电阻炉温度控制系统设计与实现毕业论

电阻炉温度控制系统设计与实现摘 要温度是工业生产中常见的和最基本的参数之一，一般物理变化和化学变化的过程都与温度密切相关，因此生产过程中常需对温度进行检测和监控。实验室的回转式电阻炉是一个具有较大纯滞后和时间常数的温度对象的特点，本设计根据这个特点选择了PID调节规律。根据设计要求的控制精度选择了单回路控制系统。本设计选用了两套设计方案，第一套方案是基于DDZ型仪表设计的控制系统，在第一套方案中先组成开环系统测量温度对象特性，并根据对象特性计算出PID控制器的控制参数。在做成闭环控制系统之后，还需要手动调节PID参数，使PID参数达到最优。第二套是基于数字仪表PID调节器设计的控制系统。所以第二套方案实施更为简单方便，控制精度更高，所组成的系统也更加可靠。由于两套设计方案的控制系统及控制规律一致，故在本设计中主要介绍了第一套方案。关键词：电阻炉；PID；单回路控制系统Design and Realize Temperature Control System of Resistance FurnaceAbstractTemperature is one of common and the most basic parameters in the industrial production. General physical and chemical changes have a close relationship with temperature, as a result, generally speaking, it is necessary to detect and monitor temperature during production.Type resistance furnace of laboratory is such a temperature object that has a bigger pure lagging and a temperature constant, the design chooses a PID adjustment principle. According to the control precise of design requirements, the design chooses a single circuit controlling system. The design chooses two design plans: of which the first one is a DDZ-III instrument-based control system, in which an open loop system is made up of to survey the features of the temperature object, with which calculate the control parameters of the PID controller, and after a close loop control system is made completely, it is necessary to adjust the parameters of the PID controller manually to get the best parameters for PID; the second one is a shimadenPID adjuster-based control system.Thus, the second plan is simpler and more convenient when implementing and is more precise when controlling. The system that is made up of the second plan is more reliable. As the control systems and controlling principles of the two design plans are consistent, the design focuses on introducing the first plan. Key words: resistance furnace; PID adjustment principle; single circuit controlling system.