箱式电阻炉及温控系统结构设计学位论文Word下载.docx
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1绪论
箱式电阻炉是工业生产中应用的利用电热效应产生的热量加热或熔化物料的设备，通常由炉体和配套的机电装置组成。
工业电阻炉种类繁多，应用广泛，按电热方式不同，可分为电阻炉、感应炉、电弧炉、等离子炉、电子束炉、介质（微波）加热设备等几大类。
而每一类还可根据加热方式、炉体结构特点、物料输送方式、操作方式、电源特点、加热用途、炉内气氛与介质的不同等等分成许多小类。
箱式电阻炉是利用电流通过电阻丝产生的热量来加热或熔化物料的一类电炉。
影响箱式电阻炉加工质量的一个重要因素就是电阻炉的温度控制的精度，所以，温度控制是箱式电阻炉设备的制造之中的重中之重。
1.1箱式电阻炉温度控制方法的应用现状
当前，自动化装置己成为现代生产过程的重要组成部分，自动化装置是保证生产过程正常进行的重要因素和条件，生产过程自动化的程度己成为衡量工业企业现代化水平的一个重要标志。
电阻炉温度控制方法也不例外是一个自动化控制的方式，使电阻炉的温度控制精度更高，使热加工质量更好。
1.1.1箱式电阻炉控温系统的常规结构及方法
目前，箱式工业电阻炉的自动化水平较低，在控制方法上很多还停留在简单控制水平上。
由于小型箱式电阻炉一般应用在实验或小容量用炉的场合，这种电阻炉在设计方面满足了惯性小、非线性弱的控制要求、同时在应用过程中的扰动也比较少、动态参数时变性不大、因此，PID控制器足以满足这种电阻炉控温系统的要求。
尤其工业发达国家生产的PID温度控制器，以及一些国内采用引进技术而生产的模拟PID控制器，都得到了广泛的应用[1]。
与小容量箱式电阻炉相比大容量工业电阻炉最大的特点是具有大惯性、大延迟，当出现超调严重时，有可能引起系统的不稳定，甚至超过安全线，从而危及设备与生产安全。
由于在生产中还要满足不同生产过程的要求，需要动态的改变炉内温度、加热试样的品种、及相应加热试样的速度等，这使得电阻炉对象参数扰动频繁，造成了大容量电阻炉控制的复杂性、困难性。
而常规PID控制对这种对象达不到理想的控制效果。
这就要求必须根据大容量电阻炉的结构及动态特性提出新的控制策略[2-3]。
在新兴工业电阻炉温控方法的研究方面，很多学者做了大量的研究。
例如各种模糊技术在电阻炉温度控制中的成功应用，及神经网络在对电的这种灵活性，使得它已成为当前解决复杂被控对象的优先选择[4-6]。
包钢无缝厂环形加热炉即采用了复合模糊控制与PID调节相结合方法，解决了加热炉燃烧热值波动、阀线性不好和大惯性的难题。
1.1.2箱式电阻炉应用特点
随着电力工业的发展，箱式电阻炉得到了大规模的工业的应用。
在20世纪末，为适应工业（特别是材料工业）发展的需要，电阻炉又得到快速发展。
它除应用于材料工业外，还广泛应用于机械工业、化学工业、建筑工业、轻工业及实验室等，它之所以应用广泛是因为和燃烧炉相比，具有很多优点：
1）热效率高：
电阻炉不需要燃烧烟气作传热介质，没有排除废气造成的热损失，空间热强度高，能达到很高温度;
2）产品质量好：
炉内气氛洁净，炉温可以精确控制，温度场均匀稳定，可适应各种烧成制度的要求;
3）能在各种人工气氛中烧成：
如在N2,Ar,H2等气氛中烧成制品;
4）设备简单，占地面积小，节省设备投资;
5）电阻炉洁净卫生，不污染环境;
6）电阻炉易于实现生产过程的机械化和自动化，劳动条件好，劳动生产率高。
同时与其他电炉相比，电阻炉具有发热部分简单，对炉料种类的限制少等特点它广泛应于机械零件的淬火、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。
