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电阻炉温度模糊控制系统的设计学士学位论文

电阻炉温度模糊控制系统的设计

摘要

本文根据实际生产过程的温度特性，针对时滞和不确定的复杂非线性系统的控制问题，提出了一种模糊控制系统方案，该模糊控制器用于电阻炉的温度控制,可在模型未知的情况下，根据被控温度的偏差大小，选取适当的控制算法进行自动调节，使炉温达到给定值，方案结构简单，无需被控对象的精确数学模型，且能适应环境的变化，具有控制精度高、动态性能好的特点。

电阻炉由电阻丝加热，温度控制具有非线性、大滞后、大惯性、时变性、升温单向性等特点。

在实际应用和研究中，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，不能很好地解决非线性、大滞后等问题。

以精确数学模型为基础的经典控制理论和现代控制论在解决这些问题时遇到了极大的困难，而以语言规则模型（IF-THEN）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。

国内现有的一些模糊设计方法大多存在不同缺点，而且真正把理论研究应用到实际系统的实例较少。

所以，深入研究在电阻炉系统控制中具体应用模糊控制设计理论是十分必要的。

关键词：

电阻炉；模糊控制器；温度控制；控制仿真

ADesignofTemperatureFuzzyControlSystemofIndustryResistorFurnance

Abstract

Inthispaper,accordingtothetemperaturecharacteristicoftherealproductionprocess,andinviewofskewinganduncertaincomplicatednon-linearcontrolquestionsystematically,thispaperputsforwardakindoffuzzycontrolsystemscheme,whoseschemestructureissimpleandwhichdoesnotneedthetarget'saccuratemathematicalmodel,andcanadapttothechangeoftheenvironment,controllingthecharacteristicwithhighprecisionandwithgooddynamicperformance.Thisfuzzycontrollerisusedinresistancefurnacetemperaturecontrol.Satisfactoryresulthasbeenobtained.

Electricheatingfurnaceisheatedbyresistancewire,soithasnon-linear,greatlagging,biginertia,timevaryingandunidirectionalrising.Inpracticalstudyandapplication,thetemperaturecontrolofelectricheatingfurnacehasmetthefollowingdifficulty:

First,itisverydifficulttosetupaccuratemathematicsmodel;Second,wecan'twellsolvetheproblemsofnon-linear,greatlaggingetc..Theclassicalcontroltheorybasedonaccuratemathematicsmodelandmoderncyberneticshavemetgreatdifficultyinsolvingtheseproblems,butthefuzzycontroltheorybasedonregularlanguagemodelofIF-THENisaneffectivewayofsolvingtheabove-mentionedproblems.Somedomesticexistingfuzzydesignmethodsmostlyhavedifferentshortcomings,andpracticalsystemsappliedbytheoreticalresearcharelessreally.Sofurtherinvestigatinghowthefuzzydesigntheorysystemisappliedincontrolsystemofelectricheatingfurnaceisverynecessary.

Keywords　Resistancefurnace；fuzzycontroller；temperaturecontrol

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Abstract

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第1章绪论

1.1课题背景

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。

但是，目前国内的电阻炉温度控制器大多还停留在国际60年代水平，仍在使用常规PID控制或继电-接触器控制，自动化程度低，动态控制精度差，满足不了日益发展的工艺技术要求。

电阻炉由电阻丝加热，温度控制具有非线性、大滞后、大惯性、多变量、时变性、升温单向性等特点。

在实际应用和研究中，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，不能很好地解决非线性、大滞后等问题。

以精确数学模型为基础的经典控制理论和现代控制论在解决这些问题时遇到了极大的困难，而以语言规则模型（IF-THEN）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。

自1965年Zadeh提出模糊集合论以来，模糊控制作为模糊理论应用的一个重要分支，己经发展成为具有一定系统化理论及大量应用背景的新兴学科，并且成功地应用于工业过程控制、家用电器、机器人操作、机车控制、航空航天等诸多领域。

