电烘箱建模与控制系统设计
摘 要电烘箱以电流的热效应原理为基础实现恒温控制，在农业、工业、电子、印刷、机械制造和科研等领域有着广泛的应用。烘焙箱是一个具有大惯性环节和滞后环节的非线性系统，并且工作中的不确定因素较多，炉温调整速度较慢，控制精度与一般线性系统相比要差许多，这就给对其高精度的控制要求带来了难度。本文采用MATLAB的GUI图形用户操作界面重新设计了EL实验箱上位机软件，建立了模拟输入信号、直流电机、步进电机和电烘箱四个实验模块，并针对原上位机软件的功能局限性，对其功能进行了扩展，各模块功能均测试成功。根据电加热炉的工作原理，分析了其温升特点,使用改进的上位机软件多次进行电烘箱实验数据测量，记录温度实验数据并结合理论分析温升曲线。利用MATLAB软件系统中的系统辨识工具箱进行系统辨识，建立电烘箱的数学模型，并进行温度模型验证。通过MATLAB/SIMULINK工具箱进行仿真设计，分别采用经验调整法、Z-N法、改进的Z-N法、最小化ISTES算法四种方法进行PID参数整定。在EL上位机实验软件中添加数字PID算法，从仿真与实验两方面进行电烘箱的控制系统设计与验证，比较四种整定方法的优劣，以得到电烘箱温度控制的最优方案。
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
目 录 III
第1章 绪论 1
1.1 课题的背景和意义 1
1.2 温度控制理论的研究现状 1
1.3 本文结构安排 4
第2章 EL上位机实验软件 5
2.1 EL自控教学实验箱简介 5
2.2 EL实验平台设计与改进 7
2.2.1 平台结构 7
2.2.2 通信协议 8
2.2.3 GUI界面设计 11
2.2.4 功能扩展 19
2.3 实验调试 21
2.4 本章小结 28
第3章 烘焙箱控制系统设计 29
3.1 烘焙箱系统辨识与建模 29
3.1.1 系统辨识工具简介 29
3.1.2 烘焙箱建模 29
3.2 PID参数整定 32
3.2.1 PID参数经验调整法
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
33
3.2.2 ZN法参数整定 34
3.2.3 改进的ZN法参数整定 35
3.2.4 最小化ISTES算法参数整定 36
3.3 电烘箱实验验证 37
3.4 本章小结 40
第4章 总结与展望 41
参考文献 43
致谢 46
附录 47
附录A 源代码 47
附录B 英文文献翻译 71 第1章 绪论
1.1 课题的背景和意义
无论是日常生活中还是工业生产中，电烘箱均被广泛运用。家庭生活中使用的烘焙箱结构比较简单，对温控精度要求不是很高。然而，在工业生产的许多环节中，尤其是钢铁生产过程中，需要使用加热炉将原件加热至固定温度，虽然加热原理与家用烘焙箱类似，但是加热炉的性能与企业的产品合格率有着直接的联系，无疑工业加热炉对温度控制策略、加热效率及能耗等工作性能有着更为严格的要求。
实际上，无论是家用电烘箱还是工业加热炉，均属于温度控制系统范畴。而温度控制系统涉及我们社会生活的方方面面，从家电、材料到电力电子、机械制造，各个领域对温度控制都有着不同的指标和要求。在工业制造过程中，原件加热过程具有复杂对象的大惯性、大滞后、时变性等特点，并且外部扰动因素多，加热至高温时温度采样难，整体温度分布无法测量，受加工工艺等因素制约程度大，由此带来了温度控制系统准确性和实时性的降低、温度控制速度慢、温度控制精度低等问题。一直以来，企业控制人员和技术人员都在尝试努力解决这些问题，以进一步的提高温度被控对象的整体工作性能。当前温度控制领域，依然将传统的PID控制方式作为主要的控制策略，但是面对此类非线性控制对象的数学模型难建立和扰动因素多的情况，参数整定不易仍是普遍存在的问题。
目前，许多企业生产中的加热炉，使用传统PID算法来进行温度控制，但是在加热炉这样具有纯滞后环节的系统中，传统PID控制算法很难兼顾静态和动态两方面的性能。因此，为了解决这些温度控制方面的问题，迫切的需要寻找更为合适的温度控制策略，建立烘焙箱的数学模型，通过仿真研究，探究先进控制策略在温度控制领域的运用。
1.2 温度控制理论的研究现状
