【正文】 能耗水平，特別是大容量和特高溫的電爐。不僅要打破國內(nèi)工業(yè)行業(yè)的界限，也將和國際的產(chǎn) 業(yè)接軌，那么，對于電阻爐的研究有很大的意義。利用模糊控制、 PID 控制算法的優(yōu)越性，改善電阻爐溫度的控制品質(zhì)，提高控制效果。 （ 2） 介紹模糊控制及 PID 控制算法的相關(guān)知識。 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） （ 4） 針對被控對象電阻爐這一類大慣性、純延時的數(shù)學模型，設計測溫電路，并利用 MATLAB 進行了仿真。 論文研究的重點和難點 電阻爐具有高度非線性、大時滯、大慣性、時變性等特點，應用傳統(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)學模型且無法保證控制精度。 如何運用 模糊 控制與 PID 控制 相結(jié)合的方法 對電阻爐溫度進行實時控制并取得良好的控制效果，是本文研究的重點。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。爐體由爐殼、加熱器、爐襯 (包括隔熱屏 )等部件組成。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】 。電阻爐廣泛應用于機械零件的淬火、回火、退火、滲碳、氮化等熱處理，也用于各種材料的加熱、干燥、燒結(jié)、釬焊、熔化等，是發(fā)展最早、品種規(guī)格最多、需要量最大的一類電爐。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)熱強度高，能達到較高的溫度，使高熔點 工件 得以熔化。能用質(zhì)量流量計對所控氣氛進行監(jiān)測。比如保護氛田為真空，可以將爐內(nèi)的殘余氣體抽走，保護氣氛為氫氣，各種廢氣可隨之運出。 （ 3） 能夠滿足工作空間溫度場均勻度和恒溫的精度要求，比如在 48 小時內(nèi)溫度不得漂移177。 （ 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。 （ 5） 勞動條件好，不致污染環(huán)境。 電阻爐的分類 按傳熱方式分 （ 1） 輻射式電阻爐 。爐溫高于 1000℃時，稱高溫電阻爐；爐溫為 650～ l000℃時，稱中溫電阻爐；爐溫低于 650℃時，稱低溫電阻爐。 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℃。 工件浸在鹽液內(nèi)加熱，分以下兩種類型。鹽液 是發(fā)熱體又是加熱介質(zhì)，以傳導和對流方式對工件進行加熱。 ②硝鹽爐。鹽液溫度 200～ 550℃。 按爐內(nèi)氣氛分 按爐內(nèi)氣氛分為氧化性氣氛爐 (一般電阻爐均 屬 此類 )、可控氣氛爐、真空電阻爐和流動粒子爐等。此外 ， 還 有立 式聯(lián)合電爐、淬火回火聯(lián)合電爐等。 ② 臺車式 電阻 爐 室狀爐膛，爐底為 一 活動臺車，臺 車 兩側(cè)及 尾 部有密封裝置，電熱元件布置在爐膛兩側(cè)及爐 底 溝槽內(nèi)，大型臺車式電阻爐的端墻 及 爐門 上 也 布置有 電熱元件，臺車進出爐和爐門升降均有 專 門機構(gòu)驅(qū) 動 。缺點 是當 爐底移出時 爐內(nèi)熱量散失大，爐溫 下 降快。小型井式電阻爐采用整體爐溫，吊具裝在爐內(nèi)，爐口密封性好；大型井式爐采用對開式爐蓋，吊具頂端掛在爐外承料梁上。 ④連續(xù) 式 電阻 爐 爐膛前后貫通，爐膛兩端分別設有升降式爐門，爐內(nèi)通常分為預熱、加熱、保溫等幾個加熱區(qū)段。工件由入爐到出爐的過程，亦即工件的全部加熱過程。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。 淬火加熱爐布置在車間地面以上，可沿軌道左右移動；硝鹽爐、預熱爐、淬火油槽 (淬 火水槽 )冷卻井、洗滌槽、熱水槽、回火電阻爐等布置在地坑內(nèi)。工件入油后，淬火加熱爐開走，再對第二批工件加熱。 立式聯(lián)合電爐適用于軸類、桿件等長形工件的熱處理，工件從出加熱爐到入淬火油槽中冷卻，在大氣中停留的時間短，因而氧化少。通過實行機械化半連續(xù)操作，爐子生產(chǎn)率較高。按楞次 —— 焦耳定律在元件中發(fā)出熱 量 ： RTIQ ? （ 21） 式中： I— 發(fā)熱元件中的電流，安； R— 電路電阻，歐； T— 加熱時間，秒。 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 電阻爐的數(shù)學模型及其推導 整定 PID 的基礎(chǔ)是對控制系統(tǒng)和控制對象的數(shù)學建模，它需要確定對象數(shù)學模型中的參數(shù)。 從實際應用中，可以知道電阻爐是一種能自衡的對象， 其 電阻爐的數(shù)學模型是1 sK eTS ???? ，該模型是個純滯后、一階慣性環(huán)節(jié)， 將電阻爐爐膛內(nèi)的溫度作為唯一變量，可以寫出它的常微分方程。當爐內(nèi)溫度遠遠大于環(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)蒙古科技大學畢業(yè)設計 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 。而在本測控系統(tǒng)中，被控對象電阻爐的數(shù)學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。在工程中，常用飛升曲線法測得這三個參數(shù)。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。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。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，當其溫度一旦超調(diào)，就無 法用控制手段使其降溫。