罩式退火炉的温度控制系统(附件)【字数：16754】
摘 要摘 要近年来，PID控制已广泛应用于工业生产，其优点是结构简单、控制参数调整便捷。但对炉温这类对控制参数要求比较精确的控制系统，PID控制显示了超调量大、系统不稳定等局限性。模糊控制不需要建立明确的系统模型，具有鲁棒性能好、抗干扰能力强、响应调节时间短的优点。综合模糊控制以及PID控制的特点，再针对工业现场稳定性、快速性和准确性的要求，本文设计了一套基于模糊PID控制的罩式退火炉温度控制系统，并通过MATLAB软件Simulink模块进行仿真以证明其有效性。本文具体研究完成了以下几方面工作 (1) 根据罩式退火炉的特点和退火工艺要求，分析了PID控制及模糊控制的原理和实现方式，参照罩式退火炉炉温控制环节的实际要求，分别建立了理想条件下和加入扰动条件下的系统模型。(2) 利用MATLAB仿真平台进行仿真，使用Simulink进行系统模型的建立，并根据模糊控制的控制理论以及方法，编辑模糊控制器，实现系统的仿真，对动态性能指标进行了对比分析，结果表明本文所提出的模糊PID控制理论在罩式退火炉炉温控制中是可行的。(3) 设计了控制系统的相关硬件设施并完成了相应的连接图，上位机使用组态王软件进行监控，下位机使用西门子S7-300PLC及其扩展模块，并完成了温度控制器、触摸屏、通讯设备等硬件设备的设计。关键词罩式退火炉；温度控制；模糊PID控制
目 录
第一章 绪论
1.1概述 1
1.1.1选题背景..1
1.1.2研究的理论和实际意义......1
1.2国内外研究现状.....2
1.2.1国外研究现状......2
1.2.2国内研究现状......2
1.2.3工业现场存在问题......3
1.3本文主要工作.....3
第二章 模糊PID温度控制系统的研究
2.1 PID控制理论......5
2.2 PID模糊控制理论......6
2.2.1 模糊控制理论的基本思想.................6
2.2.2 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
模糊控制器.................8
2.2.3 模糊PID控制.......8
2.3参数自整定模糊PID控制系统结构.9 2.3.1系统结构框图..................9
2.3.2 模糊控制规则的建立...10
2.4 模糊控制器的设计..12
2.5 小结..14
第三章 温度控制系统的仿真
3.1 PID模糊控制系统的建立 .....15
3.1.1 罩式退火炉温度仿真模型...15
3.1.2 PID系统模型的建立..........16
3.1.3 模糊PID系统模型的建立.........18
3.2 扰动条件下系统的仿真......................................20
3.3小结....21
第四章 退火炉温度控制系统的硬件设计方案
4.1系统总体结构...22 4.2 主要的硬件............22
4.2.1 PLC的选型及配置.....23
4.2.2 西门子TP270触摸屏25
4.2.3 通讯的实现...25
4.3 系统主要控制器的组成 26
4.4 温度控制器的设计..26
4.5 本章小结 27
第五章 结束语
5.1 总结..28
5.2 展望..28
致谢 .................30
参 考 文 献.31
第一章 绪 论
1.1 概述
1.1.1 选题背景
