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1、精品文档，仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除本科生毕业设计（论文）开题报告论文题目： 电阻炉温度控制系统的设计 学 院： 专业班级： 学生姓名： 学 号： 导师姓名： 开题时间： 年 月 日【精品文档】第 7 页1课题背景及意义1.1课题研究的背景，目的及意义温度是生产过程和科学实验中非常普遍而又十分重要的物理参数。在工业生产过程中，为了高效地进行生产，必须对生产工艺过程中的主要参数，如温度、压力、流量、速度等进行有效的控制，其中温度控制在生产过程中占有相当大的比例。准确地测量和有效地控制温度是优质、高产、低耗和安全生产的重要条件。而且在我们的日常生活中也使用微波炉、电阻炉、电热水器、空调
2、等家用电器，温度与我们息息相关。可见温度控制电路广泛应用于社会生活的各个领域，所以对温度进行控制是非常有必要和有意义的1。电加热炉是典型工业过程控制对象，其温度控制具有升温单向性，大惯性，纯滞后，时变性等特点，很难用数学方法建立精确的模型和确定参数。而PID控制因其成熟，容易实现，并具有可消除稳态误差的优点，在大多数情况下可以满足系统性能要求，但其性能取决于参数的整定情况。且快速性和超调量之间存在矛盾，使其不一定满足快速升温、超调小的技术要求。模糊控制在快速性和保持较小的超调量方面有着自身的优势，但其理论并不完善，算法复杂，控制过程会存在稳态误差。将模糊控制算法引入传统的加热炉控制系统构成智能
3、模糊控制系统，利用模糊控制规则自适应在线修改PID参数，构成模糊自整定PID控制系统，借此提高其控制效果。基于PID控制算法，以80C51单片机为主体，构成一个能处理较复杂数据和控制功能的智能控制器，使其既可作为独立的单片机控制系统，又可与微机配合构成两级控制系统。该控制器控制精度高，具有较高的灵活性和可靠性23。1.2课题国内外研究现状及趋势电阻炉是热处理生产中应用最广泛的加热设备，它在机械，冶金等行业的生产中占有十分重要的地位。对电阻炉温度控制的好坏直接影响工艺要求的温度水平和加热质量，以致直接影响产品的质量、产量和生产消耗指标，所以国内外关于电阻炉自动控制的研究一直备受重视，发展比较快，
4、也取得了较为丰硕的成果。总的来说，电阻炉温度控制的发展分为以下三类：第一类: 经典控制方案经典控制方案可分为数字控制器的间接设计方案和数字控制器的直接设计方案。数字控制器的间接设计方案是一种根据模拟设计方案转换而来的设计方案。传统模拟系统中的控制器设计己有一套成熟的方法，其中以PID控制器为代表。PID控制器具有原理简单、易于实现、适用范围广等优点。将模拟控制器转换成数字控制器是用离散时近似方法将一连续时间系统的控制规律离散为数字控制器的控制规律，其中为确保数字控制器与模拟控制器的近似，要适当选择采样周期4。第二类: 基于现代控制理论的设计方案现代控制理论以线性代数和微分方程为主要的数学工具，
5、以状态空间法为基础来分析和设计控制系统。状态空间法本质上是一种时域的方法，它不仅描述了系统的外部特性，而且描述和提示了系统的内部状态和性能。基于现代控制理论的设计方案是建立在对系统内部模型的描述之上的。它是通过数学方法对控制系统进行分析综合。控制规律的确定是通过极小化预先确定的性能指标函数或使控制系统满足希望的响应而推导出来的。此类设计方案主要有:系统辨识、最优控制、自校正控制等。这类设计方案适用范围广，适合于多输入多输出系统、某些非线性时变系统和一些具有随机扰动的系统。该方法理论严谨，控制系统的稳定性问题可以严格证明，性能指标能定量分析，得到的控制品质较好。但这类方法需要知道精确的被控对象的
6、数学模型形式56。第三类: 智能控制方案智能控制方案是一类无需人的干预就能够针对控制对象的状态自动地调节控制规律以实现控制目标的控制策略。它避开了建立精确的数学模型和用常规控制理论进行定量计算与分析的困难性。它实质仁是一种无模型控制方案，即在不需要知道对象精确模型的情况下，通过自身的调节作用，使实际响应曲线逼近理想响应曲线。智能控制系统有以下一些特点(1)智能控制系统一般具有以知识表示的非数学广义模型和以数学模型表示的混合控制过程。它适用于含有复杂性、不完全性、模糊性、不确定性和不存在己知算法的生产过程。(2)智能控制具有信息处理和决策机构，它实际上是对人神经结构或专家决策机构的一种模仿。(3
