电加热炉温度模糊控制系统设计_刘大易
基于模糊PID控制的锅炉炉温系统的设计
摘 要随着科学技术的日新月异，锅炉在生产中的应用越来越广泛,是工业生产中经常采用的一种设备。
在生产过程中,我们主要对温度、压力、流量进行控制。
而锅炉的温度控制在锅炉控制系统中的地位越来越突出。
由于锅炉温度系统惯性较大、滞后现象比较严重,干扰量较多,几乎无法建立其数学模型。
因此,对锅炉炉温的控制一直都是研究难点。
本文主要是对锅炉炉温系统进行控制。
如果选择传统P ＩD 控制方式,精度较低，控制效果不理想，所以考虑选择模糊控制。
研究模糊控制的基本原理，设计控制锅炉炉温的模糊控制器。
对锅炉的温度飞升曲线特点进行剖析，创建模糊控制规则表,并利用Matlab 软件中的Simulink 中模糊逻辑工具箱,仿真出锅炉的传统ＰI Ｄ曲线、模糊系统曲线。
根据仿真曲线结果计算系统的δ%和ss t ,在传统PID 控制中，计算结果不能同时满足控制的基本要求;当选择模糊控制的时候,δ%和ss t 都能满足控制的基本要求，但是系统极易出现稳态误差。
所以本论文是把传统ＰID 控制以及模糊控制组合到一起，设计一个参数自整定的模糊PI Ｄ控制器,将PID 的几个主要参数p K 、i K 以及 d K 进行自整定，利用S ｉm ｕlink 仿真出曲线,结果表明所设计的基于模糊ＰＩD 的锅炉炉温控制器能够满足锅炉炉温控制的基本要求。
在分析锅炉温度控制系统的基础上，选择 ＰＩC １6F87７A 单片机作为关键器件,完成温度的采集控制以及超限报警等基本功能,并把本文计算出的模糊 PID 算法与硬件相结合，设计主程序的流程图和基本电路。
ﻬAbstra ｃtBoi ｌer in th ｅ p ｒod ｕｃtion and life has b ｅe ｎ a ｐp ｌｉｅｄ mo ｒe and mor ｅ extensi ｖely wit ｈ ｔhe d ｅvelopment of the time ｓ， i ｔ is ａ devic ｅ ofte ｎ u ｓed in i ｎdu ｓt ｒial productio ｎ, a ｎd b ｏiler tempe ｒatu ｒe ｃont ｒol in ｔhe ｂoiler cont ｒo ｌ s ｙst ｅm is b ｅco ｍin ｇ more and m ｏre promin ｅnt. Temperat ｕｒe con ｔro ｌ s ｙｓte ｍ w ｉth larg ｅ ｉne ｒt ｉa,the s ｅrio ｕs delay a ｎd di ｆfi ｃｕlt 关键词：温度控制；模糊PID 控制；参数整定；锅炉tｏestａblish acｃurate mａtｈeｍaｔｉcal model. Ｔhe nｏｎlinear relａｔioｎｓhip ｅxisｔｓ.This papeｒisｍaiｎly on the boilｅr fuｒｎａｃｅｔeｍperature control．If t ｈe seleｃｔioｎof the trａdｉtioｎal PID control mode, ｔhe ａｃｃuｒacyｉs low ｅr，ｔhｅcontrｏｌeffeｃt is ｎｏｔideａl .We ｓhｏuldｃonsidｅr the opt ｉoｎof fuzzｙｃontｒol, thｅbａsiｃpriｎciple oｆthｅfuzｚy coｎtroｌ，desiｇｎｃｏntrｏｌoｆｂｏiler fｕｒnace tｅmｐeraｔure fuｚzy contｒolｌer. The fuzzｙｃｏntroｌrule table is ｅstablｉｓhｅd through anａlysing the chａrａｃteｒｉsｔｉc of the eleｃｔric boｉler temｐerature in thｅthｅsis. Iｎｔhis ｔhesｉs, simulatｉｏｎof ＰID conｔroｌsyｓｔem aｎd fuｚzy cｏntroｌsｙｓtｅm uｓinｇSimｕlinｋand MATLAB fuzzy ｌｏgic tools.Ｔhｅresｕｌts shｏｗthat the reguｌａtion tｉme and ｏvershｏot ofｔhｅPＩＤsystemｃan ｎot bｅａcｈieｖed by tｈe cｏntrol ｓyｓtｅm. When the fuzzy ｃｏntrｏl, the adｊｕsｔｍeｎt tｉmeａｎd tｈe ovｅrshooｔｃan achｉeve ｔｈe noｒｍ, ｂut the ｓyｓｔem iｎduced ｓteadｙ-ｓtateｅrror. So there is a new wａy tｏcombｉnｅtoｇeｔｈer. Ｔｈe ｐatametｅｒs of Ｋｐ，Kｉand Kｄａre adjｕst bｙfｕzzｙinｆerｅnce. The expｅｒimｅntal reｓults shoｗtｈａt tｈe fｕzzy ＰID ｐarａｍetｅr sｅlf-ｔuｎiｎｇｃｏnｔrolleｒisｔhe perfoｒｍance indeｘofｔｈe sysｔeｍ.Analｙsis of boiｌer tempｅｒature ｃｏntroｌsystem, ｔhe ＰIC16F8７７A miｃrｏcｏntrollｅｒiｓcｈosｅｎａｓthe main comｐｏｎent tｏdesiｇn tｈe ｔempeｒatｕre,andｔhｅbａｓic