力学试验机温度控制系统设计

力学试验机温度控制系统设计

摘要

力学试验机现在已经广泛应用在各个机械工厂行业中，对各个工厂的高温合金产品试样进行高温力学拉伸实验，从而能检验其产品的物理力学质量性能，使其能安全有效的投入到生产中去，以前高温力学拉伸实验都是由技术工人凭借经验进行人工操作，进行基于常规仪表的手动控制，控制效率非常低，而且由于炉数较多其控制精度也很低，影响了高温力学拉伸实验的控制效果，从而影响了对产品预估的质量。所以应采用PID控制算法对试验机进行炉温的自动控制。

在力学试验机温度控制系统设计中力学试验机温度控制主要是控制电阻加热炉的温度，对于这个控制系统常规的PID控制就能达到控制效果，且具有一定得干扰能力，其控制效果比较理想，因此在这个温度系统设计中采用的是PID自适应控制，同时还用计算机与数据采集ADAM模块进行对炉温的自动控制与数据管理，最后利用Visual Basic6．0语言设计一些主控程序和若干子程序模块和一些模型图案来达到最终的设计标。

这个控制系统的使用不仅大大减轻了工人的劳动强度，同时还提高了产品的生产效率。也使力学试验机温度控制系统设计中充分利用了计算机监控系统的功能与优势，该系统现已应用在全国各个股份有限公司力学试验室中，控制效果良好，对钢厂合金产品的高温拉伸试验起到了很好的控制效果，为企业创造了可观的经济效益。

关键词：力学试验机，PID控制，Visual Basic6．0，ADAM模块

Mechanics Experiment Furnace Temperature Control

System Design

Abstract

Mechanics experiment furnace have already widely applied in each Machine shop profession now , it carries on the high temperature mechanics stretch experiment to each factory's heat-resisting alloy product test specimen, thus can examine its product the physical mechanics quality performance, it enables its safe effective investment to the production , The beforehand high temperature mechanics stretch experiment is relies on the experience by the technical worker to carry on the manual control, carries on based on the conventional measuring appliance's hand control, the control efficiency is low, moreover, because the stove number are many its control precision to be also very low, has affected the high temperature mechanics stretch experiment's control effect, thus has affected to the product estimate quality. Therefore it should use the PID control algorithm to try the prototype to carry on the furnace temperature the automatic control.

Mechanics experiment furnace temperature control mainly controls the resistance heating furnace's temperature in mechanics experiment furnace temperature control system design, to the control system of conventional PID control ,it can achieve control effect, and has a certain disturbance ability,its control effect is quite ideal, and therefore uses system design in this temperature is the advanced PID adaptive control, Simultaneously also uses the computer and the data acquisition ADAM module carries on to the furnace temperature automatic control and the data management, finally make

use of the Visual Basic6.0. language to design some master control programs and certain subroutine module and some model design to achieve the final project objective.

This control system's use not only greatly reduced worker's labor intensity, meanwhile raised the product production efficiency. Simultaneously in mechanics experiment furnace temperature control system design has used the computer supervisory system's function and the superiority fully, this system already applied in the nation each Limited liability company mechanics test chamber, the control effect is good, to the steel mill alloy product's high temperature pulling test very good control effect, has created the considerable economic efficiency for the enterprise.

Key words: Mechanics experiment furnace; PID control; Visual Basic6.0; ADAM module

目录

摘要............................................... I Abstract ............................................. II 第一章绪论. (1)

1.1背景和意义 (1)

1.2国内研究现状概述 (2)

1.3 本文的主要研究内容 (3)

第二章力学试验机的结构与原理 (5)

2.1．试验机的基本结构 (5)

2.2 热电偶测温电路的工作原理 (6)

2.3 电加热炉温度控制系统的特性 (7)

第三章 PID控制在力学试验机温度控制系统中的应用 (9)

3.1力学试验机温度控制方案 (9)

3.2 PID控制 (11)

3.2.1 数字PID控制算法 (13)

3.2.2 增量式的PID控制算法 (15)

3.2.3 阶跃响应辩识一阶近似模型的理论与方法 (17)

