電阻加熱爐溫度控制
一、摘 要
溫度是工業(yè)對象中主要的被控參數(shù)之一。特別是在冶金、化工、機械各類工業(yè)中，廣泛使用各種加熱爐、熱處理爐、反應(yīng)爐等。由于爐子的種類不同，所采用的加熱方法及燃料也不相同，如煤氣、天然氣等。但就控制系統(tǒng)本身的動態(tài)特性而言，均屬于一階純滯后環(huán)節(jié)，在控制算法上基本相同，可采用PID控制或其他純滯后補償算法。
為了保證生產(chǎn)過程正常安全地進行，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量，以及減輕工人的勞動強度，節(jié)約能源，對加熱用的各種電爐要求在一定條件下保持恒溫，不能隨電源電壓波動或爐內(nèi)物體而變化，或者有的電爐的爐溫根據(jù)工藝要求按照某個指定的升溫或保溫規(guī)律而變化，等等。
因此，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)或科學(xué)實驗中常常對溫度不僅要不斷地測量，而且要進行控制。
二、總體方案設(shè)計 設(shè)計任務(wù)
用一臺計算機及相應(yīng)的部件組成電阻爐爐溫的自動控制系統(tǒng)，并使系統(tǒng)達到工藝要求的性能指標(biāo)。 1、設(shè)計內(nèi)容及要求
電阻加熱爐用于合
金鋼產(chǎn)品熱力特性實驗，電加熱爐用電爐絲提供功率，使其在預(yù)定的時間內(nèi)將爐內(nèi)溫度穩(wěn)定到給定的溫度值。在本控制對象電阻加熱爐功率為8KW，有220V交流電源供電，采用雙向可控硅進行控制。
系統(tǒng)模型：
2、工藝要求
按照規(guī)定的曲線進行升溫和降溫，溫度控制范圍為50—350℃，升溫和降溫階段的溫度控制精度為+5℃，保溫階段溫度控制精度為+2℃。
3、要求實現(xiàn)的系統(tǒng)基本功能
微機自動調(diào)節(jié)：正常工況下，系統(tǒng)投入自動。 模擬手動操作：當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生異常，投入手動控制。
微機監(jiān)控功能：顯示當(dāng)前被控量的設(shè)定值、實際值，控制量的輸出值，參數(shù)報警時有燈光報警。 4、對象分析
在本設(shè)計中，要求電阻爐爐內(nèi)的溫度，按照上圖所示的規(guī)律變化，從室溫開始到50℃為自由升溫階段，當(dāng)溫度一旦到達50℃，就進入系統(tǒng)調(diào)節(jié)，當(dāng)溫度到達350℃時進入保溫段，要始終在系統(tǒng)控制下，一保證所需的爐內(nèi)溫度的精度。加工結(jié)束，要進行降溫控制。保溫段的時間為600—1800s。過渡過程時間：即從開始控制到進入保溫階段的時間要小于600s。在保溫段當(dāng)溫度高于352℃或低于348℃時要報警，在升溫和降溫階段也要進行控制，使?fàn)t內(nèi)溫度按照曲線的斜率升或降。
采用MCS—51單片機作為控制器，ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片為模擬量輸入，DAC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片為模擬量輸出，鉑電阻為溫度檢測元件，運算放大器和可控硅作為功率放大，電阻爐為被控對象，組成電阻爐爐溫控制系統(tǒng)，另外，系統(tǒng)還配有數(shù)字顯示，以便顯示和記錄生產(chǎn)過程中的溫度和輸出值。 5、系統(tǒng)功能設(shè)計
計算機定時對爐溫進行測量和控制一次，爐內(nèi)溫度是由一鉑電阻溫度計來進行測量，其信號經(jīng)放大送到模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，換算成相應(yīng)的數(shù)字量后，再送入計算機中進行判別和運算，得到應(yīng)有的電功率數(shù)，經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成模擬量信號，供給可控硅功率調(diào)節(jié)器進行調(diào)節(jié)，使其達到爐溫變化曲線的要求。