functｉon of the cｏｌlｅction ａnｄcoｎtrol of the tempｅrａｔure ｉs cｏmｐｌeｔeｄ. Aｎd tｈe ｐaper calculａtes the fｕzzｙPID algorｉthm addeｄtoｔhｅhａrdware desｉｇn, thｅdｅsign oｆthe main prograｍflow charｔａｎｄbaｓiｃｃirｃｕit.Key Words：temperature control; fuzzy PID control; parameters tuning; simulation目录摘要 .................................................................................................... 错误!未定义书签。
基于模糊PID的电热炉温度智能控制系统
科技与创新┃Science and Technology&Innovation ·96·2018年第13期文章编号：2095－6835（2018）13－0096－02基于模糊PID的电热炉温度智能控制系统张少杰（广东新功电器有限公司，广东潮州515700）摘要：随着科学技术的持续发展，智能化技术和设备开始向社会中的各行各业渗透，比如石化行业、电厂建设行业、机械制造行业、食品加工行业等，都会应用到温度控制系统。
基于此，将立足于现实需求，提出一种新型的控制方法，将PID与模糊控制相结合，以此来实现电热炉温度控制、节能等目标。
对电热炉温度控制系统的工作机理进行了分析，并对系统的设计与实现加以阐述，最终通过仿真分析的方式展现系统的使用效果。
关键词：模糊PID；电热炉；智能控制；温度控制系统中图分类号：TP273文献标识码：A DOI：10.15913/ki.kjycx.2018.13.096由于现阶段多个行业和领域中都将应用到温度控制系统，需要控制温度的对象多种多样，部分控制对象之间存在一定的差距，参数的变化幅度较大，且还存在诸多干扰因素。
在此背景下，工业热处理生产中采用了电热炉，其具有非线性、升温和保温等特征，并且通过智能控制系统使设备的控制精度得到进一步提升。
1电热炉温度智能控制系统的工作机理1.1生产过程及要求模糊PID电热炉温度智能控制系统的主要功能是对产品进行加热和烘干。
在实际加热过程中，主要通过封闭式的方式进行加热，利用PID调节气对电热炉的温度进行控制和改变，使其能够以更加适宜的温度投入到产品的生产加工工作当中。
1.2基本原理在模糊PID智能控制原理的应用中，作为典型的例子便是电热炉温度控制，具有非线性、随时间改变、升温与保温等特点，其中，升温主要是通过增加电热炉温度的方式来实现；而降温则主要是通过对电热炉温度的降低来实现。
如果电热炉的温度超出了最高或最低的界定值，则很难实现温度的改变，此时便产生了设备故障问题。
基于ADRC的电加热炉温度控制系统
基于ADRC的电加热炉温度控制系统文定都【摘要】针对电加热炉具有时变、非线性、不确定等因素,常规PID控制算法难以满足控制要求,提出了基于自抗扰控制器(ADRC)的方案.通过扩张状态观测器观测出系统的状态和系统的内、外部扰动,将自抗扰控制技术应用到电加热炉的温度控制系统中.仿真和实验结果都表明:该方法的控制效果优于常规的PID控制,更能适应对象参数的变化并表现出良好的控制品质,可为一类具有时变、非线性、不确定等特性的复杂工业过程提供控制参考.【期刊名称】《自动化与仪表》【年(卷),期】2014(029)004【总页数】4页(P36-39)【关键词】温度控制;自抗扰控制器;电加热炉【作者】文定都【作者单位】湖南工业大学电气与信息工程学院,株洲 412000【正文语种】中文【中图分类】TP273在石油、化工、冶金等工业过程和实验室中，电加热炉是一种常见的单元操作设备。
由于电加热炉传热的复杂性，使其具有非线性、大滞后、大惯性、升温单向性等动态特性，又因传统PID控制器本身存在不足，如微分信号产生不合理，控制采用简单的线性叠加方式，从而控制效果难以达到要求，并且在实际应用时很难精确得到对象模型，即使采用一些先进的智能算法，控制效果也不理想[1-3]。
本文采用自抗扰控制器，正好继承了PID不依赖于被控对象数学模型的优点，并将内外扰动综合处理，通过扩张状态观测器对其进行估计，在反馈中引入非线性特性来改善控制效果弥补PID控制的不足之处[4-5]，以满足电炉升温速率的要求和补偿电炉参数变化的影响。
通过仿真和实验结果可以看出对比于PID控制，本文的控制方案具有响应快、无超调、鲁棒性好的特点，改善了温度控制的动态效果，提高了控制精度。
1 ADRC控制器的设计自抗扰控制器（ADRC）作为一种非线性控制，能实时估计出对象模型摄动和不确定外扰，并采用特殊的非线性反馈结构予以自动补偿，是“不变性原理”和“内模原理”的进一步发展，具有实用性强，精度高，鲁棒性强等特点，能较好地解决非线性系统的控制问题，并有大量的理论研究和仿真实验验证其有效性[6-7]。
模糊炉温控制系统
