电加热炉_MATLAB仿真

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 课程设计名称： 过程控制 设计题目： 电加热炉炉温的模糊控制

完成期限：自 2014 年 6 月 22 日至 2014 年 6 月 27 日共 1 周 设计依据、要求及主要内容： 设计任务

电加热炉炉温的控制过程如下：测温元件将检测到的温度信号送到变送器的输入回路，经低电平自激调制放大后输出mA 级的电流信号，该信号经过电阻后变为0~5V 的电压信号，然后通过A/D 转换将模拟量信号转换成为数字量信号，经过计算机与设定值比较、运算后，再由D/A 转换输出0~5V 的模拟量电压信号，该电压直接控制晶闸管调功器的输出功率，从而对电加热炉的温度进行调节，调节范围：20~350℃。

电加热炉温度控制系统示意图如图1所示：

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。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。再把比较器的差值经PID 运算后送到执行机构，改变进给量，以达到自动调节的目的。在数字控制系统中则是用数字调节器来代替模拟调节器，按偏差的比例、积分和微分进行控制和调节。PID 调节器具有结构简单、调整方便和参数整定与工程指标密切相连等特点，对于大部分对象控制精度也较高，这些优越性使得PID 结构调节器是连续系统中应用最广泛的一种调节器，一直经久不衰，并将继续在工程实践中发挥重要的作用。

电阻炉可以用以下模型定性的描述它

1

)(+=-TS Ke s G s τ

式中K-放大系数 ，T-时间系数 ，τ-纯滞后时间。

但在实际热力工程中，由于实际工况的复杂性（加工工件的性质、初温、升温、幅度规格、装炉量以及电气环境等因素），使得上述数学模型偏离实际情况相当严重 。

电阻炉由电阻丝加热，温度控制具有非线形、大滞后、大惯性、多变量、时变性等特点。在实际应用中，电阻炉温度控制遇到了以下困难：

第一：很难建立精确的数学模型；

第二：不能很好的解决非线形、大滞后等问题。以精确的数学模型为基础的经典控制理论和现代控制理论在解决这些问题是遇到了一定的困难。

上世纪50年代前后的经典控制理论主要研究单输入-单输出的线性定常系统；60年代末的现代控制理论主要研究多输入-多输出的被控对象，系统可以是线性或非线性的，定常或时变的。这两个阶段的控制理论的发展与应用，对于存在数学模型的自动控制系统发挥了非常大的作用，并取得了令人满意的控制效果，这些控制方法的优点明显，但存在难以克服的缺陷。对于那些很难或的数学模型的控制对象，往往显得无能为力。上述各种传统控制方法在炉温控制系统中的仿真、实验和实际应用结果看，效果并不是非常理想。一个显著的共同特点就是需要建立系统准确数学模型，当模型建立不准确时，不仅增加了调试的工作量，而且控制效果不好。从70年代末开始，随着计算机技术的快速发展，智能控制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

本系统的设计主要是解决电阻炉温度的实时控制，希望控制系统给出的控制量控制电阻炉的温度，使得电阻炉的温度可以跟踪由键盘输入的给定值。

概括起来，本系统的功能有：

(1)数据的采集；

(2)过程监控：包括参数显示、上下限报警等；

(3)基于模糊规则的控制算法；

(4)通过D/A转换输出控制量；

(5)实现上位机和下位机的通信。

随着嵌入式系统开发技术的快速发展及其在各个领域的广泛应用，人们对电子产品的小型化和智能化要求越来越高，作为高新技术之一的单片机以其体积小、功能强、价格低、使用灵活等特点，显示出其明显的优势和广泛的应用前景。在航空航天、机械加工、智能仪器仪表、家用电器、通信系统、智能玩具等领域，单片机都发挥了很大的作用。