第一章 电阻炉温度对象特性测试本设计求取电阻炉温度特性的数学模型采用的是实验辨识方法（响应曲线法），当先使电阻炉达到一个稳态（温度为150时），在达到稳态后给电阻炉一个阶跃信号（大小为30V），用记录仪记录下电阻炉温度在阶跃信号作用下被控对象随时间变化的特性曲线，测量电阻炉温度对象特性曲线的框图如图1.1所示：图1.1 电阻炉温度特性测量原理框图根据实验侧得得对象特性曲线如图1.2所示：图1.2 对象特性曲线根据图3.2所示，阶跃输入幅值为30，则增益K可按下式求取： (1.1)时间常数T及延迟时间可用作图法确定:在图3.2的对象特性曲线的拐点P做切线，切线与时间轴交于A点，而与特性曲线稳态值的渐近线交于B点，则OA对应延迟时间，AB对应时间常数T。对象特性曲线对应的传递函数为： (1.2)这种近似方法拟合精度较差但方法简单，但方法简便，而且实践表明它可以成功地应用于PID调节器的参数整定。在有了K、T、三个数据，即可按照表1.1所给的经验公式，计算出过程呈4：1衰减时的控制器参数。表1.1反应曲线法整定控制器参数经验公式（4：1衰减）控制器类型控制器参数/%Ti/minTD/minPPI3.3PID20.5本设计采用的是PID控制器，各参数计算如下：电阻炉温度控制系统的组成根据电阻炉以及被控对象（温度）的特点，本设计电阻炉温度控制系统是单回路闭环控制系统。1.1电阻炉温度控制系统的特点（1）信号在各个单元之间的传递是单向的，即各单元的输入信号可以影响输出信号，但输出信号对输人信号无反作用。（2）电阻炉温度控制系统是负反馈控制系统，即反馈信号与给定信号相减以获得偏差信号。（3）信号的传递在系统中形成闭合回路，因此电阻炉控制系统是闭环系统。（4）控制器发出的指令是由偏差信号产生的，所以自动控制系统是一个由偏差信号驱动的系统。1.2 基于DDZ型仪表设计的温度控制系统基于DDZ型仪表设计的温度控制系统的系统方块图如图2.1所示：2.1基于DDZ型仪表的电阻炉温度控制系统方框图（1）热电偶：热电偶是敏感元件，它由两种不同的导体A和B连接在一起，构成一个闭合回路，当两个连接点1与2的温度不同时，由于热电效应回路中就会产生零点几到几十毫伏的热电动势，记为。接点1在测量时被置于测场所，故称为测量端或工作端。接点2则要求恒定在某一温度下称为参考端或自由端，如图2.2所示。实验证明，当电极材料选定后，热电偶的热电动势仅与两个接点的温度有关，即：式（2.1）比例系数称为热电动势率，它是热电偶最重要的特征量。当两接点的温度分别为，时，回路总的热电动势为： 式（2.2）式中，分别为接点的分热电动势。对于已选定材料的热电偶，当其自由端温度恒定时，为常数，这样回路总的热电动势仅为工作温度t1的单值函数。所以，通过测量热电动势的方法就可以测量工作点的实际温度。图2.2热电偶工作原理示意图 图2.2中把自由端02画成虚线，是想说明热电偶在使用时2点实际上不是直接相接的。由热电偶的中间导体定律：“在热电偶测温回路中，串接第三种导体，只要其两端温度相同，则热电偶所产生的热电动势与串接的中间金属无关”，那么，把较短的测量导线和仪表串接在2点并视其为第三种金属，就可认为它们不影响热电偶所产生的热电动势即工作温度的测量。 实际使用时，测量场所与测量仪表往往相距很远，又因为组成热电偶的材料比较贵重，所以常加导线来连接。这里有两种使用方法：第一种，两根连接导线具有相同的热电性质，如在一根导线(如常用的紫铜线)上取下的两段线，它们的化学成分和物理性质就很相近，这时，可根据中间金属定律判断出电偶的热电动势只取决于电偶两端温度t1、t2，其它环境温度的影响就可忽略。第二，热电偶的两电极分别采用和自己热电性质相近的补偿导线延长至3点，这样热电动势只取决于t1和t3，而与t2无关。上述使用情况中，温度点t2和t3往往采用冰水混合物(0)来恒定温度。这时，总的热电动势就变成工作温度t1的单值函数，可记为E-t1。为了使用方便，对于不同的热电偶规定了不同的分度号，根据不同的分度号，我们又可查找其对应的分度表，从而得到标准热电偶E-t1关系的具体对应值(相关温度点一般规定为0)。热电偶测温时，除工作端外的各个部分要求有良好的绝缘，否则会引入误差，甚至无法测量。另外，为了支撑和固定热电极，延长其寿命，还应选择合适的保护套管材料。使用一段时间后，热电偶要和标准偶进行校正。（2）控制对象（调节对象）：指被控制的设备与机器，在本设计系统中控制对象指的是回转式管式电阻炉。控制对象的输出量就是控制系统的输出量（或称被控量）。在本设计中的输出量是电阻炉的温度。（3）控制器（调节器）：根据输入信号而按某一规律自动地改变输出信号的仪表，具有比较、放大、判断决策与发出指令的功能。在本设计控制系统使用的是DDZ-温度控制器DTZ2100。