7、)智能控制器具有非线性。这是因为人的思维具有非线性，作为模仿人的思维进行决策的智能控制也具有非线性的特点。(4)智能控制器具有变结构的特点。(5)智能控制器具有总体自寻优的特点。智能控制方案主要包括模糊控制、神经网络和遗传算法控制等7。常用的温度控制电路根据应用场合和要求的性能指标有所不同。除了传统的PID控制方法，近几年来快速发展的是将模糊控制、神经网络、遗传算法等智能控制方法应用于温控系统，包括智能控制与PID控制相结合及这些智能控制之间的结合。具体有如下一些方法: (1)模糊控制模糊控制是基于模糊逻辑的描述一个过程的控制算法，它不需要被控对象的精确模型，仅依赖于操作人员的经验和直觉判断，
8、容易应用。模糊温控的实现过程为:将温控对象的偏差和偏差率以及输出量划分为不同的模糊值，建立规则，将这些模糊规则写成模糊条件语句，形成模糊模型。根据模糊查询表，形成模糊控制算法。对输入量的精确值模糊化，经数学处理输入计算机，计算机由模糊规则推理做出模糊决策，求出相应的控制量，变成精确值去驱动执行机构，调整输入，达到调节温度，使其稳定的目的8。(2)专家控制专家系统通过某种知识获取手段，把人类专家的领域知识和经验技巧移植到计算机中，并且模拟人类专家的推理、决策过程，表现出求解复杂问题的人工智能。因而，专家系统是一种人工智能的计算机程序系统，这些程序软件具有相当于某个专门领域的专家的知识和经验水平，
9、以及解决专门问题的能力。专家系统在结构上有两个基本要素：一、知识库存储有某个专门领域中经过事先总结的按某种格式表示的专家水平的知识条目。二、推理机制按照类似专家水平的问题求解方法，调用知识库中的条目进行推理、判断和决策。专家控制是将专家系统的理论和技术同控制理论方法和技术相结合，在未知环境下，仿效专家的智能，实现对系统的控制。专家控制系统不同于离线的专家系统，其不仅是独立的决策者，而且是具有获得反馈信息并能实时在线控制的系统。专家控制系统一般由数据库、规则库、推理机、人机接口及规划环节五个部分组成，控制系统具有下述特点：一、高可靠性及长期运行的连续性。二、在线控制的实时性。三、优良的控制性能和
10、抗干扰性。四、使用的灵活性及维护的方便性。在专家控制系统的规则库中含有产生式规则，包括专家的知识和经验，而把知识和经验表达成规则并非易事，规则的补充、完善更是困难，因为这不是一种单向的简单的知识堆砌过程，而是一个复杂的整理过程，这也是专家控制系统实际应用中的难点9。（3）神经控制 人工神经网络(ANN)是近几十年发展的一门新兴的交叉学科，所谓“人工神经网络实际上是以一种简单计算-处理单元(神经元)为节点，采用某种网络拓扑结构构成的活性网络，可以用来描述几乎任意的非线性系统，ANN还具有学习能力、记忆能力、计算能力以及各种智能处理能力，在不同程度和层次上模仿人脑神经系统的信息处理、存储和检索的功
11、能。基于神经网络的控制系统是指在控制系统中采用神经网络这一工具对难以精确描述的复杂的非线性对象进行建模，或充当控制器，或优化计算，或进行推理，或故障诊断等，以及同时兼有上述功能的适当组合，其控制方式称为神经网络控制，简称神经控制。相对于传统的控制方法，神经控制具有以下特征和性质：人工神经网络在理论上能逼近任何非线性函数，而且比其它建模方法更经济；信息的并行分布式处理与存储，具有较强的容错能力和数据处理能力；能对知识环境提供的信息进行学习和记忆以适应环境的变化。 经过1989年前后出现的研究高潮以后，单纯使用神经网络的辨识与控制方法的研究，目前已有停滞不前的趋势，其主要原因有：一、近年来，神经网
12、络本身的研究如网型等未再有根本的突破，专门适用于控制问题的动态神经网络仍待进一步发展。二、网络本身的黑箱式内部知识表达方式，使其不能利用初始经验进行学习，易于险入局部最小值。三、分布并行计算的潜力还有赖于硬件实现技术的进步。为了克服神经控制方法的上述困难，也为了使智能控制方法与生物神经系统智能控制具有更大的相似性，将模糊逻辑(包括专家系统)与神经网络结合，发展模糊神经网络控制方法，已经成为模糊控制或神经控制研究的主要发展趋势1011。(4)神经网络与PID的结合神经网络是一种采用数理模型的方法模拟生物神经细胞结构及对信息的记忆和处理而构成的信息处理方法。人工神经网络以其高度的非线性映射、自组织
