【正文】 ],所以控制器的輸出應(yīng)該限制在這個(gè)范圍內(nèi)。輸入變量偏差變化率，基本論域 [+5, +5』的范圍內(nèi) 。這對(duì)于仿真分析是很重要的。但規(guī)則觀察器和曲面觀察器都無(wú)法修改 FIS 數(shù)據(jù)，可與工作空間或磁盤(pán)交換圖形。規(guī)則觀察器是一個(gè)基于 Matlab 的用于顯示模糊推理方框圖的工具。規(guī)則編輯器用于定義系統(tǒng)行為的一系列規(guī)則。 FIS 編輯器為系統(tǒng)處理高層屬性 :確定輸入、輸出變量的個(gè)數(shù) ，定義變量的名稱，以及確定模糊推理方法。該工具箱集成度高，內(nèi)容豐富，基本包括了模糊集合理論的各個(gè)方面，功能強(qiáng)大，簡(jiǎn)捷快速，方便易用， 而且仿真過(guò)程結(jié)果可視化，在仿真的過(guò)程中修改優(yōu)化設(shè)計(jì)方案比較容易，大大加快了設(shè)計(jì)進(jìn)程 [3741] 在模糊邏輯工具箱中有 5 個(gè)基本圖形用戶界面用于建立、編程和觀察模糊推理系統(tǒng) (FIS)，它們分別是 FIS 編輯器 (FIS Editor)、隸屬函數(shù)編輯器、規(guī)則編輯器、規(guī)則觀察器和曲面觀察器。這是以前需要用編程語(yǔ)言明確地用公式表達(dá)微分方程的仿真軟件包所遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能相比的。 在建模方面， Simulink 提供了一個(gè)圖形化的用戶界面 (GUI)，可以用鼠標(biāo)點(diǎn)擊和拖拉模塊的圖表建模。 Simulink 環(huán)境中有 Simulink 庫(kù)、控制系統(tǒng)工具箱 (Control System Toolbox)、模糊邏輯工具箱 ((Fuzzy Logic Toolbox)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊集 (Neural Network Blockset ).Simulink 附加庫(kù) (Simulink Extras)等 16 個(gè)仿真模塊子庫(kù)。因 此廣泛應(yīng)用在科研院所、高等院校及工業(yè)企業(yè)中。 Simul ink 工具箱簡(jiǎn)介 Simulink 是基于 Matlab 平臺(tái)下實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的一個(gè)集成環(huán)境，它能夠應(yīng)用圖形化模塊對(duì)模擬、 :離散或混合系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真。本章的目的是通過(guò)對(duì) 箱式 電阻爐動(dòng)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(lèi)具有大慣性、非線形、時(shí)變性等特點(diǎn)的對(duì)象的控制方法，并在實(shí)際的控制系統(tǒng)中應(yīng)用。 首先，對(duì) 600℃溫區(qū)以擾動(dòng)電壓為輸入量、試樣溫度為輸出量的模型進(jìn)行校驗(yàn)，由節(jié)的計(jì)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(duì)這兩個(gè)模型分別輸入階躍信號(hào)，然后觀察輸出的響應(yīng)曲線，并與實(shí)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。這里，我們僅對(duì) 60039。 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 21 頁(yè) 電阻爐動(dòng)態(tài)模型確定 電阻爐動(dòng)態(tài)模型建立以后是否可用，仍需要校驗(yàn)，即看校驗(yàn)?zāi)Ｐ团c實(shí)際對(duì)象的誤差是否滿足一定的指標(biāo)函數(shù) 1285。但要想獲得電阻爐對(duì)象的詳細(xì)特性，還需要對(duì)模型進(jìn)行仿真、分析，而這是非常復(fù)雜、煩瑣的。當(dāng)然，增益還會(huì)受到控制電壓與輸出電壓關(guān)系的影響。