电加热炉MATLAB仿真

word某某城建大学课程设计任务书2013 -2014学年第 2学期控制与机械工程学院 电气工程与其自动化专业 班级 12 某某 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、要求与主要内容：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05V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拟、运算后，再由D/A转换输出05V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展调节，调节X围：20350。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，本文中将控制信号到炉膛温度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，=80。系统的传递函数为：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；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：化学工业，20042 邵裕森过程控制工程：机械工业20003 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，降温如此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准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；MATLAB；模糊控制器 目录第一章 绪论1112第二章 模糊控制器的设计4442.2.1 建立模糊控制器结构42.2.2 定义输入、输出模糊集并确定个数类别52.2.3 定义输入、输出的隶属函数52.2.4 编辑模糊控制规如此682.2.6 输出曲面观测器8第三章 建立simulink仿真模型103.1 原系统的simulink仿真模型103.2 模糊控制simulink仿真10第四章 硬件系统124.1 系统总体设计124.2 温度传感器的选择124.3 A/D转换电路12124.5 人机界面134.6  功率控制电路 13第五章 总结14第六章 参考文献15第一章 绪论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应控制系统，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，与设定值进展比拟得出偏差，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展比拟。再把比拟器的差值经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。在数字控制系统中如此是用数字调节器来代替模拟调节器，按偏差的比例、积分和微分进展控制和调节。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，对于大局部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 式中K-放大系数 ，T-时间系数 ，-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、装炉量以与电气环境等因素，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：很难建立准确的数学模型； 第二：不能很好的解决非线形、大滞后等问题。以准确的数学模型为根底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开展与应用，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，但存在难以克制的缺陷。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开展，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。以语言规如此模型为根底的模糊控制理论却是解决上述问题的有效途径和方法。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，模糊控制技术在华工、冶金、机械、工业炉窑、水处理、食品工业等多个领域中获得广泛的应用。 随着应用领域的不断拓宽，模糊控制器本身性能也得到了进一步开展，由原来规如此固定的简单模糊控制器，开展为可以在控制过程中不断修改和调整控制规如此的自组织模糊控制器。尽管模糊控制在稳定性理论分析与控制精度方面还存在一些问题，但它在大规模系统、多目标系统、非线性系统，特别是没有准确数学模型的系统中，显示了良好的效果，它所表现的强鲁棒性是经典控制理论和现代控制理论所难以到达的。模糊控制是以人的思维判断方法形成模糊控制规如此，在模糊规如此的根底上，以模糊量作为实际控制的依据，是一个表达某种控制思想的根本公式。模糊控制的定义可以描述为：模糊控制器的输出是通过观察过程状态和一些如何控制过程的规如此的推理得到的。模糊逻辑控制器的设计主要包括：对输入信息的模糊化、模糊推理和输出信息的准确化三个步骤。输入信息的模糊化是将测物理量转化为在该语言变量相应论域内不同语言值的模糊子集。模糊推理使用数据库和规如此库，它的作用是根据当前的系统状态信息来决定模糊控制的输出子集。输出信息的准确化计算是将推理机制得到的模糊控制量转化为一个清晰、确定的输出控制量的过程。模糊控制器在温度控制中的应用包括有：X兴池等人用日本生产的SR70只能模糊控制器对加热炉进展控制，稳态精度达到+0.5摄氏度左右，控制效果十分理想。易继锴等人应用模糊神经网络自学习控制器对电加热炉进展物理模拟实验，系统实验明确，通过神经网络的自学习，实现输入变量隶属度函数的在线自调整，对电加热炉这种具有非线形、大滞后的系统具有较好的模糊预测与控制功能。随着二十世纪四十年代中期计算机的出现与其应用领域的不断扩展，计算机控制技术逐渐渗透到自动化、自动控制、电子技术、电气技术、仪器仪表等专业，并在这些专业中起到至关重要的作用。计算机具有存储大量信息的能力，强大的逻辑判断能力与快速计算的优点，计算机控制技术能够达到常规控制技术所不能到达的优异性能指标。此外，随着操作系统的不断升级，各种开发软件的不断出现，使研究人员不仅能方便的对对象进展控制，而且可以将控制结果用图象，声音等形式展示出来。这是传统技术所不能实现的。 应用微机控制电炉炉温不仅易于保证处理工艺过程的质量，节约能源，促进整个热处理工艺过程自动化，并且在造价上也能与常规仪表控制装置匹敌。国内已有很多单位对计算机控温系统进展了研究。 由于电阻炉具有较强的滞后性，传统的PID控制方式的控制效果不佳。模糊控制是一种基于规如此的先进控制方法，由于控制复杂、非线性、大滞后对象，具有控制速度快，超调小等优点，因此，可以很好的解决一些问题，获得较好的控制效果。此题拟采用凌阳SPCE061A单片机，设计一种电阻炉温模糊控制系统，提高温度的控制效果。通过测量元件热电偶进展检测，经采样、A/D转换为数字量，再进展数字滤波，并根据给定的控制规如此进展运算，然后发出控制信号去控制执行机构，使各个被控量达到预定的要求。控制系统原理图如图1所示： 图1 控制系统原理图本系统的设计主要是解决电阻炉温度的实时控制，希望控制系统给出的控制量控制电阻炉的温度，使得电阻炉的温度可以跟踪由键盘输入的给定值。 概括起来，本系统的功能有： (1)数据的采集； (2)过程监控：包括参数显示、上下限报警等；(3)基于模糊规如此的控制算法；(4)通过D/A转换输出控制量；(5)实现上位机和下位机的通信。随着嵌入式系统开发技术的快速开展与其在各个领域的广泛应用，人们对电子产品的小型化和智能化要求越来越高，作为高新技术之一的单片机以其体积小、功能强、价格低、使用灵活等特点，显示出其明显的优势和广泛的应用前景。在航空航天、机械加工、智能仪器仪表、家用电器、通信系统、智能玩具等领域，单片机都发挥了很大的作用。第二章 模糊控制器的设计1965年Zadeh教授发表了模糊集合论论文，提出用“隶属函数这个概念描述现象差异的中间过渡，从而突破了古典集合论中属于或不属于的绝对关系。Zadeh教授的这一开创性工作，标志着数学的一个新分支-模糊数学的诞生。模糊数学从诞生至今，在刚诞生的几年里开展相当缓慢，在进入70年代后，模糊集合的概念被越来越多的人承受，这方面的研究工作也就相应地迅速开展起来，并应用到聚类分析、图象识别、自动控制、故障诊断、机器人以与人工智能等多方面领域。1974年英