目录第一章绪论 (3)1.1 课题的背景 (3)1.2 模糊控制的现状及原理 (4)1.3 本文的设计思路 (5)第二章系统硬件 (6)2.1凌阳单片机的特点 (6)2.2硬件系统 (6)第三章模糊控制器的设计 (9)3.1模糊控制介绍 (9)3.2模糊控制器的设计 (9)3.3 模糊控制器的优化 (11)3.3.1 遗传算法的基本原理及特点 (11)3.3.2模糊控制器的遗传优化 (11)3.4仿真实验： (12)第四章系统软件 (14)4.1系统软件介绍 (14)4.1.1系统初始化程序 (14)4.1.2 TimerA中断服务子程序 (15)4.1.3 A/D转换子程序 (16)4.1.4 数字滤波子程序 (17)4.1.5 模糊控制程序 (18)4.1.6 LED数码管显示程序设计 (21)4.1.7 键盘扫描程序 (23)4.1.8 按键处理程序 (23)4.1.9 D/A转换子程序 (24)4.1.10 通信模块 (25)4.2小结 (26)第五章结论 (27)谢词 (28)参考文献 (29)附录 (30)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[1]。
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制可控硅驱动器，调节电阻炉的加热功率，从而实现对炉温的控制。
目前在炉温控制系统中最常采用的是PID 控制，以PID 算法为核心的各种形式DDC 控制系统，是目前电加热炉温度控制系统普遍使用的方法[2]。
PID 调节是最成熟且应用最广泛的一种控制方法。
在模拟控制系统中，其过程控制是将被测参数温度由传感器变换成统一的标准信号后输入调节器，在调节器中与给定值进行比较。
基于模糊RBF神经网络PID的加热炉温度控制系统设计
方法
神经网络模糊PID控制方法是一种将神经网络与模糊逻辑相结合的控制策略。 该方法通过建立神经网络模糊PID控制器，利用神经网络的学习能力和模糊逻辑 的推理能力，实现加热炉温度的精准控制。下面将详细介绍神经网络模糊PID控 制方法的实现步骤：
1、建立神经网络模糊PID控制器
首先，需要构建一个神经网络模糊PID控制器，包括比例、积分和微分三个 基本控制器，并确定其参数。通过分析加热炉系统的动态特性，利用模糊逻辑理 论建立系统的模糊模型。
背景知识
模糊控制是一种基于模糊集合理论的控制方法，它通过模糊化输入信号，将 人类的控制经验转化为模糊规则，从而实现智能控制。RBF神经网络是一种具有 良好非线性逼近性能的神经网络，它由输入层、隐藏层和输出层组成。RBF神经 网络的输出权重是通过最小化误差平方和来确定的，这使得它对未知输入具有较 强的适应能力。
2、训练神经网络模糊PID控制器
为了提高控制器的性能，需要利用加热炉实际运行数据对控制器进行训练。 通过采集大量数据，并对其进行预处理和特征提取，作为神经网络的输入，然后 利用目标温度与实际温度的误差对控制器进行训练。
3、神经网络模糊PID控制器的实 现与优化
在训练完成后，将神经网络模糊PID控制器应用于实际加热炉控制系统。通 过实时采集加热炉的温度数据，利用控制器计算输出控制信号，以实现对加热炉 温度的精确控制。为了进一步提高控制效果，可采用优化算法对控制器参数进行 在线调整，以适应不同的工况条件。
硬件电路设计是实现加热炉温度控制系统的重要环节。本次演示设计的硬件 电路包括电源模块、加热器驱动模块、热电偶信号采集模块和人机界面等部分。 电源模块用于提供稳定的电源；加热器驱动模块根据控制器的指令调节加热器的 功率；热电偶信号采集模块负责采集炉温信号；人机界面便于用户实时查看炉温 及控制状态。
电加热炉温度控制系统的设计
电加热炉温度控制系统的设计目录引言 (6)1 模糊控制器的设计 (13)1.1 模糊逻辑基础 (13)1.1.1 模糊集合的概念和基本运算 (13)1.1.2 模糊关系 (14)1.1.3 模糊规则 (15)1.2 模糊控制系统 (17)1.2.1 模糊控制的基本思想 (18)1.2.2 模糊控制系统的组成 (18)1.3 基本模糊控制器的设计 (20)1.3.1 精确量的模糊量化处理 (20)1.3.2 模糊推理 (23)1.3.3 反模糊化处理 (24)2 MATLAB下的仿真实验 (26)2.1 PID控制仿真实验 (26)2.2 基本模糊控制仿真实验 (27)3 电加热炉控制系统监控程序的设计 (31)3.1 组态王简介 (31)3.1.1 概述 (31)3.1.2 组态王与I/O设备 (31)3.1.3 组态王的开放性 (32)3.1.4 建立应用工程的一般流程 (32)3.1.5 如何得到组态王的帮助 (33)3.2 组态王的设计 (33)3.2.1 设计画面 (33)3.2.2 动画连接 (36)3.3 电加热炉控制监控画面 (42)结论 (47)参考文献 (48)摘要在冶金、化工，机械等各类工业控制中，电加热炉都得到了广泛的应用。
目前国内的电加热炉温度控制器大多还停留在国际60年代水平，仍在使用继电—接触器控制或常规PID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。
电加热炉的温度是生产工艺的一项重要指标，温度控制的好坏将直接影响产品的质量。
电加热炉由电阻丝加热，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。
而且，在实际应用和研究中，电加热炉温度控制遇到了很多困难：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地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地困难，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。