第二章模糊控制器的设计

2.1模糊控制介绍

1965年Zadeh教授发表了《模糊集合论》论文，提出用“隶属函数”这个概念描述现象差异的中间过渡，从而突破了古典集合论中属于或不属于的绝对关系。Zadeh教授的这一开创性工作，标志着数学的一个新分支------模糊数学的诞生。模糊数学从诞生至今，在刚诞生的几年里发展相当缓慢，在进入70年代后，模糊集合的概念被越来越多的人接受，这方面的研究工作也就相应地迅速发展起来，并应用到聚类分析、图象识别、自动控制、故障诊断、机器人以及人工智能等多方面领域。1974年英国学者E.H.Mamdani首次把模糊集合理论成功地应用在锅炉和蒸汽机的控制之中，在自动控制领域中首开模糊控制在实际过程上应用之先河。1985年世界上第一块模糊逻辑芯片在美国著名的贝尔实验室问世，这是模糊技术走向实用化的又一里程碑。模糊理论是从模糊数学发展而来，现在该理论的研究主要集中在模糊集合、隶属函数和模糊逻辑推理上。

模糊逻辑在控制领域中的应用称为模糊控制。模糊控制是以控制集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种计算机控制。从控制器的智能性看，模糊控制属于智能控制的范畴。模糊控制的最大特征是能够将操作者或专家的控制经验和知识表示成语言变量描述的控制规则，然后用这些规则去控制系统。因此模糊控制特别适用于数学模型未知的、复杂的非线性系统的控制。从信息的观点看，模糊控制是一类规则型的专家系统，从控制技术的观点看，它是一类非线性控制器。

控制系统中要有被控对象（过程），被控对象按其模型可分为以下几种：1．能建立精确的数学模型

2．能建立精确的数学模型，但要附加一些条件3．只能建立近似的数学模型4．无法建立数学模型

专家们普遍认为：人高明于机器的重要一点就是人具有对FUZZY事物进行识别和近似推理的能力，即综合考虑各种情况，然后作出判断的能力。用表达式表示为：

IF 情况1 AND 情况2 ……AND 情况N THEN 结论

而FUZZY控制正是以自然语言为基础，利用经验总结的控制规则，经过模糊推理与判断，去控制被控对象。因此对于那些难以建模的对象，FUZZY控制利用看起来不确切的方法，常常可以达到精确控制的目的。

2.2模糊控制器的设计

2.2.1 建立模糊控制器结构

在MATLAB命令窗口中，输入fuzzy，打开FIS编辑器，构建两输入、一输出的模糊控制器，以文件名：xin.fis存盘，如图2所示：

图2 FIS编辑器界面

2.2.2 定义输入、输出模糊集并确定个数类别

依据模糊控制器的控制规律同时兼顾控制精度，论文论文将输入的误差(e)划分为17个等级，即E={-8，-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6，+7，+8}，模糊集E取9个语言值：上限（PC）；正大（PB）；正中（PM）；正小（PS）；0（IE）；负小（NS）；负中（NM）；负大（NB）；下限（NC）。将偏差变化率Ec划分为13个等级，即：Ec={-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6}，模糊集Ec取7个语言值：正大（PB）；正中（PM）；正小（PS）；0（IO）；负小（NS）；负中（NM）；负大（NB）。控制量U划分为17个等级，即：U={-8，-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6，+7，+8}，模糊集U取9个语言值：最大（MAXC）；正大（PB）；正中（PM）；正小（PS）；0（IC）；负小（NS）；负中（NM）；负大（NB）；最小（MINC）。

2.2.3 定义输入、输出的隶属函数

误差e、误差微分及控制量的模糊集和论域确定后，需对模糊变量确定隶属函数。即对模糊变量赋值，确定论域内元素对模糊变量的隶属度。

对于输入量误差(e),误差微分(ec)，输出量（u）都采用高斯型的隶属函数(trimf)，同时

为体现定义的17,13,17个模糊子集，见图3，图4，图5。

图3 e的隶属函数图

图4 ec的隶属函数图

图5 u的隶属函数图

2.2.4 编辑模糊控制规则

单击FIS编辑器中规则编辑器，将表1中所示的模糊规则依次输入规则编辑器中，共63条，全部采用and的命令，如图6所示。

图6 规则编辑器界面

此时，基于GUI编辑的模糊控制器已经全部完成，将此FIS系统再次进行保存。为了在simulink 仿真环境中调用FIS系统，将xin.fis文件进行File→Export→To Disk……的同时，还需进行File →Export→To Workspace……，此时弹出如图7所示的对话框。

