基于大林算法的电阻炉(一阶系统)温度控制解析

摘要

介绍了将达林算法用于电阻炉温度的计算机控制系统中的结构、原理。阐述了大林算法作为一种直接数字设计法，适用于被控对象为滞后的系统。电阻炉作为工业炉窑中的一种常用加热设备被广泛应用于工业生产中。对电阻炉温度控制精确与否将直接影响到产品的质量和生产效率。电阻炉是一种具有纯滞后的大惯性系统，开关炉门、加热材料、环境温度以及电网电压等都影响控制过程，传统的电阻炉控制系统大多建立在一定的模型基础上，难以保证加热工艺要求。本文将PID控制算法引入到传统的电阻炉控制系统中，借此提高其控制效果。设计一个控制精度高、运行稳定的电阻炉温度控制系统是很有必要的。仿真结果表明，该算法优于常规PID算法，是一种较好的控制算法。

关键词：炉温控制、PID算法、大林算法

Abstract

The paper introduces Dahlin Algorithm used in resistance furnace’s temperature computer control system. Dahlin Algorithm is a direct digital design method, it adapts to the plant with delay. Resistance furnace was widely used in industrial production, the effect of the temperature control of Resistance furnace has a direct impact on product quality and productivity. Therefore, the design of a high-precision control and stable operation of the resistance furnace temperature control system has a high application value. Simulations show this method is better than ordinary PID algorithm, it is a good control method.

Key words: furnace’s temperature; Dahlin Algorithm; PID control;

目录

第1章绪论 (1)

1.1 电阻炉的简介 (1)

1.2 电阻炉温度控制研究的目的及意义 (2)

1.3 电阻炉温度控制系统的研究状况 (2)

1.3.1 国际发展现状 (3)

1.3.2 国内发展现状 (3)

1.4本论文的设计任务 (3)

第2章控制系统分析 (5)

2.1 被控对象分析 (5)

2.1.1 纯滞后介绍 (5)

2.1.2 控制器分析 (5)

2.2 PID算法 (6)

2.2.1 数字PID控制器 (7)

2.2.2 数字PID的参数整定 (8)

2.3大林算法 (9)

第3章控制系统的设计与仿真 (12)

3.1 PID控制器控制下的系统仿真 (12)

3.2 大林控制算法下的系统仿真 (15)

3.3 大林控制算法和PID控制器的比较 (16)

第4章振铃现象及扰动分析 (18)

4.1 振铃现象 (18)

4.2 扰动下的系统性能分析 (18)

第5章课程设计心得 (19)

参考文献 (20)

第1章绪论

1.1 电阻炉的简介

我们所讲的普通电阻加热炉属于工业炉，而非是锅炉，常见的锅炉不属于此类高温工业炉范畴，锅炉属于能源转化设备，例如：采暖锅炉是将煤转化为热能。而工业炉是利用其它能源对工件或物料进行加热，以达到对工件或物料进行处理的目的。例如：为改善机械零件性能的热处理炉，需要对特殊零件进行焊接的钎焊炉，对粉末冶金类零件进行烧结的烧结炉等等。

相关这些炉子一般称为工业炉。根据工业炉所用能源供给形式通常分为两类：一是燃料加热炉，二是电阻加热炉。获得高温的设备一般称高温炉，现在使用高温炉的能源大部分是电能。由于当前全球环境不断恶化的要求，各国限制CO2的排放几乎成为共识，因此对于使用燃气的工业炉而言，其发展前景暗淡，所以一般高温炉在某种实际意义上就是指电阻加热炉。根据加热方式的不同，电炉又分为电阻炉、电弧炉、电子束炉等等。其中用得比较多的是电阻炉。

依据炉内气氛，又细分出了氧化性气氛状态下的电阻炉、真空状态下的真空电阻炉、气氛状态下的可控气氛电阻炉、流动粒子炉等等。工业电阻炉一般由炉衬部分即隔热+耐火层、炉架、加热元件、测温及控温系统、供电系统、机械传达系统、导流系统等部分组成，无论哪种形式，它们结构基本一致。

在材料烧结、热处理等工艺过程中，温度控制是一个非常重要的环节。控制精度直接影响着产品质量的好坏。实验室人员根据材料的烧成制度来调节阻炉的输出电压以实现对电阻炉的温度控制。一般的有两种方法：第一种就是手动调压法，第二种控制方法在主回路中采取双向可控硅装置，并结合一些简单的仪表，使得保温阶段能够自动，但这两种方法的升温过程都是依赖于试验者的调节，并不能精确的按照给定的升降温的速度来调节。本文提出的基于大林算法的电阻炉(一阶系统)温度控制的系统简单、可靠，大大提高了控制质量及自动化水平，具有良好的经济效益。