這是因?yàn)椋S著電阻爐溫度升高，其向環(huán)境傳遞的熱量會(huì)更大，即使在兩個(gè)溫度段內(nèi)，給定相同的單位時(shí)間熱量擾動(dòng)，也會(huì)由于高溫區(qū)向外界環(huán)境傳遞的熱量多，而造成它升溫的速度要慢于低溫段的升溫速度。 實(shí)驗(yàn)溫度對(duì)建立電阻爐動(dòng)態(tài)模型的影響 綜上所述 ，可知電阻爐對(duì)象模型是隨著溫度的變化而變動(dòng)的。無(wú)論主環(huán)或副環(huán)都有各自的調(diào)節(jié)對(duì)象、測(cè)量變送元件。它在控制過(guò)程中起著 “粗 調(diào)”的作用。 串級(jí)控制系統(tǒng)的模型分析與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 串級(jí)控制是復(fù)雜控制中的一種方法，在其結(jié)構(gòu)上形成了兩個(gè)閉環(huán)。熱工對(duì)象模型，通?？啥橛凶云胶饽芰Φ募儨笠浑A慣性對(duì)象模型或高階慣性對(duì)象模型。常用的熱電偶有三種， T 型熱電偶 (鉑佬一鉑熱電偶 )、 K 型 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 20 頁(yè) 熱電偶 (鎳鉻一鎳硅電偶 )、 B 型作階躍變化，測(cè)繪出 對(duì)象輸出量隨時(shí)間變化的曲線。可控硅及熱電偶的反應(yīng)速度相對(duì)于具有大慣性的被控對(duì)象也是很迅速的，因此它們的慣性時(shí)間與延遲時(shí)間也可忽略，但它們卻不是簡(jiǎn)單的比例環(huán)節(jié)，可控硅的控制電壓與輸出電壓通常呈現(xiàn)出嚴(yán)重的非線形函數(shù)關(guān)系 。其結(jié)構(gòu)框圖 所示 : 圖 單回路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 其中， D/A 可表示為傳遞函數(shù) GI(S)、可控硅表示為傳遞函數(shù) GAS)、被控對(duì)象表示為傳遞函數(shù) WI(S), A/D 表示為傳遞函數(shù) Kj(S)、信號(hào)采集板表示為傳遞函數(shù) K2(S)、熱電偶表示是為傳遞函數(shù) K3(S), T，為輸入量， T2 為輸出量。 模型 分析及實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 本文分別選用單回路控制與串級(jí)控制方法，在這兩種控制方法中對(duì)象模型是不同的，所 以它們的模型建立也要分別進(jìn)行。熱工對(duì)象模型，通?？啥橛凶云胶饽芰Φ募儨笠浑A慣性對(duì)象模型或高階慣性對(duì)象模型。時(shí)域建模方法主要是求取對(duì)象的 飛升曲線或方波響應(yīng)曲線，如輸入量作階躍變化，測(cè)繪出對(duì)象輸出量隨時(shí)間變化的曲線。實(shí)驗(yàn)建模方法其主要途徑是獲得對(duì)象的輸入、輸出數(shù)據(jù)，然后 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 19 頁(yè) 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，求出對(duì)象模型。 圖 實(shí)驗(yàn)建模結(jié)構(gòu)框圖 建立電阻爐對(duì)象動(dòng)態(tài)模型 由于電阻爐這類(lèi)熱工對(duì)象的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)復(fù)雜多變，不易于采用理論建模方法。如果滿足，則確定為最后的模型，否則修改模型的結(jié)構(gòu)、階 次，有時(shí)甚至要重新進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。 3)參數(shù)估計(jì)，是根據(jù)輸入、輸出數(shù)據(jù)以及模型結(jié)構(gòu)來(lái)確定模型參數(shù)。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，還應(yīng)當(dāng)考慮實(shí)現(xiàn)各種實(shí)驗(yàn)方法的細(xì)節(jié)，如擾動(dòng)信號(hào)的幅度、測(cè)量手段以及同實(shí)驗(yàn)相關(guān)的相應(yīng)措施等。