电窑炉温度控制系统的研究与设计

论文摘要

随着压电陶瓷工业的迅速发展,压电陶瓷产品以其质优价廉得到广泛应用,在产量迅猛增长的同时,也带动了压电陶瓷生产设备的快速发展。自动控温的电窑炉即是其中的一种,它是借助机械传送带将已初步成型的压电片送到具有不同温区的电窑炉进行加温固化成型的一种设备。在整个生产过程中,影响成型质量的因素主要是温度控制效果,如果温度过高,PbO挥发过多,使烧料坚硬、发白或变灰;如果温度过低,烧料中一些杂质不易挥发,会使烧料块疏松、发红。两者都将导致成型不好使压电蜂鸣片机电性能变差。可见,电窑炉温度控制是十分重要的。而温度系统的非线性、时变性、滞后性是控制的难点,电窑炉的温度控制多采用PID控制,近年来,随着控制理论的成熟和计算机技术的发展,FUZZY(模糊)控制也应用于温度控制中,使得温度控制技术有了突飞猛进的发展。因此,使用微机同时控制几个温区的加热温度和升降温速率,可以得到很高的控制精度,所用的元器件少,性能优良,精度高,具有先进水平。本课题来源于企业横向项目—温州黎明无线电元件厂电窑炉温度控制系统研究与设计。该系统设计由上位机与下位机两大部分组成,上位机与下位机通过RS422A通讯协议完成信息的传递,上位机由586微机加RS232C/RS485转换器构成,位于集中控制室,完成向下位机(现场控制器)发送命令、接收现场控制器数据及数据分析、存储、报表打印、显示等功能。下位机由现场温度智能控制器、温度传感器,IGBT电路等组成,主要完成对窑炉各点温度的测量、控制及向上位机发送有关数据等。6个控制器通过PID调节电功率分别控制窑炉内6点温度,从而保证窑炉烧成带温度的恒定,该系统特别适合于电窑炉这样的小规模DCS系统。针对压电蜂鸣片生产工艺的特点,温度输入通道采用传统的热电偶信号经过具有零点补偿和放大的AD595芯片进行冷端补偿和放大处理,采用具有平方运算的AD538芯片以校正热电偶的非线性,以8051单片机为核心,设计了闭环的温度控制系统;在输出通道采用PWM技术控制IGBT,实现输出电流的连续控制,在控制算法上采用常规PID控制与模糊自适应PID控制算法对电窑炉进行温度控制的仿真比较,结果表明,常规PID控制虽然有较高的控制精度,但对于非线性较严重(如S型热电偶组成)的温控系统,其控制性能会因为工作点不同而产生较大的不一致性,而模糊自适应PID控制其实时性强、鲁棒性好、控温精度高、工作稳定可靠、动态及稳态精度都较好。本论文从开发应用的角度论述和总结了该系统的软、硬件及实现过程。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题相关技术发展现状
• 1.1.1 压电陶瓷的发展现状
• 1.2 压电陶瓷烧结过程的物理化学变化
• 1.2.1 低温阶段
• 1.2.2 中温阶段
• 1.2.3 冷却阶段
• 1.3 窑炉的发展现状
• 1.3.1 烧结窑炉分类
• 1.3.2 电窑炉的结构
• 1.4 技术发展趋势
• 1.5 遗传算法控制
• 1.6 论文研究内容
• 1.7 论文结构组织
• 第二章 电窑炉温度控制系统设计总体方案
• 2.1 电窑炉温度控制系统结构
• 2.2 电窑炉温度控制系统硬件设计
• 2.2.1 温度传感器
• 2.2.2 集成电路
• 2.2.3 晶闸管及IGBT
• 2.3 电窑炉温度控制方法
• 2.3.1 执行器的特性
• 2.3.2 温度自动控制原理
• 2.3.3 电窑炉温度调节方式
• 2.4 本章小结
• 第三章 电窑炉温度控制系统控制算法
• 3.1 电窑炉温度系统建模
• 3.2 PID 控制算法
• 3.2.1 模拟PID 控制算法
• 3.2.2 数字PID 算法
• 3.3 遗传算法控制
• 3.3.1 遗传算法控制器
• 3.3.2 模糊控制器结构
• 3.4 模糊 PID 控制
• 3.4.1 引入积分因子的模糊 PID 控制器
• 3.4.2 模糊-PID 混合控制
• 3.4.3 模糊自适应PID 控制
• 3.5 仿真实验
• 3.5.1 仿真程序设计
• 3.5.2 仿真结果分析
• 3.6 电窑炉温度闭环控制程序设计
• 3.7 本章小结
• 第四章 电窑炉温度控制器硬件结构设计
• 4.1 主机电路
• 4.2 主机电路与键盘、显示器接口
• 4.3 温度信号输入通道
• 4.4 执行信号输出通道
• 4.5 本章小结
• 第五章 温控系统现场总线控制方案
• 5.1 系统结构
• 5.2 通信协议
• 5.2.1 RS422接口的物理层
• 5.2.2 数据链路层
• 5.2.3 应用层
• 5.3 现场总线方案软件设计
• 5.3.1 程序流程图
• 5.3.2 软件实现方式
• 5.4 测试与结果分析
• 5.4.1 系统测试
• 5.4.2 结果分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果