在工业生产和科学研究的诸多领域，尤其是冶金、机械、石油、建材等行业中，温度控制都有着举足轻重的作用。如在钢铁行业中，对刚出炉的钢元件要进行热处理，才能达到性能指标，塑料器具的生产也需要恒温定型。以前，温度控 制的方法大部分依赖于传统的PID控制算法。随着科学技术的飞速发展，各个行业领域对自动控制系统响应速度、调节时间等动态性能及控制精度、稳定性等稳态性能有着越来越高的要求。对于现实生活中，被控对象大多为非线性系统，具有时变性、耦合性等特点，对于这些系统，使用传统控制理论的控制效果并非尽如人意。而近几年来，模糊控制、自适应控制、神经网络控制及智能控制算法的研究逐渐活跃起来，使得控制效果得到了很大改善，同时也为温度控制理论的研究注入了新的活力。
传统的PID控制，即比例、积分、微分控制，PID算法根据比例、积分、微分系数计算出合适的输出控制参数，利用修改偏差的方法实现闭环控制，使得输出最后达到稳态工作点。然而。传统PID算法的缺点是PID参数整定过程比较繁琐，易受外界干扰的因素较多，对于含有大滞后环节的系统，调节速度十分缓慢。其控制算法需要预先建立模型，对系统动态特性的影响很难归并到模型中，被控对象模型参数难以确定，外界干扰会使控制漂离最佳状态，在平衡点附近很容易会产生小幅震荡。其工作原理如图：
图1.1 PID控制原理
杨琳娟在大林算法在炉温控制中的运用一文中指出使用大林算法来设计温度控制系统，其效果远优越于传统PID。大林算法是专门适用于含有纯滞后环节的被控对象的控制算法，这种算法控制效果好，控制精度高，在温度控制领域内被广泛使用。1968年，美国人Dahllin提出了这种针对纯滞后系统的控制算法，与常规调节器的设计相反，大林算法需先设计闭环响应为纯滞后和一阶惯性环节模型，再综合满足此响应的调节器。而烘焙箱系统同样属于纯滞后的被控对象，可以近似的看作一阶纯滞后模型，针对烘焙箱系统使用大林算法，与常规PID控制算法相比，能够一定程度上减小稳态误差和超调量，兼顾系统动静两方面的性能，在 温度控制领域内发挥着重要作用。
美国学者扎德于1965年在数学上提出了一种描述模糊现象的方法，这种方法被称为模糊集合论，简称模糊集。“模糊”，是人类感知世界，了解世界，演绎推理，决策实施的重要特征。“模糊”的特点是内涵丰富，信息量大，与客观世界相符合。这一了不起的理论，很快被运用到控制理论中，以模糊集合论为基础建立起控制对象模型，一种新的控制器设计方法——模糊控制由此诞生了。模糊控制可以实现良好的控制效果，更重要的是其能依据由人的经验组成的模糊集对部分难以进行数学建模的对象进行有效控制，这是一大突破。模糊控制的实质是采用模糊集合理论，将人的经验性的控制策略转换成计算机能够识别的算法语言所描述的控制算法，通过使用由模糊控制规则组成的控制装置，即模糊控制器，来实现对系统的控制。模糊控制是模糊理论与自动控制理论相结合的产物，两者相互借鉴、相互渗透、相互促进，在科学领域产生了突破性的进展。与此同时，模糊论也成为人们思考解决问题的重要方法论。模糊控制的原理图为：
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
目 录 III
第1章 绪论 1
1.1 课题的背景和意义 1
1.2 温度控制理论的研究现状 1
1.3 本文结构安排 4
第2章 EL上位机实验软件 5
2.1 EL自控教学实验箱简介 5
2.2 EL实验平台设计与改进 7
2.2.1 平台结构 7
2.2.2 通信协议 8
2.2.3 GUI界面设计 11
2.2.4 功能扩展 19
2.3 实验调试 21
2.4 本章小结 28
第3章 烘焙箱控制系统设计 29
3.1 烘焙箱系统辨识与建模 29
3.1.1 系统辨识工具简介 29
3.1.2 烘焙箱建模 29
3.2 PID参数整定 32
3.2.1 PID参数经验调整法
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
33
3.2.2 ZN法参数整定 34
3.2.3 改进的ZN法参数整定 35
3.2.4 最小化ISTES算法参数整定 36
3.3 电烘箱实验验证 37
3.4 本章小结 40
第4章 总结与展望 41
参考文献 43
致谢 46
附录 47
附录A 源代码 47
附录B 英文文献翻译 71 第1章 绪论
1.1 课题的背景和意义
无论是日常生活中还是工业生产中，电烘箱均被广泛运用。家庭生活中使用的烘焙箱结构比较简单，对温控精度要求不是很高。然而，在工业生产的许多环节中，尤其是钢铁生产过程中，需要使用加热炉将原件加热至固定温度，虽然加热原理与家用烘焙箱类似，但是加热炉的性能与企业的产品合格率有着直接的联系，无疑工业加热炉对温度控制策略、加热效率及能耗等工作性能有着更为严格的要求。
