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工业电阻炉温度模糊掌握系统的设计
摘要
本文依据实际生产过程的温度特性，针对时滞和不确定的简单非线性系统的掌握问题，提出了一种模糊掌握系统方案，该模糊掌握器用于电阻炉的温度掌握, 可在模型未知的状况下，依据被控温度的偏差大小，选取适当的掌握算法进展自动调整，使炉温到达给定值，方案构造简洁，无需被控对象的准确数学模型，且能适应环境的变化，具有掌握精度高、动态性能好的特点。
电阻炉由电阻丝加热，温度掌握具有非线性、大滞后、大惯性、时变性、
升温单向性等特点。在实际应用和争论中，温度掌握遇到了以下困难：第一， 很难建立准确的数学模型；其次，不能很好地解决非线性、大滞后等问题。以准确数学模型为根底的经典掌握理论和现代掌握论在解决这些问题时遇到了极大的困难，而以语言规章模型〔 IF-THEN〕为根底的模糊掌握理论却是解决上述问题的有效途径和方法。国内现有的一些模糊设计方法大多存在不同缺点， 而且真正把理论争论应用到实际系统的实例较少。所以，深入争论在电阻炉系统掌握中具体应用模糊掌握设计理论是格外必要的。
关键词：电阻炉；模糊掌握器；温度掌握；掌握仿真
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A Design of Temperature Fuzzy Control System of Industry Resistor Furnance
Abstract
In this paper, according to the temperature characteristic of the real production process, and in view of skewing and uncertain complicated non-linear control question systematically, this paper puts forward a kind of fuzzy control system scheme, whose scheme structure is simple and which does not need the target”s accurate mathematical model, and can adapt to the change of the environment , controlling the characteristic with high precision and with good dynamic performance. This fuzzy controller is used in resistance furnace temperature control. Satisfactory result has been obtained.
Electric heating furnace is heated by resistance wire, so it has non-linear, great lagging, big inertia, time varying and unidirectional rising. In practical study and application, the temperature control of electric heating furnace has met the following difficulty: First, it is very difficult to set up accurate mathematics model; Second, we can”t well solve the problems of non-linear, great lagging etc.. The classical control theory based on accurate mathematics model and modern cybernetics have met great difficulty in solving these problems, but the fuzzy control theory based on regular language model of IF-THEN is an effective way of solving