基于模糊PID控制的加热炉温度控制系统的设计
２ ０ １ ４ ￣ １ ３ 期Ｊ 科技创新与应用
基于模糊 Ｐ Ｉ Ｄ控制的加热炉温度控制系统的设计
胡 新 新
（ 青 岛科技大学 自动化与 电子工程学院 ， 山东 青岛 ２ ６ ６ ０ ４ １ ）
摘 要 ： 文章 介 绍 了 以单 片机 为核 心 ， 以加 热 炉 为控 制 对 象的模 糊 Ｐ Ｉ Ｄ温度 控 制 系统 。 当使 用 模糊 控 制 时 ， 虽 然 系统技 术要 求即 调 节 时 间与 超调 量 已经 满足 ， 但 产 生 了 系统 的稳 态误 差 。 Ｐ Ｉ Ｄ控 制算 法 被使 用后 ， 系统 的技 术要 求 即超 调 量 与调 节 时 间不 能 同 时 满足。 因此将具有智能性的模糊控制与具有可靠性 的 Ｐ Ｉ Ｄ控制相 互结合起来， 设计 了一种控制器， 该控制器具有参数 自整定和 模糊 Ｐ Ｉ Ｄ的功能 ， 在线整定了 Ｐ Ｉ Ｄ参数 Ｋ 。 、 Ｋ 。 和Ｋ ａ 。经过 实验证明 ， 理想的控制方案就是采用参数 自整定模糊 Ｐ Ｉ Ｄ控制。 关键词 ： 单 片机 ； 加热炉； 模糊 Ｐ Ｉ Ｄ控 制 ； 温度 控 制 加热 炉 系统 具 有 惯性 大 、 延迟 时间 长 、 非 线 性 的特 点 ， 因此 采 用 传统的 Ｐ Ｉ Ｄ控 制 ， 达 到 的效 果 肯定 不 令 人 满 意 。将 具 有 智 能性 的模 糊控制与具有可靠性的 Ｐ Ｉ Ｄ控 制 相 互 结 合 起 来 ，设 计 了一 种 控 制 器， 该控 制器 具 有 参 数 自整 定 和 模 糊 Ｐ Ｉ Ｄ 的功 能 ， 能 达 到 较 好 的 效
参 考 文献
实现 Ｐ Ｉ Ｄ参 数 的 自整定 一定 考 虑 到 不 同 的 时 间三 个 参 数 的相 互作用与关系。 通 过 总结 专 业人 员 的技 术 知 识来 实 现模 糊 控 制 的设 计， 从 而才能形成模糊规则表。下 面根据参数 Ｋ 。 、 Ｋ 。 和Ｋ Ｊ 对 系统输 出特性 的影响特性 ， 在 不同的 ｅ和 ｅ Ｃ时 ， 被控过程对参数 Ｋ ｐ 、 Ｋ 和 的 自整 定要 求 为 ： （ １ ） 当ｅ 较大时， 即 系统 响 应 处 于 图 １的输 出响 应 曲线第 １ 段 时， 为 了提高系统的响应速度 ， 避免因开始时偏差 ｅ 的突然变大可 能引 起 微 分过 饱 和 ， 因此 应 取 较 大 的 Ｋ 。 和较小的 Ｉ （ ｄ ， 同时 为 了 防止 积分 饱 和 这 时应 该 去掉 积 分作 用 ， 即取 Ｋ ＿ ＿ Ｏ 。 （ ２ ） 当ｅ 和ｅ ｃ 为 中等 大 ｓ ｈｏ ｅ， 即系 统 的 响 应 处 于 图 １曲线 第 １ Ｉ 段时 ， 为 让 系 统 响应 的超 调 量 减少 ， 则Ｋ ｐ 、 Ｋ 和 都 不能 取 大 ， 为 保 证系统的响应速度 ， 就要取适 中的 Ｋ 。 ， Ｋ ， 和Ｉ （ ｄ 值。 （ ３ ） 当 ｅ较小 ， 即系统 响应处 于图 １曲线 的第 １ Ｉ Ｉ 段 中时 ， 为让 系统达到 良好 的稳定性能 ， 应该增大 Ｋ 。 和Ｋ 值， 同时为防止系统在 设 定 值 左 右 出现 振 荡 ， 应适当地选取 Ｋ 值， 即： 当ｅ ｃ 较小 时 ， 可 取中等大小； 当ｅ ｅ 较大时 ， 应取小些。
电加热炉温度控制系统设计方案
电加热炉温度控制系统设计方案绪论电加热炉的出现，给人类的生活带来了很多方便，使人类不管是在生活还是在工业方面都有了很多便利之处。
但是电加热炉主要应用还是在生产过程、实验室及研究所。
电加热炉本身可由多组炉丝提供功率，用多组温度传感器检测炉温度，因此电加热炉属多区温度系统。
控制理论从经典理论、现代理论已经发展到更先进的控制理论，控制系统也由简单的控制系统、大系统发展到今天的复杂系统。
本文讨论的电加热炉炉温控制系统由上下两组炉丝进行加热，用上下两组热电偶检测炉温。
本文所采用的电加热炉温度控制，采用的是适用于工业控制的8051单片机组成的控制系统。
为了降低电加热炉的成本，系统要求采用实现温度闭环控制，控制温度误差围5°C，调节温度的超调量小于30%，系统被测参数是温度，由单片机PID运算得出的控制量控制光控可控硅的导通和关断，以便切断或接通加热电源，调整电功率，从而控制电加热炉的温度稳定在设定的值上，并实时显示炉温度，记录温度的变化过程，以更好的控制电加热炉工作。
本系统较理想地解决了炉温控制中平稳性、快速性与精度之间的矛盾。
电加热炉是一种将电能转换为热能，在工矿企业和日常生活中，是一种常见的设备。
在社会发展的今天，电加热炉的使用，即可以提高生产效益，节约能源，也减少了环境的污染，在社会经济发展和改善人民生活质量等方面的优点早已成为社会的共识。
随着社会经济的不断发展，科技水平的进步，人民生活水平的提4高，将使社会带入一个新的阶段。
人们对热能的需求质量越来越大，电加热炉的优越性越发的突出来，这样就出现了一个问题，由于传统的电加热炉存在一定的弊端而造成能源的浪费，导致其生产效率低，其主要原因是缺少有效的调节设备，导致的浪费。
如何解决这一问题，满足社会的需求，设计得更加科学、合理，在全国仍在探讨。
并且现代电加热炉的控制方法由于数学深奥、算法复杂、现场工程师难以理解和接受，因而先进控制算法的推广受到制约，为克服以上种种困难，将来的电加热炉以控制算法简单，静动态性能好的特点，有较高的实用价值和理论价值，特别是以节约能源、保护环境的方向发展。
基于模糊PID控制的电锅炉温度控制系统的研究.