该操作将xin.fis文件保存工作空间中，可供simulink建立模糊控制系统时，对模糊控制器进行调用和连接。

2.2.5规则观测器

在GUI的任意界面中，选择View→Rules，液位规则观测器界面如图8所示。

图7 保存FIS文件到工作空间界面

图8规则观测器界面

2.2.6 输出曲面观测器

在DUI的任意界面中，选择View→Surface，液位输出曲面观测器界面如图9所示。

图9 输出曲面观测器界面

通过分析图形特点，可以看到它有明显的梯度分布，说明所设计的模糊系统与理论设计匹

配良好。

第三章 建立simulink 仿真模型

3.1 原系统的simulink 仿真模型

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 -=

+

原系统的系统结构如图10所示

图10 原系统结构图

得出仿真结果如图11所示：

图11 原系统单位阶跃响应曲线

3.2 模糊控制simulink 仿真

系统输入为单位阶跃信号，选取量化因子1.0=c K ，05.0=ec K ，比例因子2.0=u K 。激活

simulink仿真环境，建立模糊控制系统，系统结构图如图12所示。

图12 模糊控制仿真结构图

在simulation下拉菜单中，选择Start，完成仿真。双击图12中所示simulink仿真结构图的Scope，系统仿真结果曲线如图13所示。

图13 模糊控制的仿真结果

比较两个结果，明显发现模糊控制调节缩短。

第四章硬件系统

本系统是为热处理用电加热炉设计的一套的控制系统，利用单片机、温度传感器、加热丝和A/D 转换芯片来实现的控制系统，其中主要的特点就是升温均匀、精确，升温曲线具有线性等。本系统与传统的控温方法相比更具有精度高、功能多、造价低、结构简单和使用方便等优点。其人机界面友好，操作简单，使用方便，具有较高的性能价格比。为了降低成本和保证较高的控温精度，采用普通的ADC0809芯片和具有零点迁移、冷端补偿功能的温度变送器桥路，使实际测温范围缩小。

4.1 系统总体设计

本系统由AT89C52单片机、温度检测电路、功率控制电路、键盘显示电路和声光报警电路等组成，系统原理框图如图14所示。

图14 系统原理框图

由图可知，温度控制系统的构成：温度控制系统检测时，被测炉温经热电偶测量后转换成电压信号，经变送器转换，将检测信号送到A/D转换器进行模拟/数字信号转换，转换后的数字量经I/O接口读入到CPU，在CPU中经数据处理后，一方面送到显示屏上显示，并判断是否报警；另一方面通过过零触发电路驱动双向可控硅进行控温。

4.2 温度传感器的选择

在本系统中采用的是镍铬-镍硅K型热电偶。采集温度信号只需要一路采集炉温，金属热处理炉的最高要求温度为1000℃。由于热电偶测温范围广（-100～1300℃），而且测量精度高，结构简单，热惰性小，输出为电信号便于事先远距离传送和集中检测、自动控制，因此在测量温度信号时选择它。

4.3 A/D转换电路

A/D转换芯片采用ADC0809，其转换精度是l/256。若电加热炉工作温度是256℃，则在(0～256)℃范围A／D的转换精度为256℃/256=l℃/bit，即一个数字量表示l℃，这显然不能满足控制精度为士O.5℃要求。为了提高控制精度，可以选用更高位的A/D转换器，如l0位、l2位、l6位A/D转换器，其控值精度均能满足要求。然而根据实际需要温度控制情况，也可以通过具有零点迁移和冷端补偿功能的温度变送桥路，缩小测温的范围，如炉温升到90℃后要求温度维持90℃基本不变，那就可以将测温范围缩小为(O～128)℃、(128～256)℃，从而使理论设计控温精度达到士0.5℃。

4.4声光报警电路

在单片机控制系统中，一般的工作状态可以通过指示灯或数码显示来指示，以供操作员参考。但对于某些紧急状态或反常状态，为了使操作人员不致忽视，以便及时采取措施，往往还需要有某种更能引人注意、提起警觉的报警信号。这本系统的报警电路包括闪光报警和鸣音报警两种方式。

