可变直流矿热炉控制系统的设计与实现

论文摘要

目前,铁合金电炉在生产过程中,大部分仍然采用人工方法,凭借经验与感觉来调整电极的升降。这不仅增加了冶炼工人的劳动强度,还容易造成产品烧结质量低下、电炉炉况不稳定。在现有的一些矿热炉自动化控制系统中,多采用传统PID控制策略,很难达到理想的控制效果。所以,针对矿热炉控制系统现存的问题,我们设计了全新的可变直流矿热炉控制系统。首先,对矿热炉控制系统的核心—电极调节方面进行分析,由分析可知,矿热炉建模困难,而且该模型具有时变性和非线性等特点,单纯采用传统PID控制器难以取得更好的控制效果。因此引入了对模型的要求不高的模糊控制,采用模糊与PID相结合的方法作为本系统的控制策略。其次,在电动机启动状态下,电机容易因过热而造成损坏,这样会影响执行机构的使用寿命,而且电极的频繁动作不利于节能,同时使炉内的水温不稳定,也不利于生产。根据实际生产可知,矿热炉系统中容许一定的偏差,这样就提出了如何在满足控制要求的前提下,保证电极上提、下放次数最少的问题。针对上述问题本系统采用带死区的模糊PID的控制策略。并且根据模糊控制原理和单片机的特点,使带死区的模糊PID控制在MCU中得以实现。除此之外,根据工艺的要求,以及国家电力部门的功率要求的限额,提出一次侧电网输入功率超限的处理策略。最后,采用模块化设计思想,设计开发了以C8051F040高性能单片机为核心控制器的矿热炉控制系统,主要包括控制模块、显示模块、网络通信子系统、人机对话系统、电机驱动控制器及电力控制部分,使系统的智能化程度得以提高。采用上述的设计方法,提高了矿热炉直流侧电流的控制效果；死区环节的引入,对于电机的频繁启动也起到了很好的抑制作用；采用模块化的设计思想,使系统的智能化程度得以提高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 矿热炉的产生与发展
• 1.1.1 俄国矿热炉的最新发展
• 1.1.2 南非矿热炉新型调节系统
• 1.1.3 德国矿热炉控制系统的最新发展
• 1.2 课题的研究意义
• 1.3 本文的主要内容
• 第2章 矿热炉系统的控制原理分析与设计
• 2.1 矿热炉系统的工艺简介
• 2.2 矿热炉的总体控制方案设计
• 2.3 矿热炉的电极升降控制方案设计
• 2.3.1 电极升降系统介绍
• 2.3.2 电极升降控制的工作原理
• 2.4 系统人机对话的实际工作与操作流程
• 2.5 本章小结
• 第3章 矿热炉系统控制策略的设计与实现
• 3.1 控制器选取问题的讨论
• 3.1.1 矿热炉控制系统的数学模型问题的讨论
• 3.1.2 传统PID控制算法
• 3.1.3 传统PID控制算法的优缺点
• 3.2 模糊控制策略
• 3.2.1 模糊控制简介
• 3.2.2 模糊控制的基本结构
• 3.2.3 模糊控制器的结构设计方法简介
• 3.3 模糊控制策略的设计
• 3.3.1 模糊控制的基本形式比较
• 3.3.2 带死区的模糊PID控制的系统设计与仿真
• 3.3.3 带死区的模糊PID控制与传统PID控制策略的性能比较
• 3.4 基于MCU的带死区的模糊控制策略的实现
• 3.5 一次侧功率超限的处理策略
• 3.5.1 功率超限处理方法的选择
• 3.5.2 功率超限处理方法的实现
• 3.6 本章小结
• 第4章 控制系统的硬件设计与实现
• 4.1 中心主控制计算机设计
• 4.1.1 核心控制器C8051F040
• 4.2 网络通信设计接口
• 4.2.1 CAN总线协议物理层介绍
• 4.2.2 C8051F040 UART接口电路
• 4.2.3 CAN-USB协议转换器
• 4.3 功率因数测量电路设计与实现
• 4.3.1 功率因数测量原理
• 4.3.2 功率因数测量接口电路的设计
• 4.4 人机对话子系统的设计与实现
• 4.4.1 液晶模块简介
• 4.4.2 液晶显示驱动电路设计
• 4.5 晶闸管控制与检测接口电路设计
• 4.5.1 电流触发角控制电路
• 4.5.2 晶闸管故障检测电路
• 4.6 本章小结
• 第5章 控制系统的软件设计与实现
• 5.1 网络通信协议
• 5.1.1 网络通信协议的主要思想
• 5.1.2 网络通信协议的约定
• 5.2 网络通信的软件设计
• 5.2.1 网络通信的软件设计
• 5.2.2 网络通信抗干扰技术的实现
• 5.3 人机对话系统的软件设计
• 5.4 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 工作总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录