1.1.3箱式电阻炉种类及控制特性
箱式电阻炉的类型很多，按其加热方式不同，可分为间接加热电阻炉和直接加热电阻炉两大类。
前者依靠电流通过炉内的电热体或导电液体产生热量，再经过一定的传热过程将热量传给被加热的物体。
目前绝大多数电阻炉属于这一类。
后者是电流接通被加热的物料，依靠物料本身的电阻发热（物料的电阻要大）。
1、直接加热电阻炉的控制特性
直接加热电阻炉的工作原理示于图1.1。
由于其导电触头和物料之间靠接触导电，因此又称为接触热。
图1.1直接加热电阻炉工作示意图
直接加热电阻炉在生产过程中有以下特点，因为在加热过程中电流直接从被加热的物料中通过，加热物料所需的热量产生于被加热的物料本身，所以与间接加热相比，在其他条件相同的情况下，加热速度很快，尤其在加热金属材料时，加热时间只有几十秒甚至几秒，因此生产过程中的惯性时间要比间接电热小的多。
而且材料内部的温差较小使得系统的稳定性也比较好。
所以，这种电阻炉的控制是相对比较容易实现的，通常采用模糊控制或PID控制。
2、间接加热电阻炉的控制特性
间接加热电阻炉中，电流是通过炉内的专门电阻发热元件即电热体所产生的热量，借辐射、对流和导热，传递给被加热物料，这种炉子称为间接加热电阻炉。
间接加热电阻炉在用途及结构上种类繁多，但从炉子的电热体向被加热物料传热过程来讲，可分为三种基本类型，即辐射传热型、对流传热型和导热传热型。
它们的特点分别示于图1.2
（a）辐射型（b）对流型
（c）传导型
图1.2间接加热电阻炉的基本结构形式示意图
图中1.2（a）所示的炉子，电热体直接安装在炉内。
电热体1的热量只靠辐射传热传给被加热的物料2;
若炉子在一般大气压状态下工作，电热体对物料的传热，除辐射作用外，还有一部分靠自然对流传热。
两者的比例视炉子的温度而异，温度越高，辐射所起的作用越大。
对于这一类电阻炉，加热体通常采用加热棒或加热管等加热体，电流通过加热体时，电热体的温度迅速变化，从而将热量向周围以辐射和自然对流的方式传递。
从上述的这些传热特点，可看出这一类电阻炉炉内温度的分布是不均匀的，而且对象的稳定性能差;
同时对试样的加热也往往具有大的热惯性;
因此，实现试样的高精度控制，就必须解决对象的大惯性、非线性问题。
当采用单回路控制系统时，只需要一支热电偶放在加热试样附近，控制方法最好采用智能控制。
如果采用串级结构系统，则需要两热电偶分别放在加热体附近与试样附近，控制方法可采用PID控制或模糊控制。
在图1.2（b）属于对流型结构，其中电热体和被加热物料之间用罩子隔开，完全排除了电热体对物料进行直接辐射的可能性。
炉内的气体由于风机的作用而强烈循环，当气流冲刷电热体时，靠对流传热作用而被加热;
然后气流又依靠对流传热作用将热量传给被加热体的物料。
这种电阻炉的体积通常较大，但因为有强制对流换热，电热体通电升温后，很快就可将热量以较大的换热系数传递给加热试样;
虽然试样的温度与加热体有一定差值，但这种电阻炉的惯性时间不是很大，而且炉内的温度分布往往比较均匀，稳定性能比较好。
所以，这种电阻炉中热电偶位置的选择可以随意一些，而且采用单回路模糊控制或PID控制就可以满足控制要求。
图1.2（c）是传导型的结构，带有厚壁的耐火材料罩。
电热体的热量以传导的方式由罩子的外表面传到内表面，然后由罩子内表面以辐射和对流的方式传给被加热的物料。
对于这种类型的电阻炉，电热体热量传递到内表面需要一定时间:
如果炉内的空间较大，且电阻炉的工作温度不是很高时，其自然对流换热与辐射换热的强度都不是很大，所以对这种电阻炉也具有大惯性的特点。