模糊控制理论日趋成熟，并且由于其基于人的逻辑推理、不依赖控制对象的精确数学模型这一特点，体现了它巨大的优势和潜力[1]。

基于单片机技术的控制器自80年代以来取得了巨大的成功，尤其是微型计算机的蓬勃发展，使得单片机控制器具有强劲的优势。

因此，寻求适合单片机控制器的控制技术一直是控制人员关心的课题。

在现有设备及技术条件下，应用现代控制理论很难设计出有效而且实用的控制器，在工业控制领域，应用现代控制理论设计出来的控制器的效果往往还不如根据经典PID理论设计的过程控制器的控制效果。

到目前为止，在工业控制过程中，占统治地位的仍然是经典的PID控制调节器，其比例达到了90%以上。

但是PID控制技术在处理一些非线性、时滞性大又不便建立数学模型的控制对象时，如上述的电阻炉，存在着两个固有的缺陷：

第一、参数调节困难，尤其对于参数变化大的控制对象；第二、不适宜具有大时滞的控制对象。

尽管1957年Smith提出Smith预估器控制策略，但必须以精确的数学模型为前提。

因此，研究先进的模糊控制策略，以及在单片机上的实现，从而使模糊控制技术更好地应用在电加热炉温度控制系统以及其它的过程控制，具有很高的理论价值和应用价[2][4]。

1.2工业电阻炉的介绍

工业电阻炉是工业上很常见的工业设备。

下面对它进行一些简单的介绍：

（1）电加热原理：

当电流在导体中流过时，因为任何导体均存在电阻，电能即在导体中形成损耗，转换为热能，按焦耳楞次定律：

Q＝0.2412Rt（1-1）

按上式推算，当1千瓦小时的电能，全部转换为热能时：

Q＝（0.24×1000×36000）／1000=864千卡（1-2）

在电热技术上按l千瓦小时＝860千卡计算。

电阻炉在结构上是使电能转换为热能的设备，它能有效地用来加热指定的工件，并保持高的效率。

（2）分类：

电阻炉按热量产生的方法不同，可分为间接加热式和直接加热式二大类。

间接加热式电阻炉、就是在炉子内部有专用的电阻材料做的发热元件。

电流通过加热元件时产生热量，再通过热的传导、对流、辐射而使放置在炉中的炉料被加热。

直接加热式电阻炉，电源直接接在所需加热的材料上，使强大的电流直接流过所需加热的材料而使材料自己发热达到加热效果。

工业电阻炉，大部分是采用间接加热式的，只有一部分因加热工艺人的特殊需要而采用直接加热式。

（3）用途：

工业电阻炉的主要用途是供机械工业对原材料、毛坯、机械另件加热用。

如板材轧制前的坯料加热，锻件的加热。

机械另件及半成品的热处理以改善其机械性能，如进杆淬火、回火、退火、正火、气体渗碳、氮化等。

亦有用于烧结、钎焊，部份电阻炉用于低熔点金属的熔炼及陶瓷玻璃工业的加热。

（4）主要的技术特性：

电阻炉消耗电能转换来的热能。

一部分由电炉构筑材料及传热的各种因素而散失到空间去了，另一部分则用于对炉内工件的加热，前面的一部分形成了电炉损失功率，后一部分形成了电炉有效功率。

当电炉开始升温时，炉内砌砖体大量地吸收热量，以提高本身温度，在停炉冷下来时又把这一部分热量散失到空间去；这一部分形成炉体蓄热损失。

一台先进的电炉应具有低的空炉损失及高的有效功率。

较少蓄热相失。

空炉损失的大小是衡量电炉效率好坏的重要指标，空炉损失小的电炉，可以得到高的技术生产率及低的单位电能消耗比。

一般工业电阻炉的效率。

小型电炉较低一些。

大型电炉较高一些，从10--100千瓦的箱式电炉效率约为65%--85%，空炉损失约占总功率的35%--15%。

电炉从室温升到工作温度的时间对电炉的经济指标是有明显影响的，升温时间短则炉子投入正常使用的时间就较长每天的生产率就较高，每公斤工件的电耗量就降低，所以要尽量采用热惯性小的炉衬材料并降低炉体蓄热量来加快电炉的升温速度：