the above-mentioned problems. Some domestic existing fuzzy design methods mostly have different shortcomings, and practical systems applied by theoretical research are less really. So further investigating how the fuzzy design theory system is applied in control system of electric heating furnace is very necessary.
Keywords Resistance furnace；fuzzy controller；temperature control
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目 录
摘要 I
Abstract II
第1章 绪论 5
课题背景 5
工业电阻炉的介绍 5
模糊掌握的争论与进展 8
模糊掌握在工业电阻炉上应用的可行性 10
第2章 模糊掌握理论 11
引言 11
模糊掌握系统组成及工作原理 12
模糊掌握系统的组成 13
模糊掌握系统工作原理 13
模糊掌握器的构造与设计 13
第3章 电阻炉温度模糊掌握系统的设计 17
电阻炉温度模糊掌握系统 17
温度掌握系统硬件设计概述 18
温度传感器的选择 18
温度信号转换电路 19
A/D转换与开关量输出接口 20
可控硅触发电路 20
模糊掌握器的设计及实现 20
模糊掌握器的设计步骤 21
模糊掌握与PID掌握方法的比较 28
两者之间的联系 28
第4章 模糊掌握器的硬件设计 30
89C51型单片机模糊掌握器的系统功能机硬件组成 30
单片机模糊掌握器的系统功能 30
单片机类型的选择 31
89C51型单片机模糊掌握器的硬件系统组成 31
89C51型单片机模糊掌握器前向通道得设计 33
89C51型单片机模糊掌握器后向通道得设计 34
89C51型单片机模糊掌握器主程序构造 35
89C51型单片机模糊掌握器的算法程序 36
第5章 电阻炉温度掌握仿真 38
仿真工具MATLAB 38
模糊掌握器的设计 38
MATLAB环境下仿真 39
结论 44
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致谢 45
参考文献 46
附录A 47
附录B 54
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第1章 绪论
课题背景
电阻炉温度掌握器在冶金、化工、机械等各类工业掌握过程中都得到了广泛应用。但是，目前国内的电阻炉温度掌握器大多还停留在， 仍在使用常规PID掌握或继电-接触器掌握，自动化程度低，动态掌握精度差， 满足不了日益进展的工艺技术要求。电阻炉由电阻丝加热，温度掌握具有非线性、大滞后、大惯性、多变量、时变性、升温单向性等特点。在实际应用和争论中，电阻炉温度掌握遇到了以下困难：第一，很难建立准确的数学模型；其次，不能很好地解决非线性、大滞后等问题。以准确数学模型为根底的经典掌握理论和现代掌握论在解决这些问题时遇到了极大的困难，而以语言规章模型(IF-THEN )为根底的模糊掌握理论却是解决上述问题的有效途径和方法。
自1965年Zadeh提出模糊集合论以来，模糊掌握作为模糊理论应用的一个重要分支，己经进展成为具有肯定系统化理论及大量应用背景的兴学科，并且成功地应用于工业过程掌握、家用电器、机器人操作、机车掌握、航空航天等诸多领域。模糊掌握理论日趋成熟，并且由于其基于人的规律推理、不依靠掌握对象的准确数学模型这一特点，表达了它巨大的优势和潜力[1] 。
基于单片机技术的掌握器自 80 年月以来取得了巨大的成功，尤其是微型计算机的蓬勃进展，使得单片机掌握器具有强劲的优势。因此，寻求适合单片机掌握器的掌握技术始终是掌握人员关心的课题。在现有设备及技术条件下，应用现代掌握理论很难设计出有效而且有用的掌握器，在工业掌握领域，应用现代掌握理论设计出来的掌握器的效果往往还不如依据经典 PID 理论设计的过程掌握器的掌握效果。到目前为止，在工业掌握过程中，占统治地位的仍旧是经典的 PID 掌握调整器，其比例到达了 90%以上。但是 PID 掌握技术在处理一些非线性、时滞性大又不便建立数学模型的掌握对象时，如上述的电阻炉，存在着两个固有的缺陷：第一、参数调整困难，尤其对于参数变化大的掌握对象； 其次、不适宜具有大时滞的掌握对象。尽管 1957 年 Smith 提出 Smith 预估器掌握策略，但必需以准确的数学模型为前提。因此，争论先进的模糊掌握策略， 以及在单片机上的实现，从而使模糊掌握技术更好地应用在电加热炉温度掌握系统以及其它的过程掌握，具有很高的理论价值和应用价[2] [4] 。
