电阻炉温度控制系统设计及仿真研究毕业设计论文.docx

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电阻炉温度控制系统设计及仿真研究毕业设计论文

电阻炉温度控制系统设计及仿真研究

摘要

温度控制在工业控制中一直是富有新意的课题，对于不同的控制对象，有着不同的控制方式和模式。

温度系统惯性大、滞后现象严重，难以建立精确的数学模型，给控制过程带来很大难题。

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本论文主要针对电阻炉这一类复杂的被控对象，研究一种最佳的控制方案，以达到系统稳定、调节时间短且超调量小的性能指标。

借助MATLAB中的Simulink和Fuzzy工具箱，对电阻炉PID控制系统和模糊控制系统进行仿真分析。

结果表明当采用PID控制时，虽然结构简单、容易实现，但无法保证控制精度；当采用纯模糊控制时，超调量与调节时间虽然同时达到预期效果，但系统出现了稳定误差，所以本文将模糊控制的智能性与PID控制的通用性、可靠性相互结合，提出了模糊控制与PID控制相结合的方案。

经仿真研究，模糊控制与PID控制相结合的控制效果达到了电阻炉温度控制系统的性能指标，是一种较为理想的智能性控制方案。

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关键词：

电阻炉；PID控制；模糊控制；MATLAB仿真

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Abstract

Temperaturecontrolisainnovativetopicsintheindustrialcontrol.Fordifferentcontroltargets,ithasdifferentcontrolmethodsandmodels.Thetemperaturesystemhasbiginertiaandserioushysteresis.Sincetheestablishmentofaccuratemathematicalmodelsisratherdifficult,itbringsverybigdifficultproblemsforthecontrolledprocess.酽锕极額閉镇桧猪訣锥。

Aimsatakindofcomplexcontrolledplantastheresistancefurnace,thepresentpapermainlystudiesonekindofbestcontrolplantoachievestheperformanceindicatorsofstablesystem,shortcontroltimeandsmallperformance.WithSimulinkandFuzzytoolboxinMATLABSimulink，thedesigncarriesonthesimulationanalysistotheresistancefurnacePIDcontrolsystemandthefuzzycontrolsystem.TheresultindicatedthatwhenusesthePIDcontrol,althoughthesystemhassimplestructureandeasytorealize,itisunabletoguaranteethecontrolprecision;Whenitusesthepurefuzzycontrol,althoughcontroltimeandoveradjustmentachievestheexpectationeffect,butthesystempresentedthestableerror,thereforethisarticleproposedthefuzzycontrolandthePIDcontrolunifyplan.Afterthesimulationresearch,thecontroleffectwhichthefuzzycontrolandthePIDcontrolunifiedhasachievedtheresistancefurnacetemperaturecontrolsystem'sperformanceindex.Itisonekindofmoreidealintelligencecontrolplan.彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。

Keywords:

Resistancefurnace;PIDcontrol;Fuzzycontrol;MATLABsimulation謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。

第一章引言

一.1课题背景

工业电阻炉是一门综合性应用技术。

由于高性能新材料的出现，检测监控元件的更新换代，微机控制在电炉中的应用，使得我国工业电阻炉在90年代发展迅速。

行业间的垄断体制已开始打破。

对于间歇作业电阻炉有了快冷式内、外循环的真空护系列，对于连续作业式电阻炉有了使用于彩色显像管的工业隧道炉系列。

由于电阻炉是耗能很大的设备，而能源是国民经济和社会发展的重要物质基础。

为了节约能源，老式电阻炉大都要进行技术改造，使其节约电能。

对于新设计电阻炉，就要更加注意提高热效率，降低能耗水平，特别是大容量和特高温的电炉。

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随着21世纪的来临，随着我国进入WTO行列，这将给我国的工业电阻炉带来更佳的发展机遇。

不仅要打破国内工业行业的界限，也将和国际的产业接轨，那么，对于电阻炉的研究有很大的意义。

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一.2论文研究的主要内容

本文以电阻炉为研究对象，针对电阻炉的温度，在比较、研究不同控制策略的基础上，主要对模糊控制、PID控制算法在电阻炉温度控制中的应用进行了研究。

利用模糊控制、PID控制算法的优越性，改善电阻炉温度的控制品质，提高控制效果。

本文主要进行了以下几方面的工作：

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（1）论述了电阻炉温度控制系统的课题目的、意义，当前计算机测控系统的发展动态及本论文的主要内容并对电阻炉的控制特点进行了简要分析。

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（2）介绍模糊控制及PID控制算法的相关知识。

（3）设计电阻炉温度测控系统的方案及建立电阻炉测控系统的数学模型。

（4）针对被控对象电阻炉这一类大惯性、纯延时的数学模型，设计测温电路，并利用MATLAB进行了仿真。

（5）对仿真结果进行分析和讨论。

1.3论文研究的重点和难点

电阻炉具有高度非线性、大时滞、大惯性、时变性等特点，应用传统的PID控制虽然结构简单、容易实现，却依赖于被控对象精确的数学模型且无法保证控制精度。

单纯模糊控制虽然能够适用于无法精确解析建模的物理对象，但是要获得好的控制效果需要有系统的专业知识和完整合理的模糊规则，这导致其应用受到了很大局限。

如何运用模糊控制与PID控制相结合的方法对电阻炉温度进行实时控制并取得良好的控制效果，是本文研究的重点。

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第二章电阻炉的介绍

电阻炉是利用电流通过电热体元件将电能转化为热能来加热或熔化工件和物料的热加工设备。

与其他电炉相比，电阻炉具有热效率高、温度易控制、操作条件好、炉体寿命长，适用于对加热制度要求较严的工件加热，并且发热部分简单，对炉料种类的限制少，炉温控制精度高，容易实现在真空或控制气氛中加热。

