內蒙古科技大學信息工程學院測控專業畢業實習報告
——文獻綜述
題目：電阻爐溫度控制系統設計
學生姓名：賈旺
學號：0967112301
專業：測控技術與儀器
班級：測控2009-3
指導教師：左鴻飛
前言
電阻爐被廣泛地應用在工業生產中，它的溫度控制效果直接影響到生產效率和產品質量，因而工業生產對溫度控制系統的要求很高。目前電阻爐通常采用常規PID 控制，但是電阻爐的溫度控制具有非線性、大慣性、大滯后等特點，難以對其建立精確的數學模型，因而常規PID控制難以取得良好的控制效果。
因此，設計一個控制精度高、運行穩定的電阻爐溫度控制系統具有很高的應用價值。
本文以電阻爐為控制對象，以UP550程序調節器為硬件核心，采用PID控制方法，設計一種控制精度高的溫度控制系統。在文中詳細闡述了控制系統的硬件設計和控制方法。
本系統的溫度檢測電路集成在UP550程序調節器中，簡化了系統的硬件設計，提高了溫度檢測的精度。在輸出控制中主要采用硬件電路實現，降低了程序的復雜性。在系統的硬件電路中采用了抗干擾設計，增強了系統的抗干擾能力。
常規PID控制算法簡單、易于實現，適用于可建立精確數學模型的確定性控制系統。而實際工業生產過程往往具有非線性和時變性，難以建立精確的數學模型，因此常規PID控制器不能達到理想的控制效果。但通過UP550程序調節器可以同時設定多組PID參數，根據不同溫度段特性更改PID參數彌補了常規PID控制的不足。采用常規PID控制和論文設計的控制系統在電阻爐上進行控制實驗，并對控制效果進行分析，結果表明，該控制系統的控制效果優于常規PID，具有超調小、控制精度高、抗擾性強、運行穩定等優點，具有較好的應用前景。
第一章緒論
1.1 課題背景和意義
從20世紀20年代開始，電阻爐就在工業上得到使用。隨著科學技術的發展，電阻爐被廣泛的應用在冶金、機械、石油化工、電力等工業生產中，在很多生產過程中，溫度的測量和控制與生產安全、生產效率、產品質量、能源節約等重大技術經濟指標緊緊相連。因此各個領域對電阻爐溫度控制的精度、穩定性、可靠性等要求也越來越高，溫度測控制技術也成為現代科技發展中的一項重要技術。
溫度控制技術發展經歷了三個階段：l、定值開關控制；2、PID控制；3、智能控制。定值開關控制方法的原理是若所測溫度比設定溫度低，則開啟控制開關加熱，反之則關斷控制開關。其控溫方法簡單，沒有考慮溫度變化的滯后性、慣性，導致系統控制精度低、超調量大、震蕩明顯。PID控制溫度的效果主要取決于P、I、D三個參數。PID控制對于確定的溫度系統，控制效果良好，但對于控制大滯后、大慣性、時變性溫度系統，控制品質難以保證。電阻爐是由電阻絲加熱升溫，靠自然冷卻降溫，當電阻爐溫度超調時無法靠控制手段降溫，因而電阻爐溫度控制具有非線性、滯后性、慣性、不確定性等特點。目前國內成熟的電阻爐溫度測控系統以PID控制器為主，PID 控制對于小型實驗用電阻爐控制效果良好，但對于大型工業電阻爐就難以保證電阻爐控制系統的精度、穩定性等。智能控制是一類無需人的干預就能獨立驅動智能機械而實現其目標的自動控制，隨著科學技術和控制理論的發展，國外的溫度測控系統發展迅速，實現對溫度的智能控制。應用廣泛的溫度智能控制的方法有模糊控制、神經網絡控制、專家系統等，具有自適應、自學習、自協調等能力，保證了控制系統的控制精度、抗干擾能力、穩定性等性能。比較而言，國外溫度控制系統的性能要明顯優于國內，其根本原因就是控制算法的不同。
本文的研究，以電阻爐為控制對象，UP550程序調節器為硬件核心元件，設計一種新型的溫度測控系統，使其具有硬件電路簡單、系統性能優良等優點。
1.2 國內外溫度控制系統的概況與發展趨勢
傳統的PID控制及改進型PID控制原理簡單、工作穩定、可靠性高、魯棒性強，
