基于模糊策略的电阻炉温控系统设计_开题报告

文献综述

1.1 电阻炉工作背景

电阻炉一般由电热元件、砌体、金属壳体、炉门、炉用机械和电气控制系统等部分组成。

电阻炉按照炉内的工作温度范围在650度以下的为低温炉；650—1000度为中温炉；1000度以上为高温炉；在高温和中温炉内主要以辐射方式加热，在低温炉内则以对流传热方式加热，电热元件装在风道内，通过风机强迫炉内气体循环流动，以加强对流传热，电阻炉有室式、井式、台车式、推杆式、步进式、马弗式和隧道式等类型。可控气风炉、真空炉、流动粒子炉等也都是电阻炉。

在实际的工业生产中，电阻炉设备对温度精度的要求很高，但是因为加热设备本身的一些缺点，如温度变化反应迟缓，精度控制效果不理想，所以传统的电阻炉温度控制系统对电阻炉内温度达到精确的调控有很大的难度。而且利用常规的方法对温度进行调节，其调节结果基本上都有一部分的超调量，而这些超调量会使温度精度进一步下降。设计正是基于电阻炉设备的这些缺点，研究应用ST89C51单片机为主控芯片引用模糊PID控制方法使电阻炉温度调节拥有更小的误差、更快的反应速度。

1.2国外发展现状

随着电力电子技术的兴起和微控制技术的兴起，日本、德国、英国、法国、意大利、美国等发达国家，开发了许多功能强大、用  到快速的发展，如电阻炉温度调节系统。控制领域的发展不仅仅具有巨大的市场潜力并且有很大的节能价值。发达国家在炉温控制技术方面发展迅速，微型计算机应用的普及使得自动控制系统有了根本上的变化，自动化程度有了巨大的进步。

目前先进国家各种温度控制系统水平较高，装备有完善的检测仪表和计算机控制系统。其计算机控制系统已采用集散系统和分布式系统的形式，大部分配有先进的控制算法，能获得较好的效果，随着生产的发展，对控制的要求也越来越高，许多以计算机为基础的新型控制。

纵观国际和国内炉温自动控制技术的发展状况，国外在炉温自动控制技术方面的研究比较深入，凭借雄厚的科技实力、先进的生产工艺、严格的质量控制和对产品质量的刻意追求和先进的技术、因地制宜的解决方案、丰富的工业知识，其产品遍布世界几十多个国家和地区。而国内的加热设备，成本相对低廉，所控制量较少，能实现基本量的控制，但是由于绝大多采用的普通的继电器控制系统，调试、维护困难，灵敏度不够高，不能实现定时精确控制，而且产品先天性不足，使用寿命短，所以其产品市场占有率低。单片机自动化控制系统是将自动控制与电加热系统有机的结合起来，使加热系统在无人干预的情况下通过控制器按规定的程序或指令实现对电加热炉的自动控制。以单片机为核心的小型自动控制系统具有造价低廉，可靠性高，适用于各种环境下运行等优点，并且在系统硬件组成不变的情况下通过更改软件设置来适应多种运行方式的需要，是传统继电器控制的替代品。

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1.3国外发展现状

我国大多数的加热设备还是以继电器控制，使用继电器控制存在着存在着灵敏度较低，反应速度慢，维护成本高，精度不足，导致其产品的市场占有率低。但是如果将单片机控制系统与电热系统结合起来，利用单片机的自动化调节可以无需人工监测、外加指令，根据内部程序的设定对加热设备进行自动的调节控制。以单片机为自动控制系统的核心具有成本低，可靠性高，适合各种运行环境等的优势，并且在系统硬件不变的调节，通过改变软件设置便可以满足各种操作模式的需要，这是传统继电器控制在工业化生产中无法实现的功能，需要有大量的加热设备，对温度精度的要求已经成为实际工业生产过程中的重要环节。

