本科毕业设计--模糊控制理论在炉温控制中的应用.doc

PAGE 第一章 引言 1.1 课题设计的背景及来源 电加热炉在冶金、化工等工业领域有着广泛的应用，在企业的能耗中占有较大的比重，是主要的耗能设备。在能源危机日益严重的今天，如何在保证质量的前提下，能够尽量的降低能耗，提高加热炉的热利用率，已经变得越来越重要。从生产和节能的角度，要解决以上问题大致有两个方向，一是改进加热炉的结构设计，二是改进控制算法。本篇论文所探讨的就是基本PID控制在电加热炉温度控制中的应用。 电加热炉，因其具有纯滞后、大惯性和时变等特性，所以是比较难于控制的一类被控对象。而很多工业控制过程都具有与电加热炉相似的特点，都是较为缓慢、惯性较大的过程，所以研究这类被控对象，选择一种好的控制策略无疑对于节能产品质量等方面都有着实际的意义。 目前，应用于民用工业、国防行业和大型实验室的各种试验箱设备越来越多，如温度试验箱、压力试验箱、湿度试验箱及各种温度－压力－湿度混合试验箱。这些环境试验设备的主要作用是为某些相应的产品做特定的环境试验，以达到检测和鉴定的目的。本设计是以工业中的电加热炉为背景，以实验室中的电加热炉模型为实际的被控对象，设计了一种由PC机和工控模块构成的温度控制系统。在控制算法上采用了增量型算式的PID控制。 1.2 电加热炉温控技术发展概况 随着控制理论和控制技术的发展，电加热炉温度研究与应用也经历了几个阶段: 1.2.1 模拟PID控制方案 采用这种方案，每个炉子要用PID仪表构成闭环控制，如果炉子比较多，所需PID仪表的数量也成倍数的增长，相应的成本也将随之增加，并且这种仪表调节不方便，升温过程缓慢，且难以保证温度控制精度。目前国内的电加热炉控制，有些仍沿用此方法。 1.2.2 数字PID控制方案 使用PID算法，具有算法简单、参数调整方便，并有一定的控制精度的特点，是当前最为普遍采用的控制算法。但这种方法也有其局限性:PID算法只有在系统模型参数为非时变的情况下才能获得理想的效果，当一个调好参数的PID控制器被应用到模型参数时变的系统时，系统的性能会变差。针对这些不足，有人提出了直接数字化〔DDC)控制，非线性PID控制算法，在实际应用中取得了一定的成果。 1.2.3 最优控制和自适应方案 电加热炉本身具有非线性特性，因此建模时人们常假设它在工作点附近为线性来逼近实际系统，最优化控制和自适应控制就是以此为基础来设计控制器的而对此类系统进行非线性控制，我国还停留在仿真研究阶段。 1.2.4 智能控制方案 以模糊控制、专家系统控制、神经网络控制等为代表的智能控制技术被广泛应用于工业控制领域，并取得了良好的效果。它的技术特点是把人工智能的方法引进控制系统，利用人的实践经验、逻辑推理和自学习能力，从定性和定量相结合的方法入手，对那些因结构复杂、参数时变而难以用精确数学模型来描述的被控对象给出灵活的控制策略。是因为智能控制具备这些优点，人们想到了用它来解决电加热炉的控制问题。但智能控制术较为复杂，我国在这方面起步较晚，很多研究成果还停留在理论上，真正在实际上应用并取得成功的不多。正 本次设计考虑诸多因素，在温度控制中，控制算法采用了数字PID控制方案。 1.3课题设计的内容 通过威达无线通信工控模块SST900EXT和I/O量模块（7012、7021）组成的无线通信控制网络系统、利用温度自动控制实验箱和上位微机的组太王应用软件，设计一个温度控制系统，对加热炉的温度进行控制。在温度控制中，控制算法采用了增量型算式的PID控制调节方式。 1.4 课题设计的研究意义 电加热炉温度控制在冶金、化工、机械等各类工业控制过程中都得到了广泛应用。随着计算机控制技术的飞跃发展，在电加热炉的温控技术方面，占统治地位的仍然是经典的PID控制调节器，其比例达到了90%以上。但是，这种PID控制技术在处理一些非线性、时滞性大又不便建立数学模型的控制对象时，如本设计中的电加热炉，存在着参数调节困难的固有缺陷，所以采用经典的PID控制算法中，在参数的整定和调节方面，具有重要的意义。 由于电加热炉这类被控对象具有相似性，我们希望能够从对实验室中电加热炉控制算法的研究中得到一些有用的结论和启迪，为实际中的电加热炉控制提供一些有益的参考，这也不失为一项有意义的工作。 1.5 论文结构 论文分为五章: 第一章 引言:主要介绍了电加热炉在工业中的应用及温控技术的发展概况和本次设计的主要内容与意义。 第二章 系统简介:简要的介绍了系统的软、硬件结构与组成。软件部分的编程工具、编程方法及软件所具有的功能。 第三章 PID控制:这一部分首先解决了滤波采样周期T的选择和冷端补偿问题，并且建立了电加热炉的数学模型。这些问题可以说是能够取得良好控制效果的前提和基础。然后讨论了PID控制算法及几种改进措施。根据实际控制效果分析了这些算