炉体的蓄热量对周期作业炉影响很大，尤其是每天一班或二班生产的电炉。

对连续作业炉其影响就不明显。

加热能力是一台电炉的主要技术指标，加热能力是指电炉的有效功率，从理论计算上在一个小时内能把指定的材料加热到额定温度的最大重量数，以公斤/小时计算。

（5）电阻加热炉基本结构及型式：

电阻炉是随着机械工业的发展而发展起来的，由于各种加热工艺及冶炼工艺上的需要，电阻炉是一个品种很多的产品。

电阻炉炉体结构，分周期式及连续式二个型式来分别介绍。

周期式作业炉分为箱式电炉，台车式电炉、井式电炉等：

箱式电炉，外壳一般是用型钢、钢板焊接而成的，小型电炉由于需保持工作面的一定高度，一般均做成带支架的，在箱型壳体下边，有支持炉体的腿或支架。

中型电炉因本身重量大及加入炉内的工件重量也大，所以一般均直接在底盘上焊接炉体及砌砖。

大型电炉可以在特定的专用的地基上设计成无钢性底盘的结构，而就地焊接砌砖，但这种电炉在安装后不能吊运及移动。

中小型电炉的炉门可用配重及手动装置来开闭，下部一般均有砂封槽，有些炉门上边也设有砂封槽，以保证良好的密封性，炉门关闭时，用压紧装置使炉门紧密的与门框接触，减少漏气。

大型电炉可以用电动或气动、液压开闭炉门，电加热元件一般可以在炉膛内左右侧墙上及底面上布置，为了得到良好的热场，最好在炉顶上也布置电加热元件，因为炉内工件一般堆放高度不会超过宽度，所以以上下两个方面加热比左右两个方面更为有效。

大型及中型电炉可以在炉门上及后墙上适当的布置一些电加热元件，以减少炉内的温差，为了保证炉门口的热损失能得到更好的平衡，可以在较大的箱型电炉上靠炉门口的炉膛长度1/3处作为一个控制区。

通保护气体的炉子应设有保证安全运行的必要装置及良好曲密封性。

井式电炉一般均为圆筒形炉膛，内径一般最小为600毫米，大小了，安装维修时不方便；炉壳用型钢作为骨架再焊上钢板，小型炉盖可用手动机构开闭，大型及中型的可用电动或液压等机构开闭，高度与直径好比在1--1.5的电炉工件一般放管在炉膛底部，高度与直径比在2以上时。

工件大部用吊挂方式，吊于炉口内或炉上外部的专用吊架上，控制区的设置一般以直径的1--1．5倍为一个。

在温度控制要求不高时。

有时一个控制区长度达到直径的2倍。

可控气氛箱形多用炉一般在结构上是分为前室及炉膛、冷却槽，前室由型钢及钢板焊成的密封空间下边与冷知槽相连，上边设有水冷壁的空气冷却室。

中间有通过工件的轨道及上下升降的料架，由顶上的气缸来操作（可电气动或液动）下降时工件进入冷却槽，进行快速冷却或等温淬火、上升时工件在上边气氛中缓冷。

炉膛在前室后边，中间有一个炉门隔开，进料出料时。

炉门由上部气缸打开。

炉膛由抗渗碳砌成。

电加热器有两种形式，一种是由高电阻合金板材制成；为了消除表面积炭形成短路，加热器面涂上专用的高温绝缘釉；另一种为辐射管式的，水平或垂直的插入炉中，管中用大切面圆形电阻线组成金属发热器。