基于模糊PID控制的电锅炉温度控制系统的研究摘要温度控制在工业控制中一直是富有新意的课题，对于不同的控制对象有着不同的控制方式和模式。
温度系统惯性大、滞后现象严重，难以建立精确的数学模型，给控制过程带来很大难题。
本文以电锅炉为研究对象，研究一种最佳的控制方案，以达到系统稳定、调节时间短且超调量小的性能指标。
本文对电锅炉可采用的控制方案进行了深入研究，首选的研究方案是PID控制。
温度PID控制器的原理，是将温度偏差的比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。
PID控制的重点是参数的调节，本文利用了Ziegler-Nichols. Chien-Hrones和人工整定方法对其参数进行整定。
第二个研究方案是模糊控制，研究了模糊控制的机理，确定了电锅炉模糊控制器的结构。
通过对电锅炉温升特点的分析，建立了模糊控制规则表。
借助matlab中的Simulink和Fuzzy工具箱，对电锅炉PID控制系统和模糊控制系统进行仿真分析。
结果表明当采用PID算法时，系统的超调量与调节时间，不能同时满足技术要求。
当采用模糊控制时，超调量与调节时间虽然同时满足技术要求，但系统出现了稳定误差。
因此本文将模糊控制的智能性与PID控制的通用性、可靠性相互结合，设计了一种参数自整定模糊PID控制器，采用模糊推理的方法实现PID参数称、凡和凡的在线整定。
经仿真研究，参数自整定模糊PID控制效果达到了电锅炉温度控制系统的性能指标，是一种较为理想的智能性控制方案。
在分析电锅炉供暖系统对控制器要求的基础上，研制了以PIC16F877A单片机为核心部件的温度智能控制器，实现了温度的采集与控制、超限报警等各种功能。
在进行硬件电路设计的同时，也进行了相应软件设计，并将本文所提出的模糊PID算法引入到软件设计中，给出了主程序流程图、模糊PID算法工作流程图和温度采集流程图等。
Research on Fuzzy PID Control System ofTe m pe raturef orE lectricB oilerAbstractTem p er aturec ontroli sa t opicf ullo fn ew meaningsi n industry,to diferentcontrol object, there are diferent methods and modes. But it is dificult to control well because of characteristics of the temperature itself, such as its great inertia, serioust ime-laga ndt hed ifficulty toe stablisha na ccuratem athematicalm odelo fth e object. A duty in this thesis is to study a kind of appropriate control method to the temperatureo fth ee lectricb oiler.It s'te chnologyr equirementsa er:re gulatingt ime mustb es hort,o vershootm ustb es malla ndt hec ontrolsy stem mustb es table.Th em e thodo ft hee lectricb oilerc ontrolis s tudiedd eeply byt het hesis.T hefirstis P IDc ontrol.P rincipleo fte mperatureP IDc ontrolleris t oc ontrolth eo bjectby the linear combination of temperature deviation's proportional, integral and derivative.Th ec ontrolke yi sth ep arametera djustment.T hep arameteris a djustedb y methods of Ziegler-Nichols, Chien-Hrones and artifical tuning in this thesis. The secondm ethodi sfu zzyc ontrol.T hef uzzyc ontrolth eoryi sst udieda ndt hee lectric boiler fuzzy controller structure is determined. The fuzzy control rule table isestablished through analysing the characteristic of the electric boiler temperature inthe thesis.In t hi st h esis,th eP ID controls ystem andf uzzyc ontrolsy stem ares imulatedb y using Simulink and fuzzy logic tools in MATLAB. Experimental results illustratethat the PID control is used in the system, regulating time and overshoot always can not achieve the specification .When fuzzy control is used, regulating time and overshoota lwaysc ana chievest hes pecification,b uts ystem causes teady-statee ror. So it comes to a new method of combining them together. The patameters of耳，Kand Kd are adjust by fuzzy inference. Experimental results illustrate that the fuzzy PID parameters controller achieved the system performance index. The method offuzzy PID control is a ideal method.In t hi sth esis,ba singo nt her equesto fth ee lectricb oilerh eatings ystemt ot he controller, a temperature controller of the electric boiler is designed, in which the目录第1章绪论 (3)1.1课题的提出与意义 (3)1.2工业控制的发展概况 (3)1.3传统控制方法的缺陷 (4)1.4智能控制方法概述 (4)1.4.1智能控制方法的起源、发展和分类 (4)1.4.2智能控制方法的特点 (5)1.5论文的主要研究内容 (6)第2章被控对象及控制策略研究 (6)2.1被控对象及其原有控制方案 (6)2.1.1被控对象分析 (6)2.1.2原有控制方案 (7)2.2控制策略研究 (8)2.2.IPID控制基本理论 (8)2.2.2设计PID控制器时注意事项 (10)2.3模糊控制理论 (11)2.3.1模糊控制的基本思想 (11)2.3.2模糊控制系统的组成及结构分析 (11)2.3.3模糊控制算法的实现 (14)2.3.4模糊控制方法的进展 (15)2.4本章小结 (16)第3章控制系统特性及仿真研究 (17)3.1电锅炉温度控制系统特性 (17)3.2仿真工具 (18)3.2.1 MATLAB简介 (18)3.2.2 Simulink开发环境和模糊逻辑工具箱 (18)3.3控制系统仿真研究 (20)3.3.1 PID控制器设计 (20)3.3．