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 sτ 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。