但这种电阻炉各点的热惯性差异不会太大。
因此，如果采用单回路的控制系统，则热电偶最好放在试样附近:
如果由于生产要求，无法将热电偶放在试样附近，也可以放在贴近上壁面处，因为这里的温度变化比较小，但实际测量的温度并不是试样温度，所以应该根据经验对测量温度进行适当补偿，使其接近试样温度。
从上面叙述可知，间接式电阻炉当采用不同材料的电热体可在炉内达到不同的最高工作温度;
采用不同的电热体安装和布置方式，可在炉内得到不同的温度分布以及做成各种形式的炉子。
而且，随着炉内换热方式与换热程度的不同，也使得电阻炉的动态特性有很大的不同。
因此，充分了解电阻炉的工作原理对于电阻炉控制的研究是非常必要的[20-25]。
1.2箱式电阻炉发展对控制的要求
最近几年来，由于人类忽略了经济发展对自然生态的破坏作用，而一味追求工业的飞速发展与经济的繁荣，从而导致了空前的两大危机，即能源危机与环境污染。
随着社会的发展和人类社会的文明，人们对环境及能源问题的认识日益加深，因此已将环境保护作为我国的一项基本国策[26]。
现代工业是朝着节能与环保的大方向发展的，在这种趋势的推动下，燃烧炉已经退出历史的舞台，而电阻炉在这方面的优势，使得它在工业上得到了进一步的广泛应用。
因此，实现我国工业电阻炉的自动化，达到精确控制炉温，提高成品率，实现节能及减少污染，己成为近几年来热工与自动化专业人员的一项研究课题[27]
新型工业箱式电阻炉研制的难度更大，控制要求水平更高。
而解决这类问题的重要
途径之一就是将人工智能、控制理论和运筹学三者结合的智能控制。
这一方面已受到国内外控制界的极大重视，并已有在化工、热工和水泥工业中有成功应用的报导。
因此，作为从事热工自动化方向的科技工作者深入到智能控制的研究中是非常必要的。
1.3箱式电阻炉的设计
箱式电阻炉的设计主要内容是围绕着解决具有大惯性动态特性对象的控制精度而展开的。
大惯性对象是指那些对控制量的响应时间远远小于控制器执行动作时间的对象。
这种对象，广泛存在于我们的现实生活中，提到的大容量间接加热电阻炉外，还有如大房间的温度控制等，都具有较大的热容量。
本文以间接加热电阻炉为实际研究对象进行系统分析，从而找出适合大惯性动态特性对象的一般控制方法。
1.3.1研究对象
箱式电阻炉是利用电流通过电热体产生的热量来加热或熔化物料的一类电炉。
与其它电炉相比，箱式电阻炉具有发热部分简单，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等特点。
是发展最早、品种规格最多、需要量最大的一类电炉。
由于大容量电阻炉是具有大惯性等复杂热工特性的一种典型代表，所以通过对它的研究，可对此类对象进行深入的探讨及了解。
本文研究对象是以加热棒为加热体的电阻炉。
炉内压力处于一般大气压状态下，炉内的热量传递方式是辐射换热与自然对流换热，所以对于炉内的被加热对象具有大的热惯性，并且炉内的温度分布是不均匀的。
图1.3电阻炉正面视图
电阻炉结构如图1.3所示，其中2点为热电偶测量电热元件温度的充分接近点。
点是热电偶测量加热试样温度的充分接近点。
当发生扰动时，控制系统输出电压作为控量当输出的电压变化时，通过电热元件的功率同步发生变化，从而使电热元件的温度也生变化。
所以对2点温度进行控制是比较容易实现的，这时的温、度响应对象惯性小，性弱。
但实际上我们最关心的是试样温度，即1点温度。
因此保证1点温度的精确性是产品工艺的主要要求。
当电热元件温度发生变化时，将导致炉内温度变化，从而试样温度也随之发生同趋势的变化。
