电阻炉温度控制系统

电阻炉温度控制系统一、摘要在计算机科学技术飞速发展的今天，计算机测控技术的研究和工程应用已遍布生活和工业生产的各个环节，并越来越多地受到人们的重视。计算机测控技术的出现，使得传统的电子测量在原理、功能、精度和自动化程度上发生了巨大的变化，使科学实验和应用工程的自动化程度得以显著提高。温度控制的关键在于测温和控温两个方面。温度测量是温度控制的基础，这方面的技术比较成熟。但由于控制对象的越来越复杂，在温度控制方面还存在许多问题。本论文提出了基于采用PID算法、Smith预估控制算法、达林算法三种算法作对比研究的工业电阻炉温度计算机控制系统的设计，并利用仿真软件MATLAB／SIMULINK对控制算法进行了仿真，同时对先进的控制算法进行了研究。1.1课题的研究背景及意义温度是生产过程和科学实验中非常普遍而又十分重要的物理参数。在工业生产过程中，为了高效地进行生产，必须对生产工艺过程中的主要参数，如温度、压力、流量、速度等进行有效的控制，其中温度控制在生产过程中占有相当大的比例。准确地测量和有效地控制温度是优质、高产、低耗和安全生产的重要条件。如冶金工业的加热炉、电力工业的锅炉、化学工业的反应炉等设备，通过对温度的监控，保证产品的质量；即使日常生活中的微波炉、电烤箱、电热水器、空调等家用电器也同样需要温度监控。可见温度控制电路广泛应用于社会生活的各个领域，所以对温度进行控制是非常有必要和有意义的。但由于温控设备自身的一些特点，如惯性大、滞后现象严重、难以建立精确的数学模型等，传统的PID控制由于其参数恒定，不能及时跟踪对象特性变化，造成控制系统性能不佳。本文基于这一特点，研究了一种智能控制方案，把常规PID控制、模糊控制及自学习功能结合起来，构成一个基于自学习的模糊自整定PID控制器。并将此控制方案成功运用于对实验室电阻炉温度进行控制，达到了调节时间短、响应速度快、超调量几乎为零且稳态误差在±l℃内的技术要求。由此可见，本课题的设计方案具有可行性和一定的推广性，若能应用与实际生产中，将对提高企业自动化水平、降低生产成本、减轻工人劳动强度等方面起到积极的促进作用。1.2电阻炉温度控制系统的发展状况电阻炉是热处理生产中应用最广泛的加热设备，它在机械、冶金等行业的生产中占有十分重要的地位17堋。对电阻炉温度控制的好坏直接影响工艺要求的温度水平和加热质量，以致直接影响产品的质量、产量和生产消耗指标，所以国内外关于电阻炉自动控制的研究一直备受重视，发展比较快，也取得了较为丰硕的成果。总的来说，电阻炉温度控制技术的发展可分为以下几个阶段：(1)经典控制技术阶段。第一阶段时间为20世纪40一60年代，称之为“经典控制”时期。在60年代以前，一些设备齐全的大型工业电阻炉除了配置一些监测仪表外，还设置PID调浙江理T大学硕+论文节器，以经典控制理论为依据，实现单个参量的自动调节19l。(2)现代控制技术阶段。第二阶段时间为20世纪60一70年代，称之“现代控制技术”时期。国际上，主要采用系统辨识、最优控制、自适应控制等控制技术对炉温进行控制，如美国Conshohochen厂在六七十年代曾在轧机控制中，引入在线参数估计机制和离散化模型，通过运用广义最小方差控制策略建立相应的冶金加热炉自适应控制系统110l。(3)智能控制技术阶段。第三阶段时间为20世纪70年代末至今。七十年代末，电阻炉温度控制技术已经基本成熟，逐渐向“智能控制和“复杂系统控制”的方向发展。近20年来，模糊控制技术、神经网络控制、遗传算法等智能控制技术发展较快，并且在炉温控制系统中都有所应用‘11l。113I。如日本三菱电机公司在1998年开发了MACTUS210系列的模糊PID自校正调节器。这类控制器用模糊控制规则和推理，去优化PID控制器的参数，有较强的适应性，但调节过程复杂。