2 PID参数的整定 (21)3.4模糊控制器设计及模糊推理方法 (26)3.4.1模糊控制器的结构 (26)3.4.2温控系统的模糊控制器设计 (27)3.5.2控制系统参数自整定模糊PID控制 (32)3.6控制系统方案选择 (35)3.7本章小结 (35)结论 (36)参考文献 (36)致谢 (38)第1章绪论1.1课题的提出与意义在工业生产过程中，控制对象各种各样，温度是生产过程和科学实验普遍而且重要的物理参数之一。
基于PID电加热炉温度控制系统设计刘
目录第1章绪论 (2)第2章总体方案 (3)2.1 系统结构 (3)2.2 具体设计考虑 (4)第3章控制系统的建模和数字控制器设计 (5)3.1 选择计算机机型—8031温度控制电路 (5)3.2设计支持计算机工作的外围电路 (5)3.3 转换电路 (6)3.4 信号处理电路 (7)3.5 主电路 (8)第4章软件设计 (9)4.1 内存分配 (9)4.2 温度控制系统程序框图 (10)4.3PID算法的微机实现 (12)4.4PID算法的程序设计 (13)第5章软件说明以及电路图 (14)参考文献 (16)基于PID电加热炉温度控制系统设计第1章绪论电加热炉在化工、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。
采用单片机进行炉温控制，具有电路设计简单、精度高、控制效果好等优点，对提高生产效率、促进科技进步等方面具有重要的现实意义。
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效果。
本设计采用达林算法进行温度控制，使整个闭环系统所期望的传递函数相当于一个延迟环节和一个惯性环节相串联来实现温度的较为精确的控制。
单片机作为控制系统中必不可少的部分，在各个领域得到了广泛的应用，用单片机进行实时系统数据处理和控制，保证系统工作在最佳状态，提高系统的控制精度，有利于提高系统的工作效率。
基于模糊PID的电热炉温度智能控制系统探究
基于模糊PID的电热炉温度智能控制系统探究[摘要]工业领域实施热处理生产运行期间，电热炉属于常用设备，对其温控系统有着极高要求，因电热炉原有温控系统存在着大滞后性、非线性及多干扰、较大功率等特点，故此次提出以模糊PID为基础的电热炉温度智能化控制系统，便于弥补传统温控系统缺陷，达到更为理想化的温控效果，为今后能够更好地开发应用此类系统提供借鉴或指导。
[关键词]温度智能；电热炉；模糊PID；控制系统；前言：伴随现代科技持续的进步发展，温控技术实际成熟度不断提升，现阶段温控系统被广泛应用至众多行业领域当中。
针对电热炉的温控系统来说，为能达到最为理想化温控效果，便需以模糊PID为基础，积极构建温度智能化控制系统，便于提升总体的温控效果，这有着一定的现实意义和价值。
1、关于以模糊PID为基础的电热炉温度智能化控制系统概述PID，即生成树的协议STP当中，若端口所接收BID和path cost相一致，则经对比PID，选定阻塞端口。
借助PID的参数控制，能够实现对工业生产当中液位、流量、温度、压力等调控。
以模糊PID为基础的电热炉温度智能化控制系统，其所具备特点集中表现为电热炉温控非线性、保温、升温、随时间变化等。
电热炉实际温度若是超出最低或是最高限定值，温度变化便很难实现，设备故障产生。
设备操作期间，需结合操作者感官条件实现信息获取及描述，依靠着工作经验来简单评估控制对象[1]。
以模糊PID为基础的电热炉温度智能化控制系统，其以产品加热及烘干为基本功能。
加热过程，实行封闭式加热，借助PID来调节气，实现针对电热炉实际温度有效控制，确保其可维持最适宜温度，便于更好地投入产品具体生产加工中。
2、控制系统总体设计及其仿真分析2.1系统设计2.1.1在控制装置结构层面模糊PID的控制装置结构当中，以直接及间接控制装置为主。
常规PID的控制装置，为直接控制装置；而模糊推理，则为间接控制装置。
系统运行期间，模糊推为基础下，对比分析当前温度和所设温度，二者偏差为｜e｜，而偏差实际变化率则为｜ec｜。
电加热炉温度控制系统的设计
电加热炉温度控制系统的设计1. 本文概述随着现代工业的快速发展，电加热炉在许多工业生产领域扮演着至关重要的角色。
电加热炉的温度控制系统，作为其核心部分，直接关系到生产效率和产品质量。
本文旨在设计并实现一种高效、精确的电加热炉温度控制系统，以满足现代工业生产中对温度控制精度和稳定性的高要求。
本文首先对电加热炉温度控制系统的需求进行了详细分析，明确了系统设计的目标和性能指标。
接着，本文对现有的温度控制技术进行了全面的综述，包括传统的PID控制方法以及先进的智能控制策略。
在此基础上，本文提出了一种结合PID控制和模糊逻辑控制的新型温度控制策略，以实现更优的控制效果。
本文还详细阐述了系统的硬件设计和软件实现。
在硬件设计方面，本文选择了适合的传感器、执行器和控制器，并设计了相应的电路和保护措施。
在软件实现方面，本文详细描述了控制算法的实现过程，包括数据采集、处理、控制决策和输出控制信号等环节。
本文通过实验验证了所设计温度控制系统的性能。
实验结果表明，本文提出的温度控制系统能够实现快速、准确的温度控制，且具有较好的鲁棒性和稳定性，能够满足实际工业生产的需求。
本文从理论分析到实际设计，全面探讨了一种适用于电加热炉的温度控制系统的设计方法。
通过结合传统和先进的控制技术，本文提出了一种高效、稳定的温度控制策略，为提高电加热炉的温度控制性能提供了新的思路和实践参考。
2. 电加热炉的基本原理与构造电加热炉作为一种高效、清洁且精准的热能产生设备，其工作原理基于电磁感应和电阻加热两种基本方式，而构造则包括电源系统、加热元件、温控系统、隔热保温结构以及安全防护装置等关键组成部分。
电磁感应加热：在特定类型的电加热炉中，尤其是应用于金属工件加热的场合，电磁感应加热原理占据主导地位。
这种加热方式利用高频交流电通过感应线圈产生交变磁场，当金属工件置于该磁场中时，由于电磁感应现象，会在工件内部产生涡电流（又称涡流）。
涡电流在工件内部形成闭合回路，并依据焦耳定律产生热量，即电流通过电阻时产生的热效应。