炉内具有强力的风扇，炉子前面为一个推料装置，用以向炉内进出料，电炉附有气体发生器或直接向炉内滴注有机液及碳势控制设备。

连续式电炉有推杆式及传送带式：

推杆式由三个部分组成，炉体是用型钢、钢板焊成，由于这一类电炉较长，重量及装料量亦较大，炉体一般均在工地安装，设计上可采用无钢性底盘的结构，在特定的地基上进行安装，总装完成后，不能吊装、移动，炉内的砌体上设有轨道以放置料盘及工件，低温的电炉，炉顶—般是做成与下炉体可以分开的，在炉顶上有专用的导风板及风扇，推料机可以是机械的，或液压的。

对单排轨炉每动作一次向炉内推入一盘料，出料部分在中小型的炉中可用人工拉出的，也可以是用机械方式出料的，各种动作由电气控制装置自动操作。

传送带式电炉，炉体与推杆式的相似，不同的只是炉内用一条环形的耐热钢制的传送带来传送工件，传送速度由一台无级变速电机及减速机或机械变速机来调节。

一般电炉的砌砖体组成，简单的介绍如下：

炉中表层炉膛砖在1200℃的电炉中，一般用比重0.8或0.6高铝质或轻质粘土砖。

在1000℃以下的一般用比重0.6的轻质粘土砖。

在推杆式及传送式电炉中，及大型电炉中，一般宜采用较重的砖，以保证砖体具有较长的使用寿命，而较厚的保温层一般是用来保证电炉具有较小的热损失。

在700。

1000的电炉中，一般用113毫米厚的保温耐火层及113—180毫米厚的保温层。

在400-650℃的电炉中，用65—113毫米厚的保温耐火层及65—113毫米厚的保温层。

1200的电炉中可用113毫米厚的耐火层及65—113毫米厚的高温隔热层及135—180毫米厚的保温层。

一般小功率的电炉可用较薄的砖层，功率大的电炉可用较厚的砖层。

1.3模糊控制的研究与进展

在科学技术发展史上，控制科学同其它技术科学一样，它的产生与发展主要由人类的生产发展需求和人类当时的技术和知识水平所决定的。

从古代亚历山大运用反馈控制来调节水流的水钟到现代太空和大规模复杂工业系统的综合自动化，控制科学在技术进步中都起着十分重要的作用。

直到二十一世纪的今天，人们仍在不停的探索。

从1788年J.Watt的飞球调节器控制系统为起点，控制理论经历了古典控制理论、现代控制理论、及智能控制理论的发展过程。

1965年美国加州大学的L.A.Zadeh教授在其发表的著名论文“FuzzySets”中，首次提出用“隶属函数”的概念来定量描述事物模糊性的模糊集合理论，从此奠定了模糊数学的基础。

1974年英国学者E.H.Mamdani首次把模糊集合理论成功地应用在锅炉和蒸汽机的控制之中，在自动控制领域中首开模糊控制在实际工程上应用之先河。

在此后的短短30多年里，模糊控制获得了长足的发展，在理论和应用上都取得了令人惊叹的丰硕成果。

1985年世界上第一块模糊逻辑芯片在美国著名的贝尔实验室问世，这是模糊技术走向实用化的又一里程碑。

90年代初，模糊家电风靡日本，给日本企业带来了巨大的商业利润，同时也推动了欧美和其它国家，进一步促进了模糊技术的发展。

模糊控制的发展大体分为三个阶段：

基本模糊控制[1]；复合模糊控制[2]；仿生模糊控制。

模糊控制在短短的三十多年中发展如此迅速，足以说明其具有很大的理论和实际意义。

理论研究和实际应用都表明模糊控制具有良好的控制性能，具有响应速度快、抗干扰性强、鲁棒性好、控制算法简单等优点。

早期研制的模糊控制器，应用在一些较简单的控制系统中，以模糊逻辑语言为出发点，采用L.A.Zadeh教授提出的模糊关系合成推理规则，得出控制决策，属于基本模糊控制。