13、、自学习和联想记忆等功能，可对复杂的非线性系统建模。该方法响应速度快，抗干扰能力强、算法简单，且易于用硬件和软件实现。在温度控制系统中，将温度的影响因素作为网络的输入，将其输出作为PID控制器的参数，以实验数据作为样本，在微机上反复迭代，自我完善与修正，直至系统收敛，得到网络权值，达到自整定PID控制器参数的目的，也就是神经网络整定PID参数的方法12。 (5)模糊控制与PID的结合具体结合形式有多种，主要是Fuzzy-PID复合控制和模糊整定PID参数的方法。Fuzzy-PID复合控制:当偏差较大时采用模糊控制，响应速度快，动态性能好；偏差较小时采用PID控制，使具有好的静态性能。是一种模糊
14、控制和PID控制的分阶段切换控制方法。模糊整定PID参数的方法:根据偏差和偏差变化率，由模糊推理来调整PID参数，也就是一种以模糊规则调节PID参数的自适应控制方法1314。(6)模糊控制与神经网络的结合模糊控制所基于的经验不易获得，一成不变的控制规则也很难适应不同被控对象的要求。所以应使模糊控制向着自适应的方向发展。基于这样的要求，可以利用神经网络的来修正偏差和偏差变化率的比例系数，达到优化模糊控制器的作用，从而进一步改进实时控制的效果，有强的鲁棒性和适应能力1516。神经网络和模糊控制都属于智能控制方法，它们与PID控制结合，适应温控系统非线性、干扰多、大滞后、时变等特点。模糊控制特别适应
15、于大惯性和纯滞后的系统 。2毕业设计研究内容及任务2.1研究内容本研究内容以电阻炉为研究对象，针对电阻炉的温度控制系统进行设计。论文将阐述电阻炉温度控制的几种不同算法及区别，从而得出一种最优算法。设计并开发以80C51单片机为控制核心，外置数据采集电路、功率控制电路、键盘与显示电路声光报警电路和存储等电路的硬件设计。从而实现数据采集、处理、存储、显示，系统的故障自诊断，声光报警等功能。参数设计与计算；软件设计：参数设定、修改人机管理界面设计和智能控制算法设计。本设计完成后实现一种硬件电路简单、控制算法先进、系统优良的新型温度控制系统。使系统具有较高的控制精度以及较高的灵活性和可靠性。2.2 设
16、计思想及设计方案（1）论述电阻炉温度控制系统的课题目的、研究意义，炉温控制系统的国内外发展与现状及电阻炉温度控制算法。（2）电阻炉温度控制系统的硬件设计，包括硬件的组成及各功能子模块电路的设计。（3）电阻炉温度控制系统的软件设计方案，及各子模块的软件实现。（4）研究适合该温度控制系统的几种控制算法。通过对常规PID控制、模糊控制的原理进行学习，设计了一种模糊自整定PID控制算法。（5）运用MATLAB软件对控制算法进行仿真，验证系统控制方案的可行性和可靠性。2.3 毕业设计拟采用方法和手段（1）掌握电阻炉温度控制系统的工作原理，进而论证温度控制设计方案。（2）学习单片机原理和指令系统，进行软件
17、和硬件设计。（3）查阅资料，了解各种控制算法，明确其优缺点及应用现状，重点掌握模糊PID算法。PID控制由于结构简单、稳定性好、可靠性高,在工业控制中得到广泛的应用,模糊PID 控制是基于智能控制理论,并与常规PID 控制有机结合,不仅保持了常规PID 控制系统原理简单、使用方便、鲁棒性较强、控制精度高等优点,而且具有模糊控制的灵活性、适应性强等优点。3毕业设计工作计划及进度安排第1周查阅资料（中文和英文）、确定题目、调研第2周查阅资料（中文和英文）、确定题目、整体方案论证第3周学习相关资料，撰写开题报告第4周完善开题报告，外文翻译；掌握温度控制系统控制原理第5周掌握电阻炉温度控制系统工作原理
18、，论证温度控制设计方案第6周确定温度控制设计方案，进行硬件组成设计第7周进行硬件组成设计，绘制草图第8周进行硬件组成设计，完成硬件设计初步第9周进行软件设计，编写各程序流程框图第10周进行软件设计，编写程序第11周进行软件设计，编写程序，同时进行程序调试及修改第12周程序调试及修改，绘制全部硬件电路图第13周完善所有硬件和软件设计，论文初稿第14周撰写论文第15周撰写论文第16周完善论文，准备答辩第17周答辩4.主要参考文献1 纪友芳，李大海，林美娜智能温度控制仪的设计与实现J计算机工程与设计2007，28(1 7)：4200-42022 孙丰昌，乐恺，姜泽毅等.智能控制算法对加热炉温度控制研
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