基于模糊控制的退火炉温度控制系统电路设计

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毕业论文范文题目： 基于模糊控制的退火炉温度控制系统电路设计，论文范文关键词： 基于模糊控制的退火炉温度控制系统电路设计
基于模糊控制的退火炉温度控制系统电路设计毕业论文范文介绍开始：
　　（全文共24268字）
　　前言
　　退火炉在在金属冶炼行业有着不可或缺的地位，退火炉性能的好坏直接影响着产品的质量。而在退火炉的的各种指标中，温度的控制是衡量一个退火炉品质的重要参数，所以设计一个优质、可靠、经济的温度控制系统是十分必要的。
　　温度控制广泛应用社会的各个领域，如家电、汽车、材料冶炼等领域，常用的控制系统根据所要求得场合和所要求的性能指标有所不同，传统的继电器调温系统结构简单实用，但继电器触点动作频繁，可能会因为触点的故障而影响整个系统，所以维护起来不是很方便。随着技术的发展，出现了主回路无触点控制系统，解决了继电器触点接触不良的缺点，缺点是控制精度不是很高。伴随着大规模集成电路的成功，许多高性能控制芯片不断上市，凭借计算机控制技术的发展和控制方略的不断改进，温度控制系统也如雨后春笋般层出不穷，尽管这些系统应用在不同场合，但归结起来大致可分为PID控制、模糊控制、神经网络控制、遗传算法等控制模式。作为控制系统的核心有PLC、单片机、DSP、FPGA、VHDL等等。在各种控制策略中，PID控制出现较早，在应用上比较成熟，控制精度比较高，但控制系统需要准确的数学模型，参数不易整定；模糊控制、神经网络控制等后来出现的控制策略在有些书中被统称为智能控制，这种控制系统不需要知道被控系统的准确的数学模型及传递函数就可起到控制的作用，而且具有控制灵活、适应性强、快速性好等优点，但模糊规则的获取、信号的模糊化、模糊逻辑推理及模糊集的精确化计算根据模糊控制理论的选择不同会有不同的结果，换句话说就是模糊控制系统有着很大的主观性，造成很大的静态误差。
　　比较传统PID控制和模糊控制，二者各有优缺点，为了更好的达到控制目的，提高温度控制精度，我们可以结合二者各自的优点，互补缺点，组合成一个模糊PID温度控制系统。在前面几种控制芯片中，单片机的应用已经非常成熟，各种资源也很丰富，随着加强型单片机的生产，单片机无论在信息处理速度还是精度上都能满足大部分控制系统的要求，加之便宜的价格，工作稳定且便于开发等特点，因此应用非常的广泛。在本文中会介绍以51单片机为控制核心基于模糊PID理论的温度控制系统。
　　目录
　　摘要 I
　　ABSTRACT II
　　第一章绪论 1
　　1.1概述 1
　　1.2退火炉控制系统的研究 2
　　1.2.1国际上退火炉研究 2
　　1.2.2国内退火炉研究 2
　　1.3常用温度控制系统 3
　　1.3.1 PID控制 3
　　1.3.2神经网络控制 3
　　1.3.3模糊控制 4
　　1.3.4模糊控制与PID控制结合 4
　　1.4模糊PID控制的研究 4
　　1.4.1模糊控制器和常规PID的混合结构 4
　　1.4.2常规PID参数的模糊自整定技术 5
　　1.5系统设计任务 6
　　1.5.1系统性能要求 6
　　1.5.2系统设计内容 6
　　第二章硬件设计 7
　　2.1系统硬件总体结构 7
　　2.2主控模块器件选型及设计 8
　　2.2.1单片机简介 8
　　2.2.2单片机的选用 9
　　2.2.3主控模块设计 10
　　2.3输入通道设计 11
　　2.3.1热电偶 11
　　2.3.2一体化温度变送器 12
　　2.3.3 A/D转换器 12
　　2.3.4温度设定键盘 14
　　2.4输出通道设计 15
　　2.4.1数模转换器 15
　　2.4.2显示模块设计 16
　　2.4.3过程执行仪表 19
　　2.4.4降温模块 20
　　2.5保护报警部分 21
　　2.6串行通信接口电路 22
　　2.7电源模块 24
　　第三章模糊PID参数整定实现过程 25
　　3.1模糊PID参数自整定简介 25
　　3.2模糊控制器的设计 27
　　3.2.1输入的模糊化 27
　　3.2.2建立模糊控制规则表 27
　　3.2.3模糊推理及模糊决策 28
　　3.2.4精确化计算 29
　　3.2.5程序流程图 30
　　第四章部分程序设计 31
　　4.1 程序编写语言介绍 31
　　4.2程序的组成 31
　　4.2.1主程序模块流程 32
　　4.2.2 数据采集模块程序流程 32
　　4.2.3显示模块程序流程 33
　　4.2.4控制输出模块程序流程 33
　　第五章仿真简介 34
　　5.1 Proteus简介 34
　　5.1.1 Proteus ISIS简介 35