如果电阻炉热容量比较小，那么这一过程的惯性时间也比较小，非线性也较弱。
因此，这时可采用单环控制结构，控制方法也可使用PID控制.这种方式是早期电阻炉的常规控制方法，即直接对2点温度进行测控（加热元件温度），以近似作为加热试样温度;
或者通过一定的经验公式对2点温度进行一定补偿，近似推算出1点温度。
这种方法由于算法简单、方便易行、所以在小容量电阻炉或精度要求不高的电阻炉控温系统中具有良好的效果。
但是，本文中的电阻炉具有惯性大、非线性强及时变性的特点，而且对电阻炉控温精度要求高，这使得常规PID控制方法不能满足控制的要求。
综上所述，为实现本课题任务，必须解决电热元件，温度变化导致加热试样和温度变化这一传递过程的大惯性、时变性、强非线性、以及生产过程中的多扰动问题。
1.3.2设计方法
本文通过对电阻炉进行建模、仿真，综合评价其动态特性，近而为实际控制系统设计提供参考，其主要工作由三部分组成。
1、箱式电阻炉动态数学模型的建立
箱式电阻炉动态数学模型是指电阻炉吸热后温度随热量（或随加热功率）的变化规律。
箱式电阻炉的温度受热工过程诸多因素影响，且时变性大、生产过程复杂多变，因此对整个加热过程进行细致研究、建立数值模型比较复杂。
所以本文采用时域动态建模的方法，建立电阻炉的多种仿真模型，并通过与实际对象的响应曲线进行比较，从中选出适用于电阻炉对象的模型。
具体步骤如下:
第一:
在电阻炉温度稳定后，加入一个阶跃电压，然后测得电阻炉系统的温度响应曲线。
此温度响应曲线的测量，必须要保证在电阻炉温度稳定之后才能进行而且上述的实验过程，在相同的实验条件下应重复实验多次，以得到至少要有两条基本相同的曲线。
最后，要将得到的温度响应曲线化成标么曲线形式。
第二:
采用时域建模中的两点法，对所测得的数据分别按照高阶惯性模型与一阶纯滞后模型的方式进行建模。
第三:
分别对高阶惯性模型与一阶纯滞后模型输入一个阶跃响应，并得到各自的响应曲线，同时将响应曲线化成标么曲线形式。
第四:
将高阶惯性模型与一阶纯滞后模型的响应曲线标么形式与实测的温度标么响应曲线进行比较，找出更能代表实测对象的模型。
按照上面的步骤，我们得到了电阻炉对象的传递函数模型;
这个模型将用于仿真分析。
2、控制系统建模及仿真分析
完成了电阻炉对象数学模型的建立，我们要对这一模型的特性进行分析。
在本文中，选用了MATLAB软件下的SIMULINK环境，对建立的动态模型进行仿真分析。
首先，在SIMULINK环境下，构造出单回路PID控制系统与单回路模糊控制系统。
并通过对这两个系统的调试，找出其最佳的控制效果，并分别对计算的动态指标与稳定性指标进行比较，以确定单回路控制系统是否适合大惯性对象的控制。
其次，构造出串级的模糊PID控制系统与串级的PID模糊控制系统。
并分别对两系统进行分析，观察它们的控制效果是否优于单回路系统。
最后，对串级的模糊PID控制系统与串级的PID模糊控制系统进行比较，看那一种结构更适合扰动频致的大容量电阻炉对象。
3、建立温度控制系统
建立温度控制系统时，首先要对电阻炉的功率进行初步计算，以配置适当的电加热体及适当功率的可控硅，使得控制功率能够满足炉膛内的温度要求及控制温度的均匀分布，并符合工艺要求。
电阻炉功率的确定有估算法与热平衡法[15]。
估算法是按炉温及炉膛容积或炉温与炉膛有效面积及空炉升温时间等参数，并通过一定的经验公式或计算图表来确定电阻炉的功率。
但由于这种方法必须具有非常丰富的经验，所以对于普通工作者无法接受。
热平衡法是通过能量守恒定律，即将电功率转变为热功率时，两者应相平衡。
所以只要计算出各种热消耗功率的总和，即可算出电阻炉所需的总电功率。
