纯滞后高温炉控制品质优化的仿真研究开题报告

1、开题报告张森纯滞后高温炉控制品质优化的仿真研究开题报告1、课题的目的及意义电阻炉是工业生产中常用的一种电加热设备，在完成加热功能的同时要求具 有一定的炉温稳定性，目前国内电阻炉温度控制系统主要以PID控制为主，而传 统PID控制普遍应用于己经建立精确数学模型的确定控制对象，具有良好的控制 效果，电阻炉温度系统具有非线性、大惯性、大滞后等特点，往往在实际运行过 程中，由于环境温度变化、开关炉门、热传递效应等，会引起模型参数的变化， 难以建立精确数学模型，因而PID控制效果不够理想。随着智能控制理论的发展, 模糊控制、神经网络等算法的引入，成为提高控制质量的一条重要途径。1.1 电阻炉温度控制系统

2、电阻炉温度控制系统主要由单片机、检测电路、控制电路、键盘及显示电路 组成。系统使用热电偶探测炉温，选择带有放大器、冷端补偿、线性校正、A/D 转换及SPI串口的热电偶模数转换器，将转换后的数字信号送入单片机处理。根 据要求进行显示或报警等。同时单片机还要计算输入数据与预设值之间的偏差， 根据设定的控制算法计算出控制量，控制电阻炉加热功率达到温度控制的目的。 键盘和显示电路是人机交互模块，可以进行系统状态的设置和显示1.2 控制算法1.2.1 传统PID控制PID 控制是比例积分微分控制(Proportional-Integral-Differential),是 历史最久、应用最广，适应性最强的

3、控制方式，在工业生产过程中，PID控制算法 占 85%90%。但是,PID控制要求被控系统模型结构非常精确,而在实际的应用中，大多数 工业过程不同程度的存在着非线性、参数时变性和模型不确定性,这时常规PID控 制就显得无能为力,往往整定不良、性能欠佳,对运行工况的适应性差。电阻炉的温度上升与下降具有惯性，因此想要达到精度较高的温控效果不是 一件容易的事。在实验室中，当炉体的几何尺寸比较大的时候，系统的纯滞后时 间或者控制对象的时间常数就相对很大，如果沿用传统PID控制规律去控制这样 的高温实验炉系统，其控制品质不良，超调时间长，超调量和余差大。1.2.2 神经网络人工神经网络是以工程技术手段来

4、模拟人脑神经元网络的结构与特征的系 统。人工神经元是对生物神经元的一种模拟与简化。它是神经网络的基本处理单 元。如图1所示为一种简化的人工神经元结构。它是一个多输入、单输出的非线 性元件。在PID控制中要想取得理想的控制效果，就必须协调好比例、积分、微分三 种控制作用，这种协调不是简单的对每种控制作用进行“线性组合”，而是使它们 形成一种既互相配合又相互制约的复杂关系。基于神经网络的PID参数整定方法 就是利用神经网络可进行任意非线性表达的能力，通过对神经网络加权系数和阈 值的不断修正，在线优化比例、积分、微分三个参数，使系统的控制性能始终最 优。1.2.3 模糊算法模糊控制是用模糊数学的知识

5、模仿人脑的思维方式，对模糊现象进行识别和 判决，给出精确的控制量，对被控对象进行控制。首先根据操作人员手动控制的 经验，总结出一套完整的控制规则，再根据系统当前的运行状态，经过模糊推理、 模糊判决等运算，求出控制量，实现对被控对象的控制。模糊PID控制是运用模糊控制的基本理论和方法，以系统误差e和误差变 化率ec为输入，比例、积分、微分三个参数为输出，根据模糊规则进行模糊推 理，实现PID参数的实时优化；在控制偏差较大时，也可直接对被控对象进行模 糊控制。模糊PID控制具有鲁棒性强，动态性能好，可用于非线性系统等优点。 但模糊PID控制需要对控制过程和控制规律有全面的先验知识，并将其提炼为模

6、糊规则。此外，为了消除静差，提高系统稳态性能，通常需要加入一个积分环节 进行改进。1.2.4 遗传算法PID参数整定问题的实质是多参量的组合优化，遗传算法作为一种具备全局 优化能力的随机算法，正是解决这类问题的有效手段。遗传算法是基于自然选择 学说和遗传学机理的随机搜索方法，模拟了自然选择、繁殖、遗传和变异等生物 学原理。遗传算法无需任何先验知识，只通过适应度函数决定寻优方向，且适应 度函数不受连续可微的约束，这一特点使遗传算法具有广阔的应用空间，尤其在 复杂非线性系统的应用。此外，遗传算法还是一种并行搜索算法，这提高了算法 的搜索效率。但是遗传算法存在容易陷入局部最优的问题，往往需要融合其他

7、机 制或算法加以改进。2、课题任务、主要研究内容、实现途径2.1 课题任务本课题以重庆大学旋转式高温粘度计为研究对象，研究纯滞后系统的对象特 性，选择一种合理的智能控制算法，并针对性地在计算机上同相关软件作仿真优 化，在条件许可的情况，让优化后的控制器去控制实际的大滞后高温炉体系统， 测量出控制曲线，并和传统控制方法作对比，进一步优化其控制品质。2.2 主要研究内容测量和分析大滞后高温炉系统的对象特征；选择一种合理的智能控制算法，并针对性地在计算机上同相关软件作仿真 优化；在条件允许的情况下，让优化后的控制器去控制实际的大滞后高温炉体系统，作对比试验。2.3实现途径首先分析旋转式高温粘度计的升

8、温曲线，分 析其控制特点，然后在计算机上通过matlab的仿 真模拟工具有针对性地设计一套控制算法并进行 模拟升温实验，再次分析并进行改进升级以达到 良好控制效果。3、进度安排序号设计（论文）工作内容时间（起止周数）1查阅相关中外文文献，了解 情况;完成文献翻译工作，完 成开题报告。15周2准备实验所需材料和所需的 实验设备。67周3进行相关的理论计算以及实 验室模拟实验。811周4分析整理数据，得出结论。12-13 周5撰写论文1415周6答辩16周学生签名:4、指导老师意见指导教师签名:年 月 日5、参考文献1王皖慧.基于改进免疫算法的电阻炉温控系统的研究D.浙江理工大学,2012.2Ra

9、dakovic Z R, Milosevic V M, Radakovic S B>Application of temperature fuzzy controller in an indirect resistance furnace J Applied Energy, 2002, 73(2): 167-182.3邱秀金，杨勇军，姜宏伟，等.硅铝棒电阻炉温度控制系统的设计J.自动化仪表，2013, 34(5): 30-33.张丽萍，马立新，金珍珍.模糊自适应PID炉 温控制系统的设计J.热加工工艺，2012, 41(14): 234-236.5杨世勇，徐国林.模糊控制与PID控制的对比及其复合控制J.自动化技术与应用，2011(11): 21-25.6秦补枝，王新蒙，王翠表.模糊预测控制在电阻炉炉温控制系统中的应用研究J.第十一届全 国自动化应用技术学术交流会论文集,2006.7韩宝江，张伟，康尔良.基于MATLAB