微型计算机控制系统在工业温度控制领域也愈加先进，在现实工业生产中，有功能强、精度高、经济性好的特点，无论在提高产品质量还是产品数量，能源环保，还是改善劳动条件等方面都显示出无比的优越性。总体来说，伴随着科学技术的发展，在温度控制方面由微型计算机控制取代常规的继电器控制已成必然，因为微机控制不但确保了生产过程的正常进行，而且提高了产品的数量质量，减轻了人工的劳动量且节约大量电能，对加热对象的温度按照某种指定规律变化实现温度的精确控制。微型计算机控制以智能方法进行温度测量控制中可模拟智能进程，则微型计算机控制方法在能量消耗方面比传统的继电器控制方法节能许多。这不仅对工业控制来说具有很大的经济意义，并且对整个社会、国家来说都具有重大意义的。

二十世纪七十年代开始，微型计算机控制系统凭借其功能全面、性能稳定、价格低廉的优势愈来愈受到人们的关注与应用。

现代自动控制越来越趋向智能化方向发展，在许多的自动化控制系统中使用中型机，甚至是超级计算机的作为处理设备。虽然计算机具有很好的控制效果，但是采用高性能的处理会有很大部分的性能浪费且过高的生产成本。对于普通的系统中，没有必要配置如此高的处理器。在工业生产中追求的是经济效益，而不是最迅速关心系统的高性能，使用低成本的单芯片控制，不需要复杂的计算系统是非常合适的小系统的生产中的需要。随着电子信息技术的快速发展，微型处理芯片在运算速度、功耗、处理能力方面都得到了飞跃式的发展，使微型控制芯片可以更广泛的应用于各个领域。

在温度调节方面具有很大的现实意义。在以往的生产过程中，要想对炉温进行调控，只能依靠仪表观察与个人经验为参照，进行人工手动调控，这样的调控方式具有很大误差，生产效果不稳定。现如今凭借其高度集成的芯片，速度快，体积小，性能可靠，低价格等优点，微型计算机已被广泛应用于工业生产中，因此设计应用了ST89C51单片机对电阻炉温度进行调控。

^范文提纲

摘要：

设计主要完成了温度采集模块、外部通信模块、驱动模块、温度显示模块、超限报警模块及电源模块等硬件电路设计。设计以STC89C51单片机以核心控制器，将PID控制与模糊控制算法相结合的模糊PID控制策略设计，完成相关主要子程序工作流程设计和代码编写。设计最后运用MATLAB软件的Simulink对电阻炉温度控制系统算法进行了数值仿真。针对电阻炉温控系统分别应用常规PID控制、常规模糊控制和模糊PID自整定控制等不同算法进行仿真实验。仿真结果表明，采用模糊自整定PID的控制系统适应能力强、控制精度高、动态性能更好。设计的电阻炉温控系统能够提高温度控制精度的目标，能够缩短系统的调节时间，减小系统超调和稳态误差的设计要求。

第1章 绪论

1.1 电阻炉工作背景

1.2 电阻炉温控系统国内外发展现状

第2章 系统的总体设计

2.1 电阻炉控制系统设计方案选择

2.2 电阻炉控制系统的设计方案

2.3 电阻炉控制系统方案设计确定

第3章 系统的硬件设计

3.1 单片机选型与晶振电路

3.2 温度采集模块

3.3 温度设定模块

3.4 温度超限报警模块

3.5 外部通信模块

3.6 驱动模块

3.7 温度显示模块

3.8 电源模块

第4章 基于Matlab的电阻炉温控系统仿真研究

4.1 应用PID控制器的电阻炉仿真分析

4.2 应用模糊控制器的电阻炉仿真分析

4.3 应用模糊PID控制的电阻炉仿真分析

第5章 系统的软件设计

5.1 系统的总体程序设计

5.2 温度采集模块程序设计

5.3 温度设定模块程序设计

5.4 温度超限报警模块程序设计

5.5 温度显示模块程序设计

5.6 模糊PID控制器设计

5.7 外部通讯程序设计

第6章 结 论

第7章 致 谢

三、参考文献

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