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基于变论域Fuzzy-PID在真空冶炼炉温度控制系统的应用研究

作　者: 杨学兵
导　师: 陈焰
学　校: 昆明理工大学
专　业: 检测技术与自动化装置
关键词: 真空冶炼变论域 Fuzzy-PID 监控系统数据分析
分类号: TF355
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

内热式蒸馏真空冶炼炉采用先进的工艺技术,具有流程短、能耗低、污染少、设备相对简单、金属回收率高等优点,适用于多种二元合金的分离,是研制新材料和有色金属冶炼的重要设备。自上世纪七十年代发明以来,在有色冶金工业中已经得到了成功而广泛地应用。但由于其冶炼过程控制技术相对落后、自动化水平较低等因素的影响,一直制约着真空冶炼炉的快速发展。因此,研究如何将先进的控制理论运用于真空冶炼控制,并在实际工程中将先进的控制技术应用于真空冶炼过程控制系统,将具有非常重要的理论价值和实际意义。针对真空冶炼过程温度控制存在非线性、大滞后、控制精度不佳以及难以获得被控对象的数学模型等问题,本论文采用“变论域”的思想,设计出一种基于变论域的Fuzzy-PID高精度控制器,运用Matlab进行仿真建模,通过仿真分析常规Fuzzy-PID和设计的控制器的相关性能指标。从理论上得出新型Fuzzy-PID控制器的控制效果明显更好,具有响应速度快、几乎无超调的优点,又提高了系统的控制精度。根据工艺流程和控制要求,分析真空冶炼炉控制系统总体结构,运用当前先进的控制技术,设计出一套真空冶炼炉监控系统。在硬件配置方面,下位机选用西门子S7-300PLC,通过编程实现数据的采集、转换、现场电气设备的控制以及模糊控制模块运算等功能。上位机采用西门子组态软件WinCC V6.0,开发组态画面实现冶炼过程的远程实时监控、参数设置、报警指示以及趋势显示等功能。最后完成整个系统的硬件配置、软件组态、上、下位机之间的通信及程序开发。经过多次现场系统整体调试,最后试车运行正常,实现了真空冶炼过程的自动控制。无论从理论分析对比的结果还是实际调试运行的结果都表明,在真空冶炼炉过程控制系统中运用先进的控制理论和控制技术,达到了对真空冶炼炉的控制要求并满足了实验员的功能需求,取得了良好的控制效果。最后本文基于VB. NET+SQL 2000数据库开发平台,并结合Wincc V6.0组态软件,同步开发了真空冶炼炉数据分析软件。实现数据导入、处理分析和条件查询等功能,并将得到的结果以不同的形式显示(表格或曲线)、导出、打印或根据需要以不同形式保存,为实验后数据分析提供了极大的帮助。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-9
第一章绪论  9-14
  1.1 选题背景与研究意义  9-10
  1.2 真空冶炼炉控制技术国内外发展及研究现状  10-11
  1.3 目前存在问题分析  11-12
  1.4 课题完成的主要工作和论文结构  12-13
  1.5 本章小结  13-14
第二章真空冶炼工艺及控制理论概述  14-25
  2.1 真空冶炼炉种类和结构  14-15
  2.2 真空冶炼工艺及控制要求  15-16
  2.3 变论域模糊控制思想  16-18
  2.4 控制理论概述  18-23
    2.4.1 PID控制理论  18-20
    2.4.2 模糊控制理论  20-23
    2.4.3 变论域Fuzzy-PID复合控制  23
  2.5 PLC控制原理  23-24
  2.6 本章小结  24-25
第三章基于变论域Fuzzy-PID控制器设计及仿真  25-41
  3.1 真空冶炼炉温度控制系统特性  25
  3.2 基于变论域Fuzzy-PID控制器设计  25-35
    3.2.1 数据库设计  26-29
      3.2.2.1 确定输入输出  26
      3.2.2.2 论域的离散化  26
      3.2.2.3 I/O空间初始模糊论域划分  26-27
      3.2.2.4 变论域模糊划分  27-28
      3.2.2.5 隶属函数定义  28-29
    3.2.2 模糊化策略  29-30
    3.2.3 规则库设计  30-32
    3.2.4 模糊推理  32-33
    3.2.5 解模糊策略  33-35
  3.3 变论域Fuzzy-PID控制器参数优化  35-36
  3.4 仿真试验比较分析  36-39
  3.5 本章小结  39-41
第四章真空冶炼炉监控系统工程实现  41-56
  4.1 控制系统总体设计  41-42
  4.2 控制系统硬件配置  42-44
    4.2.1 上位机硬件配置  42
    4.2.2 下位机硬件配置  42-43
    4.2.3 其它设备选型  43-44
  4.3 上、下位机间的通信  44-46
    4.3.1 通信方式选择  44
    4.3.2 通信接口配置  44-46
  4.4 控制系统软件设计  46-55
    4.4.1 下位控制程序设计  46-52
      4.4.1.1 冶炼过程PLC控制流程  47
      4.4.1.2 PLC程序总体结构  47-48
      4.4.1.3 系统功能模块具体实现  48-52
    4.4.2 上位监控系统开发  52-55
      4.4.2.1 监控系统功能结构  52-53
      4.4.2.2 监控系统功能实现  53-55
  4.5 本章小结  55-56
第五章实验数据分析软件开发  56-66
  5.1 实时数据采集  56-58
    5.1.1 Wincc与Excel的本地DDE通讯  56-57
    5.1.2 VB.net实现数据存储  57-58
  5.2 历史数据分析  58-60
    5.2.1 SQL数据库设计  58
    5.2.2 VB.net访问数据库  58-59
    5.2.3 组合条件查询  59-60
  5.3 分析软件开发  60-61
    5.3.1 功能介绍  60
    5.3.2 功能开发  60-61
  5.4 控制系统性能指标分析  61-65
  5.5 本章小结  65-66
第六章总结与展望  66-68
  6.1 主要工作及结论  66
  6.2 不足和展望  66-68
致谢  68-69
参考文献  69-72
附寻A 攻读学位期间发表论文及实践情况  72-73
附录B 控制系统部分电路图  73-76
附录C 真空冶炼炉监控系统验收表  76

基于变论域Fuzzy-PID在真空冶炼炉温度控制系统的应用研究

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