其计算公式如下:
P=KE
其中，P一电阻炉消耗的总功率，即电热体的总功率;
K一安全系数或称储备系数。
E一电阻炉各种热消耗功率的总和
为将工件加热到预定温度所给定的热流和损耗电炉的热损耗率较低炉子侧体及附件所给的功率即单位时间内所需的蓄热热量都得要适当。
如上所述，根据传热学知识，可计算出各种热损失率，进而确定了电阻炉的总功率。
电阻炉的功率确定后，则电阻炉温控系统的硬件也就基本确定了。
因此，下面的工作是建立温控系统的软件。
我们将仿真中得到FUZZY-PID串级控制系统应用到实际控制系统中，这部分主要的工作是模糊控制器的建立，本文采用了DDE链接的方法将MATLAB仿真中的模糊控制器直接应用到了实际控制系统中，从而解决了系统构造中的最大难题。
最后将实际控制效果与仿真效果进行了比较，可以看到它们之间还有一定差别，这主要是在建模、仿真过程中，假设了一些理想条件，而实际过程存在着误差，因此，对于建模、仿真还可以近一步改进，从而找出更符合大惯性电阻炉这一类热工对象的建模方法、仿真方法及控制方法。
2箱式电阻炉的结构设计
本箱式电阻炉是对老产品的改造和升级换代产品，采用先进的温度控制系统，使电阻炉的温度控制精度更高，更自动化。
广泛适用于各类实验室，工矿企业，科研单位作元素分析测定及一般小型件淬火，退火，回火等热处理作业。
2.1箱式电阻炉的结构尺寸
本箱式电阻炉的外壳采用优质的三角铁焊接成而成的矩形框架（长：
a=900mm;
宽：
b=650mm;
高：
h=600mm），表面用冷轧钢板铆接到矩形框架上。
工作室由优质碳化硅耐火材料制成（此工作室是一个五面全封闭一面敞开的，长：
a1=400mm;
b1=250mm;
h1=160mm）。
此工作室底面有一定的坡度，是为了完成工作后取出工件方便设计的。
它的坡度角为5度由经验公式:
mg/sin&
<
amg/cos&
（m：
物体的重量；
g：
重力加速度；
&
：
坡度角：
a：
安全系数）。
碳化硅耐火材料制成的工作室上下左右四个面上镶有电阻丝（加热元件）上下各5根电阻丝，左右各3根电阻丝。
炉膛与炉壳之间用优质的保温材料作保护层，隔绝工作室的热量同外界的交换，保证工作室正常工作。
炉门也用优质的碳化硅耐火材料制成形状也炉口相互配合的形状，镶嵌到炉门上，炉口是用冷轧钢板焊接而成，它们中间用优质的保温材料作保护层。
箱式电阻炉的后面是接线处，在工作室的后面有一个小孔是用于装测温元件的（铂铑—铂铑热电偶）。
2.2箱式电阻炉炉门的设计
炉门的密封性要求很高，本箱式电阻炉的炉门采用左右两侧都加紧的加紧装置，为了是使炉门的隔热效果更好。
因为炉门的隔热效果要是不好，不但会影响加热速度，还会让有害气体进入炉膛工作室影响工件的质量，例如在热处理当中，进入炉膛工作室大量的不利气体（氧气，等气体）就会使工件的热处理失败，工件热处理后的表面被氧气得氧化，这是热处理当中非常忌讳的一个。
要是炉门的密封性隔热性能良好就不会出现上述事件的发生，保证热处理的正常进行。
此外炉门密封性的好坏还会影响到箱式电阻炉的使用范围，当炉门的密封性能良好时电阻炉就能进行渗碳，渗氮的热处理。
因外炉门的密封性好就可以再炉膛工作室当中冲入氮气或是炭黑等原料进行渗氮，渗碳的热处理。
这样大大增加了箱式电阻炉的使用范围，为电阻炉的应用市场打开更大的大门，本电阻炉的外形喷涂有红色的防锈漆是外观更加美观，并且外壳始终保持常温，不会烫伤周围的工作人员，使电阻炉的使用更加安全可靠，使用者更放心安全的使用，使电阻炉的市场前景更加美好。
2.3箱式电阻炉的使用说明
烘炉，当电阻炉第一次使用或长时间停止使用后再次使用时，必须进行烘炉。
