神经网络pid控制在电阻炉温度控制系统中的应用(附件)【字数：15490】
摘 要在现代工业生产和科研过程中都需要用到电阻炉，而电阻炉是一个需要加热的设备。温度控制对于电阻炉来说是一个很复杂的进程。电阻炉具有较大的惯性，温度升高的单向性，滞后性，非线性，耦合性等特点。因此，我们对电阻炉的温度控制系统进行建模分析，对我们更好的控制电阻炉具有重大的帮助。本文的目的在于对传统的箱式电阻炉的温度控制系统从数学建模到温度控制及其最后优化的整体解决办法。本文首先根据系统的输入输出特性，摆脱传统电阻炉的一阶惯性模型，采用MATLAB等高性能计算工具，对电阻炉系统建立二阶模型。然后与传统的一阶系统进行比较，从而证明二阶系统相较于一阶系统的优越性。其次，本文采用新的数学模型，采用MATLAB软件寻找最优化参数，得到理最适合模型的最佳控制参数的理论值。并把参数应用到实际的系统中，然后比较实际与仿真系统的差异。最后，本文应用PID进行参数自矫正。通过计算控制器的矫正数值，对系统的参数进行及时调整，提高系统的定值控制效果。另外再利用MATLAB软件编写上位机程序，与智能仪表之间建立通讯，使上位机对系统进行实时远程监控，同时对系统的状态进行记录，实现一个小型的集散控制系统。实验表明，本文得出的二阶系统模型比传统的一阶系统能更准确的模拟实际测得的系统阶跃响应曲线。尽管众所周知仿真模型在一定程度上能反应系统的实际趋势，但是仿真系统还是不能完全还原实际的效果。为了对这个缺憾进行弥补，所以参数的在线自动矫正在PID参数大概确定的情况下，根据实际系统，对系统控制的参数进行微笑的调整，使系统的定值控制趋向于准确。
目 录
第一章 引言 1
1.1选题的目的和意义 1
1.2电阻炉控制研究现状 1
1.2.1电阻炉的简介 1
1.2.2电阻炉的工作原理 2
1.2.3电阻炉建模研究现状 3
1.2.4电阻炉控制系统的发展现状 3
1.3 本文的研究内容 4
第二章 关于建立电阻炉系统模型的方法 6
2.1 概述 6
2.2 系统模型的建立 6
2.2.1 以阶跃曲线为基本思想的建模 6
2.2.2 二阶系统单位阶跃响应 8
2.2.3 基于阶跃响应的二阶传递函数模 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
型建立 9
2.3 本章小结 10
第三章 PID控制器的参数整定和优化 11
3.1 PID控制器的介绍 11
3.1.1 比例调节器 11
3.1.2 比例积分调节器 12
3.1.3 比例积分微分调节器 12
3.2 PID控制器的优缺点 12
3.2.1 PID控制的优点 12
3.2.2 PID控制的不足 13
3.3 MATLAB软件的介绍 13
3.4 神经网络PID控制 14
3.4.1 几种典型的学习规则 15
3.4.2 神经单元自适应PID控制 15
3.4.3 改进的单神经元自适应PID控制 16
3.4.4 PID控制器的设计 16
3.4.5 PID参数整定和优化 17
3.5 程序仿真与实际控制效果 18
3.5.1 基于无监督Hebb学习规则的位置跟踪 18
3.5.2 基于有监督的Delta学习规则的位置跟踪 19
3.5.3 基于有监督Hebb学习规则的位置跟踪 20
3.5.4 基于改进学习规则的位置跟踪 21
结束语 23
致 谢 24
参考文献 25
附 录 26
附录A:无监督Hebb学习规则 26
附录B:有监督的Delta学习规则 27
附录C:有监督的Hebb学习规则 29
附录D:改进学习规则的位置跟踪 30
第一章 引言
1.1选题的目的和意义
在现代工业生产和科研过程中都需要用到电阻炉，而电阻炉是一个需要加热的设备。温度控制对于电阻炉来说是一个很复杂的进程。电阻炉具有较大的惯性，单方面的温度升高特性，温度的改变存在滞后，温度控制之间的变量关系不是直线关系，耦合性等特点。所以，我们通过建立数学模型的方法对电阻炉的温度控制系统进行分析，对我们更好的控制电阻炉具有重大的帮助。电阻炉没有复杂的内部结构，简单的操作就能控制其温度，加热质量好，没有烟尘，没有噪声。如今工业技术飞速发展，也带来了一些棘手的问题。金属材料质量的提升，所以电阻炉的温度控制技术也不能停滞不前。