发音组件采用压电蜂鸣器，只需在其两条引线上加3V～24V的直流电压，蜂鸣振荡音响。压电式蜂鸣器结构简单、耗电小，而且适合于单片机系统。本电路的设计中，要考虑与发光二极管串联的限流电阻大小的确定，阻值选择不当会影响二极管的寿命。

4.5 人机界面

键盘和显示电路实现了人机交互功能，通过键盘电路可以设置系统运行状态和系统参数，显示电路可以显示系统的运行状态、控制时间、设定温度、实际温度等。在本设计中采用的是3行*3列键盘，列线由P1.0～P1.2口控制，行线由P1.3～P1.5口控制。电路中共9个按键，包括设置键、3个温度参数和时间设置键、4个系统运行状态选择键、1个确定键。系统在程序初始化时控制键盘行线的P1.3～P1.5口输出高电位，控制键盘列线的P1.0～P1.2口输出低电位，在判断电路是否有按键按下时，读P1.0～P1.5端口值，若端口值不是000111，则说明电路中有按键按下。然后根据程序进行去抖动处理和计算键值。

本设计中的显示模块采用的是北京集粹电子设备制造有限公司的SG160128-01A液晶显示模块，可显示字符、汉字、图形，显示屏结构为160*128点阵，其引脚功能如表2所示。该显示模块内置液晶显示控制器T6963C，T6963C的最大特点是具有独特的硬件初始值设置功能，显示驱动所需的参数如占空比系数、驱动传输的字节数/行及字符的字体选择等均由引脚电平设置，这样T6963C的初始化在上电时就已经基本设置完成，软件操作的主要精力可以全部用于显示画面的设计。液晶显示模块和单片机的连接方式分为直接访问和间接访问连接方式二种。

4.6 功率控制电路

数据采集电路检测到的温度信号(经A/D转换为数字量)，送给CPU后经过PID运算，得到相应的控制量用来调节电阻炉加热功率的大小，这是本系统的一个重要环节。功率控制电路采用双向可控硅过零检测电路来实现。采用双向可控硅的过零检测与过零触发方式调功非常方便，并可使硬件电路大为简化。

为了达到过零触发的目的，要有交流电过零检测电路，此电路输出对应于50Hz交流电压过零时刻的脉冲，作为触发双向可控硅的同步脉冲，使可控硅在交流电压过零时刻触发导通。当交流电压过零时，电路输出脉冲，作为触发双向可控硅的同步脉冲，使可控硅在交流电压过零时刻触发导通。

表2 SG160128-01A管脚

第五章总结

本控制系统设计综合运用了自动检测技术、自动控制理论以及过程控制理论。为了更好的完成设计，我将以前的一些教科书籍重新找出，认真阅读，从中不仅查找到了设计中需要的知识点，还发现了一些以前学习中忽略了的知识，在完成设计的同时得到了额外的收获。

在做这个项目设计之前，我一直以为自己的理论知识学的还是蛮可以的。但当我拿到设计任务书的时候，却不知道如何下手。开始了我又总是被一些小的，细的问题挡住前进的步伐，让我总是为了解决一个小问题而花费很长的时间。最后还要查阅其他的书籍才能找出解决的办法。并且我在做设计的过程中发现有很多东西，我都还不知道。其实在设计的时候，基础是一个不可缺少的知识，但是往往一些核心的高层次的东西更是不可缺少的。

设计中遇到了很多自己无法解决的问题，我于是向老师、同学求助，在指导老师的点拨以及同学们的建议下，我成功的解决了遇到的问题。由此我意识到，任何时候任何事情，闭门造车都是不可取的，要一直向周围的师长、同学求教，以取得新鲜的知识。

第六章参考文献

[1] 张德丰.MATLAB/SIMULINK建模与仿真实例精讲【M】.北京：机械工业出版社，2010,1

[2] 陈桂明，张明照.应用MATLAB建模与仿真[M].北京：科学出版社，2001

[3] 刘锡权.电加热炉温控制系统的设计.吉林大学，2008,3