工业电阻炉的介绍
工业电阻炉是工业上很常见的工业设备。下面对它进展一些简洁的介绍：
电加热原理：
当电流在导体中流过时，由于任何导体均存在电阻，电能即在导体中形成
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损耗，转换为热能，按焦耳楞次定律：
Q＝ Rt (1-1)
按上式推算，当 1 千瓦小时的电能，全部转换为热能时：
Q＝(×1000×36000)／1000=864 千卡 (1-2)
在电热技术上按 l 千瓦小时＝860 千卡计算。电阻炉在构造上是使电能转换为热能的设备，它能有效地 用来加热指定的工件，并保持高的效率。
分类：
电阻炉按热量产生的方法不同，可分为间接加热式和直接加热式二大类。间接加热式电阻炉、就是在炉子内部有专用的电阻材料做的发热元件。电流通过加热元件时产生热量，再通过热的传导、对流、辐射而使放置在炉中的炉料被加热。直接加热式电阻炉，电源直接接在所需加热的材料上，使强 大的电流直接流过所需加热的材料而使材料自己发热到达加热效果。工业电阻炉，大局部是承受间接加热式的，只有一局部因加热工艺人的特别需要而承受直接加热式。
用途：
工业电阻炉的主要用途是供机械工业对原材料、毛坯、机械另件加热用。如板材轧制前的坯料加热，锻件的加热。机械另件及半成品的热处理以改善其机械性能，如进杆淬火、回火、退火、正火、气体渗碳、氮化等。亦有用于烧结、钎焊，部份电阻炉用于低熔点金属的熔炼及陶瓷玻璃工业的加热。
主要的技术特性：
电阻炉消耗电能转换来的热能。一局部由电炉构筑材料及传热的各种因素而散失到空间去了，另一局部则用于对炉内工件的加热，前面的一局部形成了电炉损失功率，后一局部形成了电炉有效功率。 当电炉开头升温时，炉内砌砖体大量地吸取热量，以提高本身温度，在停炉冷下来时又把这一局部热量散失到空间去；这一局部形成炉体蓄热损失。一台先进的电炉应具有低的空炉损失及高的有效功率。较少蓄热相失。空炉损失的大小是衡量电炉效率好坏的重要指标，空炉损失小的电炉，可以得到高的技术生产率及低的单位电能消耗比。一般工业电阻炉的效率。小型电炉较低一些。大型电炉 较高一些，从 10--100 千瓦的箱式电炉效率约为 65%--85%，空炉损失约占总功率的 35%--15%。电炉从室温升到工作温度的时间对电炉的经济指标是有明显影响的，升温时间短则炉子投入正常使用的时间就较长每天的生产率就较高，每公斤工件的电耗量就降低，所以要尽量承受热惯性小的炉衬材料并降低炉体蓄热量来加快电炉的升温速度：炉体的蓄热量对周期作业炉影响很大，尤其是每天一班或二班生产的电炉。对连续作业炉其影响就不明显。加热力量是一台电炉的主要技术指标， 加热力量是指电炉的有效功率，从理论计算上在一个小时内能把指定的材料加热到额定温度的最大重量数，以公斤/小时计算。
(5)电阻加热炉根本构造及型式 ：
电阻炉是随着机械工业的进展而进展起来的，由于各种加热工艺及冶炼工艺上的需要，电阻炉是一个品种很多的产品。电阻炉炉体构造，分周期式及连
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续式二个型式来分别介绍。
周期式作业炉分为箱式电炉，台车式电炉、井式电炉等：
箱式电炉，外壳一般是用型钢、钢板焊接而成的，小型电炉由于需保持工作面的肯定高度，一般均做成带支架的，在箱型壳体下边，有支持炉体的腿或支架。中型电炉因本身重量大及参加炉内的工件重量也大，所以一般均直接在底盘上焊接炉体及砌砖。大型电炉可以在特定的专用的地基上设计成无钢性底盘的构造，而就地焊接砌砖，但这种电炉在安装后不能吊运及移动。中小型电炉的炉门可用配重及手动装置来开闭，下部一般均有砂封槽，有些炉门上边也设有砂封槽，以保证良好的密封性，炉门关闭时，用压紧装置使炉门严密的与门框接触，削减漏气。大型电炉可以用电动或气动、液压开闭炉门，电加热元件一般可以在炉膛内左右侧墙上及底面上布置，为了得到良好的热场，最好在炉顶上也布置电加热元件，由于炉内工件一般堆放高度不会超过宽度，所以以上下两个方面加热比左右两个方面更为有效。大型及中型电炉可以在炉门上及后墙上适当的布置一些电加热元件，以削减炉内的温差，为了保证炉门口的热损失能得到更好的平衡，可以在较大的箱型电炉上靠炉门口的炉膛长度 1/3 处作为一个掌握区。通保护气体的炉子应设有保证安全运行的必要装置及良好曲密封性。