三、硬件的設(shè)計和實現(xiàn)
1、計算機機型：MCS—51 8031（不包含ROM、EPROM）
系統(tǒng)總線：PC總線 2、設(shè)計輸入輸出通道
輸入通道：因為所控的實際溫度在50 ～ 350℃左右，即（350－50）＝300所以選用8位A/D轉(zhuǎn)換器，其分辨率約為1.5℃/字，再加放大器偏置措施實現(xiàn)。（通過調(diào)整放大器的零點來實現(xiàn)偏置）這里采用一般中速芯片ADC0809。ADC0809是帶有8位A/D轉(zhuǎn)換器，8路多路開關(guān)以及微型計算機兼容的控制邏輯的CMOS組件，其轉(zhuǎn)換方法為逐次逼近型。8路的模擬開關(guān)由地址鎖存器和譯碼器控制，可以在8個通道中任意訪問一個通道的模擬信號。
輸出通道：據(jù)其實際情況，D/A轉(zhuǎn)換器的位數(shù)可低于A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)，因為一般控制系統(tǒng)對輸出通道分辨率的要求比輸入通道的低，所以這里采用常用的DAC0832芯片
DAC0832是8位D/A轉(zhuǎn)換器，與微處理器完全兼容。期間采用先進的CMOS工藝，因此功耗低，輸出漏電流誤差較小。因DAC0832電流輸出型D/A轉(zhuǎn)換芯片，為了取得電壓輸出，需在電流輸出端接運算放大器，Rf為為運算放大器的反饋電阻端。
3、設(shè)計支持計算機工作的外圍電路
矩陣鍵盤技術(shù)：
溫度輸出顯示技術(shù)：
LED靜態(tài)顯示接口技術(shù)，所謂靜態(tài)顯示,即CPU輸出顯示值后,由硬件保存輸出值,保持顯示結(jié)果.
特點:占用機時少,顯示可靠.但元件多,線路復(fù)雜、成本高，功耗大。
報警電路設(shè)計：正常運行時綠燈亮，在保溫階段爐內(nèi)溫度超出系統(tǒng)允差范圍，就要進行報警。報警時報警燈亮，電笛響，同時發(fā)送中斷信號至CPU進行處理。
4、元器件的選擇
傳感器的選擇：鉑銠10—鉑熱電偶，S型，正極性，量程0—1300C，使用溫度小于等于600C，允差+1.5C。
執(zhí)行元件的選擇：電阻加熱爐采用晶閘管（SCR）來做規(guī)律控制，結(jié)合電阻爐的具體要求，為了減少爐溫的紋波，對輸出通道采用較高的分辨率的方案，因此采用移相觸發(fā)方式，并且由模擬觸發(fā)器實現(xiàn)移相觸發(fā)。
變送器的選擇：因為系統(tǒng)要求有偏置，又需要對熱電偶進行冷端補償，所以采用常規(guī)的DDZ系列溫度變送器。
控制元件：采用雙向可控硅進行控制，其功能相當(dāng)于兩個單向可控硅反向連接，具有雙向?qū)üδ埽渫〝酄顟B(tài)有控制極G決定。在控制極加上脈沖可使其正向或反向?qū)ā?/p>
第4章 數(shù)字控制系統(tǒng)設(shè)計
4.1 系統(tǒng)控制參數(shù)確定 4.1.1 被控參數(shù)選擇
單回路控制系統(tǒng)選擇被控參數(shù)時要遵循以下原則：在條件許可的情況下，首先應(yīng)盡量選擇能直接反應(yīng)控制目的的參數(shù)為被控參數(shù)；其次要選擇與控制目的有某種單值對應(yīng)關(guān)系的間接單數(shù)作為被控參數(shù)；所選的被控參數(shù)必須有足夠的變化靈敏度。
綜合以上原則，在本系統(tǒng)中選擇物料的出口溫度θ作為被控參數(shù)。該參數(shù)可直接反應(yīng)控制目的。
4.1.2 控制參數(shù)選擇
工業(yè)過程的輸入變量有兩類：控制變量和擾動變量。其中，干擾時客觀存在的，它是影響系統(tǒng)平穩(wěn)操作的因素，而操縱變量是克服干擾的影響，使控制系統(tǒng)重新穩(wěn)定運行的因素。而控制參數(shù)選擇的基本原則為：
① 選擇對所選定的被控變量影響較大的輸入變量作為控制參數(shù)； ② 在以上前提下，選擇變化范圍較大的輸入變量作為控制參數(shù)，以便易于
控制；
③ 在①的基礎(chǔ)上選擇對被控變量作用效應(yīng)較快的輸入變量作為控制參數(shù)，使
控制系統(tǒng)響應(yīng)較快；
綜合以上原則，選擇燃料的流量Qg量作為控制參數(shù)。
