基于模糊PID的热处理炉温度控制系统的研究

摘要

热处理是一种改善金属材料及其制品性能的一种工艺，主要是通过对金属材料及其制品进行加热、保温及冷却，来改进金属材料及其制品的内部显微组织和表面化学成分，从而提高金属材料及其制品的性能。在热处理的过程中，温度是直接影响金属热处理质量的重要参数，由于热处理炉是进行热处理加热的大型热工设备，因此，对热处理炉内温度控制的研究尤为重要。
　　本文针对热处理炉温度控制的需求，采用现代传感技术、PLC控制技术以及自动控制理论，结合PID控制技术和模糊控制技术，设计了基于模糊PID控制器的热处理炉温度控制系统，在分析热处理炉温度工艺曲线的基础上，采用模糊PID控制原理，实现了热处理炉内的温度调节，以及温度超限报警和烧嘴故障报警;同时采用组态王软件，实现了上位机监控系统的设计。
　　对温度控制系统的软硬件进行设计，系统的硬件选用欧姆龙公司的CJ2M-CPU11型号的PLC为控制核心，采用WRK-332型号的K型热电偶作为温度检测的敏感元件，通过放大电路和V/I转换电路，实现了4～20 mA的信号传输，使用ST-50电动执行器对风阀进行脉冲控制;采用梯形图对系统软件进行设计，其程序主要包括初始化、点火控制、温度采集、温度控制、报警等功能子程序。
　　本系统在某集团热处理车间运行调试，结果表明本系统接线简单、运行稳定、操作方便、动作可靠、抗干扰能力强、通用性强的优点，运行数据表明设计的温度控制系统，控制效果满足热处理对温度工艺的性能要求，适用于对锅炉台管进行退火热处理的台车式燃气式热处理炉的温度控制。

目录

声明

摘要

1 引言

1．1 目的和意义

1．2 热处理炉温度控制的国内外现状

1．2．1 国外研究现状及趋势

1．2．2 国内研究现状及趋势

1．3 研究的主要内容

2 热处理炉温度控制系统总体方案设计

2．1 热处理炉简介

2．2 性能指标

2．3 系统方案设计

2．3．1 控制系统的结构组成

2．3．2 控制系统的方案设计

2．4 本章小结

3 热处理炉温度控制器理论仿真与设计

3．1 热处理炉温度数学模型

3．1．1 热处理炉温度数学模型的分析

3．1．2 热处理炉温度阶跃响应曲线的测定

3．1．3 热处理炉温度数学模型的建立

3．2 系统控制原理

3．2．1 控制策略

3．2．2 PID控制器

3．2．3 模糊控制器

3．2．4 模糊PID控制器

3．3 模糊PID控制器的仿真与设计

3．3．1 输入输出变量的隶属度函数的确定及模糊化

3．3．2 模糊控制规则及模糊运算

3．3．3 解模糊

3．4 模糊PID控制器的仿真

3．4．1 仿真环境

3．4．2 系统仿真结果

3．5 本章小结

4 热处理炉温度控制系统软硬件设计

4．1 系统硬件电路设计

4．1．1 温度检测电路设计

4．1．2 温度控制电路设计

4．1．3 报警电路设计

4．2 软件设计

4．2．1 控制系统程序设计

4．2．2 上位机监控界面设计

4．3 本章小结

5 系统调试与性能分析

5．1 系统调试

5．1．1 系统硬件调试

5．1．2 硬件系统总体调试

5．2 系统软件测试

5．2．1 监控界面测试

5．2．2 系统程序测试

5．3 系统运行结果分析

5．4 本章小结

6 结论

致谢

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表的学术论文