工业电阻炉一般由炉衬部分即隔热+耐火层、炉架、加热元件、测温及控温系统、供电系统、机械传达系统、导流系统等部分组成，无论那种形式，它们结构基本一致。如图1-1所示。

1.2 电阻炉温度控制研究的目的及意义

电阻炉在化工、冶金等行业应用广泛，因此温度控制在工业生产和科学研究中具有重要意义。其控制系统属于一阶纯滞后环节，具有大惯性、纯滞后、非线性等特点，导致传统控制方式超调大、调节时间长、控制精度低。

常规的温度控制方法以设定温度为临界点，超出设定允许范围即进行温度调控：低于设定值就加热，反之就停止或降温。这种方法实现简单、成本低，但控制效果不理想，控制温度精度不高、容易引起震荡，达到稳定点的时间也长，因此，只能用在精度要求不高的场合。

电加热炉是典型的工业过程控制对象，在我国应用广泛。电加热炉的温度控制具有升温单向性，大惯性，大滞后，时变性等特点。其升温、保温是依靠电阻丝加热，降温则是依靠环境自然冷却。当其温度一旦超调就无法用控制手段使其降温，因而很难用数学方法建立精确的模型和确定参数，应用传统的控制理论和方法难以达到理想的控制。

在温度控制技术领域中，普通采用PID控制算法。但是在一些具有纯滞后环节的系统中，PID控制很难兼顾动、静两方面的性能，而且多参数整定也很难实现最佳控制。若采用大林算法，可做到无或者小超调，无或小稳态误差。

大林算法是运用于自动控制领域中的一种算法，是一种先设计好闭环系统的响应再反过来综合调节器的方法。设计的数字控制器（算法）使闭环系统的特性为具有时间滞后的一阶惯性环节，且滞后时间与被控对象的滞后时间相同。此算法具有消除余差、对纯滞后有补偿作用等特点。

本设计主要采用大林算法来实现炉温控制，并与PID算法进行比较。1.3 电阻炉温度控制系统的研究状况

1.3.1 国际发展现状

国内外研究概况及发展趋势自60年代计算机进入工业领域，国外许多国家就开始了网带式电阻炉计算机优化控制的研究及应用。70年代中后期，国际上对网带式电阻炉数学模型及相应优化控制策略的研究日益活跃，控制系统在网带式电阻炉上的应用不断完善。80年代末期，在工业发达的国家，已普遍实现了网带式电阻炉计算机双级控制，且将各种先进的智能控制方法应用于温度控制，在炉温控制中取得了良好的控制效果。在大型分布式计算机控制系统中，大多采用具有各种智能控制算法和通信功能的温度控制单回路调节器实现。

1.3.2 国内发展现状

我国从80年代初开始进入网带式电阻炉计算机优化控制应用阶段。多年来，我国的科学工作者进行了大量的卓有成效的研究工作，取得了许多重要的研究成果。将数学模型与炉温控制相结合，引入人工智能的方法，在电阻炉上实现了计算机优化控制。与工业发达国家相比，我国的电阻炉计算机优化控制理论水平已赶上国际先进水平，但起步晚，并且发展十分不平衡。 电阻炉的自动控制，它是微机软、硬件自动控制、电阻炉节能等几项技术紧密结合的产物，无论是基地式仪表阶段，还是单元组合式仪表阶段，都是利用各种仪表对温度进行检测、调节、控制。对于较复杂的系统，难以实现复杂的控制规律，控制精度不高。炉子的自动监控系统在电阻炉的生产运行中具有关键作用。采用微机自动控制系统不但能真实反映炉内热工参数的变化，还有利于实现整套系统的自动调节，可从根本上克服其调节精度差、可靠性不高的缺点。此类系统的稳定性可靠、维护方便、抗干扰能力强，而且可以采用先进的控制算法以进一步提高控制性能和控制精度，取得高产、优质、低耗和少污染的效果。

1.4本论文的设计任务

基于大林算法的电阻炉(一阶系统)温度控制系统带有纯滞后的电阻炉温度模型可由纯滞后环节与一阶惯性环节串联描述

1)(1+=-s Ke s G s

τθ

其中15=K ，3201=τ，36=θ，采样周期6=T ，

期望闭环传递函数为：

1)(+=Φ-s e s s

τθ

其中120=τ，电阻炉的温度设定为800℃。

设计控制器是系统满足：调整时间s t s 800≤，超调量%10≤p σ，稳态误差

C e o s 2≤。

工作要求：

（1）查找资料，描述电阻炉的基本情况；

（2）设计大林控制算法，用Simulink 实现；

（3）设计传统PID 控制器，并将二者算法进行比较；

（4）分析系统是否存在振铃现象，若存在试消除振铃；

（5）改变模型结构，考察模型扰动下系统性能变化情况；

（6）按照格式和设计内容写《计算机控制技术课程设计》和课程设计心得。