　　5.1.2 Proteus ISIS编辑环境 35
　　5.1.3仿真电路原理图设计 36
　　5.2MATLAB及模糊逻辑工具箱介绍及应用 36
　　5.2.1退火炉温度控制系统参数自整定模糊PID控制 37
　　结论 41
　　总结与体会 42
　　致谢 43
　　参考文献 44
　　摘要
　　随着控制理论和电子技术的发展，工业控制器的适应能力增强和高度智能化正逐步成为现实。目前，PID控制在工业控制领域的应用仍占90%以上。它具有结构简单，参数调整方便等优点。PID控制的性能取决于参数的整定情况，对那些对象模型复杂和难以确定精确模型的控制系统，具有很大的局限性，而且它的快速性和超调量之间的矛盾关系，使它不一定能满足调节时间短、超调小的技术要求。模糊控制鲁棒性好，无需知道被控对象的数学模型，且在快速性方面有着自己的优势。但模糊控制易受模糊规则有限等级的限制而引起稳态误差。本文分析了PID控制和模糊控制的优缺点，考虑可以把它们相互结合，实现优势互补。
　　针对退火炉温度控制系统升温速度慢，超调量大的特点，本文设计了一个以模糊理论为基础的PID参数自整定系统。这个系统以51单片机为控制核心搭建，实现了温度检测、数据处理和温度控制。
　　关键词：模糊参数自整定PID算法，单片机，温度控制
　　ABSTRACT
　　With the development of control theory and electronics technology，the ability to adapt to enhance industrial controllers and highly intelligent is becoming a reality. At present, in all of the control methods in industrial control field, the PID method still accounts for over 90 percent. It has the advantage of simple structure and is easy to adjust parameters. Its efficiency depends on its parameters. In terms of those control objects whose precise models are established difficultly, the PID method has very great limitation. Moreover, because of the contradiction between quickness and the small overshoot, PID control cannot meet control demand. Fuzzy control has the advantage of quickness, it has a strong robustness. There is no need to know the object’s mathematical model. But it can cause easily steady-state error because it is restricted by limited grades of the fuzzy rules. This paper analyses the advantages and disadvantages of the PID control and fuzzy control and comes to the method of combining them together. This method can make use of the advantages of them and avoid the disadvantages of them.
　　Annealing furnace temperature control system has the disadvantages of the slowly heating rate and big overshoot. A temperature control system based on Fuzzy self-tuning PID controlling is designed in this paper. The 51MCU is the core of the system，which have the ability of temperature detection, data processing and temperature control.
