管式加热炉温度控制系统仿真设计

管式加热炉温度控制系统仿真设计

摘要：随着科学技术的飞速发展，消费者对民用生产和工业生产对产品的性能有了更新的要求，其中，对产品的温度控制的要求也越来越高，所以研究设计管式加热炉的温度控制器具有很大的现实意义和使用价值。本文是基于PID 控制算法的管式加热炉智能温度控制器为研究对象，首先阐述本文的研究背景和温度自动控制器的需求，然后对分析了传统控制方法的弊端，对模糊控制方法进行了介绍。随后利用模糊PID计算方法计算对系统功能的实现情况，并从硬件和软件两个方面进行系统运行调试，得出较好的结果。

关键词：温度控制器；SSR 固态继电器；STM32 单片机

ABSTRACT：With the rapid development of science and technology, consumer and industrial production to civilian production requirements for product update performance, which, on product temperature control requirements have become more sophisticated, so designing resistance furnace temperature controller is of great practical significance and usefulness. This article is a resistance furnace temperature controller based on PID control algorithm for the study, first of all explains the background of this study and temperature control needs, then design the overall system-wide programme, including in particular the hardware system design, system design and software design of the control circuit of temperature. Then take advantage of fuzzy PID calculation system of implementation, and run from the two systems in terms of hardware and software debugging, produce better results and conclusion full text.

KEY WORDS：Temperature controller; SSR-solid state relays; STM32 microcontroller

目录

1 引言 (1)

2.管式加热炉温度系统 (1)

2.1管式加热炉的一般结构 (2)

2.2管式加热炉传热方式 (4)

3 管式加热炉温度系统的模糊控制 (6)

3.1 常规控制方法的局限性 (6)

3.2 智能控制思想 (6)

3.3 管式加热炉温度系统的智能模糊控制 (7)

3.3.1 模糊控制概述 (7)

3.3.2 模糊控制原理 (8)

3.3.3 模糊控制器结构 (8)

2.2.4 建立模糊规则表 (11)

4.控制系统仿真 (13)

4.1 PID原理 (13)

4.2 PID参数的选择 (14)

4.3 Smith模糊PID控制算法 (16)

4.4 模糊PID控制器的设计及仿真结果 (16)

结论 (20)

参考文献 (22)

1 引言

随着现代科技的快速发展，科学技术的应用，大大改善了人类的生产、生活方式。但是近年来气候的变化无常，严重的干扰了人类正常的生产、生活，人们对自己生活的质量和经济发展的要求逐步提高，对所用的设备功能和效用的要求也逐步提高。

温度自动控制器家电产品中的应用分为民用，工业用途两种。民用如空调，微波炉，热水器，采暖炉，冰箱等等方面；温度自动控制器在工业生产用途表现在工厂的大型的机械，如锅炉等大型的机械设备，这种设备对温度的控制要求非常高。此外，还在大棚种植、养殖，温室环境等对温度有一定要求的地方应用广泛。温度自动控制器中，管式加热炉温度控制器作为管式加热炉应用的必备工具，从民用的日常生活，到钢铁冶金等大型工业生产都有涉及，可以说是具有广阔的应用前景。

由于机械设备经常反复使用，对温度控制器的损耗大，并且其温度控制器都是机械式的，容易损坏，对其进行修理只能更换配件，将费用加到企业消费者身上。这就使机械不具备经久耐用的特点。针对制冷制热产品的使用范围广，需求量大的特点，设计出耗费成本低，温度控制效果好的温度控制器产品，必然会得到消费者的喜爱，为企业迎来利益增长。同时，温度控制器的应用不仅仅局限于家电产品，在企业需要制冷制热的机械设备中，也同样适用。由此可见，温度控制器在民用工业用途上，应用范围广，需求量大。

2.管式加热炉温度系统

管式加热炉是石油炼制、石油化工和化学、化纤工业中所使用的具有提供热源的火力加热设备，加热炉炉内装有无缝钢管连接而成的管士作，被加热物质（仅限加热气体或液体）在管内流动，被加热到工艺要求的温度。

管式加热炉逐渐成为工业生产中的重要设备，同其他工业炉相比有如下特点：

（1）待加热介质在管内流动，故适用于加热液体或气体，通常是易燃、易爆的烃类物质，同锅炉加热水产蒸汽相比，危险性大、操作条件苛刻。

（2）液体燃料或燃烧气体。

（3）直接受火式加热方式。

（4）长周期连续运行。

管式加热炉性能优越，符合现代工业生产大型化、自动化、连续化的要求，它的发展对石化等行业的发展、进步起到了很大的推动作用，在一些生产过程中对产品质量、产品收率、能耗和操作周期甚至起着重要的支配作用。

2.1管式加热炉的一般结构

管式加热炉包括5部分，分别是：对流室、辐射室、通风系统、燃烧系统及余热回收系统，如图2.1所示，结构中包括：钢结构、炉管、炉墙（内衬）、燃烧器、孔类配件等。

图2.1管式加热炉的一般结构

（1）辐射室

辐射室通过火焰或高温烟气进行辐射传热，是加热炉热交换的毛要场所。辐射室直接受火焰冲刷，温度较高、所用材料的强度、耐热性定要好，其热负荷一般占加热炉热负荷的70%~80%，是加热炉最重要的部位。乙烯裂解炉、烃类蒸汽转化炉的裂解和反应过程全部在辐射室完成。辐射室有两个作用：一是用作燃烧室；二是将燃烧器喷出的火焰、高温烟气通过炉管传给介质。

（2）对流室