基于模糊PID算法的电阻炉温度控制系统设计
基于模糊PID算法的电阻炉温度控制系统设计引言广告插播信息维库最新热卖芯片：LXT908PC EPC1LC20MAX153CAP ADG527AKR TLC542IFN MAX538BEPA CD54HC374F3A M62392FP LTC1643ALCGN CY7B145-25JC电加热炉是典型工业过程控制对象，其温度控制具有升温单向性，大惯性，纯滞后，时变性等特点，很难用数学方法建立精确的模型和确定参数。
而PID控制因其成熟，容易实现，并具有可消除稳态误差的优点，在大多数情况下可以满足系统性能要求，但其性能取决于参数的整定情况。
且快速性和超调量之间存在矛盾，使其不一定满足快速升温、超调小的技术要求。
模糊控制在快速性和保持较小的超调量方面有着自身的优势，但其理论并不完善，算法复杂，控制过程会存在稳态误差。
将模糊控制算法引入传统的加热炉控制系统构成智能模糊控制系统，利用模糊控制规则自适应在线修改PID参数，构成模糊自整定：PID控制系统，借此提高其控制效果。
基于PID控制算法，以ADUC845单片机为主体，构成一个能处理较复杂数据和控制功能的智能控制器，使其既可作为独立的单片机控制系统，又可与微机配合构成两级控制系统。
该控制器控制精度高，具有较高的灵活性和可靠性。
2 温度控制系统硬件设计该系统设计的硬件设计主要由单片机主控、前向通道、后向通道、人机接口和接口扩展等模块组成，如图l所示。
由图1可见，以内含C52兼容单片机的ADUC845为控制核心．配有640 KB的非易失RAM数据存储器、外扩键盘输人、320x240点阵的图形液晶显示器进行汉字、图形、曲线和数据显示，超温报警装置等外围电路；预留微型打印机接口，可以现场打印输出结果；预留RS232接口，能和PC机联机，将现场检测的数据传输至PC机来进一步处理、显示、打印和存档。
电阻炉的温度先由热电偶温度传感器检测并转换成微弱的电压信号，温度变送器将此弱信号进行非线性校正及电压放大后，由单片机内部A／D转换器将其转换成数字量。
基于模糊PID技术的电热处理炉温度智能控制系统-3000
基于模糊PID技术的电热处理炉温度智能控制系统-3000发布时间：2021-12-24T05:25:56.602Z 来源：《中国科技人才》2021年第26期作者：李刚[导读] 信息技术的发展与变革，使智能控制系统被广泛应用到我国企业工业生产中。
东方电气集团东方电机有限公司四川德阳 618000摘要：信息技术的发展与变革，使智能控制系统被广泛应用到我国企业工业生产中。
其中基于模糊PID技术对电热处理炉温度智能控制系统的应用，提高企业对电热炉温度控制的精准性，降低了人力和物力的成本投入。
本文阐释了PID技术的概述，解读电热炉温度智能控制系统、基于PID技术的电热炉温度智能控制系统。
关键词：PID技术；电热炉；智能控制系统引言：企业电热处理炉的温度控制在一定程度上影响企业产品的质量。
传统的电热处理炉温度控制是一种非线性、迟滞缓慢、不确定性大的系统，对企业的生产加工有一定的影响。
随着信息技术的发展，PID技术逐渐应用到电热处理炉温度的控制系统中，其具备算法简单，鲁棒性强的特点，在企业实践中确定是一种提高电热处理炉温度的实用算法，尤其是对外部环境温度变化和外界其他因素干扰有着较强的抗干扰性，被广泛应用到企业对电热处理炉温度的智能控制系统中。
1. PID技术概述PID即portID,通常应用在现代化工厂和工程控制中。
PID参数控制器在工业生产中对数据有自动调整功能，可以对相关数据执行智能化校正，并通过适应算法提高数据精准性。
在电热炉温度控制环节中，能够对压力、温度、流量、液位进行精准控制，提高企业电热处理炉温度的准确性和稳定性[1]。
2. 电热炉温度智能控制系统基于PID技术的电热炉产品，主要应用在我国企业生产加工中，主要作用于企业产品的烘干和加热上，通常情况下企业会采用封闭方式进行产品加工处理，这就对电热炉炉温的调控和自控有一定的要求，通过应用PID参数控制器，能够提升工作人员对炉温的控制能力，使炉温长期处于稳定状态，提高产品的出厂质量。
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以 LabVIEW 8.6软件为设计平台 , 通过数据 采集卡实现电加热炉温度模糊控制 。 设计步骤如 下 :(1)连接好电加热炉 、数据采集卡 , PC机三个 硬件 ;(2)用 LabVIEW进行编程 , 包 括设计控制 面板 , 连接程序框图 ;(3)调试程序 , 电加热炉进 行温度控制 , 并把模糊控制结果与 PID控制结果 进行比较 。 设计过程中最核心的内容是对模糊控 制的理解和把握 , 需具备模糊数学的基础 , 掌握如 何确定各变量的模糊语言 取值及相应的 隶属函 数 ;设计模糊控制器的控制规则 ;确定模糊推理和 解模糊化方法 。 通过大量的实验 , 适时调节 PID 参数以及模糊控制的隶属度函数和规则库 , 优化 系统性能 。
DesignofTemperatureFuzzyControlSystem forElectricHeatingStove
LiuDayi1 , ZhaoYuxiao2
(1.HeilongjiangInstituteofSpecialEquipmentInspection, Harbin150036, China; 2.CollegeofModernScienceandTechnology, ChinaJiliangUniversity, Hangzhou310018, China) Abstract:Tosolvethedifficultyonestablishingaccuratemathematicalmodelofelectricfurnacedue toitsgreatinertia, strongtimevariabilityandcomplexdisturbancefactors, usingfuzzycontrol' stwo characteristics, oneisunderstandingofmathematicalmodelofcontrolledobjectisuncessaryandthe otherisstrongrobustness, combinedwithDAQCard, temperaturefuzzycontrolforelectricheating stovewasachievedadoptingfuzzylogictoolboxinLabVIEW 8.6.Aftermanyexperimentsandrepeateddemonstration, theparametersoffuzzycontrollerwereadjustedtooptimizesystem performance, thusitcanensurethestabilityoftemperaturefuzzycontrolsystem.Finally, comparedwithtraditionalPIDcontrol, fuzzycontrolnotonlyhassmallerovershoot, fasterresponseandhigherstability butalsoshowsthissystem' sdesignmethodissimpleanditcanbeconvenientlyusedinpracticalindustrialcontrol. Keywords:fuzzycontrol;LabVIEW;temperature
