电阻炉炉温控制系统优化控制技术

姓名：学号：学科领域：指导教师：培养类别：□全日制□在职学位类型：□学术学位□专业学位开题日期：所在培养单位：沈阳建筑大学研究生学院制填表说明1．本表由研究生在导师指导下如实填写；2．封面“学科领域”应严格按照招生录取时的学科领域名称填写，其中工程硕士专业学位各领域应加括弧注明具体学科方向（示例：建筑与土木工程（结构工程方向））；3．封面“培养类别”和“学位类型”在相应框内划“”；4．表中所有签字部分，均须本人签字，不得代签；5．除表中明确注明可附页的部分外，不得更改本表格式；6．本表一式一份，全部内容填写及签字完成后，由研究生扫描成pdf文件，并将原件及扫描完成的电子版报所在培养单位存档。1论文题目电阻炉炉温控制系统优化控制技术课题来源报告要求：开题报告字数应不少于5000字，阅读的参考文献应不少于20篇，其中外文文献不少于三分之一。内容提示：一、论文选题的背景、理论意义或应用价值；1.1论文选题的背景及理论意义电阻炉是热处理生产过程中最为常用的一种加热设备，在机械制造行业中，电阻炉被广泛应用于机械零件或材料的热处理工序中，通过电阻炉的热处理可以有效提高零部件的硬度和耐磨性。机械零件热处理过程中的恒温过程控制是一项关键技术，在这个控制过程中温度是主要控制对象。再者，工业其他相关领域中的温度信号控制技术也十分重要，即温度信号采集、处理等技术的广泛应用，电阻炉传统的温度控制方式主要以分离式仪表控制为主，从国内工业生产领域来说，大部分企业的电阻炉温度控制方式以PID控制及简单的模糊控制为主，这说明传统的电阻炉温度控制技术已经难以适应其发展需求，但是就这两种控制技术在应用中依旧存在很多不足，具体表现在以下几个方面：由于电阻炉被作为控制对象，而电阻炉的特性参数会随着炉温的变化而进行变化，为此，常规的PID控制方法难以满足电阻炉温度变化范围较大情况下的控制要求。当电阻炉公益温度变化范围过大的情况下，电阻炉炉温控制系统中PID的三个调节参数也要随之变化，否则势必会产生炉温在一定范围内震荡问题。相关研究成果也进一步表明，将电阻炉作为控制对象的控制过程中，由于受到电阻炉自身温度具有过大容积滞后等因素影响，同时在温度上升及下降过程中会表现出不对称的动态特性，以及控制对象的增益、容积滞后时间以及纯滞后时间等，均与电阻炉炉温的变化参数有关，所以目前所采用的PID控制方法的温度给定值职能在设定的工作点附近内小范围改变，整个系统在运行过程中也难以适应大范围变化中的控制需求，为此，电阻炉炉温控制系统在设计过程中要对PID参数进行重新整定。随着控制技术的不断发展，控制理论以及控制方法同时也得到相应的发展。模糊PID控制系统将模糊控制器与传统的PID控制方法相结合，这样得到的控制系统兼具了模糊控制与PID控制的优点，即不仅具有灵活性和适应性强等模糊控制的优势，同时也具备了精度高等PID控制的优点。随着现代科技的快速发展，越来越多的生产场所对实时温度的检测要求越来越高。目前，对环境温度检测的系统的核心主要是8/16位单片机，而传统的以2单片机为核心的温度监测和显示系统，因为处理器自身硬件资源以及处理速度的限制，导致其硬件电路的设计较为复杂，数据的实时处理能力较差。随着微处理器飞速地发展，数字信号处理器(DSP)的运算能力越来越强大，已经在控制领域占领了主要市场。目前，美国TI公司旗下产品2000系列的数字信号处理器芯片，将控制技术应用于更广的范围。由于运算的速度快、抗干扰能力强、实时性强、功耗较低等优势，DSP芯片己经在不同的控制领域被采用。1.2应用价值本课题提出的电阻炉温度控制技术是基于常规增量式单回路PID控制算法，在此基础上进行模糊控制器设计的模糊PID控制算法，以便于实现对电阻炉炉温控制系统的优化，确保整个系统在优化后不仅具有更小的超调量，同时也有助于减少电阻炉炉温控制过程中的调节时间，对进一步提高整个电阻炉炉温控制系统的抗干扰能力有着重要作用，通过仿真实验验证了该算法的有效性，具有实际应用价值。