电加热炉_MATLAB仿真

天津城建大学 课程设计任务书 2013 -20142013 -2014 学年第学年第 2 2 学期学期 控制与机械工程学院电气工程及其自动化专业班级 12 姓名学号 课程设计名称：过程控制 设计题目：电加热炉炉温的模糊控制 完成期限：自 2014年 6 月 22 日至 2014年 6 月 27日共 1 周 设计依据、要求及主要内容： 设计任务 电加热炉炉温的控制过程如下： 测温元件将检测到的温度信号送到变送器的输入回路， 经低电平自 激调制放大后输出 mA 级的电流信号， 该信号经过电阻后变为0~5V 的电压信号， 然后通过 A/D 转换将 模拟量信号转换成为数字量信号， 经过计算机与设定值比较、 运算后，再由 D/A 转换输出 0~5V 的模拟 量电压信号，该电压直接控制晶闸管调功器的输出功率，从而对电加热炉的温度进行调节，调节范围： 20~350℃。 电加热炉温度控制系统示意图如图1 所示： 图 1 电加热炉系统示意图 如图 1，本文中将控制信号u(t)到炉膛温度c(t)这一整个过程看作一个控制系统。 电加热炉装置是 一个具有自平衡能力的对象，可用一阶惯性和滞后环节来近似描述。 被控对象参数 K=70，T=100，τ=80。系统的传递函数为： G(s)  试用模糊控制器实现温度控制。 二、设计要求 1）超调小、调节时间短，系统无静差； 70 e80s 100s1 2）给出控制策略和选定参数，并详细说明参数整定过程； 3）给出 MATLAB下的仿真曲线。 4）给出硬件实现方案，包括控制器和检测回路芯片的具体型号。 三、设计报告 课程设计报告要做到层次清晰，论述清楚，图表正确，书写工整；详见“课程设计报告写作要求”。 四、参考资料 [1] 何衍庆．工业生产过程控制（1 版） ．北京：化学工业出版社，2004 [2] 邵裕森．过程控制工程．北京：机械工业出版社2000 [3] 过程控制教材 指导教师（签字） ： 教研室主任（签字） ： 批准日期：年月日 摘要摘要 电加热炉是典型的工业过程控制对象， 在我国应用广泛。电加热炉的温度控制具有升温单向性， 大 惯性，大滞后，时变性等特点。其升温、保温是依靠电阻丝加热，降温则是依靠环境自然冷却。当其温 度一旦超调就无法用控制手段使其降温， 因而很难用数学方法建立精确的模型和确定参数， 应用传统的 控制理论和方法难以达到理想的控制效果。 本文以电加热炉为研究对象， 针对电加热炉的特点， 设计了双输入单输出结构的模糊控制器， 将 其应用于电加热炉温度控制系统，满足了温度控制稳定性的要求。 关键词：温度控制；关键词：温度控制；MATLABMATLAB；模糊控制器；模糊控制器 目录目录 第一章 绪论.1 1.1 课题的背景.1 1.2 模糊控制的现状及原理 .1 1.3 本文设计思路.2 第二章 模糊控制器的设计.4 2.1 模糊控制介绍.4 2.2 模糊控制器的设计.4 2.2.1 建立模糊控制器结构 .4 2.2.2 定义输入、输出模糊集并确定个数类别 .5 2.2.3定义输入、输出的隶属函数 .5 2.2.4 编辑模糊控制规则 .6 2.2.5 规则观测器8 2.2.6 输出曲面观测器 .8 第三章 建立 simulink 仿真模型 .10 3.1 原系统的 simulink 仿真模型 10 3.2 模糊控制 simulink 仿真10 第四章 硬件系统.12 4.1 系统总体设计12 4.2 温度传感器的选择12 4.3 A/D转换电路 .12 4.4 声光报警电路.12 4.5 人机界面13 4.6 功率控制电路 13 第五章 总结.14 第六章 参考文献.15 第一章第一章 绪论绪论 1.11.1 课题的背景课题的背景 电阻炉是热处理工艺过程中应用最广、 数量最多的电炉，其本身是一个较为复杂的被控对象。 