井式电炉一般均为圆筒形炉膛，内径一般最小为 600 毫米，大小了，安装修理时不便利；炉壳用型钢作为骨架再焊上钢板，小型炉盖可用手动机构开
闭，大型及中型的可用电动或液压等机构开闭，高度与直径好比在 1-- 的电
炉工件一般放管在炉膛底部，高度与直径比在 2 以上时。工件大部用吊挂方式，吊于炉口内或炉上外部的专用吊架上，掌握区的设置一般以直径的 1--1．5 倍为一个。在温度掌握要求不高时。有时一个掌握区长度到达直径的 2 倍。
可控气氛箱形多用炉一般在构造上是分为前室及炉膛、冷却槽，前室由型钢及钢板焊成的密封空间下边与冷知槽相连，上边设有水冷壁的空气冷却室。中间有通过工件的轨道及上下升降的料架，由顶上的气缸来操作 (可电气动或液动)下降时工件进入冷却槽，进展快速冷却或等温淬火、上升时工件在上边气氛中缓冷。炉膛在前室后边，中间有一个炉门隔开，进料出料时。炉门由上部气缸翻开。炉膛由抗渗碳砌成。电加热器有两种形式，一种是由高电阻合金板材制成；为了消退外表积炭形成短路，加热器面涂上专用的高温绝缘釉；另一种为辐射管式的，水平或垂直的插入炉中，管中用大切面圆形电阻线组成金属发热器。炉内具有强力的风扇，炉子前面为一个推料装置，用以向炉内进出料， 电炉附有气体发生器或直接向炉内滴注有机液及碳势掌握设备。
连续式电炉有推杆式及传送带式：
推杆式由三个局部组成，炉体是用型钢、钢板焊成，由于这一类电炉较 长，重量及装料量亦较大，炉体一般均在工地安装，设计上可承受无钢性底盘的构造，在特定的地基上进展安装，总装完成后，不能吊装、移动，炉内的砌
体上设有轨道以放置料盘及工件，低温的电炉，炉顶 —般是做成与下炉体可以分开的，在炉顶上有专用的导风板及风扇，推料机可以是机械的，或液压的。
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对单排轨炉每动作一次向炉内推入一盘料，出料局部在中小型的炉中可用人工拉出的，也可以是用机械方式出料的，各种动作由电气掌握装置自动操作。
传送带式电炉，炉体与推杆式的相像，不同的只是炉内用一条环形的耐热钢制的传送带来传送工件，传送速度由一台无级变速电机及减速机或机械变速机来调整。一般电炉的砌砖体组成，简洁的介绍如下：炉中表层炉膛砖在1200℃的电炉中，一般用比重 或 高铝质或轻质粘土砖。在 1000℃以下
的一般用比重 的轻质粘土砖。在推杆式及传送式电炉中，及大型电炉中， 一般宜承受较重的砖，以保证砖体具有较长的使用寿命，而较厚的保温层一般是用来保证电炉具有较小的热损失。在 700。1000 的电炉中，一般用 113 毫米厚的保温耐火层及 113—180 毫米厚的保温层。在 400-650℃的电炉中，用 65—
113 毫米厚的保温耐火层及 65—113 毫米厚的保温层。 1200 的电炉中可用 113
毫米厚的耐火层及 65—113 毫米厚的高温隔热层及 135—180 毫米厚的保温层。一般小功率的电炉可用较薄的砖层，功率大的电炉可用较厚的砖层。
模糊掌握的争论与进展
在科学技术进展史上，掌握科学同其它技术科学一样，它的产生与进展主要由人类的生产进展需求和人类当时的技术和学问水平所打算的。从古代亚历山大运用反响掌握来调整水流的水钟到现代太空和大规模简单工业系统的综合自动化，掌握科学在技术进步中都起着格外重要的作用。直到二十一世纪的今日，人们仍在不停的探究。，掌握 理论经受了古典掌握理论、现代掌握理论、及智能掌握理论的进展过程。
“Fuzzy Sets”中， 首次提出用“隶属函数”的概念来定量描述事物模糊性的模糊集合理论，从今奠定了模糊数学的根底。 应用在锅炉和蒸汽机的掌握之中，在自动掌握领域中首开模糊掌握在实际工程上应用之先河。在此后的短短 30多年里，模糊掌握获得了长足的进展，在理论和应用上都取得了令人赞美的丰硕成果。 1985年世界上第一块模糊规律芯片在美国著名的贝尔试验室问世，这是模糊技术走向有用化的又一里程碑。 90年月初，模糊家电风行日本，给日本企业带来了巨大的商业利润，同时也推动了欧美和其它国家，进一步促进了模糊技术的进展。
