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基于Smith预估模糊PID算法的真空感应加热炉控制系统的设计

作　者: 滕宁宁
导　师: 张健
学　校: 辽宁工业大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 真空感应加热炉 炉温控制 Simth预估补偿 模糊PID控制 ControlLogix系统
分类号: TP273
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
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内容摘要


真空感应加热炉主要用于镍基及其特殊钢、精密合金、高温合金、稀土金属、活泼金属、铜及铜合金、储氢材料、钕铁硼、磁性材料等在真空或保护气氛下利用中频感应加热的原理进行熔炼和浇铸，并且能够精确控制熔炼金属或合金成分。其熔炼工艺过程控制中最重要的部分就是熔炼温度控制，只有精确的温度控制系统才能保证金属杂质和气体杂质能够充分的的挥发。因此，加热炉的熔炼温度是影响控制合金成分的最关键的一项因素。只有优质的温度控制系统才能满足质优、高产和低成本的生产要求。据目前技术，主要是通过对控制参数进行实时准确的优化，来实现炉温的最优控制，从而提高产品的质量。通过研究加热炉温度控制系统的简易模型和连续型加热炉温度控制模型，可知这两个最基本的建模方法的研究重心仅仅是加热炉部分，忽略了许多相关变量。因此本论文要对真空感应加热炉的温度控制系统所有相关变量进行整体分析，试图建立较精确的数学模型。由于电加热炉的加热过程的复杂多变、加热装置特殊极其结构等原因，使得过程对象经常存在大时滞、非线性等缺陷。使用传统的PID控制策略对其进行控制，难以取得理想的控制效果。本文采用Smith预估补偿与模糊PID控制相结合的方法，来对系统时滞性进行补偿，同时还具有模糊PID控制器的小超调、响应时间短、稳定性较好的优势。通过Simulink进行仿真，验证了Smith预估器与模糊PID控制相结合的优越性，取得了比较理想的结果。本文采用美国罗克韦尔自动化公司的具有开放性网络的ControlLogix控制系统，完成了控制器选型及其软、硬件的设计，并运用RSview监控组态软件来制做了能够显示真空感应加热炉的炉温、报警等功能的监控界面。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-8
1 绪论  8-13
  1.1 国内外对真空感应加热炉控制系统的研究  8-9
    1.1.1 国内真空加热炉控制系统的研究  8-9
    1.1.2 国外真空加热炉控制系统的研究  9
  1.2 加热炉温控的常规数学模型  9-11
    1.2.1 加热炉温控简易数学模型  9-10
    1.2.2 连续型加热炉的温控数学模型  10-11
  1.3 课题的背景及意义  11-12
  1.4 课题的研究内容  12-13
2 真空感应加热炉的工艺过程  13-20
  2.1 基本原理  13-14
    2.1.1 感应加热的原理  13-14
    2.1.2 真空冶金的原理  14
  2.2 真空感应加热炉重要系统概述  14-18
    2.2.1 中频电源  14-15
    2.2.2 真空系统  15-16
    2.2.3 水冷系统  16-18
  2.3 真空感应加热炉炉体结构  18
  2.4 真空感应炉熔炼的工艺过程  18-19
  2.5 本章小结  19-20
3 真空感应加热炉温度控制系统的数学建模  20-29
  3.1 真空感应加热炉温度控制系统的结构  20-21
  3.2 加热炉感应线圈的数学模型  21-24
    3.2.1 感应线圈电流与电源输出功率的关系  21-22
    3.2.2 电源输出功率与线圈磁感应强度的关系  22-24
  3.3 炉料涡流的数学模型  24-25
    3.3.1 感应线圈与炉料涡流的关系  24-25
    3.3.2 炉料涡流与热功率的关系模型  25
  3.4 炉料发热量的数学模型  25
  3.5 传送速度为v时炉料发热量的数学模型  25-26
  3.6 被加热炉料出口温度的数学模型  26-27
  3.7 真空感应加热炉温度控制系统的数学模型  27-28
    3.7.1 真空感应加热炉温度控制系统的数学模型  27
    3.7.2 真空感应加热炉温度控制系统的 S 传递函数  27-28
  3.8 本章小结  28-29
4 真空感应加热炉温度控制系统的算法与仿真  29-36
  4.1 史密斯补偿原理  29-30
  4.2 自整定模糊-PID 控制原理  30-32
    4.2.1 自整定模糊-PID 控制的参数整定方法  30-31
    4.2.2 模糊-PID 参数的自整定原则  31-32
  4.3 Smith 模糊 PID 控制算法  32
  4.4 模糊 PID 控制器的设计及仿真结果  32-35
  4.5 本章小结  35-36
5 真空感应加热炉温度控制系统的总体设计  36-43
  5.1 控制器整体硬件设计  36-37
  5.2 控制器整体软件设计  37-38
  5.3 监控画面的设计  38-42
    5.3.1 用户登录界面  38-39
    5.3.2 工艺总貌界面  39-41
    5.3.3 报警画面  41
    5.3.4 趋势图  41-42
  5.4 本章小结  42-43
6 结论  43-44
参考文献  44-46
攻读硕士期间发表学术论文情况  46-47
致谢  47-48
附录 真空感应加热炉数据参数说明  48

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化系统 > 自动控制、自动控制系统
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