电加热炉炉温的模糊控制 MATLAB仿真

学号

天津城建大学

控制与机械工程学院

2014年6月27日

天津城建大学

课程设计任务书

2013 -2014学年第 2学期

控制与机械工程学院 电气工程及其自动化专业 班级 12 姓名 学号

图1 电加热炉系统示意图

如图1，本文中将控制信号()u t 到炉膛温度()c t 这一整个过程看作一个控制系统。电加热炉装置是一个具有自平衡能力的对象，可用一阶惯性和滞后环节来近似描述。

被控对象参数K=70，T=100，τ=80。系统的传递函数为：

8070

()1001s

G s e s -=

+

试用模糊控制器实现温度控制。

二、设计要求

1）超调小、调节时间短，系统无静差；

2）给出控制策略和选定参数，并详细说明参数整定过程；

3）给出MATLAB下的仿真曲线。

4）给出硬件实现方案，包括控制器和检测回路芯片的具体型号。

三、设计报告

课程设计报告要做到层次清晰，论述清楚，图表正确，书写工整；详见“课程设计报告写作要求”。

四、参考资料

[1] 何衍庆．工业生产过程控制（1版）．北京：化学工业出版社，2004

[2] 邵裕森．过程控制工程．北京：机械工业出版社2000

[3] 过程控制教材

指导教师（签字）：

教研室主任（签字）：

批准日期：年月日

摘要

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效果。

本文以电加热炉为研究对象，针对电加热炉的特点，设计了双输入单输出结构的模糊控制器，将其应用于电加热炉温度控制系统，满足了温度控制稳定性的要求。

关键词：温度控制；MATLAB；模糊控制器

目录

第一章绪论 (1)

1.1课题的背景 (1)

1.2模糊控制的现状及原理 (1)

1.3本文设计思路 (2)

第二章模糊控制器的设计 (4)

2.1模糊控制介绍 (4)

2.2模糊控制器的设计 (4)

2.2.1 建立模糊控制器结构 (4)

2.2.2 定义输入、输出模糊集并确定个数类别 (5)

2.2.3 定义输入、输出的隶属函数 (5)

2.2.4 编辑模糊控制规则 (6)

2.2.5规则观测器 (8)

2.2.6 输出曲面观测器 (8)

第三章建立simulink仿真模型 (10)

3.1 原系统的simulink仿真模型 (10)

3.2 模糊控制simulink仿真 (10)

第四章硬件系统 (12)

4.1 系统总体设计 (12)

4.2 温度传感器的选择 (12)

4.3 A/D转换电路 (12)

4.4声光报警电路 (12)

4.5 人机界面 (13)

4.6 功率控制电路 (13)

第五章总结 (14)

第六章参考文献 (15)

第一章绪论

1.1课题的背景

电阻炉是热处理工艺过程中应用最广、数量最多的电炉，其本身是一个较为复杂的被控对象。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。

电阻炉温控制系统是一个闭环反馈控制系统，他将温度传感器检测到的实际炉温经A/D转换后，送入计算机中，与设定值进行比较得出偏差，并将此偏差送入控制器中，经过计算得出对应的控制量控

是

效

不仅

理论开始受到极大关注，模糊控制作为智能控制理论的一个分支，在理论研究和工业控制应用等方面也取得了可喜的进展。以语言规则模型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。1.2模糊控制的现状及原理

模糊数学和模糊控制的概念由美国加利福尼亚大学著名教授L.A.Zadeh首先提出。最早取得的应用成果是英国教授Mamdamni，首先利用模糊控制语句组成模糊控制器，将它应用于锅炉和气轮机的运动控制，并在实验室中获得成功。此后的20多年中，模糊控制技术在华工、冶金、机械、工业炉窑、水处理、食品工业等多个领域中获得广泛的应用。

随着应用领域的不断拓宽，模糊控制器本身性能也得到了进一步发展，由原来规则固定的简单模糊控制器，发展为可以在控制过程中不断修改和调整控制规则的自组织模糊控制器。尽管模糊控制在稳定性理论分析及控制精度方面还存在一些问题，但它在大规模系统、多目标系统、非线性系统，特别是没有精确数学模型的系统中，显示了良好的效果，它所体现的强鲁棒性是经典控制理论和现代控制理论所难以到达的。

模糊控制是以人的思维判断方法形成模糊控制规则，在模糊规则的基础上，以模糊量作为实际控制的依据，是一个表达某种控制思想的基本公式。模糊控制的定义可以描述为：模糊控制器的输出是通过观察过程状态和一些如何控制过程的规则的推理得到的。模糊逻辑控制器的设计主要包括：对输入信息的模糊化、模糊推理和输出信息的精确化三个步骤。输入信息的模糊化是将测物理量转化为在该语言变量相应论域内不同语言值的模糊子集。模糊推理使用数据库和规则库，它的作用是根据当前的系统状态信息来决定模糊控制的输出子集。输出信息的精确化计算是将推理机制得到的模糊控制量转化为一个清晰、确定的输出控制量的过程。

模糊控制器在温度控制中的应用包括有：刘兴池等人用日本生产的SR70只能模糊控制器对加热炉进行控制，稳态精度达到+0.5摄氏度左右，控制效果十分理想。易继锴等人应用模糊神经网络自学习控制器对电加热炉进行物理模拟实验，系统实验表明，通过神经网络的自学习，实现输入变量隶属度函数的在线自调整，对电加热炉这种具有非线形、大滞后的系统具有较好的模糊预测及控制功能。

1.3本文设计思路

随着二十世纪四十年代中期计算机的出现及其应用领域的不断扩展，计算机控制技术逐渐渗透到自动化、自动控制、电子技术、电气技术、仪器仪表等专业，并在这些专业中起到至关重要的作用。计算机具有存储大量信息的能力，强大的逻辑判断能力及快速计算的优点，计算机控制技术能够达到常规控制技术所不能到达的优异性能指标。此外，随着操作系统的不断升级，各种开发软件的不断出现，使研究人员不仅能方便的对对象进行控制，而且可以将控制结果用图象，声音等形式展示出来。这是传统技术所不能实现的。

应用微机控制电炉炉温不仅易于保证处理工艺过程的质量，节约能源，促进整个热处理工艺过程自动化，并且在造价上也能与常规仪表控制装置匹敌。国内已有很多单位对计算机控温系统进行了研究。

由于电阻炉具有较强的滞后性，传统的PID控制方式的控制效果不佳。模糊控制是一种基于规则的先进控制方法，由于控制复杂、非线性、大滞后对象，具有控制速度快，超调小等优点，因此，可以很好的解决一些问题，获得较好的控制效果。本题拟采用凌阳SPCE061A单片机，设计一种电阻炉温模糊控制系统，提高温度的控制效果。通过测量元件热电偶进行检测，经采样、A/D转换为数字量，再进行数字滤波，并根据给定的控制规则进行运算，然后发出控制信号去控制执行机构，使各个被控量达到预定的要求。

控制系统原理图如图1所示：

图1 控制系统原理图