模糊掌握的进展大体分为三个阶段：根本模糊掌握[1]；复合模糊掌握[2]；仿 生模糊掌握。模糊掌握在短短的三十多年中进展如此快速，足以说明其具有很大的理论和实际意义。理论争论和实际应用都说明模糊掌握具有良好的掌握性能，具有响应速度快、抗干扰性强、鲁棒性好、掌握算法简洁等优点。
早期研制的模糊掌握器，应用在一些较简洁的掌握系统中，以模糊规律语言为动身点，承受 ，得出掌握决策，属于根本模糊掌握。由于其设计过程简洁，本钱低廉，掌握效果也较为明显，至今广泛应用于掌握领域。历经几十年的争论与实践，根本模糊掌握渐渐
暴露出自身的局限性，对于那些较为简单的非线性、时变性较大的多变量系 统，不能进展有效的掌握。于是，争论人员借助传统掌握方法，将传统掌握方法和模糊掌握相结合，扬长避短，形成复合掌握，这也是模糊掌握的又一进 步。基于复合模糊掌握的很多模型有效地解决了多年的掌握难题。近几年来， 随着各个学科学问的穿插进展，边缘学科呈现强劲的进展势头。首先是神经网络理论的系统化和完备化，促进了神经网络掌握，包括模糊神经网络掌握的发
展。紧接着是进化计算(特别是遗传算法)的兴起，人们将这些理论与掌握问题结合起来，渐渐进展成为基于仿生学的模糊掌握，简称仿生模糊掌握，标志着自动掌握己经进入智能化的崭阶段。
模糊掌握之所以能获得这样快速的进展，与其自身具备的特点不无关系， 模糊掌握的突出特点在于：
模糊掌握器是建立在对专家、操作人员的阅历和现场操作数据的仿照总结根底之上，这种掌握器的设计不要求知道被控对象的准确数学模型，而只需要供给现场操作人员的阅历学问及操作数据。
掌握系统的鲁棒性强，对于非线性时变滞后系统，由于其对参数变化不敏感，所以其动态特性和静态特性均优于常规掌握手段。
以语言变量代替常规的数学变量，易于构造形成专家的“学问”。
掌握推理承受“不准确推理(approximate reasoning) ”。由于推理过程仿照人的思维过程，参加了人类的阅历，因而能够处理简单甚 “病态”系统。模糊掌握理论之所以能广泛进展并在现实中得以成功应用，其根源在于模糊规律本身供给了由专家构造语言信息并将其转化为掌握策略的一种系统的推理方法。从广义上讲，模糊掌握是基于模糊推理，仿照人的思维方式对难以建立准确数学模型的对象实施的一种掌握。它是模糊数学同掌握理论相结合的产物 [3] 。
对于简单系统(具有非线性、大时滞、多变量等特点)，经典掌握理论和现代掌握理论在无视一些认为是次要因素的前提下，建立系统的传递函数模型或状态空间模型。这样处理的结果固然可以得到准确的数学模型(有时也不能得到)， 但是次要因素的无视可能使原来明确的概念模糊起来。但系统受模糊性因素的影响不断积存时，将使得以建立的准确数学模型无法描述系统的动态特性；相反，当“人”作为系统中的一元，参与系统动态过程时，，有以下优点：
模糊掌握完全是在操作人员掌握阅历根底上实现对系统的掌握，无需建立数学模型,是解决不确定系统的一种有效途径。
模糊掌握具有较强的鲁棒性，被控对象参数的变化对模糊掌握的影响不明显，可以用于非线性、时变、时滞的系统。
由离散计算得到掌握查询表，提高了掌握系统的实时性。
掌握的机理符合人们对过程掌握作用的直观描述和思维规律，为智能掌握应用打下了根底。
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模糊掌握在工业电阻炉上应用的可行性
在工业生产过程中，电阻炉随着负荷变化或干扰因素的影响，其对象特性或构造发生转变。电阻炉温控具有升温单向性、大时滞和时变的特点，如升温靠电阻丝加热，降温依靠自然冷却，温度超调后调整慢，因此用传统的掌握方法难以得到更好的掌握效果。另外对于PID掌握假设条件稍有变化，则掌握参数也需调整。自适应掌握运用现代掌握理论在线辨识对象特征参数，实时转变其掌握策略，使掌握系统指标保持在最正确范围内。但由于操作者阅历不易准确描
述，掌握过程中各种信号量以及评价指标不易定量表示，而模糊理论正是解决这一问题的有效途径。
人们运用模糊数学的根本理论和方法，把规章的条件操作用模糊集表示并把这些模糊掌握规章及有关信息 (如评价指标、初始PID 参数等)作为学问存入计算机学问库中，然后计算机依据掌握系统的实际响应状况运用模糊推理，实现自动对PID参数的最正确调整。
从以上的分析可知模糊掌握应用在具有明显的纯滞后、非线性、参数时 变，类似于电阻炉这样特点的掌握对象可以获得很好的掌握性能。大量的理论争论和实践也充分证明白用模糊掌握电阻炉温度是一种格外好的解决方法。它发挥模糊掌握的鲁棒性好、动态响应好、上升时间快和超调小的特点。因此在温度掌握器设计中承受模糊掌握。