电阻炉由炉体、电气控制系统和辅助系统组成。

炉体由炉壳、加热器、炉衬（包括隔热屏）等部件组成。

电气控制系统包括电子电路、微机控制、仪表显示及电气部件等。

辅助系统通常指传动系统、气体管道系统、真空系统、冷却系统等，随炉种的不同而异【18】。

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电阻炉的主要参数有额定电压、额定功率、额定温度、工作空间尺寸、生产率、空炉损耗功率、空炉升温时间、炉温控制精度及炉温均匀性等。

电阻炉广泛应用于机械零件的淬火、回火、退火、渗碳、氮化等热处理，也用于各种材料的加热、干燥、烧结、钎焊、熔化等，是发展最早、品种规格最多、需要量最大的一类电炉。

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二.1电阻炉的特点

（1）热效率高。

电阻炉不需要燃烧气体（或固体、液体），没有排出因燃烧而产生的废气造成的热损失，炉膛空间内热强度高，能达到较高的温度，使高熔点工件得以熔化。

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（2）能满足工件在各种工艺氛围（保护、运载、反应）中的要求，并使之成为可控。

能用质量流量计对所控气氛进行监测。

由保护气氛来保证炉内气氛的清洁。

比如保护氛田为真空，可以将炉内的残余气体抽走，保护气氛为氢气，各种废气可随之运出。

高纯度的氢气，其含氧量可小于0.1ppm，其露点小于-70℃。

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（3）能够满足工作空间温度场均匀度和恒温的精度要求，比如在48小时内温度不得漂移±0.5℃。

（4）整个工艺过程（电、气、水的压力与流量）能用微控和智能化程序控制。

有连锁保护、报警、防爆、数显、曲线记录等功能，使之操作简便，工艺稳定，重复性好。

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（5）劳动条件好，不致污染环境。

（6）占地面积小，节省投资。

二.2电阻炉的分类

二.2.1按传热方式分

（1）辐射式电阻炉。

以辐射传热为主、对流传热作用很小。

炉温高于1000℃时，称高温电阻炉；炉温为650～l000℃时，称中温电阻炉；炉温低于650℃时，称低温电阻炉。

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（2）对流式电阻炉。

以对流传热为主，辐射传热为辅，通常称空气循环电炉，炉温多低于650℃。

（3）盐浴炉。

工件浸在盐液内加热，分以下两种类型。

①电极盐浴炉。

盐液是发热体又是加热介质，以传导和对流方式对工件进行加热。

盐液温度随炉温不同而异：

盐液温度1000～1350℃时，称高温盐浴炉；550～1000℃时，称中温盐浴炉；150～550℃时，称低温盐浴炉。

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②硝盐炉。

用管状电热元件将硝盐加热熔化，熔融的硝盐是加热介质，以传导和对流方式对工件进行加热。

盐液温度200～550℃。

如用碱类代替硝盐，则称为碱浴炉。

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二.2.2按炉内气氛分

按炉内气氛分为氧化性气氛炉（一般电阻炉均属此类）、可控气氛炉、真空电阻炉和流动粒子炉等。

二.2.3按炉型分

电阻炉按结构形式分为室式炉、台车式炉、井式炉、连续式（包括推杆式、步进式、振底式、输送带式）炉等。

此外，还有立式联合电炉、淬火回火联合电炉等。

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①室内电阻炉

箱式炉体，固定式炉底，实行间断加热，具有结构简单、通用性好、购置费用低等特点，适用于中小型工件热处理加热用。

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②台车式电阻炉

室状炉膛，炉底为一活动台车，台车两侧及尾部有密封装置，电热元件布置在炉膛两侧及炉底沟槽内，大型台车式电阻炉的端墙及炉门上也布置有电热元件，台车进出炉和炉门升降均有专门机构驱动。

台车式电阻炉除具有室式电阻炉的优点外，还具有装载量大、生产率高、装卸料方便等优点。

缺点是当炉底移出时炉内热量散失大，炉温下降快。

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③井式电阻炉

炉膛为一竖直圆筒，电热元件沿炉膛分层布置，多区分别控温，炉内温差小，适用于轴类及杆件吊挂加热，可避免工件弯曲变形，工件进出炉多用桥式起重机起吊。

小型井式电阻炉采用整体炉温，吊具装在炉内，炉口密封性好；大型井式炉采用对开式炉盖，吊具顶端挂在炉外承料梁上。

常用井式电阻炉的炉膛直径为0.6～1.5m，炉膛深度可达30m。

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④连续式电阻炉

炉膛前后贯通，炉膛两端分别设有升降式炉门，炉内通常分为预热、加热、保温等几个加热区段。

工件置放在炉底或炉底上的料盘内，由推料机、