实际上，无论是家用电烘箱还是工业加热炉，均属于温度控制系统范畴。而温度控制系统涉及我们社会生活的方方面面，从家电、材料到电力电子、机械制造，各个领域对温度控制都有着不同的指标和要求。在工业制造过程中，原件加热过程具有复杂对象的大惯性、大滞后、时变性等特点，并且外部扰动因素多，加热至高温时温度采样难，整体温度分布无法测量，受加工工艺等因素制约程度大，由此带来了温度控制系统准确性和实时性的降低、温度控制速度慢、温度控制精度低等问题。一直以来，企业控制人员和技术人员都在尝试努力解决这些问题，以进一步的提高温度被控对象的整体工作性能。当前温度控制领域，依然将传统的PID控制方式作为主要的控制策略，但是面对此类非线性控制对象的数学模型难建立和扰动因素多的情况，参数整定不易仍是普遍存在的问题。
目前，许多企业生产中的加热炉，使用传统PID算法来进行温度控制，但是在加热炉这样具有纯滞后环节的系统中，传统PID控制算法很难兼顾静态和动态两方面的性能。因此，为了解决这些温度控制方面的问题，迫切的需要寻找更为合适的温度控制策略，建立烘焙箱的数学模型，通过仿真研究，探究先进控制策略在温度控制领域的运用。
1.2 温度控制理论的研究现状
在工业生产和科学研究的诸多领域，尤其是冶金、机械、石油、建材等行业中，温度控制都有着举足轻重的作用。如在钢铁行业中，对刚出炉的钢元件要进行热处理，才能达到性能指标，塑料器具的生产也需要恒温定型。以前，温度控 制的方法大部分依赖于传统的PID控制算法。随着科学技术的飞速发展，各个行业领域对自动控制系统响应速度、调节时间等动态性能及控制精度、稳定性等稳态性能有着越来越高的要求。对于现实生活中，被控对象大多为非线性系统，具有时变性、耦合性等特点，对于这些系统，使用传统控制理论的控制效果并非尽如人意。而近几年来，模糊控制、自适应控制、神经网络控制及智能控制算法的研究逐渐活跃起来，使得控制效果得到了很大改善，同时也为温度控制理论的研究注入了新的活力。
传统的PID控制，即比例、积分、微分控制，PID算法根据比例、积分、微分系数计算出合适的输出控制参数，利用修改偏差的方法实现闭环控制，使得输出最后达到稳态工作点。然而。传统PID算法的缺点是PID参数整定过程比较繁琐，易受外界干扰的因素较多，对于含有大滞后环节的系统，调节速度十分缓慢。其控制算法需要预先建立模型，对系统动态特性的影响很难归并到模型中，被控对象模型参数难以确定，外界干扰会使控制漂离最佳状态，在平衡点附近很容易会产生小幅震荡。其工作原理如图：
图1.1 PID控制原理
杨琳娟在大林算法在炉温控制中的运用一文中指出使用大林算法来设计温度控制系统，其效果远优越于传统PID。大林算法是专门适用于含有纯滞后环节的被控对象的控制算法，这种算法控制效果好，控制精度高，在温度控制领域内被广泛使用。1968年，美国人Dahllin提出了这种针对纯滞后系统的控制算法，与常规调节器的设计相反，大林算法需先设计闭环响应为纯滞后和一阶惯性环节模型，再综合满足此响应的调节器。而烘焙箱系统同样属于纯滞后的被控对象，可以近似的看作一阶纯滞后模型，针对烘焙箱系统使用大林算法，与常规PID控制算法相比，能够一定程度上减小稳态误差和超调量，兼顾系统动静两方面的性能，在 温度控制领域内发挥着重要作用。
美国学者扎德于1965年在数学上提出了一种描述模糊现象的方法，这种方法被称为模糊集合论，简称模糊集。“模糊”，是人类感知世界，了解世界，演绎推理，决策实施的重要特征。“模糊”的特点是内涵丰富，信息量大，与客观世界相符合。这一了不起的理论，很快被运用到控制理论中，以模糊集合论为基础建立起控制对象模型，一种新的控制器设计方法——模糊控制由此诞生了。模糊控制可以实现良好的控制效果，更重要的是其能依据由人的经验组成的模糊集对部分难以进行数学建模的对象进行有效控制，这是一大突破。模糊控制的实质是采用模糊集合理论，将人的经验性的控制策略转换成计算机能够识别的算法语言所描述的控制算法，通过使用由模糊控制规则组成的控制装置，即模糊控制器，来实现对系统的控制。模糊控制是模糊理论与自动控制理论相结合的产物，两者相互借鉴、相互渗透、相互促进，在科学领域产生了突破性的进展。与此同时，模糊论也成为人们思考解决问题的重要方法论。模糊控制的原理图为：
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