第8章 温度控制系统

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8.3 温度控制器的调节原理
8.3.1 二位式调节原理
二位式调节又称通断式控制，其工作原理是将测量值与设定值相比较，差值经 放大处理后，对执行器进行开（通）或关（断）的控制，主要由温度传感器、 温度控制器、执行器和电阻丝组成。
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滞后时间：由于电炉炉体为保 温隔热材料制成的密闭箱体， 刚开始加热时，有一段时间炉 体温度基本保持不变，这一段 时间称之为滞后时间，其大小 通常取决于炉体结构，尤其是 炉体体积。 由于存在滞后时间，仪表做 出调节动作后，需要一定的时 间才能把调节结果通过传感器 反馈至仪表，在此段滞后时间 内，被控对象的温度仍呈惯性 上升或惯性下降。如右图
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8.2 通用仪表控制系统的基本组成
不论石化、电站、冶炼等大工业的集中控制还是印染、包装、橡胶成 型、组织培养、热处理等行业的单机设备，工业过程测量控制系统主要由 传感器、显示调节仪表和执行机构三部分组成
传感器（一次仪表）
温度 电压 位移 流量
传 感 器
电信号
二次仪表可处理信号
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8.3.4 时间比例调节 原理
时间比例调节原理（断续式比例调节）
例8-3 如下图，若设该电炉是一个1000W的电炉，在30秒钟周期内，执行器导通 15s，断开15s，那么在这个周期内，电炉实际得到的加热功率为50%，即500W。 其余依次类推。
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如右图，设执行器的开关周期为T， 在一个开关周期内，当 0≤t﹤ton时， 控制器输出控制信号使执行器导通， 电阻丝加热；当 ton≤t﹤T时，控制器 输出控制信号使执行器断开，电阻丝 不加热。设电阻丝加热的额定功率为 Pnom ，实际加热瞬时功率为 p，平 均功率为 P，控制器输出信号 Uc、瞬 时功率P 、平均功率P 的波形如右图。 由图可以看出： 改变占空比 就可以调节电阻丝的加热功率，且加热功率连续可调，它表 明通过控制执行器在一个周期的导通时间就可以模拟输出具有相当分辨率的连续 量。 这就是脉冲宽度调制 （Pluse Width Modulation）技术的应用。
3.报警功能：当输入值达到人们特意在表面板上设置输入的数
值时作出报警动作，而无论是上限、上上限、下限、下下限报警。默认 的报警动作是报警输出继电器的常开触点闭合。
4.安装与接线
5.仪表面板布置和功能
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6.使用指南
① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ 使用软件锁 设置“控制”值 设置“误差修正”值 设置“报警”值 自整定功能 比例偏置功能 仪表若显示“ HH”，请检查传感器是否断线或输入超过了量程上限； 若显示“ LL”，则可能是传感器短路或反接，此时仪表自动启动保护功 能，须经排除故障方可使用。
温度自动控制系统组成：
给定环节、比较环节、调节器、执行机构、被控对象、检测装置
给定环节
比较环节
调节器
执行机构
Hale Waihona Puke 检测环节被控对象自动化专业实践初步
例8-1 电炉炉温自动控制系统 机电工业中常用的原材料，如硅钢片在热处理过程中需要进行10小时连 续保温680 后，才能达到预期的性能，这就需要对退火炉的温度进行控制。 电炉温度控制系统原理图如图8—1
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8.3.3 连续比例调节原理
连续的含义是指调节器输出的信号是模拟量，比例的含义是指调 节器的输出与输入偏差成正比。 连续调节仪表的输出方式一般可分为可控硅移相触发方式和电机 驱动调压器方式，前者使用寿命长，应用越来越广泛；后者使用寿命 短，比较笨重，除一些特殊要求的场合外，已很少采用。
一般把回差设置在仪表全量程的0.2%～0.5%左右比较合适。二位式调节 可靠性高而且成本低，应用场合十分广泛。
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8.3.2 三位式调节原理
三位式调节是为克服二位式调节容易产生的升温速度与温度过冲量
（超调）之间的矛盾而发展的一种调节方式。
三位式调节可以用两个继电器的触点组成“升温加热”、“恒温调节”及“停止加热”三 种输出状态。
D调节就是指调节器的输出与偏差变化速率成正比，用公式表示如下：
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PD调节原理
PID调节原理 PID参数的选取
PID参数人工整定方法
8.3.6 自适应调节原理
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8.4温度控制器使用说明
1.主要技术参数和使用条件
• • • 精度：±(0.5% ±1字) 温度系数：不大于0.05%/ 输出：继电器触点输出： AC250V/5A（阻性负载）或AC250/0.3A（感性负载） 触点报警输出：AC250V/5A（阻性负载） • 二级参数设置范围 比例带P：0~40% 积分时间I：0~999s 微分时间D：0~999s 误差修正范围：-19.9~19.9( )或-20~20( ) 切换差设置范围：0.2-20.0( )或2-20( )
