双腔加热炉温度解耦控制研究

摘要

现代工业生产过程是一种有序过程，变量之间环环相扣、关系错综复杂，某个过程变量的波动往往会导致多个变量随之变化。这种变量之间相互干涉的现象称为耦合，消除耦合的过程称为解耦。
　　耦合是工业生产过程中存在的普遍现象。在现代化工业生产中，对过程控制的要求越来越高，因此，在一个生产装置中往往设置多个控制回路以稳定各个被控参数，由于控制回路的增加，往往会在它们之间产生相互影响的耦合作用，即系统中每一个控制回路的输入信号对所有回路的输出都有影响，而每一个回路的输出又会受到所有输入信号的作用。要想一个输入只去控制一个输出几乎不可能，这就构成了“耦合”系统。由于耦合作用，往往使系统难于控制、过程长久不能平稳，性能很差。
　　解耦控制是一种新型的控制算法，其目的是寻找合适的控制规律消除系统中各控制回路之间的相互耦合关系，使每一个输入只控制相应的一个输出，每一个输出又只受到一个输入的控制。解耦控制是多变量系统控制的有效手段，其应用范围涉及钢铁、石油、化工、轻工、机械、军工等国民经济的诸多领域。
　　本文以双腔电加热炉炉温为控制对象，当双腔炉隔板上的耦合孔打开时，双腔的温度将发生耦合。本文中设计的系统使用铂电阻Pt100采集双腔温度，通过研华PCI-1711数据采集卡进行输入输出信号的A/D、D/A转换，在上位机中采用组态软件MCGS建立控制系统，以可控硅作为输出控制器件，采用对角线矩阵法进行双腔炉温的解耦控制。
　　本文首先介绍了国内外解耦控制的研究现状，随后详细介绍了本次设计的系统方案及软硬件环境设计，然后使用该控制系统进行了一系列实验，包括被控对象的辨识、PID控制，以及温度解耦控制，取得了良好的控制效果，最后针对该解耦控制系统提出了改进意见及展望。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景

1．1．1 工业控制中常见的耦合现象

1．1．2 解耦控制的意义

1．2 国内外的研究现状

1．3 研究课题的主要内容

1．3．1 温度控制平台的设计与实现

1．3．2 工作要点

1．4 论文结构安排

第2章 系统实现方案

2．1 系统设计方案概述

2．2 双腔炉温度控制系统的总体设计方案

2．2．1 上位机软件控制部分设计方案

2．2．2 被控对象

2．2．3 控制电路部分

2．2．4 采样电路部分

2．3 本章小结

第3章 系统硬件设计

3．1 被控对象双腔电加热炉

3．2 数据采集卡

3．3 控制模块

3．4 信号调理电路

3．4．1 数据采集电路

3．4．2 电压变换电路

3．5 本章小结

第4章 系统软件设计

4．1 MCGS组态软件介绍

4．1．1 MCGS组态软件的功能和特点

4．1．2 MCGS组态软件的整体结构

4．1．3 MCGS工程的组成部分

4．1．4 MCGS工程开发的一般过程

4．2 双腔炉温度控制系统软件的开发

4．2．1 制作工程画面

4．2．2 定义数据对象

4．2．3 曲线设置

4．2．4 设备组态

4．2．5 编写控制算法

4．2．6 运行效果

4．3 本章小结

第5章 被控对象模型辨识及系统控制实验

5．1 被控对象模型辨识

5．1．1 近似法(切线法)

5．1．2 两点法

5．1．3 单腔加热炉模型的辨识

5．2 单腔炉PID控制实验

5．3 积分分离的PID控制实验

5．4 本章小结

第6章 双腔炉温度解耦控制的实现

6．1 解耦控制原理

6．2 多变量解耦控制的综合方法

6．2．1 单位矩阵综合法

6．2．2 前馈补偿综合法

6．3 双腔炉温度解耦控制

6．3．1 对角矩阵解耦法

6．3．2 耦合矩阵参数测量

6．3．3 解耦矩阵求解耦合矩阵参数测量

6．3．4 解耦控制工程

6．4 本章小结

第7章 总结与展望

7．1 本文工作的总结

7．2 问题和展望

参考文献

致谢