析法等也可以使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法對電阻爐對象建模。其中，采用時域法建立模型簡便易行且能基本滿足分析要求，所以被廣泛使用。頻域法、解析法建模比較復(fù)雜。神經(jīng)絡(luò)方法建模更加適合那些對被控對象模型完全不了解的條件下使用。 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。這是因為，大慣性對象雖然也會有一定的滯后，但相對于對象的慣性時間而言，卻是影響很小的，所以可以忽略。 3)對于大慣性對象，采用傳統(tǒng)PID控制器，其控制效果通常無法滿足對象的控制要求。尤其是對象處于頻繁擾動的條件下，控制系統(tǒng)可能長期處于波動狀態(tài)，而造成系統(tǒng)振蕩。 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。 5)由于單回路控制系統(tǒng)不能很好的解決大慣性對象的多擾動問題，所以可以選擇對擾動抑制能力強(qiáng)的串級結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。本文描述的 FUZZYPID控制系統(tǒng)與PIDFUZZY控制系統(tǒng)都能夠?qū)Υ髴T性對象的頻繁擾動進(jìn)行比較好的抑制，但從它們各自的仿真控制輸出曲線可看出，大容量電阻爐這類機(jī)理復(fù)雜的大慣性對象，F(xiàn)UZZYPID控制系統(tǒng)的控制效果更好一些。這充分反映，F(xiàn)UZZYPID系統(tǒng)中的 PID副控制器控制頻率高，可以在擾動還沒有影響到試樣之前，就將它的影響消除掉。不過由于控制頻率較高，也使得對執(zhí)行器及測溫元件的反映速度有很高的要求。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。 6)在本系統(tǒng)中，模糊控制器的構(gòu)造沒有采用傳統(tǒng)的模糊控制表方法，也沒有自己編程來編寫模糊控制器，而是將MATLAB中建立的模糊控制器通過DDE方法，直接鏈接到實(shí)際的控制程序中，這使得編寫控制系統(tǒng)的工作量大大減少，而且對于模糊控制器的調(diào)試也方便了很多。這種通過將仿真中的控制器直接應(yīng)用到實(shí)際控制程序中的使用方法，使仿真控制與實(shí)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)。 7)在進(jìn)行MATLAB中模糊控制器與控溫程序DDE鏈接的研究中，提出了建立公共工作空間的方法，從而解決了VB無法識別MATLAB中數(shù)值量的問題，為解決同類問題提供了參考。 8)本系統(tǒng)在實(shí)際控制中的控制結(jié)果與仿真中的控制結(jié)果還存在一定偏差，這主要是在模型辯識中，將慣性時間常數(shù)T當(dāng)作常量處理所造成的。而且建模過程中，還存在很多不穩(wěn)定的條件，并忽略了一些次要因素的影響。因此，在系統(tǒng)的模型辯識上，還可以做一些改進(jìn)工作，使其更加完善。 9)本系統(tǒng)的開發(fā)方式具有一定的特點(diǎn)，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。因此，實(shí)現(xiàn)MATLAB與其它應(yīng)用程序的動態(tài)數(shù)據(jù)及圖形交互是非常有意義的，因此，上述控制系統(tǒng)的開發(fā)方式，不僅對于控制軟件開發(fā)者具有應(yīng)用價值，而且對于其它領(lǐng)域的程序開發(fā)者也有一定的借鑒作用。 在本設(shè)計的過程中，開始階段我的工作主要是對于自動控制原理及模糊理論的學(xué)習(xí)理解和消化，為此我翻閱了 《自動控制原理》、《過程控制》、《模糊數(shù)學(xué)》、《計算機(jī)模糊控制技術(shù)與儀表裝置》、《神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)》等課本，對這些方面的知識有了一定的理解。接下來是了解數(shù)學(xué)模型的意義及辯識方法，通過閱讀 《系統(tǒng)辯識》、《熱工控制對象動力學(xué)》等，使得我對數(shù)學(xué)模型的物理意義及熱工對象模型的一般特征有了基本印象。 在對箱式電阻爐對象建模的過程中，我曾嘗試過多種建模方法:包括頻域法建模、解析法建模、還使用過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模:頻域法和解析法由于實(shí)驗條件有限，使得建模過程即出現(xiàn)很多問題，因而沒有進(jìn)行下去。