　　
　　KEY WORDS: Fuzzy self-tuning PID controlling , MCU , Temperature control
　　第一章绪论
　　1.1概述
　　退火是金属热处理中的重要工序，是将偏离平衡状态的金属加热到临界温度以上，保持一定时间，然后缓慢冷却，以得到接近于平衡状态组织的过程。通过退火可以达到细化组织、降低硬度、改善切削加工性能、消除内应力等目的。
　　退火炉作为轧钢企业主要设备之一，处于关键位置，直接影响产品的质量、产量和成本。因此退火炉温度控制在提高生产率、改善质量和节约能源上都具有举足轻重的意义。而在退火炉的的各项指标中，温度的控制是衡量一个退火炉品质的重要参数，所以设计一个优质、可靠、经济的温度控制系统是十分必要的。
　　温度控制广泛应用社会的各个领域，如家电、汽车、材料冶炼等领域，常用的控制系统根据所要求的场合和所要求的性能指标有所不同，传统的继电器调温系统结构简单实用，但继电器触点动作频繁，可能会因为触点的故障而影响整个系统，所以维护起来不是很方便。随着技术的发展，出现了主回路无触点控制系统，解决了继电器触点接触不良的缺点，缺点是控制精度不是很高。伴随着大规模集成电路的成功，许多高性能控制芯片不断上市，凭借计算机控制技术的发展和控制方略的不断改进，温度控制系统也如雨后春笋般层出不穷，尽管这些系统应用在不同场合，但归结起来大致可分为PID控制、模糊控制、神经网络控制、遗传算法等控制模式。作为控制系统的核心有PLC、单片机、DSP、FPGA、VHDL等等。在各种控制策略中，PID控制出现较早，在应用上比较成熟，控制精度比较高，但控制系统需要准确的数学模型，参数不易整定；模糊控制、神经网络控制等后来出现的控制策略在有些书中被统称为智能控制，这种控制系统不需要知道被控系统的准确的数学模型及传递函数就可起到控制的作用，而且具有控制灵活、适应性强、快速性好等优点，但模糊规则的获取、信号的模糊化、模糊逻辑推理及模糊集的精确化计算根据模糊控制理论的选择不同会有不同的结果，换句话说就是模糊控制系统有着很大的主观性，造成很大的静态误差。
　　比较传统PID控制和模糊控制，二者各有优缺点，为了更好的达到控制目的，提高温度控制精度，我们可以结合二者各自的优点，互补缺点，组合成一个模糊PID温度控制系统。在前面几种控制芯片中，单片机的应用已经非常成熟，各种资源也很丰富，随着加强型单片机的生产，单片机无论在信息处理速度还是精度上都能满足大部分控制系统的要求，加之便宜的价格，工作稳定且便于开发等特点，因此应用非常的广泛。在本文中会介绍以51单片机为控制核心基于模糊PID理论的温度控制系统。
　　1.2退火炉控制系统的研究
　　退火炉在轧钢生产中占有很重要的作用，退火炉本身是一个比较复杂的被控对象，它具有非线性、时变和分布参数等特征，所以退火炉的温度控制很难全面考虑各种因素的影响。如果不能准确及时的调节炉温，就会影响产品的质量。随着控制理论和计算机技术的快速发展，国内外都开展了大量的退火炉温控系统的研究。
　　1.2.1国际上退火炉研究
　　国际上从20世纪70年代就开始了退火炉计算机控制的研究，如：
　　日本KASHIMA钢厂采用PLC控制，实现钢坯目标出炉温度计算，钢温预报，空燃比控制，炉温最优控制。
　　瑞典DOMNARVET公司采用PLC控制，确定最佳加热曲线和炉温控制。
　　美国DOFSACO公司采用I级：PLC控制器HONEYWELL TDC3000,II级：DEC VAX8350，实现退火炉空燃比控制，炉温控制，钢温预报，炉温设定值调节设备诊断，设备报警、记录、报告等。
　　美国CONSHOHOCHEN公司采用DEV MICRO VAXIII对退火炉空燃比空燃比控制，炉压设置，设定值选择，生产调度模型等。
　　1.2.2国内退火炉研究
　　随着我国科技人员的不断努力，目前我国在热处理炉温度控制控制理论研究水平上已经接近和达到了国际先进水平，但在实际运用中差距较大。在有些中小企业中，通常采用常规温度调节仪表或人工操作来控制退火炉温度，自动化程度低，控制精度低，造成退火质量差、次品率高。

以上为本篇毕业论文范文 基于模糊控制的退火炉温度控制系统电路设计的介绍部分。

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