对电阻炉内的温度进行控制，温度控制器根据实际情况下的炉内温度，根据系统所相对应的系统的要求，对温度作出具体的改变，自动调节电阻炉的供热给能。使炉内温度固定在某个预先的设置的温度区间内。电阻炉的温度的控制很棘手，众所周知。多区域加热的电阻系统集中体现了电阻炉系统的强耦合性。多个加热点互相产生影响，而且不同的区域加热有快有慢，炉内不同地方的温度谁也不能保证相差无几，会使生产结果变差。
工业过程控制中最突出的问题就是各种温度控制。要想有效解决这类问题，就需要一个可靠的数学模型来辅助研究。当前的工业大环境不容乐观，超过九成的过程控制，仍是采用了PID控制器，这种控制方法在未来的几十年仍然无法被撼动。在没有其他比较优势的控制方式选择的情况下，提高PID的性能，成了我们的首要任务。PID控制器的三个参数自然而然就成了我们控制过程可以改变的主要手段，即控制器的单个主要参数，对这三个参数的整定以及自矫正就使PID的性能迈上一个更高的台阶。
所以，我们的研究必须以上述内容为基础展开，对于提高电阻炉的整体工作效率的性能的提升具有重大的意义。本文旨在与从传统的箱式电阻炉的温度控制入手，辅助以数学建模的思想，解决其温度控制的问题，最后再进行优化。系统的输入输出特性将被放在第一位，摒弃传统的方法，在MATLAB的帮助下建立电阻炉的二阶模型。然后把参数放到实际的系统中，再把两者进行比较。最后，本文通过PID对参数进行自矫正。
1.2电阻炉控制研究现状
1.2.1电阻炉的简介
电阻炉就是一种通过电流经过电阻，在电阻体内产生热量，以此来进行加热的电炉。它的特点是发热部分结构简单，对加热材料没有限制，可以实现真空来控制气氛加热。由于以上特点，电阻炉是发展比较早的一种电炉，并且现在市场上的种类和规格也比较多，同时需求量也是非常的大，可以被应用在冶金，机械等材料行业中。
电阻炉分为两种，间接加热和直接加热。间接加热就是电流经过炉内的电阻或导电物质来产生热量，然后将所产生的热量传送给被加热物体，这也是当前最常见的一类电阻炉。而直接电热就是电流流过被加热物体，被加热物体内的电阻直接发热。下图为箱式电阻炉
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1.2.2电阻炉的工作原理
电阻炉是以电流通过导体所产生的焦耳热为热源的电炉。电阻炉以电为热源，通过电热元件将电能转化为热能，在炉内对金属进行加热。电阻炉和火焰比，热效率高，可达50－80℅，热工制度容易控制，劳动条件好，炉体寿命长，适用于要求较严的工件的加热，但耗电费用高。按传热方式，电阻炉分为辐射式电阻炉和对流式电阻炉。辐射式电阻炉以辐射传热为主，对流传热作用较小；对流式电阻炉以对流传热为主，通常称为空气循环电阻炉，靠热空气进行加热，炉温多低于650℃。按电热产生方式，电阻炉分为直接加热和间接加热两种。
直接加热型
目 录
第一章 引言 1
1.1选题的目的和意义 1
1.2电阻炉控制研究现状 1
1.2.1电阻炉的简介 1
1.2.2电阻炉的工作原理 2
1.2.3电阻炉建模研究现状 3
1.2.4电阻炉控制系统的发展现状 3
1.3 本文的研究内容 4
第二章 关于建立电阻炉系统模型的方法 6
2.1 概述 6
2.2 系统模型的建立 6
2.2.1 以阶跃曲线为基本思想的建模 6
2.2.2 二阶系统单位阶跃响应 8
2.2.3 基于阶跃响应的二阶传递函数模 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
型建立 9
2.3 本章小结 10
第三章 PID控制器的参数整定和优化 11
3.1 PID控制器的介绍 11
3.1.1 比例调节器 11
3.1.2 比例积分调节器 12
3.1.3 比例积分微分调节器 12
3.2 PID控制器的优缺点 12
3.2.1 PID控制的优点 12
3.2.2 PID控制的不足 13
3.3 MATLAB软件的介绍 13
3.4 神经网络PID控制 14
3.4.1 几种典型的学习规则 15
3.4.2 神经单元自适应PID控制 15
3.4.3 改进的单神经元自适应PID控制 16