电阻 炉温度控制器在冶金、化工、机械等各类工业控制过程中都得到了广泛应用。 电阻炉温控制系统是一个闭环反馈控制系统，他将温度传感器检测到的实际炉温经 A/D 转换后， 送入计算机中，与设定值进行比较得出偏差， 并将此偏差送入控制器中， 经过计算得出对应的控制量控 制可控硅驱动器，调节电阻炉的加热功率，从而实现对炉温的控制。 目前在炉温控制系统中最常采用的是PID 控制，以 PID 算法为核心的各种形式DDC 控制系统，是 目前电加热炉温度控制系统普遍使用的方法。 PID 调节是最成熟且应用最广泛的一种控制方法。 在模拟 控制系统中， 其过程控制是将被测参数温度由传感器变换成统一的标准信号后输入调节器， 在调节器中 与给定值进行比较。再把比较器的差值经 PID 运算后送到执行机构，改变进给量，以达到自动调节的 目的。在数字控制系统中则是用数字调节器来代替模拟调节器， 按偏差的比例、积分和微分进行控制和 调节。PID 调节器具有结构简单、调整方便和参数整定与工程指标密切相连等特点，对于大部分对象控 制精度也较高，这些优越性使得 PID 结构调节器是连续系统中应用最广泛的一种调节器，一直经久不 衰，并将继续在工程实践中发挥重要的作用。 电阻炉可以用以下模型定性的描述它 Kes G(s)  TS 1 式中 K-放大系数 ，T-时间系数 ，τ-纯滞后时间。 但在实际热力工程中，由于实际工况的复杂性（加工工件的性质、初温、升温、幅度规格、装炉量 以及电气环境等因素） ，使得上述数学模型偏离实际情况相当严重。 电阻炉由电阻丝加热，温度控制具有非线形、大滞后、大惯性、多变量、时变性等特点。在实际应 用中，电阻炉温度控制遇到了以下困难： 第一：很难建立精确的数学模型； 第二：不能很好的解决非线形、 大滞后等问题。以精确的数学模型为基础的经典控制理论和现代控 制理论在解决这些问题是遇到了一定的困难。 上世纪 50 年代前后的经典控制理论主要研究单输入-单输出的线性定常系统；60 年代末的现代控 制理论主要研究多输入-多输出的被控对象，系统可以是线性或非线性的，定常或时变的。这两个阶段 的控制理论的发展与应用， 对于存在数学模型的自动控制系统发挥了非常大的作用， 并取得了令人满意 的控制效果，这些控制方法的优点明显， 但存在难以克服的缺陷。 对于那些很难或的数学模型的控制对 象，往往显得无能为力。 上述各种传统控制方法在炉温控制系统中的仿真、 实验和实际应用结果看，效 果并不是非常理想。一个显著的共同特点就是需要建立系统准确数学模型， 当模型建立不准确时， 不仅 增加了调试的工作量，而且控制效果不好。从70 年代末开始，随着计算机技术的快速发展，智能控制 理论开始受到极大关注， 模糊控制作为智能控制理论的一个分支， 在理论研究和工业控制应用等方面也 取得了可喜的进展。以语言规则模型为基础的模糊控制理论却是解决上述问题的有效途径和方法。 1.21.2 模糊控制的现状及原理模糊控制的现状及原理 模糊数学和模糊控制的概念由美国加利福尼亚大学著名教授L.A.Zadeh 首先提出。 最早取得的应用 成果是英国教授 Mamdamni，首先利用模糊控制语句组成模糊控制器， 将它应用于锅炉和气轮机的运动 控制，并在实验室中获得成功。此后的20 多年中，模糊控制技术在华