就擾動(dòng)信號(hào)的形式來(lái)分，實(shí)驗(yàn)建?？煞譃闀r(shí)間域方法、頻率域方法和統(tǒng)計(jì)方法。從大量的實(shí)驗(yàn)輸入、輸出數(shù)據(jù)中，找到一個(gè)與實(shí)際對(duì)象逼近的模型，該模型能真實(shí)表示實(shí)際對(duì)象的本質(zhì)特性。一般來(lái)說(shuō)，實(shí)驗(yàn)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(lèi)似形式的對(duì)象上去。如應(yīng)用分割的方法，把復(fù)雜的對(duì)象分割成若干個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的區(qū)間，求出各區(qū)間的近似模型，然后再疊加起來(lái)，但是假設(shè)和簡(jiǎn)化的結(jié)果無(wú)疑會(huì)帶來(lái)一些誤差，因此對(duì)于復(fù)雜的熱工對(duì)象應(yīng)用理論建模往往會(huì)降低其數(shù)學(xué)模型的真實(shí)性和準(zhǔn)確性。 但對(duì)于大多數(shù)的生產(chǎn)過(guò)程或?qū)ο?，尤其像熱工過(guò)程這樣復(fù)雜的對(duì)象來(lái)講，由于它具有多變量、多回路、非線性和分布參數(shù)等特點(diǎn)，或是由于對(duì)其內(nèi)部物理、化學(xué)過(guò)程至今了解得還不夠清楚，因此就不能像上述簡(jiǎn)單對(duì)象那樣，經(jīng)過(guò)一般的理論分析就能建立起嚴(yán)格、精確的數(shù)學(xué)模型。對(duì)那些在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中不允許 輕易進(jìn)行實(shí)驗(yàn)或很難進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的場(chǎng)合，理論建模是唯一可取的途徑。 理論建模 理論建模是根據(jù)對(duì)象的內(nèi)部機(jī)理過(guò)程，分析建立起描述對(duì)象動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)表達(dá)式即數(shù)學(xué)模型。具有破壞性的實(shí)驗(yàn)往往不允許輕易地在實(shí)際生產(chǎn)設(shè)備上進(jìn)行，而是首先需要生產(chǎn)過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，再通過(guò)仿真對(duì)模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。在這樣的模型下，可以方便、全面、安全地對(duì)運(yùn)行人員進(jìn)行培訓(xùn)。對(duì)一些復(fù)雜的生產(chǎn)操作過(guò)程，都應(yīng)該事先對(duì)操作人員進(jìn)行實(shí)際操作培訓(xùn)。通過(guò)對(duì)生產(chǎn)設(shè)備數(shù)學(xué)模型的分析和仿真，可以確定個(gè)別因素對(duì)整個(gè)控制對(duì)象動(dòng)態(tài)特性的影響，從而對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出合理的建議和要求。要對(duì)這樣龐大、復(fù)雜的控制對(duì)象或過(guò)程進(jìn)行操作、自動(dòng)控制、最優(yōu)設(shè)計(jì)方面的研究和開(kāi)發(fā)，首先要求建立熱工控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型 /29311，具體來(lái)說(shuō)研究控制對(duì)象動(dòng)力學(xué)的意義可以歸納為以下幾個(gè)方面 : 1)自動(dòng)控制系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)和調(diào)節(jié)器最佳參數(shù)的整定都是以被控對(duì)象的特 性為依據(jù)的，為了實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的最優(yōu)化，更需要充分了 解對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性。