3.4.4 PID控制器的设计 16
3.4.5 PID参数整定和优化 17
3.5 程序仿真与实际控制效果 18
3.5.1 基于无监督Hebb学习规则的位置跟踪 18
3.5.2 基于有监督的Delta学习规则的位置跟踪 19
3.5.3 基于有监督Hebb学习规则的位置跟踪 20
3.5.4 基于改进学习规则的位置跟踪 21
结束语 23
致 谢 24
参考文献 25
附 录 26
附录A:无监督Hebb学习规则 26
附录B:有监督的Delta学习规则 27
附录C:有监督的Hebb学习规则 29
附录D:改进学习规则的位置跟踪 30
第一章 引言
1.1选题的目的和意义
在现代工业生产和科研过程中都需要用到电阻炉，而电阻炉是一个需要加热的设备。温度控制对于电阻炉来说是一个很复杂的进程。电阻炉具有较大的惯性，单方面的温度升高特性，温度的改变存在滞后，温度控制之间的变量关系不是直线关系，耦合性等特点。所以，我们通过建立数学模型的方法对电阻炉的温度控制系统进行分析，对我们更好的控制电阻炉具有重大的帮助。电阻炉没有复杂的内部结构，简单的操作就能控制其温度，加热质量好，没有烟尘，没有噪声。如今工业技术飞速发展，也带来了一些棘手的问题。金属材料质量的提升，所以电阻炉的温度控制技术也不能停滞不前。
对电阻炉内的温度进行控制，温度控制器根据实际情况下的炉内温度，根据系统所相对应的系统的要求，对温度作出具体的改变，自动调节电阻炉的供热给能。使炉内温度固定在某个预先的设置的温度区间内。电阻炉的温度的控制很棘手，众所周知。多区域加热的电阻系统集中体现了电阻炉系统的强耦合性。多个加热点互相产生影响，而且不同的区域加热有快有慢，炉内不同地方的温度谁也不能保证相差无几，会使生产结果变差。
工业过程控制中最突出的问题就是各种温度控制。要想有效解决这类问题，就需要一个可靠的数学模型来辅助研究。当前的工业大环境不容乐观，超过九成的过程控制，仍是采用了PID控制器，这种控制方法在未来的几十年仍然无法被撼动。在没有其他比较优势的控制方式选择的情况下，提高PID的性能，成了我们的首要任务。PID控制器的三个参数自然而然就成了我们控制过程可以改变的主要手段，即控制器的单个主要参数，对这三个参数的整定以及自矫正就使PID的性能迈上一个更高的台阶。
所以，我们的研究必须以上述内容为基础展开，对于提高电阻炉的整体工作效率的性能的提升具有重大的意义。本文旨在与从传统的箱式电阻炉的温度控制入手，辅助以数学建模的思想，解决其温度控制的问题，最后再进行优化。系统的输入输出特性将被放在第一位，摒弃传统的方法，在MATLAB的帮助下建立电阻炉的二阶模型。然后把参数放到实际的系统中，再把两者进行比较。最后，本文通过PID对参数进行自矫正。
1.2电阻炉控制研究现状
1.2.1电阻炉的简介
电阻炉就是一种通过电流经过电阻，在电阻体内产生热量，以此来进行加热的电炉。它的特点是发热部分结构简单，对加热材料没有限制，可以实现真空来控制气氛加热。由于以上特点，电阻炉是发展比较早的一种电炉，并且现在市场上的种类和规格也比较多，同时需求量也是非常的大，可以被应用在冶金，机械等材料行业中。
电阻炉分为两种，间接加热和直接加热。间接加热就是电流经过炉内的电阻或导电物质来产生热量，然后将所产生的热量传送给被加热物体，这也是当前最常见的一类电阻炉。而直接电热就是电流流过被加热物体，被加热物体内的电阻直接发热。下图为箱式电阻炉
/
1.2.2电阻炉的工作原理
电阻炉是以电流通过导体所产生的焦耳热为热源的电炉。电阻炉以电为热源，通过电热元件将电能转化为热能，在炉内对金属进行加热。电阻炉和火焰比，热效率高，可达50－80℅，热工制度容易控制，劳动条件好，炉体寿命长，适用于要求较严的工件的加热，但耗电费用高。按传热方式，电阻炉分为辐射式电阻炉和对流式电阻炉。辐射式电阻炉以辐射传热为主，对流传热作用较小；对流式电阻炉以对流传热为主，通常称为空气循环电阻炉，靠热空气进行加热，炉温多低于650℃。按电热产生方式，电阻炉分为直接加热和间接加热两种。
直接加热型
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