3.2.4 PID参数自整定 (20)

3.2.5 仿真研究 (21)

第四章控制系统的硬件设计与软件设计 (25)

4.1硬件设计 (25)

4.1.1工控机 (26)

4.1.2 A/D模块 (28)

4.1.3 D/A模块 (29)

4.1.4固态继电器 (29)

4.1.5检测元件 (31)

4.2 软件设计 (32)

4.2.1主控模块 (33)

4.2.2实时操作与输出模块 (33)

4.2.3其他输出模块 (33)

第五章结束语 (34)

参考文献 (35)

谢辞 (37)

第一章绪论

1.1背景和意义

力学试验机现在已经广泛应用在各个机械工厂行业中，对各个工厂的高温合金产品试样进行高温力学拉伸实验，用来测试在一定拉力和高温下金属试样力学性能的试验设备，把被测试的试样放在一定温度的炉子中，然后通过杠杆和砝码给试样施加一定的压力。监测试样经过多长时间拉断，时间越长说明试样力学性能越好，反之亦然，从而能检验其产品的物理力学质量性能，使其能安全有效的投入到生产中去，一直以来，高温力学拉伸实验都是由技术工人凭借经验进行人工操作，进行基于常规仪表的手动控制，控制效率非常低，而且由于炉数较多其控制精度也很低，影响了高温力学拉伸实验的控制效果，从而影响了对产品预估的质量。但是，随着时间的推移在力学试验机温度控制系统设计中现在出现了采用先进的PID控制算法对试验机进行炉温的自动控制，这样就能大大提高温度控制系统的控制精度[1-4]。并且还用计算机与数据采集ADAM模块进行对炉温的自动控制与数据管理。这个控制系统的使用不仅大大减轻了工人的劳动强度，同时还提高了产品的生产效率。同时力学试验机温度控制系统设计中充分利用了计算机监控系统的功能与优势，该系统现已应用在全国各个股份有限公司力学试验室中，控制效果良好，对钢厂合金产品的高温拉伸试验起到了很好的控制效果，为企业创造了可观的经济效益。

1.2国内研究现状概述

在力学试验机温度控制系统设计中力学试验机温度控制主要是控制电阻加热炉的温度，而根据不同工艺要求，对不同的高温合金产品测试温度不同，一般在500～1200℃范围内。对于电阻加热炉这样的工作对象，在工作点附近的范围内其动态特性近似于线性，对于这个控制系统常规的PID控制就能达到控制效果，且具有一定得干扰能力，其控制效果比较理想，因此在这个温度系统设计中采用的是PID自适应控制，而在硬件设计部分中的A/D接口采用的是ADAM模块。ADAM数据采集模块(简称ADAM模块)由台湾研华(ADVANTECH)公司研制开发。研华公司主要从事工控产品的研制开发，其产品包括：控计算机、工控模块和各种工控板卡等。ADAM 模块是该公司的一个产品系列，即ADAM4000系列。不同功能的ADAM 模块被命名以4XXX 的代号。ADAM系列是一种模块内内置微控制器，传感器到计算机接I的智能设备。这些模块通过发出_ASCII码格式的简单命令集，并以RS-485通讯协议发进予以遥控。模块提供信号调理、隔离、调整量程、A/D和D/A转换、数据比较及数据通讯功能。ADAM模块采用+10V- +30V直流电供电，建议使用+24V。ADAM模块种类很多，常用的是其中的两个型号是ADAM-4050，ADAM-4017，而在力学试验机温度控制系统设计中采用到的ADAM模块有：ADAM-4018，它是16位8通道A/D转换模块，ADAM-4520，隔离式RS-252／485转换模块。在力学试验机温度控制系统设计中采用K型热偶检测试验炉的两段炉温，检测的电压信号输入到ADAM-4018模块中，转换成温度信号，输入到计算机中。力学试验机温度控制系统设计中系统控制软件在Windows平台环境下运行，将会运用到Visual Basic6．0语言设计开发进行对主