二、国内外研究现状及发展趋势1、国外研究现状及发展趋势随着数字计算机在小型化、高性能、低成本方向的高速发展，经典控制理论和现代控制理论在电阻炉温度控制系统上都不断得到新的应用，并取得了丰硕的成果。网络化、智能化已成为今后发展的趋势。当前，国外对电阻炉温控系统的研究主要集中在控制策略。JohnZiegler和NathanielNichols于1942年提出了两种经典的PID参数整定方法，这两种方法统称为Z-N整定法。Z-N整定法的提出使得PID控制策略成为工业领域中最为常用的控制方法。稳定边界法是一种基于临界增益和临界周期的Z-N整定法，临界增益和临界周期即系统在比例环节的作用下处于临界稳定状态时的振荡幅值和振荡周期。通过试验获得临界增益和临界周期两个参数后既可根据最佳增益公式计算PID参数。1984年，Astrom和Hagglund提出以继电器反馈技术整定PID参数，这种技术的核心思想是利用继电特性的非线性环节代替Z-N整定法中的纯比例控制器。继电反馈方法是获取过程临界信息最为简便的方法之一，通过在反馈回路中接入继电器近似地确定临界点。基于继电反馈技术的参数整定方法拥有以下优点：一是该方法采样率的选择不需先验知识，可适用于复杂对象的控制，二是选择适当继电参数后，可适用于高度非线性系统；三是经改进后的继电反馈方法可有效抑制系统扰动，增强系统的鲁棒性。但是继电器反馈技术存在难以准确获得临界点的问题。1991年，Astrom在文中提出了基于幅值相角裕度的PID参数整定方法GPM法，其优点在于能保证系统具备优秀的控制性能和鲁棒性。Ho等学者提出了一种基于给定幅值和相角裕度的频域PID参数整定方法。利用这种方法，设计者可以在规定系统鲁棒性3的同时，给定系统性能要求。1998年，Ho等学者在文中又将时间优化设计与幅值相角裕度设计相结合，给出了一组兼顾鲁棒性要求和最优性能要求的PID参数整定公式，该公式形式简单，易于实现。综上所述，国外在关于电阻炉炉温控制系统的研究上主要集中在控制策略上，但是从这些温度控制算法总体上来说较为滞后，已经难以满足工业化进程不断加快的今天实际需求，为此，推动电阻炉炉温控制系统中控制技术的创新与发展已经成为必然趋势，这样才能确保控制技术的发展可以满足工业进程需求。2、国内研究现状及发展趋势近年来，随着我国工业化进程的不断加快，使社会各生产领域对电阻炉炉温控制技术提出了更多要求，很多学者在这种时代背景下加强了对炉温控制技术的研究，从现有研究成果来说主要集中在硬件核心和控制策略上。叶强（2014年）在《基于OPC和MATLAB的电阻炉温度控制系统设计》一文中，针对电阻炉温度系统具有非线性、大惯性、大滞后等特点，结合常规PID控制器和模糊控制器各自的长处，以MATLAB为计算平台，通过OPC技术实现MATLAB和ECS-700之间的数据交换，提出了基于OPC技术的自适应模糊PID控制方案。自适应模糊PID控制器由MATLAB中的模糊工具箱设计，ECS-700主要负责数据采集和设备驱动。实验结果表明，阻炉温度控制系统的性能令人满意，该方法调节时间短、超调量小、波动小，OPC通信的性能非常有效可靠，可以有效应用于电阻炉温度控制系统中。罗伟（2013年）在《基于灰色预测的参数自校正构架电阻炉温度模糊控制系统》一文中，针对转向架构架生产、组装过程中温度具有非线性、时滞、随机性和动态时变等特点，提出了一种基于灰色预测的智能算法。首先，利用灰色预测的强自适应性，预测电阻炉炉温，减少了炉温滞后的影响，采用了一种参数自校正的模糊控制策略对构架电阻炉温度进行控制。运行结果表明时效炉温度基本稳定在设定值的±5，经实践证明：该系统控制精度高，超调量小，能满足控制要求。马胜利，牛振国以及李详宇(2015年）在《浅析工业电阻炉温度控制系统》一文中，对实验室常用的管式电阻炉的温度控制，将电阻炉内温度控制在2350度以内，交流电压经可控硅斩波后由变压器实现降压，对电阻炉内加热器进行加热，从而实现温度的控制。