电阻加热炉度控制

一、摘要

温度是工业对象中主要的被控参数之一。特别是在冶金、化工、机械各类工业中，广泛使用各种加热炉、热处理炉、反应炉等。由于炉子的种类不同，所采用的加热方法及燃料也不相同，如煤气、天然气等。但就控制系统本身的动态特性而言，均属于一阶纯滞后环节，在控制算法上基本相同，可采用PID控制或其他纯滞后补偿算法。

为了保证生产过程正常安全地进行，提高产品的质量和数量，以及减轻工人的劳动强度，节约能源，对加热用的各种电炉要求在一定条件下保持恒温，不能随电源电压波动或炉内物体而变化，或者有的电炉的炉温根据工艺要求按照某个指定的升温或保温规律而变化，等等。

因此，在工农业生产或科学实验中常常对温度不仅要不断地测量，而且要进行控制。

二、总体方案设计

设计任务

用一台计算机及相应的部件组成电阻炉炉温的自动控制系统，并使系统达到工艺要求的性能指标。

1、设计内容及要求

电阻加热炉用于合

金钢产品热力特性实验，电加热炉用电炉丝提供功率，使其在预定的时间内将炉内温度稳定到给定的温度值。在本控制对象电阻加热炉功率为8KW，有220V 交流电源供电，采用双向可控硅进行控制。

系统模型：

2、工艺要求

按照规定的曲线进行升温和降温，温度控制范围为50—350℃，升温和降温阶段的温度控制精度为+5℃，保温阶段温度控制精度为+2℃。

3、要求实现的系统基本功能

微机自动调节：正常工况下，系统投入自动。

模拟手动操作：当系统发生异常，投入手动控制。

微机监控功能：显示当前被控量的设定值、实际值，控制量的输出值，参数报警时有灯光报警。

4、对象分析

在本设计中，要求电阻炉炉内的温度，按照上图所示的规律变化，从室温开始到50℃为自由升温阶段，当温度一旦到达50℃，就进入系统调节，当温度到达350℃时进入保温段，要始终在系统控制下，一保证所需的炉内温度的精度。加工结束，要进行降温控制。保温段的时间为600—1800s。过渡过程时间：即从开始控制到进入保温阶段的时间要小于600s。在保温段当温度高于352℃或低于348℃时要报警，在升温和降温阶段也要进行控制，使炉内温度按照曲线的斜率升或降。

采用MCS—51单片机作为控制器，ADC0809模数转换芯片为模拟量输入，DAC0832数模转换芯片为模拟量输出，铂电阻为温度检测元件，运算放大器和可控硅作为功率放大，电阻炉为被控对象，组成电阻炉炉温控制系统，另外，系统还配有数字显示，以便显示和记录生产过程中的温度和输出值。

5、系统功能设计

计算机定时对炉温进行测量和控制一次，炉内温度是由一铂电阻温度计来进行测量，其信号经放大送到模数转换芯片，换算成相应的数字量后，再送入计算机中进行判别和运算，得到应有的电功率数，经过数模转换芯片转换成模拟量信号，供给可控硅功率调节器进行调节，使其达到炉温变化曲线的要求。

三、硬件的设计和实现

1、计算机机型：MCS—51 8031（不包含ROM、EPROM）

系统总线：PC总线

2、设计输入输出通道

输入通道：因为所控的实际温度在50 ～ 350℃左右，即（350－50）＝300所以选用8位A/D转换器，其分辨率约为1.5℃/字，再加放大器偏置措施实现。（通过调整放大器的零点来实现偏置）这里采用一般中速芯片ADC0809。ADC0809是带有8位A/D转换器，8路多路开关以及微型计算机兼容的控制逻辑的CMOS 组件，其转换方法为逐次逼近型。8路的模拟开关由地址锁存器和译码器控制，可以在8个通道中任意访问一个通道的模拟信号。

输出通道：据其实际情况，D/A转换器的位数可低于A/D转换器的位数，因为一般控制系统对输出通道分辨率的要求比输入通道的低，所以这里采用常用的DAC0832芯片

DAC0832是8位D/A转换器，与微处理器完全兼容。期间采用先进的CMOS工艺，因此功耗低，输出漏电流误差较小。因DAC0832电流输出型D/A转换芯片，为了取得电压输出，需在电流输出端接运算放大器，Rf为为运算放大器的反馈电阻端。

3、设计支持计算机工作的外围电路

矩阵键盘技术：

温度输出显示技术：

LED静态显示接口技术，所谓静态显示,即CPU输出显示值后,由硬件保存输出值,保持显示结果.