控程序和若干子程序模块的建造，并且制作一些简单美观的图案，为设计建立一个完美的框架[5-9]。Visual Basic6.0中文版是一种应用程序开发工具，它的功能就是用来编程——Windows下的应用程序。”Visual”一词在计算机程序设计领域中意为:”可视化的”，Microsoft公司的其冠以Visual的产品都含有这个意思。VB 就是可视化程序设计语言。可视化程序设计指的是一种开发图形用户界面的方法，使用这种方法，程序员不须编写大量代码去描述界面元素的外观和位置，只要把预先建立的界面元素用鼠标拖放到屏幕上适当的位置即可。Visual Basic在原有BASIC语言的基础上进一步发那，至今包含了数百条语句、函数及关键词，其中很多和Windows GUIe直接关系。

1.3 本文的主要研究内容

了解力学试验机温度控制系统主要是控制电阻加热炉的温度控制，而控制要求是电加热炉的上下两段炉温快速、稳定地升温到设定值，误差精度达到±1℃，升温时间保证在40分钟左右。所以根据不同工艺要求，对不同的高温合金产品测试温度不同，一般在500?1200℃范围内[10-12]。因此对于电阻加热炉这样的工作对象，采用PID控制，这样一来，实时采集被控过程的输入输出数据，在线估计模型参数，使过程模型响应逼近过程实际响应，再根据过程模型参数计算控制器的参数，并送给控制器，以保持所期望的控制作用，其次设计温度控制系统的硬件由高温力学试验机、工控机、A／D接口等组成，而硬件中A／D接口采用研华的ADAM

模块。采用K型热偶检测试验炉的两段炉温，检测的电压信号输入到ADAM -4018模块中，转换成温度信号，输入到计算机中[13-15]。设计系统采用脉冲量计数／定时输出板IPC-5387D，计算机的控制信号输出到输出板，执行机构用固态继电器来控制实验炉的电流通断，来达到控温的目的。同时设计系统控制软件Windows平台环境下运行，最后利用Visual Basic6．0语言设计来设计控制系统的平台来达到设计目的。

第二章力学试验机的结构与原理

2.1．试验机的基本结构

高温力学试验机电加热炉是用来测试在一定拉力和高温下金属试样力学性能的试验设备。把被测试的试样放在一定温度的炉子中，然后通过杠杆和砝码给试样施加一定的压力，监测试样经过长时间拉断，时间越长，说明试样力学性能越好，反之亦然。高温力学试验机由两段式电阻加热炉、电机、平台等部分组成，结构如图1所示。两段式电阻加热炉由上、下两组电阻丝提供功率，高温合金试样被卡放在电阻加热炉中，两端卡上卡头，电阻丝通上电源，开始升温，直至试样上下温度升到高温试样所规定的试样温度，然后开动电机，施加拉力并带动卡头提升，直至试样在规定的温度下被拉断。一般试样在规定的温度下拉伸10分钟即能被拉断，然后测量试样的物理特性。拉伸试验是检验高温合金物理特性的重要方式，力学试验机就是用来做高温合金的拉伸试验，温度一般要求较高。试验的关键是确保试样上部、下部的温度保持一致，温差不超过±2℃。因此高温力学试验机控制系统主要是控制电阻加热炉的温度，控制要求是首先电热炉的上下两段炉温快速、稳定地升温到设定值，误差精度达到±1℃，其次升温时间保证在40分钟左右。根据工艺要求，不同的材料加热温度不同，常用的加热温度在200-1000℃范围内变动，要求被测试样的温度尽快从室温升到设定温度并长期稳定在设定值士5℃以内。并要求被加热试样上下部温差不超过4℃。

图2.1 高温力学试验机结构

图2.2 简化结构

2.2 热电偶测温电路的工作原理

热电偶是将温度量转换成电热大小的热电传感器，它被广泛用来测100范围内的温度，它具有结构简单，使用方便，精度高，热惯性小，可测局部温度，集中检测，自动记录等特点。