4.2 PID調(diào)節(jié)器設(shè)計
對溫度的控制算法, 采用技術(shù)成熟的PID 算法, 對于時間常數(shù)比較大的系統(tǒng)來說, 其近似于連續(xù)變化, 因此用數(shù)字PID 完全可以得到比較好的控制效果。簡單的比例調(diào)節(jié)器能夠反應(yīng)很快, 但不能完全消除靜差, 控制不精確, 為了消除比例調(diào)節(jié)器中殘存的靜差, 在比例調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上加入積分調(diào)節(jié)器, 積分器的輸出值大小取決于對誤差的累積結(jié)果, 在差不變的情況下, 積分器還在輸出
直到誤差為零, 因此加入積分調(diào)節(jié)器相當(dāng)于能自動調(diào)節(jié)控制常量, 消除靜差, 使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。積分器雖然能消除靜差, 但使系統(tǒng)響應(yīng)速度變慢。 進一步改進調(diào)節(jié)器的方法是通過檢測信號的變化率來預(yù)報誤差, 并對誤差的變化作出響應(yīng), 于是在PI調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上再加上微分調(diào)節(jié)器, 組成比例、積分、微分( PID)調(diào)節(jié)器, 微分調(diào)節(jié)器的加入將有助于減小超調(diào), 克服振蕩, 使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定, 同時加快了系統(tǒng)的`穩(wěn)定速度,縮短調(diào)整時間, 從而改善了系統(tǒng)的動態(tài)性能, 其控制規(guī)律的微分方程為:
Y?KP(X?
1dX
Xdt?TD) TI?dt
傳遞函數(shù)為：
1
?TDs) TIs
用PID 控制算法實現(xiàn)加熱爐溫度控制是這樣一個反饋過程: 比較實際物料
G(s)?KP(1?
出口溫度和設(shè)定溫度得到偏差, 通過對偏差的處理獲得控制信號, 再去調(diào)節(jié)加熱爐的燃料流量, 從而實現(xiàn)對爐溫的控制, 由于加熱爐一般都是下一階段對象和帶純滯后的一階對象, 所以式中Kp、K d 和K i的選擇取決于加熱爐的響應(yīng)特性和實際經(jīng)驗。
4.3 控制算法
電阻加熱爐溫度控制系統(tǒng)框圖：
整個閉環(huán)系統(tǒng)可用一個帶純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)來近似，所以其控制算法采
用大林算法。電阻加熱爐溫度控制系統(tǒng)模型為
其廣義的傳遞函數(shù)為：
大林算法的設(shè)計目標(biāo)是設(shè)計一個合適的數(shù)字控制器，使整個閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)相當(dāng)于一個帶有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，即：
通常認為對象與一個零階保持器相串聯(lián)， 相對應(yīng)的整個閉環(huán)系統(tǒng)的脈沖傳遞函
2.8e?40s
G(s)?
178s?1 數(shù)是：
4.4 計算過程：
連同零階保持器在內(nèi)的系統(tǒng)廣義被控對象的傳遞函數(shù)
1?e?Ts2.8e?40s
G(z)?Z[]
s178s?1
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系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)
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數(shù)字控制器：
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6.448(1?0.945z?1)
D(z)?