退火炉在当前的工业生产中是不可或缺的一个环节，并且在环保节能方面也有不可替代的作用。罩式退火炉具有结构简单、退火均匀、冷却时间短、热效率高、功耗低、自动化、气体耗量少等优势，充入适量的氮气后，能使退火金属的表面无氧化层，金属质量高而且避免金属表面脱碳或者脱锌现象[1]。冷轧板的材料性能致使金属生产流程中必须要退火，由于金属冷轧成型后会使金属中晶粒延长、晶粒残缺和晶体粉碎，导致金属内部自由能提高，处于不稳定状态，存在自行恢复常态的趋势，自由能随之降低。 在常温下，原子的动能少、扩散效果差、速度缓慢，没有达到这种趋势的条件，须给定促进因素，这种促进因素就是使金属温度上升到一定程度，使金属获得足够的内能，使金属内部粒子发生扩散，金属性能发生变化，消除晶格畸变，所以在进行冷轧工艺后的金属必须要退火操作[2]。大部分的退火处理都是金属成型的最后一道工序也是最重要的一道工序，它的工艺水平直接决定金属成品的品质，所以退火炉自动化退火过程提供准确的温控是不可或缺的，并且必须按照标准工艺升温曲线的要求。总的来说，退火炉对金属热处理工艺来说是非常重要的，金属在不当的温度下会使材料失去原本的性能，超过一定温度会使金属过烧，性能也会发生很大改变，因此设计精确的退火温度控制模型是至关重要的。
1.1.2 研究的理论和实际意义
在我国，退火炉的整体技术平庸，距美、日等工业发达国家的差距很大，国产的退火炉除一小部分设备可达到美日90年代水平外，大部分退火炉炉体技术仅相当于国外60年代的水平。不仅燃烧原料单一、可控性差，而且炉型落后、燃烧方式简单，甚至有的退火炉甚至还非自动化控制，由工人全程操作监控，环境污染较为严重，能源利用率低，产品质量不达标[3]。当前需要突破的难点主要有以下三点：
(1) 节约能源。罩式退火炉是大型工业设备，因为目前传统能源情况紧张，因此提高能源利用率是退火炉研究发展的方向，新能源技术的发展也是高能耗问题的出路。
(2) 提高金属成品质量。制造出满足工艺需求的高质量金属产品是退火炉的基本目的，大量工厂因加热水平控制水平不合格，工件表面精度和金属内部组织性能均不达标。一些工件加热流程不系统，工厂自动化控制水平过低，造成工件过烧、性能很差的后果，产品不能达到使用的标准。
(3) 保护环境。大型燃油、燃气型退火炉的使用，会在退火过程中产生大量的烟尘、废气包括、、等污染物，严重影响了工厂周边的空气质量和居民生活质量[4]。
所以要加快我国的金属工业的持续高效发展，使国内自主生产金属质量尽快步入世界先进国家的行列，提高传统能源的使用效率，减少废气的排放，就必须推进罩式退火炉整体技术的前进和创新，要求我们提高工厂自动化水平，提高对炉温的控制能力。采用传统的PID控制方法来控制炉膛内的温度，因为难以找到最优控制参数、抗扰性能差、动态性能差、需要操作工实时监控等一系列的缺点，还远达不到现代热处理工艺要求[5]。因此本文采用模糊控制与PID控制相结合的智能控制算法，根据实际工艺要求制定特有的模糊PID控制器，结合PID控制和模糊PID控制的特点，使控制系统具备优良的静态特性和动态特性，该方案有着重要的实际价值和理论研究意义。
目 录
第一章 绪论
1.1概述 1
1.1.1选题背景..1
1.1.2研究的理论和实际意义......1
1.2国内外研究现状.....2
1.2.1国外研究现状......2
1.2.2国内研究现状......2
1.2.3工业现场存在问题......3
1.3本文主要工作.....3
第二章 模糊PID温度控制系统的研究
2.1 PID控制理论......5
2.2 PID模糊控制理论......6
2.2.1 模糊控制理论的基本思想.................6
2.2.2 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
模糊控制器.................8
2.2.3 模糊PID控制.......8
2.3参数自整定模糊PID控制系统结构.9 2.3.1系统结构框图..................9
2.3.2 模糊控制规则的建立...10
2.4 模糊控制器的设计..12
2.5 小结..14
第三章 温度控制系统的仿真
3.1 PID模糊控制系统的建立 .....15
3.1.1 罩式退火炉温度仿真模型...15
3.1.2 PID系统模型的建立..........16
3.1.3 模糊PID系统模型的建立.........18