其程序如下：
（1）当由室温升到200度时4小时（打开炉门让水蒸气散发）；
（2）当由200度升到600度时4小时（关闭炉门）；
（3）当由600度升到800度时2小时（关闭炉门）直到自然冷却到室温为止才能进行正常工作。
3控制对象动态建模
控制对象动态建模是研究被控对象输入量发生扰动时各输出量随时间变化的特性，即动态特性。
研究控制对象动力学的实质是要建立被控对象的动态数学模型，简称建模。
数学模型是人们对所研究客观系统的数学描述。
通过这种描述使我们对系统的特性有一定了解[16]
3.1热工控制对象动力学研究的意义
动态建模就是在对实际物理对象观察或实验的基础上，导出描述对象动态性能的数学表达式，是人们从数量角度更清楚直观的了解事物的本质特征。
因此所得到的模型是这些观察或实验结果的综合，在某种意义上，它完全可以代替物理现象本身。
原来的物理对象在用一个数学表达式代替之后，就可以比较方便的从多方面来探讨这个问题。
但也应该承认，只有在非常特殊的情况下，数学模型才能表达对象或过程的所有细节。
一般地讲，我们最多只能指望得到和对象或过程有关的最重要的可观察特性的描述，它将包括关键性操作变量与参数。
现代热工控制对象的规模日益庞大，过程也日益复杂。
要对这样庞大、复杂的控制对象或过程进行操作、自动控制、最优设计方面的研究和开发，首先要求建立热工控制对象的动态数学模型/29-311，具体来说研究控制对象动力学的意义可以归纳为以下几个方面:
1）自动控制系统的合理设计和调节器最佳参数的整定都是以被控对象的特
性为依据的，为了实现生产过程的最优化，更需要充分了解对象的动态特性。
2）指导生产设备的条件。
通过对生产设备数学模型的分析和仿真，可以确定个别因素对整个控制对象动态特性的影响，从而对生产设备的结构设计提出合理的建议和要求。
3）培训运行操作人员。
对一些复杂的生产操作过程，都应该事先对操作人员进行实际操作培训。
随着电子计算机和仿真技术的发展，己经不需要建立小的物理模型，而是首先建立这些复杂生产过程的数学模型，然后通过计算机仿真使之成为活的模型。
在这样的模型下，可以方便、全面、安全地对运行人员进行培训。
4）检查在真实系统中不能实现的现象。
具有破坏性的实验往往不允许轻易地在实际生产设备上进行，而是首先需要生产过程的数学模型，再通过仿真对模型进行实验研究。
3.2热工控制对象建模方法
热工对象动力学模型的建模方法可分为理论建模和实验建模两大类[32-35]。
3.2.1理论建模
理论建模是根据对象的内部机理过程，分析建立起描述对象动态特性的数学表达式即数学模型。
这种方法最大的优点是在生产设备还处于设计阶段就能建立起模型，而且由于该模型的参数直接和设备的结构、性能参数有关，这对设各的研究和设计都有重要意义。
对那些在实际生产过程中不允许轻易进行实验或很难进行实验的场合，理论建模是唯一可取的途径。
对于某些较简单的生产过程或对象，通过理论分析，应用一些基本定律如质量守恒定律、能量守恒定律、牛顿定律等就可以找到输入量、输出量和其他变量间的动态数学表达式，既动态模型。
但对于大多数的生产过程或对象，尤其像热工过程这样复杂的对象来讲，由于它具有多变量、多回路、非线性和分布参数等特点，或是由于对其内部物理、化学过程至今了解得还不够清楚，因此就不能像上述简单对象那样，经过一般的理论分析就能建立起严格、精确的数学模型。
通常的方法是首先作一些必要的假设和简化。
如应用分割的方法，把复杂的对象分割
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