电阻炉智能温度控制系统的设计与仿真研究

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1、万方数据浙江理工大学学报，第25卷，第5期，2008年9月JournalofZhejiangSci—TechUniversityV01．25，No．5，Sept．2008文章编号：1673—3851(2008)05—0606—05电阻炉智能温度控制系统的设计与仿真研究邢伟，潘海鹏(浙江理工大学机械与自动控制学院，杭州310018)摘要：以电阻妒为控制对象，采用机理分析法对电阻炉加温时的温度对象进行了分析，得到电阻炉的数学模型。针对电阻炉实际生产过程对温度控制的要求及其所具有的时滞性、非线性、模型结构不确定等特点，结合模糊控制技术和常规PID控制方法，组成模糊自整定PID控制器。运用MA

2、TLAB软件的Simulink建立电阻炉温度控制系统的仿真模型，并分别用常规PIE)控制、常规模糊控制和模糊自整定PID控制对电阻炉温控系统进行仿真实验。仿真结果表明，采用模糊自整定PID控制方案，系统的适应能力更强，控制精度更高，动态性能更好，具有一定的推广价值。关键词：电阻炉；温度控制；模糊自整定PID；仿真中图分类号：TP274文献标识码：A0引言电阻炉是工业生产中常用的电加热设备，广泛应用于冶金、机械、建材等行业。随着控制技术的日新月异，对电阻炉温度控制的要求也越来越高。电阻炉温度控制系统常用的控制技术有PID控制，模糊控制技术等。但由于电阻炉是一个时变的、大滞后的被控对象，且

3、升温具有单向性，很难建立精确的数学模型[1]。采用传统的PID控制，由于其参数固定，不能及时跟踪对象特性的变化，控制效果往往不佳[2。3]。模糊控制虽然不需要被控对象的精确描述，比较适合电阻炉温度控制，但常规模糊控制算法稳态误差较大[4]。针对上述问题，提出一种自整定模糊PID的控制方案，以常规PID调节为基础，结合模糊控制的思想，根据电阻炉特性的变化，建立以偏差P、偏差变化率贸为输入，PID控制参数KP、K，和KD为输出的模糊控制规则，通过模糊推理与决策，进行模糊输出，自动修改PID参数，以取得最佳控制效果。1电阻炉温控系统的数学建模从实际应用中，可以知道电阻炉是一种能自衡的对象，将

4、电阻炉炉膛内的温度作为惟一变量，可以写出它的常微分方程。当电阻炉炉膛温度稳定时，则某一时刻加热元件发出的热量Q应该等于该时刻炉膛中积累的热量Q。和通过炉体散失掉的热量Q2之和，即：Qf—Q1+Q2(1)Q，、Q2可用下面两个式子表示：Q1=C—d'／FK(2)Q22苄(3)式中：C为电阻炉的热容量；TK为炉内温度；￡为烧结时间；To为环境温度；R为电阻炉的阻值(绝缘材料及炉内、外流动气体产生的)。收稿日期：2008一03—13作者简介：邢伟(1982一)，男，浙江三门人，硕士研究生，主要从事智能控制与非线性控制的研究。万方数据第5期邢伟等：电阻炉智能温度控制系统的设计与仿真研究当k远远

5、大于T。时，To可忽略，于是有：Q=c警+警两边取拉氏变换得：Q(s)=c·s·丁K(s)+去TK(s)一(c·s+去)·TK(s)所以：—TK—(s)一!Q(s)c·s+页1由于测量元件的时间滞后，加上电阻炉本身所固有的热惯性，使得控制信号与温度测量值之间存在着一个时滞环节t。图1可表示简化的系统框图，图中输入信号r为设定温度，输出信号Y为实际温度，e为误差，u为控制信号。控制器的输出为“，而“(s)可以设定正比于Q(s)，即Qf(s)=k·“(s)，y(s)=TK(5)。所以：(4)(5)(6)卫盟一王匹堕：垒．卢-。，一丝：[：：“(s)“(5)c·s+页1‘T·s+1式中：K=

6、k·R，称为对象的增益；T—C·R，称为对象的时间常数。那么，被控对象电阻炉的理想模型即为：％，一筹晶2模糊自整定PID控制器的设计2．1模糊自整定PID控制器的结构模糊自整定PID控制器是在PID控制器的基础上，以偏差e和偏差变化率田作为输入，利用模糊规则进行模糊推理，查询模糊矩阵表对PD参数KP、K，和KD进行在线调整，从而达到对被控对象的控制目的。其原理结构框图如图2所示。2．2模糊自整定PID控制算法的设计图1系统的结构框图(7)(8)图2模糊自整定PID控制结构图模糊自整定PID控制算法的设计步骤主要可分以下3步。a)精确量的模糊化选择偏差P、偏差变化eL"经模糊化后的E、膨

7、作为模糊控制器的输入变量，比例系数△K；、积分系数ANh和微分系数AKD为输出变量，它们相应的模糊集可分别定义如下：E、船的模糊集为：{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB)；△KP、,aK，和AKD的模糊集均为：(NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB)；并将E和EC的大小量化为13个等级，它们的论域为：卜一6，一5，一4，一3，一2，一1，0，1，2，3，4，5，6)；aNP、AKJ、△KD的大小也量化为13个等级，它们的论域为：{一