曾在電阻爐溫度控制系統中得到了普遍的采用，其缺點是必須預先建立控制對象的數學模型，因而其對于一些大滯后、多輸入、時變性電阻爐系統，控制效果難以滿意。自智能控制理論發展以來，智能控制技術開始逐漸應用于工業控制。1974年，Mamdani 首次用模糊邏輯和模糊推理實現了蒸汽機的控制，其標志著人們用模糊邏輯進行工業控制的開始，也宣告了模糊控制的問世。1976年，P．J．King和Mamdani等人合作，用模糊控制對反應器進行溫度控制，他們采用模糊模型的預估方案，從而成功解決了不穩定問題。這也是控制史上首次利用模糊控制來進行溫度控制。在20世紀90年代，美國、英國相續發表《智能控制專輯》，同本、德國等國也連續發表多篇智能控制方面的論文，涉及到軍事、工業、家用電器等眾多領域，包括智能溫度控制在各個領域的應用。如今Simens和Inform公司聯合研制了性能優良的模糊控制開發軟件工具及第三代模糊微處理器，可利用軟件或硬件的方法實現對系統的模糊控制。
在Zadeh創立模糊集合論的同年，我國傅京孫教授首先提出了把人工智能中的直覺推理方法用于學習
控制系統，奠定了國內智能控制發展的基礎。模糊控制應用于核反應堆、城市交通等控制中。隨后更多的學者開始關注智能控制技術，近年來我國也越來越重視智能控制理論和應用的研究，從1993到1995連續三年國內都召丌了與智能控制有關的學術會議。由于溫度控制設計到冶金、化工、機械等眾多領域，因而溫度智能控制技術也是國內學者研究的重要內容，越來越多與智能溫度控制有關的論文在科技刊物上發表。
總體上說，智能控制在溫度控制系統中的應用越來越廣泛。目前，國外已研制出商品化、智能化、精度高、小型化的智能溫度控制系統，開發出成熟的智能控制算法和控制軟件。相比較而言，國內智能控制技術的應用要落后于國外，目前國內成熟的溫度控制系統以常規PID和各種改進PID控制為主，商品化的智能控制系統少，在智能控制算法和控制軟件的開發方面投入人力、物力也較少。
第二章控制方法介紹及硬件選擇
2.1智能控制
“智能控制”一詞在1967年Leondes和Mendel在他們的“人工智能控制"技術報告中正式使用，智能控制是一門新興的理論和技術，目前關于智能控制的定義、理論、結構等尚無統一的系統描述，1993年美國IEEE控制系統學會智能控制技術委員會邀請成立一個專家小組，目的在于描述智能控制系統的特點，對“智能控制"一詞進行定義，并指出因為不問的觀點和描述問題智能控制系統的多種定義是必須
的。在上述專家小組發表的綜合報告中指出，實際上稱為具有智能的系統其智能應相當高才行。通常這種智能要求具有感知環境、作出決策和控制動作的能力，更高的智能還包括認識目標和事件用語言模型代表知識，對未來作出推理和計劃。智能控制的研究對象具有以下幾個特點：一、不確定性的模型。智能控制的對象通常存在嚴重的不確定性，其不確定性是指模型未知或知之甚少以及模型的結構和參數可能在很大范圍內變化。二、高度的非線性。在傳統的控制理論中，線性理論比較成熟，而非線性理論很不成熟，非線性控制方法也比較復雜，采用智能控制方法可以較好的解決非線性系統的控制問題。三、復雜的任務要求。傳統的控制系統控制任務要求比較單一，智能控制系統可以完成復雜的任務要求。例如在復雜的工業過程控制系統中，除了要求對各被控物理量實現定值調節外，還要求能實現整個系統的自動啟停、故障的自動診斷以及緊急情況的自動處理等功能。智能控制是一類無需人的干預就能獨立驅動智能機械而實現其目標的自動控制，“智能”一詞是對系統的自動化程度、范圍及所能完成復雜控制任務的功能的表征，一般智能控制系統的功能包括以下三點：一、學習功能。系統能對一個過程或未知環境所提供的信息進行識別、記憶、學習并利用積累的經驗進一步改善系統的性能。二、適應功能。系統應具有適應受控對象動力學特性、環境變化和運行條件變化的能力。三、組織功能。對于復雜任務和分散的傳感信息具有自組織和協調功能，使系統具有主動性和靈活性。智能控制的方法很多，包括專家控制、神經控制、模糊控制、基于模式識別的智能控制、多模變結構智能控制、仿人智能控制等，現在介紹主要的三種智能控制方法——專家控制、神經控制、模糊控制。
2.1.1 專家控制
專家家系統通過某種知識獲取手段，把人類專家的領域知識和經驗技巧移植到計算機中，并且模擬人類專家的推理、決策過程，表現出求解復雜問題的人工智能。因而，專家系統是一種人工智能的計算機程序系統，這些程序軟件具有相當于某個專門