日本山武、霍尼韦尔公司在1995年开发出了商品化的SDC30系列智能型数字调节器，由人工神经元和模糊控制来整定PID控制器参数‘14I。由于我国改革开放的发展，国内引进和生产了一些比较先进的控制设备，但是从整体上讲，我们的电阻炉温度控制技术比国外发达国家要落后四、五十年，一些中小型企业的控制技术仍以模拟仪表系统控制为主导地位，这种系统的控制参数由人工选择，需要配置专门的仪表调试人员，费时、费力且不准确，一旦生产环境发生变化就需要重新设置。控制不方便，控制精度不高，从而造成产品质量低、废品率真高、工作人员的劳动强度大、劳动效率低等，这些都缩减了企业的效益。随着微机控制技术的发展，用微机构成构成计算机控制系统，具有较高的可行性和经济价值。但是，目前国内的一些生产企业和研究机构主要开发一些大型微机控制系统，且大多硬件均是国外进口的，投资成本很高。因此，本课题以实验室电阻炉为研究对象，以单片机为主要硬件平台，编制基于智能化的温控软件，开发一种适合我国国情的、面向广大中小型企业、低成本、高性能的电阻炉温度控制系统，以提高控制精度，达到控制要求，从而提高企业效益。二课程设计的分析该系统的被控对象为电炉，采用热阻丝加热，利用大功率可控硅控制器控制热阻丝两端所加的电压大小，来改变流经热阻丝的电流，从而改变电炉炉内的温度。可控硅控制器输入为0~5伏时对应电炉温度20~~220℃，温度传感器测量值对应也为0~5伏，炉温变化曲线要求参数：过渡时间0t≤100min；超调量p≤10℅；静态误差ve≤2℃。该系统利用单片机可以方便地实现对各参数的选择与设定，实现工业过程中控制。它采用温度传感器热电偶将检测到的实际炉温进行A/D转换，再送入计算机中，与设定值进行比较，得出偏差。对此偏差进行调整，得出对应的控制量来控制驱动电路，调节电炉的加热功率，从而实现对炉温的控制。利用单片机实现温度智能控制，能自动完成数据采集、处理、转换、并进行控制和键盘终端处理（各参数数值的修正）及显示。在设计中应该注意，采样周期不能太短，否则会使调节过程过于频繁，这样，不但执行机构不能反应，而且计算机的利用率也大为降低；采样周期不能太长，否则会使干扰无法及时消除，使调节品质下降。三、电阻炉温度控制系统原理系统原理框图如图2一l所示：热电偶传来的带有温度信号的毫伏级电压经滤波、放大，送至A／D转换器。这样通过采样和A／1)转换，就将所检测的炉温对应的电压信号转换成数字量送入了计算机，在计算机内计算出该电压信号对应的温度值，然后将它与给定的温度值进行比较，计算出偏差，计算机再对偏差按一定的规律进行运算。运算结果通过控制晶闸管在控制周期内的触发角，也就是控制电阻炉的平均功率的大小来达到温度控制的目的。其中微型计算机中的软件设计包括界面设计和控制程序两部分。图2-1控制系统原理图在实际的控制系统设计中，要从上述的原理图简化出其模型图，以便于系统进行分析。结合控制系统原理，简单描述电阻炉控制系统的模型，得本系统的简化模型图如图2—2所示：将微型计算机简略为控制器，将触发器、晶闸管和电阻炉归并为对象，略去信号变换部分(A／D转换器)，进一步简略，可以得到系统框图如图2—3，图中输入信号r为设定温度，输出信号Y为实际温度，e为误差，u为控制信号。从图中可以看出，整个系统的数学模型可分为控制器和对象两部分。四、控制算法1、达林控制算法设计的及分析1.1数学模型在本设计中，被控对象含有较大的纯滞后特性。被控对象的纯滞后时间使系统的稳定性降低，动态性能变坏，如容易引起超调和持续的振荡。对象的纯滞后特性给控制器的设计带来困难。一般的，当对象的滞后时间与对象的惯性时间常数Tm之比超过0.5时，采用常规的控制算法很难获得良好的控制性能。因此，具有纯滞后特性对象属于比较难以控制的一类对象，对其控制需要采用特殊的处理方法。因此，对于滞后被控对象的控制问题一直是自控领域比较关注的问题。