平台

卡头

电机

上部热电偶

试样 上电阻丝

下电阻丝

下部热电偶

图2.3 热电偶结构图

如图，将两种不同材料导体A、B两端接在一起，一端温度为t，另一端温度

为t

0，这时在这个回路中将产生一个与温度t、t

，以及导体材料性质有关的电势，

这样构成的热电变换元件称为热电偶，可用来测量温度，这种热电效应产生的电势是由珀尔贴效应和汤姆逊效应引起的。根据以上叙述原理, 热电偶产生热电势必须具备以下条件:热电偶必须由两种性质不同但符合一定要求的导体材料构成。热电偶工作端和参考端之间必须有温差。

2.3 电加热炉温度控制系统的特性

温控系统主要由温度传感器、温度调节仪、执行装置、被控对象四个部分组成，其系统结构图如图2.4所示。被控对象是大容量，大惯性的电加热炉温度对象，是典型的多阶容积迟后特性，在工程上往往近似为包含有纯滞后的二阶容积迟后：由于被控对象电容量大，通常采用可控硅作调节器的执行器，其具体的电路图如图所示：

图2.4温度控制系统结构

执行器的特性：电炉的温度调节是通过调节剂（供电能源）的断续作用，改

变电炉丝闭合时间T

b，与断开时间T

k

的比值，T

b

/T k。

调节加热炉的温度，在工业上是通过在设定周期范围内，将电路接通几个周波，然后断开几个周波，改变晶闸管在设定周期内通断时间的比例，来调节负载两端交流平均电压即负载功率，这就是通常所说的调功器或周波控制器；调功器是在电源电压过零时触发间闸管导通的，所以负载上得到的是完整的正弦波，调节的只是设定周期T c内导通的电压周波。

温度调节仪

第三章 PID控制在力学试验机温度控制系统中的应用3.1力学试验机温度控制方案

我国的高温力学实验机早期大多是50、60年代从苏联进口或国内仿制的。在70、80年代则多数是国内生产的。这些设备都用单台仪表控制，特别是50、60年代的设备控制精度差，操作困难，劳动强度大，许多设备如苏联产Bn-2和国产的FC-20型实验机，炉温控制无任何记录，系统对于实验的质量无任何考评依据，因此从70年代开始，同行业的许多厂家，都对本厂的设备的控制部分进行了改造，有的搞群控，各种各样的控制系统应用而生。但总的说来，目前国内高温力学试验机温度控制系统普遍采用的一种方法是传统的PID控制方案。下面对本次设计的温度控制方案作说明。

因为电加热炉本身由上下两组炉丝提供功率，用上下两组热电偶检测炉内温度。因此电加热炉为一双输入双输出的受控对象。可简化成图2.2所示框图。图中U1，U2为上下两组炉丝的输入电压，y1,y2为热电偶检测的温度值。

根据不同工艺要求，对不同的高温合金产品测试温度不同，一般在500～1200o C 范围内。对于电阻加热炉这样的工作对象，在工作点附近的范围内其动态特性近似于线性，对于这个控制系统常规的PID控制就能达到控制效果，且具有一定得干扰能力，其控制效果比较理想，控制过程中不能大范围地改变设定值，否则PID参数需要重新设置，其控制结构下图。

图3.1 力学试验机控制原理结构图

由上图可以看出，系统的操作步骤是：

(1)实时采集被控过程的输入输出数据，在线估计模型参数，使过程模型响应逼近过程实际响应。

(2)根据过程模型参数计算控制器的参数，并送给控制器，以保持所期望的控制作用。

前面已经介绍过高温力学实验机的结构，从中可以看出加热炉是通过电阻丝作加热源，热电偶作温度测量元件，工作时炉内温度场主要有以下两个特点：第一，输入与输出之间存在滞后炉内电阻丝嵌装在炉壁上，被加热工件到电阻丝之间被各种介质隔开，所以输出(工件温度)与输入(加热功率)间存在滞后，这一滞后特点对于控制器的设计有决定性的影响。

第二，输入与输出关系复杂不定，不便用较准确的数学模型来描述。

工作时，每个工艺炉内的工件数量，形状，材质，摆放等因素差异很大，故炉内

热传导情况复杂不定。另外，不同工艺或同一个工艺的不同时段要求的炉温不一样。

可见，加热炉本身是一个较复杂的被控对象，它具有非线性，时变和分布参数等特性，不能用简单的测试方法来获得它的模型，本文采用阶跃响应辩识一阶近似模型的方法来获得它的数学模型。