由于其设计过程简单，成本低廉，控制效果也较为明显，至今广泛应用于控制领域。

历经几十年的研究与实践，基本模糊控制逐渐暴露出自身的局限性，对于那些较为复杂的非线性、时变性较大的多变量系统，不能进行有效的控制。

于是，研究人员借助传统控制方法，将传统控制方法和模糊控制相结合，扬长避短，形成复合控制，这也是模糊控制的又一进步。

基于复合模糊控制的许多模型有效地解决了多年的控制难题。

近几年来，随着各个学科知识的交叉发展，边缘学科呈现强劲的发展势头。

首先是神经网络理论的系统化和完备化，促进了神经网络控制，包括模糊神经网络控制的发展。

紧接着是进化计算（特别是遗传算法）的兴起，人们将这些理论与控制问题结合起来，逐渐发展成为基于仿生学的模糊控制，简称仿生模糊控制，标志着自动控制己经进入智能化的崭新阶段。

模糊控制之所以能获得这样迅速的发展，与其自身具备的特点不无关系，模糊控制的突出特点在于：

（1）模糊控制器是建立在对专家、操作人员的经验和现场操作数据的模仿总结基础之上，这种控制器的设计不要求知道被控对象的精确数学模型，而只需要提供现场操作人员的经验知识及操作数据。

（2）控制系统的鲁棒性强，对于非线性时变滞后系统，因为其对参数变化不敏感，所以其动态特性和静态特性均优于常规控制手段。

（3）以语言变量代替常规的数学变量，易于构造形成专家的“知识”。

（4）控制推理采用“不精确推理（approximatereasoning）”。

由于推理过程模仿人的思维过程，加入了人类的经验，因而能够处理复杂甚“病态”系统。

模糊控制理论之所以能广泛发展并在现实中得以成功应用，其根源在于模糊逻辑本身提供了由专家构造语言信息并将其转化为控制策略的一种系统的推理方法。

从广义上讲，模糊控制是基于模糊推理，模仿人的思维方式对难以建立精确数学模型的对象实施的一种控制。

它是模糊数学同控制理论相结合的产物[3]。

对于复杂系统（具有非线性、大时滞、多变量等特点），经典控制理论和现代控制理论在忽略一些认为是次要因素的前提下，建立系统的传递函数模型或状态空间模型。

这样处理的结果固然可以得到精确的数学模型（有时也不能得到），但是次要因素的忽略可能使本来明确的概念模糊起来。

但系统受模糊性因素的影响不断积累时，将使得以建立的精确数学模型无法描述系统的动态特性；相反，当“人”作为系统中的一元，参与系统动态过程时，系统的特性将会得到很大的改善.模糊控制与常规控制方法相比，有以下优点：

（1）模糊控制完全是在操作人员控制经验基础上实现对系统的控制，无需建立数学模型,是解决不确定系统的一种有效途径。

（2）模糊控制具有较强的鲁棒性，被控对象参数的变化对模糊控制的影响不明显，可以用于非线性、时变、时滞的系统。

（3）由离散计算得到控制查询表，提高了控制系统的实时性。

（4）控制的机理符合人们对过程控制作用的直观描述和思维逻辑，为智能控制应用打下了基础。

1.4模糊控制在工业电阻炉上应用的可行性

在工业生产过程中，电阻炉随着负荷变化或干扰因素的影响，其对象特性或结构发生改变。

电阻炉温控具有升温单向性、大时滞和时变的特点，如升温靠电阻丝加热，降温依靠自然冷却，温度超调后调整慢，因此用传统的控制方法难以得到更好的控制效果。

另外对于PID控制若条件稍有变化，则控制参数也需调整。

自适应控制运用现代控制理论在线辨识对象特征参数，实时改变其控制策略，使控制系统指标保持在最佳范围内。

但由于操作者经验不易精确描述，控制过程中各种信号量以及评价指标不易定量表示，而模糊理论正是解决这一问题的有效途径。

人们运用模糊数学的基本理论和方法，把规则的条件操作用模糊集表示并把这些模糊控制规则及有关信息（如评价指标、初始PID参数等）作为知识存入计算机知识库中，然后计算机根据控制系统的实际响应情况运用模糊推理，实现自动对PID参数的最佳调整。

