# 热处理电阻炉炉温控制系统的分析与仿真

Analysis and Simulation of T emperature Control of

H eat T reatment Electric 2Furnace

XU Jian 2lin

(College of Materials Science and Engineering ,G ansu University of Technology ,Lanzhou G ansu 730050,China )Abstract :Based on mathematical model of a temperature control system of heat treatment electric 2furnace ,a tem 2perature control system was analyzed and simulated by the Control System Toolbox and SIMUL IN K in MA T 2LAB.The processing ,namely a system stability analysis ,the response analysis of time domain and frequency do 2main ,the selection method of PID control parameters and simulation about the control model were introduced.The results of the simulation show that this method can improve the efficiency and display the results with graphs and text about the analysis and simulation of control temperature of heat treatment electric 2furnace.It will play an im 2portant role in improving automation level of heat treatment equipment.K ey w ords :haet treatment electric 2furnace ;temperature control

),男,陕西歧山县人,讲师,博士生,从事材料科学与计算机应用,发表论文20余篇,获省级二等奖1项,三等奖2项。联系电话:(0931)2806304收稿日期:2002202205

。目前,MA TLAB 已经成为国际控制界应用最广泛的语言和工具。用MA TLAB 语言编写的仿真程序非常简单、方便、高效。利用MA TLAB 的SIMUL IN K 仿真环境可建立系统仿真模型,实现仿真曲线及各种参数的直观显示。

1　数学模型

G (S )=

K TS +1

e 2τ

s

(1)

τ对于不同的被控对象,其数值有所不同。现有一台50kW 箱式电阻炉,其T =17121、K =011、

τ=20s ,对该连续系统进行离散化处理,如果采用一阶采样保持器,采样周期t s =10s ,利用MA TLAB 的c2d 函数可得到离散系统的模型[3],即

k =0.1;t =17.21;d =20;ts =10;num =k ;den =[t ,1];

sysc =tf (num ,den ,’InputDelay ’,d );

sysd =c2d (sysc ,ts ,’for ’

)以上k 、t 、d 、ts 分别代表K 、T 、τ、t s 。运行结果为:

G (Z )=

0.02416Z +0.01991

Z 3-0.5593Z 2

(2)

1994:1012135.

[10]　Wert J A ,Paton N E ,Hamilton C H and Mahoney M W.Grain

Refinement of 7075Aluminum Alloy with Thermo 2mechanical Processing[J ].Metall Trans.,1981,12A :126721276.

[11]　Wert J A.Thermo 2mechanical Processing of Heat 2treatable Alu 2

minum Alloys for Grain Size Control[A ].Ed.Chia E H and Mc 2Queen H J.Micro 2structural Control in Aluminum Alloys [C ].New Y ork ,Metall.Soc.Inc.,1985,2:67294.

3

3《金属热处理》2002年第27卷第11期

2　控制系统分析与仿真

211　控制系统组成

212　稳定性分析

G (S )=0.1K p 17.21S +1

e

220S

(3)其中K p 为比例调节系数。

num =[0.02416,0.01991];den =[1,-015593,0,0]figure (1)

axis (‘

square ’)zgrid (‘

new ’)title (‘

Root Locus ’)[r ,k ]=rlocus (num ,den )rlocus (num ,den )

hold on

theta =0:53pi/180:23pi ;x =sin (theta );y =cos (theta );

plot (x ,y ,‘r 2’

)[k ,pole ]=rlocfind (num ,den )

Fig.2　Root locus plotting

Select a point in the graphics window selected —point =0.4977+0.8626i k =22.4905

pole =0.5043+0.8615i

0.5043-0.8615i -0.4493

22149时,系统则不稳定。系统的稳定程度也可用Bode 图来反映。MA TLAB 提供的Bode 函数可实现该功能。

figure (2)margin (sysd )运行结果见图3,可见幅值裕度和相位裕度均大于零,表示系统稳定,而且稳定程度很高

213　系统时域分析

numm =[0.4831,0.3983]denn =[1,-0.5593,0,0]tt =1:0.25:200;

[numc ,denc ]=cloop (numin ,denn ,21)subplot (2,1,1)dstep (numc ,denc )

4

4

3《金属热处理》2002年第27卷第11期

214　PID控制器设计

PID控制器的传递函数为[4]:

G(S)=K p(1+

1

T i S

+T D S)(4)

K d=

K pπ

4W m

(5)

K i=K p W m π

num=[0.02416,0.01991];

den=[1,-0.5593,0,0]

axis(‘square’)

zgrid(‘new’)

title(‘Root Locus’)

rlocus(num,den)

[km,pole]=rlocfind(num,den)

wm=imag(pole(1))

kp=0.63km

kd=kp3pi/(43wm)

ki=kp3wm/pi

kp=12.9976

kd=12.0486

ki=3.5054 SIMUL IN K是MA TLAB提供的仿真环境,在该环境中用户只需将设计好的控制环节以模块的方式连接起来,然后对各模块的属性进行设置,最后用SIMULA TION菜单中的START项就可对系统进行仿真。图5是利用MA TLAB的仿真环境实现的系统仿真结构图,设定各个参数后,可仿真出该控制系统的阶跃响应仿真曲线,如图6所示

Fig.5　The diagram of control

system

Fig.6　The step response of PID control system

3　结束语

(1)用MA TLAB的控制系统工具箱和SIMUL IN K仿真环境对炉温控制系统进行分析与仿真是方便、高效、可靠的。

(2)在实际工作中,由于热处理电阻炉型号的多样化[6],可根据试验确定系统数学模型中的参数,因此对应的控制系统参数也不相同,借鉴上述方法,可实现控制系统的分析与仿真。参考文献:

[1]　薛定宇.控制系统计算机辅助设计—MATLAB语言及其应用

[M].北京:清华大学出版社,1996.

[2]　朱麟章.试验参量的检测与控制[M].北京:机械工业出版社,

1989.

[3]　徐　昕,李　涛,伯晓晨,等.Matlab工具箱应用指南—控制工程

[4]　金以慧.过程控制[M].北京:清华大学出版社,1993.

[5]　余人杰,俞光昀,高祖纲.计算机控制技术[M].西安:西安交通

[6]　吉泽升,张雪龙,武云启.热处理炉[M].哈尔滨:哈尔滨工程大

“水溶性防渗碳涂料”成果通过专家技术鉴定

2002年9月8日,中国热协组织技术专家在南京对西安市汇融科技有限公司开发的水溶性防渗碳涂料进行了技术鉴定。该涂料是针对国内外防渗碳技术与工艺中存在的工艺复杂、操作不便、防渗效果差、清洗困难、成本高等问题开发的一种新型水溶性防渗碳涂料,具有以下特点和效果:①涂料以硼酸盐玻璃为主要原料,采用水基粘接剂,不用溶剂型稀释剂,无环境污染,设计思路新颖。②涂料制备及涂覆工艺简便,易干燥,渗碳淬火后涂层可在清洗中完全清除。③涂料在一汽、江苏飞股公司、上汽齿轮三厂、江铃齿轮公司等20余家企业的汽车轴、转向螺杆和齿轮等多种零件大批量生产的防渗结果表明,经济和环境效益明显,生产成本显著降低,与传统防渗技术相比,可大幅度降低渗碳件的生产成本和提高经济效益。防渗效果显著,生产效率高,可大幅度降低渗碳件的生产成本和提高经济效益。

(中国热协　王德文供稿)

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《金属热处理》2002年第27卷第11期