3.2 PID控制

在模拟控制系统中，控制器最常用的控制规律是PID控制。常规PID控制系统原理框图如下图所示。

图3.2 PID原理图

系统由PID控制器和被控对象组成。PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值

r(t)与实际输出值y(t)构成控制偏差

)()()(t y t r t e -= （3.1） 将偏差的比例(P)、积分(l)、微分(D)通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID 控制器。其控制规律为:

（3.2）

或写成传函:

（3.3）

式中K p -比例系数 T i -积分时间常数 T D -微分时间常数

简单来说，PID 控制各环节的较正作用如下:

1.比例环节:即时成比例地反映控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。

2.积分环节:主要作用是消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数T i ，T i 越大，积分作用越弱，反之越强。

3.微分环节:能反映偏差信号的变化趋势，并能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。

]

)()(1

)([)(0

dt

t de T dt t e T t e k t u p t

i p ++=?)11()()()(S T S

T K s E s U s G d i p ++==

3.2.1 数字PID 控制算法

在计算机控制系统中，使用的是数字PID 控制器，数字PID 控制算法通常又分为位置式PID 算法和增量式PID 控制算法。 (一)位置式PID 算法:

由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，因此式(3.2)中的积分和微分项不能直接使用，需要进行离散化处理。按模拟PID 控制算法的算式(3.2)，现以一系列采样时刻点kT 代表连续时间t ，以和式代替积以增量代替微分，则可作如下近似变换:

kT t =

（3.4）

∑∑?===≈k j k

j t

j e T jT e T dt t e 0

)()()(

式中(k=0、1、2…)，T 为采样周期。显然，上述离散化过程中，采样周期必须足够短，才能保证足够的精度。将e(kT)简化表示为e(k)，即省去T 。将式(3.4)代入(3.2)，可得离散化的PID 表达式为:

（3.5）或

（3.6）

T k e k e T T k e kT e dt t e d )

1()(])1[()())((--=--≈}

)]1()([)()({)(0∑=--++=k j D j p k e k e T T

j e T T t e k k U ∑=--++=k

j D I p k e k e k j e k k e k k U 0

)]1()([)()()(

式中:

k-采样序号，k=0、1、2.…；

U(k)-第k 次采样时刻的计算机输出值； e(k)-第k 次采样时刻的输入偏差值； e(k-1)-第(k-1)次采样时刻的输入偏差值； k l -积分系数，k l =k p T/T ； k D -微分系数，k D =k p T D /T 。 由Z 变换的性质:

（3.7）

（3.8） 式(3-6)的Z 变换为:

（3.9） 由式(3-9)便可得数字PID 控制器的Z 传递函数为:

（3.10）

依此构造数字PID 控制器如图所示：

101)

(])([-=-=

∑Z Z E j e Z k

j )()1(1)()()(1

1

Z E Z k Z

Z E k Z E k z U D I P ---+-+=)1(1)()()(11

---+-+==Z k Z k k Z E Z U Z G D I

P )()]1([1

Z E Z k e Z -=-

图3.3 数字PID 原理图

由于计算机的输出U(k)直接去控制执行机构(如阀门)，U(k)的值和执行机构的位置是一一对应的，所以通常称为位置式PID 控制法。 但是这种算法存在一些缺陷，因而产生了增量式的PID 控制算。

3.2.2 增量式的PID 控制算法

当执行机构需要的是控制量的增量时，可由式(3.6)导出提供增量的PID 控制算式。根据递推原理可得:

（3.11） 用式(3.6)减去式(3.11)，可得:

（3.12）

式(3.12)为增量式的PID 控制算法，可以进一步改写为

（3.13）

])2()1([)()1()1(0

∑=---++-=-j D I p k e k e k j e k k e

k k U ))2()1(2)(()(|))1()(()(-+--++--=?k

e k e k e k k e k k e k e k k U D

I

p

)2()1()()(-+--=?k Ce k Be k Ae k U