调节器的构成方框图如图2.3所示：图2.3 调节器方框图调节器有两个输入量，其中一个称为给定值，另一个输入量是来自测量变送器的信号，由于这个信号的传递方向对控制系统来说是从其输出端回到输入端，所以称为反馈信号。这两个信号在控制器中比较的结果得到被控量与给定值之间的一个偏差信号（正或负），调节器对该偏差信号按设定的控制规律进行运算（在这款系统中选用的是PID规律），然后发出控制指令信号，送入执行器。因为本设计的系统是单回路负反馈控制系统，从控制原理可以知道，对于一个反馈控制系统来说，只有在负反馈的情况下，系统才是稳定的，当系统收到干扰是，其过渡过程将会是衰减的；反之，如果系统是正反馈，那么系统将是不稳定的，一旦遇到干扰作用，过渡过程将会发散。系统不稳定当然是不希望发生的，因此，对于反馈控制系统来说，要使系统能够稳定地工作，必须要够成负反馈。为了保证能构成负反馈，系统开环总放大倍数必须为负值，而系统开环总放大倍数是系统中各个环节放大被数的乘积。这样，只要事先知道了对象、控制阀和测量变送装置放大倍数的正负，在根据开环总放大倍数之积为负的要求，就可以容易地确定出控制器的正、反作用。对象、控制阀和测量变送装置放大倍数的正负是很容易确定的，只要分析一下它们各自的输出与输入信号是同向变化还是反向变化就可以确定，当输入信号增大，输出信号也随之增大时，其放大倍数为正，当输入信号增大，而输出信号减小时，其放大倍数为负。根据上述判断依据可知在本设计中温度变送器是正作用（+），执行器是正作用（+），管式电阻炉是正作用（+）为了保证总的开环放大系数为负，所以调节器选用反作用（+）。（4）执行器：执行器由执行机构和调节机构组成。接受控制器来的控制信号，经过功率放大后产生控制作用，驱动调节机构，改变进入控制对象的物质流或能量流，使控制对象中的被控量向着给定值的方向发生变化，以满足控制要求。在本设计采用的执行器是角行程电动执行器DKJ210。（5）测量变送器：通过检测元件（传感器）接收被测量参数信号并将它转换成标准输出信号的仪表。测量变送器把被控量大小与变化变成与给定值相同类型的输出信号送入控制器，在本设计的系统中的测量变送器是热电偶温度变送器。测量变送器送出的信号称为反馈信号。本设计用控制系统选用的变送器是DBW1120H。变送器的原理如图1.4所示：图1.4 变送器构成原理图（6）操作器：操作器是手动操作器的简称。主要用在气动或电动执行机构系统中实现手动操作。它与调节器配合，完成从自动到手动或手动到自动的无扰切换，也可以在控制系统出故障或系统投运时用它进行手动遥控。操作器时电动控制仪表装置中的一个辅助单元。操作器主要有一下功能：无扰动切换功能、跟踪功能、联锁保护功能、中途限位功能和指示功能。本设计采用的是D型操作器DKJ2100。D型操作器可以与调节器配合完成对执行机构的直接操作和阀位跟踪，从而为系统的起停、事故处理提供方便。可以实现自动与手动状态的双向无平衡无扰动切换。DDZ一型控制器的使用：a. 通电准备检查电源端子接线极性是否正确。根据工艺要求确定正 / 反作用开关的位置。按照控制阀的特性放好阀位指示器的方向。b. 用手动操作启动用软手动操作把自动 / 手动切换开关拨到软手动位置，用内设定轮调整设定信号用软手动操作键调整控制器的输出信号，使输入信号尽可能靠近设定值。用硬手动操作把自动 / 手动切换开关拨到硬手动位置，用内设定轮调整设定信号用硬手动操作杆调整控制器的输出信号，使输入信号尽可能靠近设定值。c. 由手动切换到自动用手动操作使输入信号接近设定值，待工艺过程稳定后把自动 / 手动切换开关拨到自动位置。在切换前，首先确定控制规律。对于PID三作用的控制器，将K3置10挡，Ti置最大，即可切除积分作用；若将Td置“断”，即可切除微分作用。控制规律确定后，即可设置P、I、D参数值。DDZ一型控制器具有无扰动切换特性，且由手动到自动的切换，不需要平衡，可直接切换。d. 自动控制自动控制时，生产为正常工作状态，不需要人的过多参与，操作人员只需定期观察控制效果即可。e. 由自动切换到手动当生产或控制系统出现故障，或者生产检修，需要停车时，都要将控制器由“自动”切向“手动”，因“手动”有两种方式，所以切换也有两种情况。由自动切换到软手动，可以直接切换。由自动切换到硬手动，需先调整硬手动操作杆使之与自动输出相等（先平衡），然后再切换。即DDZ一型控制器可以实现自动、软手动、硬手动几种状态之间的无扰动切换，其中只有切向硬手动时需要先平衡，其余均为无平衡无扰动切换。f. 内设定与外设定的切换由外设定切换到内设定为了进行无扰动切换，先将K1开关切换到软手动位置，然后再将K6由外设定切换到内设定，并调整内设定值，使其等于外设定的数值，再把Kl开关拨到自动位置（有平衡无扰动切换）。由内设定切换到外设定先把K1开关拨到软手动位置，然后由内设定切换到外设定，调整外设定信号使其和内设定指示值相等，再把K1开关切换到自动位置（有平衡无扰动切换）。