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模，只是對相應(yīng)的輸入、輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，其中的各個權(quán)值沒有實(shí)際的意義，因此很不好把握，最后得到的結(jié)果也沒有能夠滿足要求。可以說神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一,是非常有前景的學(xué)科，它可以逼近任意的非線形對象但還需要進(jìn)一步發(fā)展。而我也沒有深入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究中，因此在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模上也沒有得到好的效果，很是遺憾。 對復(fù)雜熱工對象建模的最好方法是數(shù)值建模方法，目前，可應(yīng)用于熱工對象的數(shù)值模擬軟件有很多種，如CFX, FLUNT, ANSYS等等。但是數(shù)值建模方法是非常復(fù)雜，且需要花費(fèi)大量時間研究的，所以我也由于時間等各方面的因素沒有深入進(jìn)去，而使用了比較簡單的時域建模方法，建立的模型是精度不高的數(shù)學(xué)模型，我想這個環(huán)節(jié)也許是本論文的薄弱之處，也希望以后能有機(jī)會改進(jìn)。 在后序過程，我的精力主要放在仿真模糊控制器的建立及過程控制系統(tǒng)模糊控制器的編寫上。尤其是對后一部分的工作，傳統(tǒng)方法是建立模糊控制規(guī)則，選擇隸屬函數(shù)表，確定模糊狀態(tài)表，推導(dǎo)模糊關(guān)系矩陣，通過編程計算最終得到模糊控制表或者是在線計算模糊關(guān)系矩陣求出結(jié)果。更為重要的任務(wù)是在將模糊理論與實(shí)際控制相連接，而且還有試驗階段的反復(fù)調(diào)試、改進(jìn)等。面對這樣復(fù)雜、煩瑣的過程，我考慮了是否可以在過程控制系統(tǒng)中直接調(diào)用 MATLAB中已經(jīng)完成的仿真模糊控制器。通過閱讀了大量書籍、資料，我決定采用 DDE方法來實(shí)現(xiàn)我的想法，在此過程中也遇到了很多技術(shù)上的問題，但都通過各方面的努力得到解決，最終形成了前文中的方案。這次畢業(yè)設(shè)計是我四年大學(xué)歷程中的最后一門課，也是對四年大學(xué)的一個總結(jié)。我不僅從中進(jìn)一步了解了熱處理以及溫度控制原理，并且清楚地了解到了電阻爐的發(fā)展趨勢，還對對機(jī)械結(jié)構(gòu)、原理的設(shè)計進(jìn)行了一定的探索，對機(jī)械設(shè)計的具體環(huán)節(jié)及過程有了更深入的體會，也鞏固了自己的專業(yè)知識，鍛煉了分析問題、解決問題的能力，培養(yǎng)了一定的設(shè)計思想，所有的收獲都將令我終生受益。但是，由于自己的知識水平有限，實(shí)踐經(jīng)驗缺乏，設(shè)計思想不完善，設(shè)計中難免出現(xiàn)錯誤，存在問題，希望大家批評指正，我會繼續(xù)努力，以便進(jìn)一步提高和完善。致謝這次畢業(yè)設(shè)計時間長，任務(wù)重，需要知識和資料多，由于自己的水平有限，如果沒有身邊老師和同學(xué)們的耐心指導(dǎo)和無私幫助，我很難完成這此設(shè)計。在這里，我首先要感謝我的指導(dǎo)老師劉萬福老師。從設(shè)計題目的下發(fā)、講解，設(shè)計資料的收集，外文的翻譯，方案論證報告的撰寫，圖紙的繪制，到最后說明書的撰寫，我遇到過很多的問題，有專業(yè)上的，也有生活上的，只有向劉老師提出，他都會耐心地給我講解，幫我查找相關(guān)文獻(xiàn)，有時還手把手教我一些東西，并糾正了我的專業(yè)知識中的很多錯誤，劉老師的專業(yè)水平讓我佩服。劉老師不僅指導(dǎo)了我的這次畢業(yè)設(shè)計，他還用自己在生活中的經(jīng)歷和感受告訴我們許多為人處事的道理，這些將會積極影響我以后的工作和生活。其次，我要感謝我身邊的同學(xué)們，是他們從頭到尾陪著我走過這四年的大學(xué)生活，是他們幫著我走完畢業(yè)設(shè)計這最后的一段路。愿我們的友誼地久天長。我還要感謝大學(xué)里所有教過我的老師，是他們教會了我專業(yè)知識，幫助我不斷提高。感謝母校對我的培養(yǎng)。在以后的人生中，我會更加努力，用自己的成就來報答母校，報答老師。參考文獻(xiàn)[1] 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