特点:占用机时少,显示可靠.但元件多,线路复杂、成本高，功耗大。

报警电路设计：正常运行时绿灯亮，在保温阶段炉内温度超出系统允差范围，就要进行报警。报警时报警灯亮，电笛响，同时发送中断信号至CPU进行处理。

4、元器件的选择

传感器的选择：铂铑10—铂热电偶，S型，正极性，量程0—1300C，使用温度小于等于600C，允差+1.5C。

执行元件的选择：电阻加热炉采用晶闸管（SCR）来做规律控制，结合电阻炉的具体要求，为了减少炉温的纹波，对输出通道采用较高的分辨率的方案，因此采用移相触发方式，并且由模拟触发器实现移相触发。

变送器的选择：因为系统要求有偏置，又需要对热电偶进行冷端补偿，所以采用常规的DDZ系列温度变送器。

控制元件：采用双向可控硅进行控制，其功能相当于两个单向可控硅反向连接，具有双向导通功能，其通断状态有控制极G决定。在控制极加上脉冲可使其正向或反向导通。

第4章数字控制系统设计

4.1 系统控制参数确定

4.1.1 被控参数选择

单回路控制系统选择被控参数时要遵循以下原则：在条件许可的情况下，首先应尽量选择能直接反应控制目的的参数为被控参数；其次要选择与控制目的有某种单值对应关系的间接单数作为被控参数；所选的被控参数必须有足够的变化灵敏度。

综合以上原则，在本系统中选择物料的出口温度θ作为被控参数。该参数可直接反应控制目的。

4.1.2 控制参数选择

工业过程的输入变量有两类：控制变量和扰动变量。其中，干扰时客观存在的，它是影响系统平稳操作的因素，而操纵变量是克服干扰的影响，使控制系统重新稳定运行的因素。而控制参数选择的基本原则为：

①选择对所选定的被控变量影响较大的输入变量作为控制参数；

②在以上前提下，选择变化范围较大的输入变量作为控制参数，以便易于控制；

③在①的基础上选择对被控变量作用效应较快的输入变量作为控制参数，使控制系统响应较快；

综合以上原则，选择燃料的流量Qg量作为控制参数。

4.2 PID调节器设计

对温度的控制算法, 采用技术成熟的PID 算法, 对于时间常数比较大的系

统来说, 其近似于连续变化, 因此用数字PID 完全可以得到比较好的控制效果。简单的比例调节器能够反应很快, 但不能完全消除静差, 控制不精确, 为了消除比例调节器中残存的静差, 在比例调节器的基础上加入积分调节器, 积分器的输出值大小取决于对误差的累积结果, 在差不变的情况下, 积分器还在输出

直到误差为零, 因此加入积分调节器相当于能自动调节控制常量, 消除静差, 使系统趋于稳定。积分器虽然能消除静差, 但使系统响应速度变慢。 进一步改进调节器的方法是通过检测信号的变化率来预报误差, 并对误差的变化作出响应, 于是在PI 调节器的基础上再加上微分调节器, 组成比例、积分、微分( PID)调节器, 微分调节器的加入将有助于减小超调, 克服振荡, 使系统趋于稳定, 同时加快了系统的稳定速度,缩短调整时间, 从而改善了系统的动态性能, 其控制规律的微分方程为:

)1(Y P dt

dX

T Xdt T X K D I ++

=? 传递函数为：

)1

1()(G s T s

T K s D I P ++

= 用PID 控制算法实现加热炉温度控制是这样一个反馈过程: 比较实际物料出口温度和设定温度得到偏差, 通过对偏差的处理获得控制信号, 再去调节加热炉的燃料流量, 从而实现对炉温的控制, 由于加热炉一般都是下一阶段对象和带纯滞后的一阶对象, 所以式中Kp 、K d 和K i 的选择取决于加热炉的响应特性和实际经验。

4.3 控制算法

电阻加热炉温度控制系统框图：

整个闭环系统可用一个带纯滞后的一阶惯性环节来近似，所以其控制算法采

用大林算法。电阻加热炉温度控制系统模型为

其广义的传递函数为：

大林算法的设计目标是设计一个合适的数字控制器，使整个闭环系统的传递函数相当于一个带有纯滞后的一阶惯性环节，即：

通常认为对象与一个零阶保持器相串联， 相对应的整个闭环系统的脉冲传递函

数是：

11788.2)(40+=

-s e s G s

4.4 计算过程：

连同零阶保持器在内的系统广义被控对象的传递函数

]

11788.21[)(40+-=--s e s e Z z G s

Ts

]

)1178(1

[

)1(8.2401

+-=-

-s s Z z

z T

]11781781[)1(8.2401

+--=-

-s s Z z

z T

]1111

[)1(8.21178

11

41---------=z e

z z z

15945.01154.0---=

z z

系统闭环传递函数

]

11[)()()(+-==Φ--s e s e Z z R z C z NTs

Ts τ

1

11)

1(---

----=

z e

e z T

T

N τ

τ

数字控制器：

)](1)[()

()(z z G z z D Φ-Φ=

)(])1(1[)

1(11

1

z G z e

z e

e

z

N T

T

T

N ---

--

-

------=τ

τ

τ

5

1510

1

10

10

5154.0945.01]

)1(1[)

1(------

-

------=z z z e

z e

e

z τ

τ

τ

511933.0007.01)945.01(448.6------=

z z z

]933.0933.0933.0933.01)[1()

945.01(448.6)(432111------++++--=

z z z z z z z D

消除振铃现象后的数字控制器：

111)

945.01(448.6)(----=

z z z D

1

1

1945.0297.1297.1)()()(---?-=

=z z z E z U z D

将上式离散化：U （Z ）—U （Z ）Z —1=1.279E （Z ）—1.226E （Z ）Z —1

U （K ）—U （K —1）=1.279E （K ）—1.226E （K —1） 最终得：U （K ）=U （K —1）+1.279E （K ）—1.226E （K —1）

第5章控制仪表的选型和配置

5.1 检测元件

温度的测量方式有接触式测温和非接触式测温两大类。本系统选择接触式测温元件。其中较为常用的有热电偶、热电阻和集成温度传感器三种，本系统选择热电偶作为测温元件，其电路原理图如下图所示：

图5-1 热电偶电路原理图

5.2 变送器

5.2.1 变送器选型

本系统中的变送器用于温度信号变送，故选择温度变送器。其中较为常用的有模拟式温度变送器、一体化温度变送器和智能式温度变送器三种，本系统采用典型模拟式温度变送器中的DDZ-III型热电偶温度变送器，属安全火花型防暴仪表，还可以与作为检测元件的热电偶相配合，将温度信号线性的转换成统一标准信号。变送器构成方框图如图5-2所示。

图5-2 电动III型热电偶典型模拟温度变送器构成方框图

5.2.2 变送器配置

本设计选用放入是KBW—1131型热电偶温度变送器。

1.主要技术参数：

表5.1 热电偶温度变送器参数表

2.工作原理：

KBW —1131型热电偶温度变送器是由WS 热电偶温度转换模块和GF750信号隔离模块组成，见图5-3所示。

Ｖ + 输出Ｉ/Ｖ

-

24VDC

图5-3 热电偶温度变送器原理框图

3.端子图：

图5-4 热电偶变送器接线端子图

5.3 调节器

5.3.1 调节器选型

实现PID算法的控制仪表的主要类型大致分为电动或气动，电动I型、II 型、III型，单元组合仪表或是基地是仪表等。常用的控制仪表有电动II型、III型。在串级控制系统中，选用的仪表不同，具体的实施方案也不同。电动III 型和电动II型仪表就其功能来说基本相同，但是其控制信号不相同，控制II

