箱式电阻炉控制系统的建模与实现

摘要

在现代工业和实际教学科研中，电阻炉都是重要的加热设备。电阻炉温度控制是一个复杂的控制过程，它具有非线性，升温的单向性、大惯性、滞后性和耦合性等特点。因此，对电阻炉系统进行建模和控制，具有重大的实际意义。本文目的在于对箱式电阻炉控制系统提供从建模到控制到优化的整体解决方案。
　　本文首先根据系统的输入输出特性，摆脱电阻炉的传统一阶惯性模型，采用MATLAB/Simulink、曲线拟合工具箱等高性能计算工具，提出建立电阻炉系统的二阶模型。并与传统一阶模型进行比较，从而证明二阶系统的优越性。其次，本文利用新建立的系统模型，得到系统的Simulink仿真系统，并利用最优控制的概念，采用ITAE积分型误差指标，通过MATLAB自动寻找最优化参数，得到理论上最适合模型的最优控制器参数。并把参数移植到实际控制系统中，比较仿真系统与实际系统的控制差异。最后，本文针对仿真系统参数不能实时适应实际系统的特点，在系统理论的PID参数基础上提出参数自校正的方法，通过计算控制器参数的校正量，实时微调系统参数，提高系统定值控制的效果。
　　此外，根据实际系统要求，本文采用组态王软件编写上位机界面，并与智能仪表建立通讯，使上位机能实时远程监控系统，并记录系统状态，实现一个小型的集散控制系统。
　　实验证明，本文得出的二阶系统模型能比传统一阶模型更好得拟合实际测得的系统阶跃响应曲线，但是仿真模型的控制效果与实际系统仍存在一定差异。虽然仿真模型在一定程度上能反应实际系统的趋势，但仿真系统还不能完全模拟实际系统。为了弥补这一缺憾，参数的在线自校正在PID参数大概确定的基础上，根据实际系统，微调系统控制参数，使系统的定值控制更加准确。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 选题的目的和意义

1．2 电阻炉控制研究现状

1．2．1 电阻炉建模研究现状

1．2．2 电阻炉控制系统发展现状

1．3 本文的研究内容

2．电阻炉系统的模型建立方法

2．1 概述

2．2 系统模型的建立

2．2．1 基于阶跃曲线建模的基本思想

2．2．2 二阶系统的单位阶跃响应

2．2．3 基于阶跃响应的二阶传递函数模型建立

2．3 本章小结

3．PID控制器参数整定和优化

3．1 PID控制器的介绍

3．2 PID参数整定和优化

3．2．1 PID参数整定

3．2．2 PID参数自校正

3．3 本章小结

4．控制系统硬件设计

4．1 系统硬件结构

4．2 系统硬件组成

4．2．1 箱式电阻炉

4．2．2 传感器

4．2．3 智能仪表

4．2．4 RS485总线

4．2．5 控制方式

4．2．6 控制周期

4．3 本章小结

5．控制系统的软件设计

5．1 I／O设备管理

5．2 组态王与智能仪表的通讯

5．3 仪表通讯协议说明

5．4 组态王软件设计

5．4．1 监控画面

5．4．2 曲线系统

5．4．3 报表窗口

5．5 本章小结

6．电阻炉系统建模

6．1 MATLAB数据导入

6．2 阶跃响应曲线拟合

6．3 传递函数的导出

6．4 模型效果比较

6．5 本章小结

7．电阻炉系统的控制实现

7．1 PID参数整定

7．1．1 最优化参数计算

7．1．2 仿真与实际控制效果

7．2 控制器参数在线校正

7．2．1 电阻炉自校正参数设定

7．2．2 参数自校正运行效果

7．3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