图 4 NIUSB-6008数据采集卡
2.2 控制系统软件设计 LabVIEW的 模 糊 逻 辑 工 具 包 (FuzzyLogic
Toolkit)用于设计和完成基于规则的模糊逻辑系 统 , 主要应用领域为工业过程控制及专家决策 , 它 由模糊逻辑控制器设计 VI、模糊控制器 VI、模糊 控制器载入 VI、模糊控制测试 VI, 4 个不同功能 的子 VI组成 。
0 引 言
温度是工业生产过程中重要的被控参数 , 所
以加热炉温度控制系统很常见 。电加热炉由于惯 性大 、滞后严重 、时变性强 、扰动因素复杂而难以 建立准确的数学模型 。采用传统的控制方式比如
收稿日期 :2010 -01 -10 作者简介 :刘大易 (1971 -), 男 , 1994年佳木斯大学工学院热能工程专业毕业, 学士学位 , 副高级职称 。 现任黑龙江省特种设备研究所 锅炉专业工程师 。
本次课题利用 NIUSB-6008采集卡来采集 模拟电压信号 , 信号的采集与处理在有 LabVIEW 平台的计算机上完 成 。 NIUSB-6008 采集卡将
第 4期
刘大易 , 等 :电加热炉温度模糊控制系统设计
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信号送入 PC机并且将 PC机发出的数字控制信 号转化为模拟信号来控制输出电压 , 从而控制电 加热炉的温度 。 数据采集卡上需要外接 250 Ψ标 准电阻 , 对应电压输出为 1 ～ 5 V, 即 1V电压对应 25 ℃温度 。
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ锅 炉 制 造
总第 222期
PID控制方法 , 精度不高 , 容易造成系统 不稳定 , 易产生振荡 , 很难获得良好的控制效果 [ 1 -2] 。 因 此为电加热炉开发出性能优良的温度自动控制系 统非常有意义 。
1 研究内容和方法
对时变的 、非线性的复杂系统 , 在无法获得被 控对象清晰数学模型的时候 , 利用具有智能性的 模糊控制器 , 可以给出较为有效的自动控制 。 模 糊控制系统是由被控对象 、执行机构 、过程输入输 出通道 、检测装置 、模糊控制器等几部分组成 。 被 控对象的数学模型可以是已知的 、精确的 , 也可以 是未知的 、模糊的 。
图 11 模糊控制响应曲线
3.3 PID控制与模糊控制结果对比 通过对 PID控制 、模糊控制两种方案的仿真
曲线分析 , 得出 , PID控制系统响应易 产生振荡 , 超调量 , 当电加热炉温度控制系统采用模糊控制 时系统的稳定性增强了 , 且调节时间减少 , 超调量 为 0。但稳态误差依然存在 , 为了减小稳态误差 , 优化系统性能 , 需要经过大量的实验 , 调节隶属度 函数和规则库 。 模糊控制对电加热炉温度的总体 控制效果优于 PID控制 。
2 控制系统设计
2.1 控制系统硬件设计 电加热炉温度控制系统硬件由以下四部分组
成 :电加热炉 (温度变化范围是 0 ～ 100℃)、温度 变送器 、数据 采集卡 、计算机 (LabVIEW 平台 )。 整体硬件组成框图如图 1所示 。
电加热炉首先经过温度变送器 , 把一定范围 内的温度信号转换为标准 4 ～ 20 mA电 流信号 , 然后数据采集卡 (DAQ)从温度 变送器被测单元 中自动采集电量信号 , 把电流信号转换成电压信 号 , 送到上位机中进行分析 、处理 。利用计算机的 LabVIEW编程软件 , 编写温控 程序 , 向电 加热炉
图 8 PID控制响应曲线
3.2 模 糊控 制器 设计 及模 糊推 理方 法 本文结合电加 热炉特点及系 统控制精 度要
求 , 模糊控制器选用单变量结构的二维模糊控制 器 , 即输入量为偏差 及偏差的变化 , 输出控制量 为 。温控系统的模糊控制器采用单变量设计。 模糊控制器均采用的是 Mamdani型模糊推理方 法。
基于 LabVIEW的数据采集系统如图 5所示 。
图 5 基于 LabVIEW的数据采集系 统
在驱动程序的用户接口 Measurement＆ AutomationExplorer中 , 用户可以对硬件进行必要的设 置 和 测 试 。 LabVIEW 中 的 数 据 采 集 VI按 照 Measurement＆ AutomationExplorer中的设置采集 数据 。
电加热炉温度控制系统的数据采集程序由两 部分组成 , 分别是输入通道的数据采集和输出通 道的数据采集 。 输入通道是采集电加热炉的实际 温度值经过线性变换后的电压值 , 然后把采集到 的模拟量转化为计算机能够识别的数字量 , 这部 分在 LabVIEW中的程序框图如图 6所示 :
图 6 输入通道的数据采集程序
经过计算机的控制程序得到控制电压值后 , 通过 数据采集卡的输出通道 , 把数字量转换为模拟输 出量 , 控制电加热炉的温度 。 输出通道的数据采 集程序如图 3 ～ 10所示 。
图 7 输出通道的数据采集程序
3 PID控 制器 设 计与 模糊 控制 器设 计的比较
3.1 PID控制器设计 根据控制对象的实 际输出曲 线调整 PID参
输出控制电压 , 从而达到控制电加热炉温度的目 的 。图 2即电加热炉的实物图 。 一体化温度变送 器 , 如图 3所示 。 NIUSB-6008 数据采集卡 , 成 本低 、功能也足够强大 , 非常适用本次课题 , 如图 3 ～ 4 所示 , NIUSB-6008是 12 位 , 10kS/s多功 能数据采集卡 , 有 8路 12位模拟输入通道 , 12条 数字 I/O线 , 2路模拟输出通道 , 1个计数器 。
第 4期 2010 年 7 月
锅 炉 制 造 BOILER MANUFACTURING
文章编号 :CN23 -1249(2010)04 -0057 -05
No.4 Jul.2010
电加热炉温度模糊控制系统设计
刘大易 1 , 赵玉晓 2
(1.黑龙江省特种设备检验研究院 , 黑龙江 哈尔滨 150036;2.中国计量学院 现代科技学院 , 浙江 杭州 310018)
摘 要 :为解决电加热 炉由于惯性大 、时变性强 、扰动因素复杂 而难以建立准确数 学模型的问题 , 利用模糊控 制不需知道被控对象的 数学模型和较强的鲁棒性的特点 , 采用 LabVIEW 8.6的 模糊逻辑工 具包 , 结合数据采 集卡实现了电加热炉的 温度模糊控制 。 经多次实验和反复论证 , 调整模糊控制器的参 数 , 优化系统性能 、保证 温度模糊控制系统的稳 定性 。与 传统的 PID控制进行比较 , 模糊控 制不仅超调 较小 、响应快 、稳定性高 , 而且 系统设计方法简单 , 能方便地用于实际工业控制中 。 关键词 :模糊控制 ;LabVIEW;温度 中图分类号 :TP273 文献标识码 :A