控温系统依托于欧陆2604控温仪，并结合热电偶和红外两种温度传感器，通过调节PID调节器的比例系数Kp、积分系数Ki和微分系数Kd来实现对电阻炉温度的控制。陈剑，明志心（2014年）在《热处理电阻炉炉温控制方法研究》一文中，作者在本文的研究中，主要给出了模糊自适应PID控制运用于热处理电阻炉炉温控制中的系统设计：首先，对模糊自适应PID控制器进行了介绍，之后对模糊自适应PID控制运用于电阻炉温4控中的可行性进行了分析，对硬件结构、模糊自适应PID控制器进行了设计，最后通过仿真验证了理论分析的正确性。作者认为从理论研究来说热处理行业的PID控制技术已经取得了较为可喜的成绩，但实现产业化的寥寥无几，从而造成我国的热处理企业与世界先进水平之间还有很大差距，有待给予更多的关注和研究。赵美惠（2014年）在《热处理电阻炉温控系统PID控制参数的整定》一文中，作者为进一步改进电阻炉温度控制系统PID参数整定的稳定性，从电阻炉温控的传递函数出发，分析了PID控制的合理性、给出了炉温控制系统设计的传递函数，理论上分析了Ziegler-Nichols参数整定，对一般PID控制、积PID以及神经自适应PID等方面进行了参数整定比较分析。结果表明，在电阻炉温度控制系统参数整定中，神经元自适应PID控制效果优势明显，积分分离PID相对于一般的PID有一定的改进。徐新乐，应小坤，施建华等人（2015年）在《实用ADRC算法在炉温控制系统中的应用》一文中，针对热处理电炉能源消耗大的现状，采用线性降阶模型设计，提出一种二阶自抗扰控制炉温系统的控制方案，以满足简单、实用、好调、节能等要求。通过对被控对象和状态观测器的降阶，使得系统总扰动（内部、外部扰动）的实时估计由一个仅为一阶的扩张状态观测器就可实现。作者在文中设计的ADRC系统与原PID控制系统进行了比较，结果表明，ADRC系统在节能上明显优于PID系统，可比用电单耗降低率在10%以上，不仅如此，ADRC系统调节时间短、可调参数少，有很好的控制品质和较强的鲁棒性，不仅可以有效地克服干扰，而且在对象特性参数变化较大时仍能获得稳定的控制品质。综上所述，国内现有研究成果较为丰富，尤其是几年来学者加大了对电阻炉炉温控制系统控制技术的研究，研究方向主要集中在硬件核心和控制策略两个方面，很多炉温控制技术相对成熟，可以被应用到电阻炉炉温控制系统中，同时徐新乐等学者在研究中创新了ADRC算法在电阻炉炉温控制系统中的应用，同时也证明了该种控制策略比PID具有诸多优势，但是由于部分新技术尚不完善，所以论文希望在PID控制系统基础上提出更完善的控制技术。三、主要研究内容；本论文在广泛查阅相关文献的基础上，对基于DSP器件的电阻炉炉温控制系统优化方案进行了设计：本文的结构如下：第一章介绍课题研究的背景和温度检测发展的现状。第二章提出总体的设计方案，在设计前认真进行目标分析，最后给出最合理的设计方案。第三章是系统的硬件设计部分。在对于温度监控系统使用硬件在简要介绍的基础上，对系统中使用的数据采集模块、控制量输出模块以及将模拟量转换为可用电压的光电隔离5单项交流调压模块进行介绍。第四章完成了系统的软件设计。设计系统的中断程序和用于完成各种功能的执行程序。第五章结论与展望。对本课题研究成果进行总结，最后针对电阻炉炉温控制技术的发展作出展望。四、理论依据或技术方案；数字信号处理代表着模拟电子时代转变为数字电子时代,同时也是电子时代的理论基础,而数字信号处理器(DSP,DigitalSignalProcessor)是由数字信号处理而专门设计的可编程处理器,是现代电子技术、计算机技术以及信号处理技术相互结合的产物。随着信息处理技术的迅猛发展,DSP在各个不同高科技领域包括电子信息、通信、软件无线电、自动控制、仪器仪表、信息家电等领域获得了越来越普遍地应用。与单片机相比较,DSP器件具有较多优点,如较高的集成度,更快的处理器频率,更大存储器容量等。其内置高速的硬件乘法器,增强