基于单神经元PID的电阻炉智能温度控制系统

论文摘要

电阻炉被广泛地应用在工业生产中,它的温度控制效果直接影响到生产效率和产品质量,因而对温度控制系统的要求很高。但电阻炉是一个具有非线性、纯滞后、大惯性、时变性、升温单向性等特点的控制对象,很难用数学方法建立精确的模型,因此用传统的控制理论和方法很难达到较好的控制效果。本题目来源于箱式电阻炉热处理加工过程的控制问题。热处理的目的就是提高材料的机械性能、消除残余应力和改善金属的切削加工性。本题目要求设计一套计算机监控系统,按工艺要求完成对工件的热处理。计算机监控系统包括传感器、信号处理、电源供电、硬件设计、监控软件开发等。本文重点在于如何应用控制算法进行控温。温度控制的关键在于测温和控温两个方面。温度测量是温度控制的基础,这方面的技术比较成熟。但由于控制对象的复杂、时变以及对控制要求越来越苛刻,因此如何提高控温精度以及便于人工控制一直是工业温度控制领域的重要问题。本文提出了基于单神经元PID的电阻炉温度控制系统的设计。首先简单介绍了常规PID,并由此引出单神经元PID算法的基本理论,对其进行了详细的研究,最后就稳定性进行了分析,同时阐述了该单神经元控制器可调参数的详细选取规则。对组态软件KingView进行了组态开发,完成对系统的组态、监控、报警、数据报表等功能。系统操作简便,画面动感直观,并具有高适应性、高可靠性和高稳定性等特点。通过实验得出电阻炉的温升曲线,在此基础上利用飞升曲线法建立了电阻炉数学模型,由此设计了采用改进型有监督Hebb学习规则的单神经元PID控制器。在Matlab软件中对单神经元进行了仿真,证明了单神经元PID算法的可行性,并得出了单神经元PID控制器的优势。在仿真的基础上,进行了电阻炉温度控制的现场调试,实际调试结果表明,该控制系统的控制效果优于常规PID,具有超调小、控制精度高、抗干扰性强等优点,具有较好的应用前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题的目的和意义
• 1.2 温度控制系统的发展概况
• 1.3 课题研究的内容及方法
• 2 单神经元自适应PID控制器
• 2.1 常规PID控制器
• 2.2 单神经元自适应PID控制理论
• 2.2.1 自适应控制系统
• 2.2.2 单神经元自适应PID控制器
• 2.3 采用二次型性能指标的单神经元自适应PID控制器
• 2.3.1 以输出误差平方为性能指标的单神经元自适应控制器
• 2（k+d）+QΔu²（k）为性能指标的单神经元自适应控制器'>2.3.2 以Pe²（k+d）+QΔu²（k）为性能指标的单神经元自适应控制器
• 2.4 增益自调整的单神经元自适应PID控制器
• 2.4.1 不需要辨识的自适应控制算法
• 2.4.2 基于PSD算法的单神经元控制器
• 2.4.3 基于PSD算法的单神经元控制器改进方案
• 2.5 单神经元PID控制器的稳定性理论分析
• 3 电阻炉温度控制系统硬件设计
• 3.1 控制系统主要技术性能指标
• 3.2 系统的设计原则
• 3.3 系统的硬件组成
• 3.3.1 检测元件
• 3.3.2 PEC7000模块
• 3.3.3 可控硅工作原理
• 3.3.4 单相交流调压模块
• 4 电阻炉温度控制系统软件设计
• 4.1 组态王 KingView6.5简介
• 4.1.1 组态王 KingView6.5的特点
• 4.1.2 组态王KingView6.5程序组成介绍
• 4.2 电阻炉温控系统软件的总体设计
• 4.3 登录、用户管理及主控画面编程及其功能
• 4.3.1 登录画面
• 4.3.2 用户管理画面
• 4.3.3 主控画面
• 4.3.4 实时曲线
• 4.4 历史曲线画面编程及功能
• 4.5 数据报表画面编程及功能
• 4.6 报警画面编程及功能
• 4.7 参数修改画面编程及功能
• 4.8 帮助画面编程及功能
• 5 电阻炉温度控制系统仿真与调试
• 5.1 电阻炉的对象特点及系统模型的建立
• 5.1.1 模型形式
• 5.1.2 参数测定
• 5.2 控制器的仿真
• 5.2.1 常规PID控制器仿真
• 5.2.2 单神经元PID控制器仿真
• 5.3 电阻炉温度控制系统的调试
• 5.3.1 应用常规PID控制器进行调试
• 5.3.2 应用单神经元PID控制器进行调试
• 结论
• 参考文献
• 附录A 算法程序
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