1968年美国IBM公司的大林针对被控对象具有纯滞后特性的一类对象提出了大林算法这一控制算法。大林算法要求在选择闭环Z传递函数时，采用相当于连续一节惯性环节的W（z）来代替最少拍多项式。如果对象含有纯滞后，W（z）还应包含有同样纯滞后环节（即要求闭环控制系统的纯滞后时间等于被控对象的纯滞后时间）。图4-1钟罩式电阻炉的控制系统设在图4-1所示的计算机控制系统中，钟罩式真空电阻炉可近似为一带有纯滞后的一节惯性环节，其传递函数为：1s)(0qsKesG（1-1-1）式3-1中1为对象的时间常数且1=50s；q为对象的纯滞后时间且q=60s，K为对象的放大倍数且K=5，为了简化，设：NTq（1-1-2）即为采样周期的N倍，N为整数。对一节惯性对象，大林算法的设计目标是设计一个合适的数字控制器，使整个闭环系统的传递函数相当于一个带有纯滞后的一节惯性环节的串联，其中纯滞后环节的滞后时间与被控对象的纯滞后时间完全相同，这样就能保证使系统不产生很小的超调，同时保证其稳定性。整个闭环系统的传函为：1)(sesWNT（1-1-3）1.2在本设计中，对象的控制要求1）静态误差ve≤2℃2）超调量：p≤10℅3）上升时间：tr≤110s4）过渡时间0t≤100min5）温度的变化范围为20～220℃，保温值为200℃1.3采样周期的选择一般要求在系统上升时间tr内的采样点数204TtNrr（1-1-4）式3-4中：T为采样周期（s）;tr为期望的阶跃响应的上升时间（s）;本系统要求tr=110(s),过渡时间0t≤100min，当Nr值取22时，则采样控制周期T=5(s)。1.4确定期望闭环传递函数大林控制的期望闭环传函为10()1seWss其中纯滞后时间取电阻炉的纯滞后时间，即q=60(s);时间常数由期望上升时间tr确定，因为一节系统的上升时间tr与时间常数的关系是2.2rt,所以2.2/rt=110/2.2=50（s）。N=12。本设计中系统中采用的保持器为零阶保持器，采用加零阶保持器的Z变换，则与W（s）相对应的整个闭环系统的闭环Z传递函数为：11)1(]11[)(/)1(/s1010zezesesesWTNTs（1-1-5）由此，可得出大林算法所设计的控制器D（z）为：)(])1(1[)1()()](1[)()()1(/1/)1(/zGzezezezGzWzWzDNTTNT（1-1-6）其中)](1[)(010sGsezGs（1-1-7）又因为1/)1(/100101)1(])1()1([)](1[)(zezeksseeksGsezGTNTNTsss（1-1-8）于是得到数字控制器为)()](1[)()(zGzWzWzD)z(G]z)e1(ze1[z)e-1)1N(10110)1N(10（)1N(101101011010z)e1(ze1)[e1(k)ze1)(e1(11])1(1[511310110-110zezeze1.5振铃现象直接用上述控制算法构成闭环控制系统时，人们发现数字控制器输出U（z)会以1/2采样频率大幅度上下摆动。这种现象称为振铃现象。振铃现象与被控对象的特性、闭环时间常数、采样周期、纯滞后时间的大小等都有关系。振铃现象中的振荡是衰减的，并且于由被控对象中惯性环节的低通特性，使得这种振荡对系统的输出几乎无任何影响，但是振铃现象却会增加执行机构的磨损。在交互作用的多参数控制系统中，振铃现象还有可能影响到系统的稳定性，所以，在系统设计中，应设法消除振铃现象。可引入振铃幅度RA来衡量振荡的强烈程度。振铃幅度RA的定义为：在单位阶跃信号的作用下，数字控制器D（z）的第0次输出与第1次输出之差值。设数字控制器D(z)可以表示为：)(11)(22112211zQkzzazazbzbkzzDNN（1-3-9）其中2211221111)(zazazbzbzQ（1-1-10）那么，数字控制器D