一般地講，我們最多只能指望得到和對(duì)象或過(guò)程有關(guān)的最重要的可觀察特性的描述，它將包括關(guān)鍵性操作變量與參數(shù)。原來(lái)的物理對(duì)象在用一個(gè)數(shù)學(xué)表達(dá)式代替之后，就可以比較方便的從多方面來(lái)探討這個(gè)問(wèn)題。通過(guò)這種描述使我們對(duì)系統(tǒng)的特性有一定了解 [16] 熱工控制對(duì)象動(dòng)力學(xué)研究的意義 動(dòng)態(tài)建模 就是在對(duì)實(shí)際物理對(duì)象觀察或?qū)嶒?yàn)的基礎(chǔ)上，導(dǎo)出描述對(duì)象動(dòng)態(tài)性能的數(shù)學(xué)表達(dá)式 ，是人們從數(shù)量角度更清楚直觀的了解事物的本質(zhì)特征 。研究控制對(duì)象動(dòng)力學(xué)的實(shí)質(zhì)是要建立 被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，簡(jiǎn)稱建模。其程序如下： （ 1）當(dāng)由室溫升到 200 度時(shí) 4 小時(shí)（打開(kāi)爐門(mén)讓水蒸氣散發(fā)）； （ 2）當(dāng)由 200 度升到 600 度時(shí) 4 小時(shí)（關(guān)閉爐門(mén)）； （ 3）當(dāng)由 600 度升到 800 度時(shí) 2 小時(shí)（關(guān)閉爐門(mén)）直到自然冷卻到室溫為止才能進(jìn)行正常工作。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(chǎng)打開(kāi)更大的大門(mén)， 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 15 頁(yè) 本電阻爐的外形噴涂有紅色的防銹漆是外觀更加美觀，并且外殼始終保持常溫，不會(huì)燙傷周?chē)墓ぷ魅藛T，使電阻爐的使用更加安全可靠，使用者更放心安全的使用，使電阻爐的市場(chǎng)前景更加美好。此外爐門(mén)密封性的好壞還會(huì)影響到箱式電阻爐的使用范圍，當(dāng)爐門(mén)的密封性能良好時(shí)電阻爐就能進(jìn)行滲碳，滲氮的熱處理。因?yàn)闋t門(mén)的隔熱效果要是不好，不但會(huì)影響加熱速度，還會(huì)讓有害氣體進(jìn)入爐膛工作室影響工件的質(zhì)量，例如在熱處理當(dāng)中，進(jìn)入爐膛工作室大量的不利氣體（氧氣，等氣體）就會(huì)使工件的熱處理失敗，工件熱處理后的表面被氧氣得氧化，這是熱處理當(dāng)中非常忌諱的一個(gè)。箱式電阻爐的后面是接線處，在工作室的后面有一個(gè)小孔是用于裝測(cè)溫元件的（鉑銠 — 鉑銠熱電偶）。爐膛與爐殼之間用優(yōu)質(zhì)的保溫材料作保護(hù)層，隔絕工作室的熱量同外界的交換，保證工作室正常工作。：坡度角： a：安全系數(shù) )。amg/cosamp。此工作室底面有一定的坡度，是為了完成工作后取出工件方便設(shè)計(jì)的。 寬：b1=250mm。 高： h=600mm），表面用冷軋鋼板鉚接到矩形框架上。 箱式電阻爐的結(jié)構(gòu)尺寸 本箱式電阻爐 的外殼采用優(yōu)質(zhì)的三角鐵焊接成而成的矩形框架（長(zhǎng)： a=900mm。 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 14 頁(yè) 2 箱式電阻爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 本箱式電阻爐是對(duì)老產(chǎn)品的改造和升級(jí)換代產(chǎn)品，采用先進(jìn)的溫度控制系統(tǒng)，使電阻爐的溫度控制精度更高，更自動(dòng)化。 我們將仿真中得到 FUZZYPID 串級(jí)控制系統(tǒng)應(yīng)用到實(shí)際控制系統(tǒng)中，這部分主要的工作是模糊控制器的建立，本文采用了 DDE 鏈接的方法將 MATLAB 仿真中的模糊控制器直接應(yīng)用到了實(shí)際控制系統(tǒng)中，從而解決了系統(tǒng)構(gòu)造中的最大難題。