电磁感应加热系统建模与控制策略研究

论文摘要

电磁感应加热是目前将电能转换为热能的一种高效方式。电磁感应加热系统高效率、高精度、稳定、可靠的控制是一个重要的研究课题。要建立一个合适的电磁感应加热控制系统,首先必须分析电磁感应加热系统模型,然后才能设计出与模型特性相符合的控制器。本文结合电路原理、电磁感应特性及热效应理论知识对电磁感应加热系统进行了深入的机理分析,得到系统等效电路和非线性模型,即Hammerstein模型。通过对电磁感应加热系统单输入单输出非线性Hammerstein模型分析,针对其模型参数辨识的复杂性,将非线性模块部分系数分离,并建立辅助模型得到参数辨识的必要数据,最终将参数辨识问题转换为残差估计极小值准则函数的优化问题。然后运用改进的粒子群优化算法对该优化问题进行求解。仿真实验证明,改进的粒子群优化算法增加了粒子群的局部搜索能力,克服了粒子早熟收敛问题,得到了参数的最优估计值。针对电磁感应加热系统Hammer-stein模型特征,提出了一种改进的模糊自适应PID控制器,即Ham-merstein模型的非线性模块的反函数与Fuzzy控制、PID控制相结合,因而设计的控制器拥有PID控制的简便性与灵活性以及Fuzzy控制的智能性。用Matlab软件对改进的Fuzzy自适应PID控制器的稳定性和抗干扰性能进行了研究,仿真结果表明：该控制器具有可行性和有效性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 研究现状及存在的不足
• 1.3 解决思路
• 1.4 本文研究的主要内容及论文结构安排
• 第二章 电磁感应加热机理分析与建模
• 2.1 建模方法概述
• 2.2 电磁感应加热理论基础
• 2.2.1 电磁感应定律
• 2.2.2 集肤效应与透入深度
• 2.2.3 圆环效应和邻近效应
• 2.3 电磁感应加热系统主电路分析
• 2.3.1 电磁感应加热系统结构简介
• 2.3.2 并联谐振回路的理论分析
• 2.3.3 并联谐振回路的品质因数Q
• 2.4 电磁感应加热系统MAXWELL方程与磁场求解
• 2.4.1 磁场分析
• 2.4.2 管道上的磁场求解
• 2.4.3 管道内的磁场求解
• 2.4.4 线圈上的磁场求解
• 2.5 系统模型建立
• 2.6 本章小结
• 第三章 电磁感应加热系统HAMMERSTEIN模型参数辨识
• 3.1 电磁感应加热系统的HAMMERSTEIN模型及其向量形式
• 3.2 电磁感应加热系统HAMMERSTEIN模型参数辨识算法
• 3.2.1 基本粒子群优化算法
• 3.2.2 标准粒子群优化算法
• 3.2.3 改进粒子群优化算法
• 3.3 改进的粒子群优化算法辨识HAMMERSTEIN模型参数
• 3.4 仿真研究
• 3.5 本章小结
• 第四章 电磁感应加热系统HAMMERSTEIN模型控制策略研究
• 4.1 电磁感应加热控制系统基本结构
• 4.2 常规PID控制器概述
• 4.3 Fuzzy控制器概述
• 4.3.1 模糊控制器结构
• 4.3.2 精确量的模糊化处理
• 4.3.3 模糊控制规则
• 4.3.4 模糊推理算法与输出量去模糊化
• 4.4 改进的模糊自适应PID控制器
• 4.4.1 改进的模糊自适应PID控制器系统结构
• 4.4.2 电磁感应加热系统模糊控制器的设计
• 4.4.3 仿真研究
• 4.5 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 攻读学位期间主要的研究成果