3.2 扰动条件下系统的仿真......................................20
3.3小结....21
第四章 退火炉温度控制系统的硬件设计方案
4.1系统总体结构...22 4.2 主要的硬件............22
4.2.1 PLC的选型及配置.....23
4.2.2 西门子TP270触摸屏25
4.2.3 通讯的实现...25
4.3 系统主要控制器的组成 26
4.4 温度控制器的设计..26
4.5 本章小结 27
第五章 结束语
5.1 总结..28
5.2 展望..28
致谢 .................30
参 考 文 献.31
第一章 绪 论
1.1 概述
1.1.1 选题背景
退火炉在当前的工业生产中是不可或缺的一个环节，并且在环保节能方面也有不可替代的作用。罩式退火炉具有结构简单、退火均匀、冷却时间短、热效率高、功耗低、自动化、气体耗量少等优势，充入适量的氮气后，能使退火金属的表面无氧化层，金属质量高而且避免金属表面脱碳或者脱锌现象[1]。冷轧板的材料性能致使金属生产流程中必须要退火，由于金属冷轧成型后会使金属中晶粒延长、晶粒残缺和晶体粉碎，导致金属内部自由能提高，处于不稳定状态，存在自行恢复常态的趋势，自由能随之降低。 在常温下，原子的动能少、扩散效果差、速度缓慢，没有达到这种趋势的条件，须给定促进因素，这种促进因素就是使金属温度上升到一定程度，使金属获得足够的内能，使金属内部粒子发生扩散，金属性能发生变化，消除晶格畸变，所以在进行冷轧工艺后的金属必须要退火操作[2]。大部分的退火处理都是金属成型的最后一道工序也是最重要的一道工序，它的工艺水平直接决定金属成品的品质，所以退火炉自动化退火过程提供准确的温控是不可或缺的，并且必须按照标准工艺升温曲线的要求。总的来说，退火炉对金属热处理工艺来说是非常重要的，金属在不当的温度下会使材料失去原本的性能，超过一定温度会使金属过烧，性能也会发生很大改变，因此设计精确的退火温度控制模型是至关重要的。
1.1.2 研究的理论和实际意义
在我国，退火炉的整体技术平庸，距美、日等工业发达国家的差距很大，国产的退火炉除一小部分设备可达到美日90年代水平外，大部分退火炉炉体技术仅相当于国外60年代的水平。不仅燃烧原料单一、可控性差，而且炉型落后、燃烧方式简单，甚至有的退火炉甚至还非自动化控制，由工人全程操作监控，环境污染较为严重，能源利用率低，产品质量不达标[3]。当前需要突破的难点主要有以下三点：
(1) 节约能源。罩式退火炉是大型工业设备，因为目前传统能源情况紧张，因此提高能源利用率是退火炉研究发展的方向，新能源技术的发展也是高能耗问题的出路。
(2) 提高金属成品质量。制造出满足工艺需求的高质量金属产品是退火炉的基本目的，大量工厂因加热水平控制水平不合格，工件表面精度和金属内部组织性能均不达标。一些工件加热流程不系统，工厂自动化控制水平过低，造成工件过烧、性能很差的后果，产品不能达到使用的标准。
(3) 保护环境。大型燃油、燃气型退火炉的使用，会在退火过程中产生大量的烟尘、废气包括、、等污染物，严重影响了工厂周边的空气质量和居民生活质量[4]。
所以要加快我国的金属工业的持续高效发展，使国内自主生产金属质量尽快步入世界先进国家的行列，提高传统能源的使用效率，减少废气的排放，就必须推进罩式退火炉整体技术的前进和创新，要求我们提高工厂自动化水平，提高对炉温的控制能力。采用传统的PID控制方法来控制炉膛内的温度，因为难以找到最优控制参数、抗扰性能差、动态性能差、需要操作工实时监控等一系列的缺点，还远达不到现代热处理工艺要求[5]。因此本文采用模糊控制与PID控制相结合的智能控制算法，根据实际工艺要求制定特有的模糊PID控制器，结合PID控制和模糊PID控制的特点，使控制系统具备优良的静态特性和动态特性，该方案有着重要的实际价值和理论研究意义。
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