型典型信号为mADC

10

4，此外。

20

~

~

0，而电动III型仪表的典型信号为mADC

III型仪表较II型仪表操作、维护更为方便、简捷，同时III型仪表还具有完善的跟踪、保持电路，使得手动切换非常方便，随时都可以进行切换，且保证无扰动。所以在本设计中选用电动III型仪表。调节器的构成方框图如图5-4所示。

图5-5 电动III型调节器构成方框图

作用方式选择：对于单回路控制系统，调节器正、反作用的选择要根据控制系统所包括的各个环节的情况来确定，这样只要根据被控参数与变送器放大倍数的符号及整个控制回路开环放大倍数的符号为“负”的要求，就可以确定调节器的正、反作用。在本系统中，被控参数的放大倍数为的符号为“正”，所以调节器应选“负”作用即反作用。

5.3.2 调节器配置

1.本系统采用的DDZ-III型PID调节器TDM-400性能指标如下表所示：

表5.2 DDZ-III型PID调节器性能指标

2.DDZ-III型调节器接线端子如下图所示：

名称性能

输入信号1~5V直流电压

外给定信号4~20mA直流电流（输入电阻250?）

输出信号4~20mA直流电流

负载电阻250?~750?

输入与给定指示0~100%，指示误差为±1.0%

输出信号指示0~100%，指示误差为±2.5%

图5-6 DDZ-III型调节器调节器接线端子

5.4 执行器

5.4.1 执行器选型

本系统中，执行器是系统的执行机构，是按照调节器所给定的信号大小和方向，改变阀的开度，以实现调节燃料流量的装置。

1.执行器的结构形式：

执行器在结构上分为执行机构和调节机构。其中执行机构包括气动、电动和液动三大类，而液动执行机构使用甚少，同时气动执行机构中使用最广泛的是气动薄膜执行机构，因此执行机构的选择主要是指对气动薄膜执行机构和电动执行机构的选择，由于气动执行机构的工作温度范围较大，防爆性能较好，故本系统选择气动薄膜执行机构并配上电/气阀门定位器。

调节阀的开、关形式需要考虑到以下几种因素：

①生产安全角度：当气源供气中断，或调节阀出故障而无输出等情况下，

应该确保生产工艺设备的安全，不至发生事故；

②保证产品质量：当发生控制阀处于无源状态而恢复到初始位置时，产品的质量不应降低；

③尽可能的降低原料、产品、动力损耗；

④从介质的特点考虑。

综合以上各种因素，在加热炉温度控制系统中，执行器的调节阀选择气开阀：执行机构采用正作用方式，调节机构正装以实现气开的气动薄膜调节蝶阀。执行器由电/气阀门定位器和气动调节阀配合使用组成，其方框图如图5-7所示。

图5-7 电/气阀门定位器和气动调节阀组成的系统框图

1.调节阀的流量特性：

调节阀的流量特性的选择，在实际生产中常用的调节阀有线性特性、对数特性、抛物线特性和快开特性四种，在本系统中执行器的调节阀的流量特性选择等百分比特性。

2.调节阀的口径：

调节阀的口径的大小，直接决定着控制介质流过它的能力。为了保证系统有较好的流通能力，需要使控制阀两端的压降在整个管线的总压降中占有较大的比例。

5.4.2 执行器配置

1.电/气阀门定位器ZPD-01

表5.3 ZPD-01参数表

名称性能

输入信号4-20mA·DC

输出信号0-0.14MPa

图5-8 ZPD-01端子图

3.薄膜气动调节阀ZMBS-16K

表5.4 ZMBS-16K参数表

名称性能

输入信号0.02-0.1MPa

输出信号开度（%）

图5-9 执行器接线端子图

五、软件设计

1、系统程序流程图

a、系统主程序框图

b、A/D转换子程序流程图

C、数字控制算法子程序流程图

d、LED显示流程图