電阻爐的功率確定后，則電阻爐溫控系統(tǒng)的硬件也就基本確定了。 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 13 頁(yè) E 一電阻爐各種熱消耗功率的總和 為 將工件加熱到預(yù)定溫度所給定的熱流和損耗 電爐的熱損耗率 較低 爐子側(cè)體及附件所給的功率即單位時(shí)間內(nèi)所需的蓄熱熱量 都得要適當(dāng)。其計(jì)算公式如下 : P=KE 其中， P 一電阻爐消耗的總功率，即電熱體的總功率 。 熱平衡法是通過(guò)能量守恒定律，即將電功率轉(zhuǎn)變?yōu)闊峁β蕰r(shí)，兩者應(yīng)相平衡。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(shí)間等參數(shù)，并通過(guò)一定的經(jīng)驗(yàn)公式或計(jì)算圖表來(lái)確定電阻爐的功率。 建立溫度控制系統(tǒng) 建立溫度控制系統(tǒng)時(shí)，首先要對(duì) 電阻爐的功率進(jìn)行初步計(jì)算，以配置適當(dāng)?shù)碾娂訜狍w及適當(dāng)功率的可控硅，使得控制功率能夠滿足爐膛內(nèi)的溫度要求及控制溫度的均勻分布，并符合工藝要求。并分別對(duì)兩系統(tǒng)進(jìn)行分析，觀察它們的控制效果是否優(yōu)于單回路系統(tǒng)。 并通過(guò)對(duì)這兩個(gè)系統(tǒng)的調(diào)試，找出其最佳的控制效果，并分別對(duì)計(jì)算的動(dòng)態(tài)指標(biāo)與穩(wěn)定性指標(biāo)進(jìn)行比較，以確定單回路控制系統(tǒng)是否適合大慣性對(duì)象的控制。在本文中，選用了 MATLAB 軟件下的 SIMULINK 環(huán)境，對(duì)建立的動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行仿真分析。這個(gè)模型將用于仿真分析。 第四 :將高階慣性模型與一階純滯后模型的響應(yīng)曲線標(biāo)么形式與實(shí)測(cè)的溫度標(biāo)么響應(yīng)曲線進(jìn)行比較，找出更能代表實(shí)測(cè)對(duì)象的模型。 第二 :采用時(shí)域建模中的兩點(diǎn)法，對(duì)所測(cè)得的數(shù)據(jù)分別按照高階慣性模型與一階純滯后模型的方式進(jìn)行建模。此溫度響應(yīng)曲線的測(cè)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(shí)驗(yàn)過(guò)程，在相同的實(shí)驗(yàn)條件下應(yīng)重復(fù)實(shí)驗(yàn)多次，以得到至少要有兩條 基本相同的曲線。所以本文采用時(shí)域動(dòng)態(tài)建模的方法，建立電阻爐的多種仿真模型，并通過(guò)與 實(shí)際對(duì)象的響應(yīng)曲線進(jìn)行比較，從中選出適用于電阻爐對(duì)象的模型。 箱式 電阻爐動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的建立 箱式 電阻爐動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型是指電阻爐吸熱后溫度隨熱量 (或隨加熱功率 )的變化規(guī)律。 綜上所述，為實(shí)現(xiàn)本課題任務(wù)，必須解決電熱元件 ， 溫度變化導(dǎo)致加熱試樣 和 溫度變化這一傳 遞過(guò)程的大慣性、時(shí)變性、強(qiáng)非線性、以及生產(chǎn)過(guò)程中的多擾動(dòng)問(wèn)題。這種方法由于算法簡(jiǎn)單、方便易行、所以在小容量電阻爐或精度要求不高的電阻爐控溫系統(tǒng)中具有良好的效果。因此，這時(shí)可采用單環(huán)控制結(jié)構(gòu)，控制方 法也可使用 PID 控制 .這種方式是早期電阻爐的常規(guī)控制方法，即直接對(duì) 2 點(diǎn)溫度進(jìn)行測(cè)控 (加熱元件溫度 )，以近似作為加熱試樣溫度 。 當(dāng)電熱元件溫度發(fā)