基于模糊算法的渗碳炉温度和碳势在线测控系统研究

摘要

热处理是金属材料加工的重要工艺之一,是保证和提高金属零件质量与使用寿命、发挥金属材料潜力、节约原材料的有力手段。随着我国工业技术的发展,对热处理行业提出了更高的要求。本文基于模糊算法对渗碳炉温度和碳势在线测控系统进行了深入研究,主要研究内容及其成果如下:根据渗碳炉的非线性、时变和滞后性的特点,建立了渗碳炉温度控制系统模型和碳势控制系统模型。利用MATLAB中的模糊逻辑工具箱和Simulink仿真元件包,分别利用PID控制、模糊控制和模糊自适应PID控制对系统进行了仿真分析,结果表明:PID控制超调大、调节时间长,当缩短调整时间时,系统超调量变大,当调节超调量变小时,响应时间变长;模糊控制能使系统获得很好的动态特性,但静态误差难以消除;模糊自适应PID控制响应时间短、无超调、系统稳定性好,抗干扰能力强。设计了以DSPLF2407为核心的硬件电路,其中,温度补偿电路中选用单总线传输的数字传感器DS18B20,它能直接和DSPLF2407进行数字量传送,简化了硬件电路的设计;控制输出电路采用脉宽调制电路触发双向晶闸管和固态继电器来控制炉温和碳势。系统的软件设计采用了当今流行的模块法,设计了系统主程序流程和各个子模块流程,给出了部分子模块的计算程序。

目录

致谢

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 论文研究的意义

1.2 渗碳炉国内外发展现状概述

1.2.1 碳势控制技术的国内外研究现状

1.2.2 温度控制技术的国内外研究现状

1.2.3 智能控制的发展

1.3 论文研究的主要内容

2 渗碳炉控制系统设计与构成

2.1 渗碳工艺简介

2.2 碳势检测与控制

2.2.1 碳势控制原理

2.2.2 碳势测量与控制

2.3 温度测量与控制

2.4 渗碳炉控制系统构成

3 模糊控制器的设计及系统仿真

3.1 模糊控制器的设计

3.1.1 模糊控制器的结构

3.1.2 控制系统输入输出变量确定

3.1.3 隶属函数的选择

3.1.4 模糊控制规则的确定

3.1.5 模糊推理与反模糊化方法

3.2 模糊自适应PID 控制器的设计

3.2.1 PID 控制原理

3.2.2 PID 参数调整规则

3.2.3 模糊自适应PID 控制器的设计

3.3 温度控制系统仿真

3.3.1 温度系统模型的确定

3.3.2 温度控制系统仿真

3.4 碳势控制系统仿真

3.4.1 碳势系统模型的确定

3.4.2 碳势控制系统仿真

3.5 系统仿真分析

4 渗碳炉控制系统硬件设计

4.1 控制系统总体方案设计

4.2 DSPC2000 系列芯片简介

4.3 信号采集放大通道电路设计

4.3.1 温度信号和碳势信号的采集放大电路

4.3.2 A/D 转换模块

4.3.3 热电偶冷端补偿电路设计

4.4 微处理器核心电路设计

4.4.1 电源模块设计

4.4.2 复位电路设计

4.4.3 时钟电路设计

4.5 人机接口电路设计

4.5.1 键盘接口电路设计

4.5.2 液晶显示电路设计

4.6 控制系统输出电路设计

4.6.1 PWM 脉宽调制电路

4.6.2 温度和碳势控制输出电路设计

4.7 仿真调试电路设计

4.8 LF2407 与PC 的串行通信电路设计

4.9 系统抗干扰电路设计

5 渗碳炉控制系统软件设计

5.1 系统软件设计概述

5.2 主控模块设计及功能

5.3 数据采集、滤波模块设计

5.4 DS18B20 接口模块设计

5.5 显示模块设计

5.6 控制算法模块设计

结论

参考文献

附录1 模糊自适应PID 算法程序

附录2 系统性能指标计算程序

作者简历

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