1.3基于数字仪表PID调节器仪表设计的电阻炉温度控制系统基于数字仪表PID调节器仪表设计的电阻炉温度控制系统的系统方框图如图3.5所示：图1.5 基于数字仪表PID调节器仪表的电阻炉温度控制系统方框图（1）PID调节器：PID调节器选用的是岛电公司的PID调节器SR74A。测量精度为0.5%级，双四位数字显示。该调节器被称之为“现场工程师”。具有工艺精良，可靠性高，精采的无超调专家PID和通讯接口，上电缓启动，手动调节输出，调节输出限幅，控制脱机，变频器控制模块，直流输入可编量程，抗干扰数字滤波等现场功能，是一种高性能价格比的智能仪表。PID调节器的技术特点有：1）无超调专家PIDSR74A带有独特的专家经验的PID调节算法模块，它克服了普通PID算法易超调，及某些抗超调算法过渡过程时间长的缺点。实现了无超调。过渡过程时间段的优良的调节品质。在普通的P、I、D三个参数的基础上增加了SF参数，用于设定专家PID算法的超调抑制作用强弱。专家PID能够启动当前测量值到达目标值前的偏差预测系统，SF=0时，为常规PID；SF减小抑制作用变弱；SF增大抑制作用变强；SF=1时抑制作用最强。在本设计的方案中选用SF=0.4。2）自由输入及可编数显量程SR74A采用了最先进的电子技术，具有独特的自由输入功能，用户可以通过按键任意选择11种标准热电偶，8种铂电阻和2种毫伏输入类型，对于直流输入类型，用户还可以进一步设置对应的实测物理量的量程及小数点位置。3）最具特色的通讯功能SR74A提供了RS422和RS485光电隔离通讯接口，迎合了企业生产过程自动化。4）手动调节输出SR74A提供了比例带内的无扰动地手动/自动输出切换功能，并且可以显示调节输出百分比显示窗口，用户可有手动调节加热功率。5）输出限幅可设定调节输出的下限和上限。用于节约能源，限定阀门开度，避开如线性阀的非线性区，限制伺服设备动作范围，减小加热设备功率以及如真空设备中对待特殊加热元件某升温段的功率限制。6）上电缓起动仪表首次上电后，调节输出线性平缓增加的功能，可设置1100秒的缓起动时间。当仪表上电，脱机后执行，或超量程后恢复时，调节输出将按缓起动时间线性增长。对于负载的初次通电，变频调速器，钼丝，硅碳棒等冷阻负载，变压器等感性负载的瞬间合闸，在一定程度上能减弱电源的浪涌冲击电流，保护功率器件和延长加热元件的使用寿命。7）双设定值（设定值偏移）SB功能在偏移量敞口，可设置范围为-19992000个数字单位。可利用外部单掷开关，接点，接至仪表的SB输入端。当开关闭合时，目标值为机内设定值加偏移量；当开关断开，恢复机内设定。它可用于设备节能，保温和常温转换，昼夜温差控制等。8）高可靠的硬件设计整机设计符合欧共体CE安全及抗电磁干扰标准，电源可使用100VAC260VAC间宽范围的输入工作电压变化。输入和输出均采用了光电隔离，单片机采用看门狗技术，全面采用防尘，防水面板。PID调节器参数设定的具体操作过程如下：1）在热电偶选择窗口，选择热电偶代码为06（K型热电偶 0.01200）。2）在选择量程单位窗口，选择热电偶量程的单位C（摄氏度）。3）在调节器正反作用选择窗口，将调节器输出极性设为RA（反作用）。4）在输出比例周期窗口，将调节输出的时间比例周期设为2秒。5）在设定值窗口，按增、减键将SV设为800，按ENT键确认。6）将EV1报警方式设为：上限绝对值（HA）。7）将EV2报警方式设为：下限绝对值（LA）。8）设置上电抑制功能，设为2。9）设EV1报警值：850；EV2报警值为750 。10）根据设计的要求设置SF为0.4。11）系统接成闭环后，在AT功能窗口按增减键将OFF改为ON状态后，按ENT键确认启动自整定，AT灯闪烁自整定起动。当炉温达到设定值时，经过两个周期震荡，AT灯灭，自整定完成。参考文献1. 翁维勤，孙洪程. 过程控制系统及工程M，北京：化学工业出版社，20022. 吴勤勤. 控制仪表及装置 M，北京：化学工业出版社，20023.高志宏. 过程控制与自动化仪表 M，杭州：浙江大学出版社，20064. 高魁明.热工测量仪表 M， 北京：冶金工业出版社，19855. 侯志林. 过程控制与自动化仪表 M， 北京：机械工业出版社，19996. 陆会明. 控制装置与仪表 M，北京：机械工业出版社，20077. 张宝芬，张毅，曹丽. 自动检测技术及仪表控制系统 M，北京：化学工业出版社，20008. 俞金寿. 过程自动化及仪表 M，北京：化学工业出版社，20039. 刘如成，丁瑶君. 电阻炉温度的自动控制 J，南京示范大学学报，2005（04）10. 胡寿松.自动控制原理 M，北京：科学技术出版社，2001