从以上的分析可知模糊控制应用在具有明显的纯滞后、非线性、参数时变，类似于电阻炉这样特点的控制对象可以获得很好的控制性能。

大量的理论研究和实践也充分证明了用模糊控制电阻炉温度是一种非常好的解决方法。

它发挥模糊控制的鲁棒性好、动态响应好、上升时间快和超调小的特点。

因此在温度控制器设计中采用模糊控制。

第2章模糊控制理论

2.1引言

在冶金、化工、工业炉窑等工业生产中，温度控制是较普遍且较关键的控制系统，它具有非线性、强耦合、时变、时滞等特性。

采用常规的PID控制器，一般很难实现对其快速有效地精确控制。

而作为非线性控制的一个分支--模糊控制，在温度控制系统中得到了较好的应用。

学术界对模糊现象的研究由来已久，从20世纪20年代开始，就一直有学者在对此问题进行研究，直到1965年，美国柏克莱加里福尼亚大学电气工程系教授L.A.Zadeh，把经典集合与J.Lukasiewicz的多值逻辑融为一体创立模糊集合理论，从而真正开辟了解决模糊问题的科学途径。

L.A.Zadeh在他的<>,<>和<>等著作中，首先提出了模糊数学和模糊控制的概念。

其核心是对复杂的系统或过程建立一种语言分析的数学模式，使人的自然语言直接转化为计算机能接受的算法语言。

模糊集合理论为处理客观上存在的一类模糊性问题提供了强有力的工具，所以作为模糊数学的一个重要应用分支的模糊控制理论由此应运而生。

模糊理论发展至今只有将近40年，其友展极为巡速，研究大致有以下几个方面：

1、自适应、自学习模糊控制理论的研究；

2、模糊推理策略的研究；

3、模糊辩识模型的研究；

4、模糊控制系统稳定性的研究；

5、模糊控制器的硬件实现[7]。

而在工程上，模糊控制的工程应用也在不断发展。

最早是英国伦敦大学教授E.H.Mamdani在1974年首先利用模糊语句组成的模糊控制器对锅炉和气轮机的运行进行控制并取得了成功。

之后，有一大批学者致力于模糊控制工程应用的研究。

自20世纪80年代后期开始，模糊控制进入了实用化阶段，并且其应用技术逐渐趋向成熟，应用面也逐渐扩展，主要反映在：

1、从以大型机械设备和连续生产过程为主要对象扩展到大众化机电产品；

2、向复杂大系统、智能系统、人与社会系统以及生态系统等纵深方向拓展；

3、在硬件方面进一步研制模糊控制器、模糊推理等专用芯片，开发模糊控制用的通用系统。

现在，模糊控制在化工、机械、冶金、工业炉窑、水处理、食品生产等领域中都得到了实际的应用。

模糊控制充分显示了在大规模系统、多目标系统、非线性系统以及无适当传感器可检测系统中的良好应用效果。

总之，模糊控制具有一系列传统控制所无法与之比拟的优点：

1、无需预先知道被控对象的精确数学模型。

所以可以对那些数学模型难以求取或无法求取的对象进行有效控制。

2、由于控制规则是以人的经验总结出来的条件语句表示的.所以对于对模糊控制理论不熟悉的人来说也很容易学懂和掌握模糊控制的方法。

3、由于控制知识是以人的语言形式表示的，故有利于人机对话和系统知识的处理，从而使系统处理更具