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实际调节过程及调节效果示意如下图 与位式调节相比，时间 比例式调节对加热功率的调节 是根据偏差连续改变输出量的 大小这一方式去实现的，因此 调节结果的波动较小。在有扰 动时，被控对象的调节参数能 很快趋向平稳。在比例带值合 适的情况下，不会产生持续的 振荡现象。
比例调节的静差
比例或时间比例调节在系统稳定后，其实际温度值与设定温度值之 间必然会有一个偏差，即调节的结果值与设置的目标值之间有一差值， 专业上称之为“静差”，静差可正可负。静差的大小和方向取决于全输出 时加热功率的高低、环境温度或电网电压的改变和比例带的大小等多种 原因。
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具有比例带的时间比例调节原理
实际应用中，当测量温度小于比例带下限值时，执行器一直导通；当测量温度 大于比例带上限值时，执行器一直断开；时间比例调节只在测量温度位于比例带下 限和上限值之间时进行。
设控制器温度设定值为SV ，比例带下限值为SV-SP ，比例带上限值为 SV+SP；设温度测量值为 PV，根据上述调节原理，很显然有:当 PV=SV-SP 时， ；当PV=SV+SP 时， 。所以，在比例带范围内，时间比 值 和测量温度之间的关系式如下：
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第八章
温度控制系统
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内容要点：
温度自动控制系统的构成 通用仪表控制系统的基本组成 温度控制器的调节原理 温度控制器的使用说明
目的与要求：
熟悉温度控制系统的基本构成 了解温度控制系统的调节原理 了解基本温度控制器件
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8.1 温度自动控制系统的构成
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2.型号编制说明 例8-3 试说明型号为WG-5412温度控制器的主要性能。
解：（1）该仪表是智能型双三位显示调节仪； （2）调节方式为二位PID调节； （3）报警为上限报警； （4）输入信号采用热电阻温度传感器； （5）输出信号为继电器触点输出。
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PI调节原理 比例控制动作及时，但是有静差；积分控制虽能消除静差，但又容易使控 制过程产生振荡，所以在实际应用中总是把它们结合起来，这样既能控制及时， 又能消除静差。这种调节器称为比例积分调节器，用它实现的控制称为比例积分 控制，简称PI控制。 比例积分控制规律用下式表示：
积分时间 越小，积分作用越强。反之，积分时间 越大，积分作用越弱。若积分 时间 为无穷大，就没有积分作用，成为纯比例控制器了。 D调节原理
非电信号
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显示调节仪表
电信号
显 示 调 节 仪 表
滤波、放大、 非线性校正 电压
温度 流量 位移
在自动化控制系统中，二次仪表经常处于核心地位，因此对其进行认真 比较和精心选择，在安全上是必须的，在经济上是划算的。
执行器部分
为了能够对工业对象的参数进行自动控制(或报警)，就必须由中间继电器、 可控硅、电磁阀等执行器执行对负载的调控。 执行器一般都工作于高电压、大电流、多动作的恶劣工作条件下，因此， 正确选择产品和降额使用是理所当然和十分经济的。
7.安全使用注意事项
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8.5温度自动控制教学实验系统的研制
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如果输入偏差 是幅值为 的阶跃函数，上式改写为：
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其输出控制电压 Uc按线性增长，每一时刻 Ut的大小和 与横轴所 包围的面积成正比，直至 达到最大值（饱和值 ）为止，如下图
当有偏差存在时，输出信号将随时间增大。当偏差为0时，输出 保持在某一值上。因此I调节器组成控制系统可以达到无静差。
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• • • • • • • • •
控制及报警值设置范围：仪表全量程的0~100% 上跟随报警设置范围：主控值0~50( )（WG型只能带一路报警） 比例偏置范围：-50%~+50% 自整定功能：ON或OFF 参数设置方法：轻触开关软件设置（设定参数无接触不良可能） 防误操作软件锁：有 工作电源：额定电压±15% 50Hz±1Hz 工作环境：温度0～50 ，相对湿度35%～85%的无腐蚀性气体场合 面形及开孔尺寸
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8.3.5比例、积分和微分调节原理
比例、积分和微分调节器通常简称为PID调节器，它是目前工业控制 中应用最广的控制规律。 PID调节器在实际应用中根据需要，可组成P调节器、I调节器、PI调节 器、PD调节器和PID调节器等 P调节原理 P调节是指使系统的输出量与输入量（即偏差）成比例。 单纯使用P调节，控制系统被调量一定有静差。 I调节原理 I调节是指调节器输出控制电压 是输入偏差 的积分。用公式表示如下：
通和断两种状态的交替出现，必然使被控参数有周期性的起伏，形成在 设定值附近上下的震荡。
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