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。 （ 1） PID 控制 PID 控制即比例、積分、微分控制。 PID控制 的 溫控系統(tǒng)將熱電偶實 時采集的溫度值與設定值比較， 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)。 而 人工神經(jīng)網(wǎng)絡以其高度的非線映射，自組織，自學習和聯(lián)想記憶等功能，可對復雜的非線性系統(tǒng)建模。 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)絡權(quán)值，達到整定 PID 參數(shù)的目的。它適用于控制不易取得精確數(shù)學模型和數(shù)學模型不確定或經(jīng)常變化的對象。對溫度誤差采樣的精確量模糊化，經(jīng)過數(shù)學處理輸入計算機中，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。 （ 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。 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過程工況的大范圍變動。 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)。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)快速響應特性與超調(diào)量最優(yōu)的統(tǒng)一。近些年來模糊邏輯控制取得了巨大成功。 因此，應使模糊控制向著自適應方向發(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。 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。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。 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)計算機采集后與設定溫度進行比較，根據(jù)偏差信號計算出相應控制量并輸出，經(jīng)過控制可控硅的導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?？刂破鞲鶕?jù)設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，使可控硅的導通角改變 ， 導通角越大，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通角，電阻爐輸入一定的功率，使爐溫穩(wěn)定在給定值。 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計 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是標準信號。 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 ）。 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)換成標準輸出信號 y。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。 可控硅 可控硅（ SCR）國際通用名稱為 Thyyistoy，中文簡稱晶閘管。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)型半導體器件，被廣泛應用在電力、電子線路，自動控制技術(shù)中 【 15】 。電阻爐的溫度測量傳統(tǒng)大都采用熱電偶。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。自 19 世紀發(fā)現(xiàn)熱電效應以來，熱電偶便被廣泛用來測量 100~1300℃內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計 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。 根據(jù)國際電工委員會 (IEC)推薦的八種類型標準化熱電偶，以及本設計要求，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。 ℃，為測量溫度的 %。 ℃，為測量溫度的 %。 ℃，為測量溫度的 %。 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 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測未來。 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)蒙古科技大學畢業(yè)設計 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。 我們今天所熟知的 PID 控制產(chǎn)生并發(fā)展于 1915～ 1940 年期間。據(jù)日本電氣計量器工業(yè)會先進控制動向調(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。而在我國 ， 現(xiàn)在 PID 控制 方法 的應用就更加普遍。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。 隨著工 業(yè)的發(fā)展，對象的復雜程度不斷加深，尤其對于大滯后、時變的、非線性的復雜系統(tǒng)：其中有的參數(shù)未知或緩慢變化；有的帶有延時或隨機干擾；有的無法獲得較精確的數(shù)學模型或模型非常粗糙