(1?z?1)[1?0.933z?1?0.933z?2?0.933z?3?0.933z?4]
消除振鈴現(xiàn)象后的數(shù)字控制器：
6.448(1?0.945z?1)
D(z)?
1?z?1
U(z)1.297?1.297?0.945z?1
D(z)??
E(z)1?z?1
將上式離散化：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） 最終得：U（K）=U（K—1）+1.279E（K）—1.226E（K—1）
第5章 控制儀表的選型和配置
5.1 檢測元件
溫度的測量方式有接觸式測溫和非接觸式測溫兩大類。本系統(tǒng)選擇接觸式測溫元件。其中較為常用的有熱電偶、熱電阻和集成溫度傳感器三種，本系統(tǒng)選擇熱電偶作為測溫元件，其電路原理圖如下圖所示：
圖5-1 熱電偶電路原理圖
5.2 變送器
5.2.1 變送器選型
本系統(tǒng)中的變送器用于溫度信號變送，故選擇溫度變送器。其中較為常用的有模擬式溫度變送器、一體化溫度變送器和智能式溫度變送器三種，本系統(tǒng)采用典型模擬式溫度變送器中的DDZ-III型熱電偶溫度變送器，屬安全火花型防暴儀表，還可以與作為檢測元件的熱電偶相配合，將溫度信號線性的轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號。變送器構(gòu)成方框圖如圖5-2所示。
圖5-2 電動III型熱電偶典型模擬溫度變送器構(gòu)成方框圖
5.2.2 變送器配置
本設(shè)計選用放入是KBW—1131型熱電偶溫度變送器。
1.主要技術(shù)參數(shù)：
表5.1 熱電偶溫度變送器參數(shù)表
2.工作原理：
KBW—1131型熱電偶溫度變送器是由WS熱電偶溫度轉(zhuǎn)換模塊和GF750信號隔離模塊組成，見圖5-3所示。
Ｖ
+ 輸出Ｉ/Ｖ -
24VDC
圖5-3 熱電偶溫度變送器原理框圖
3.端子圖：
圖5-4 熱電偶變送器接線端子圖
5.3 調(diào)節(jié)器
5.3.1 調(diào)節(jié)器選型
實現(xiàn)PID算法的控制儀表的主要類型大致分為電動或氣動，電動I型、II型、III型，單元組合儀表或是基地是儀表等。常用的控制儀表有電動II型、III型。在串級控制系統(tǒng)中，選用的儀表不同，具體的實施方案也不同。電動III型和電動II型儀表就其功能來說基本相同，但是其控制信號不相同，控制II型典型信號為0~10mADC，而電動III型儀表的典型信號為4~20mADC，此外。III型儀表較II型儀表操作、維護更為方便、簡捷，同時III型儀表還具有完善的跟蹤、保持電路，使得手動切換非常方便，隨時都可以進行切換，且保證無擾動。所以在本設(shè)計中選用電動III型儀表。調(diào)節(jié)器的構(gòu)成方框圖如圖5-4所示。
圖5-5 電動III型調(diào)節(jié)器構(gòu)成方框圖
作用方式選擇：對于單回路控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)器正、反作用的選擇要根據(jù)控制系統(tǒng)所包括的各個環(huán)節(jié)的情況來確定，這樣只要根據(jù)被控參數(shù)與變送器放大倍數(shù)的符號及整個控制回路開環(huán)放大倍數(shù)的符號為“負”的要求，就可以確定調(diào)節(jié)器的正、反作用。在本系統(tǒng)中，被控參數(shù)的放大倍數(shù)為的符號為“正”，所以調(diào)節(jié)器應(yīng)選“負”作用即反作用。 5.3.2 調(diào)節(jié)器配置
1.本系統(tǒng)采用的DDZ-III型PID調(diào)節(jié)器TDM-400性能指標(biāo)如下表所示： 表5.2 DDZ-III型PID調(diào)節(jié)器性能指標(biāo)
2.DDZ-III型調(diào)節(jié)器接線端子如下圖所示：
圖5-6 DDZ-III型調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器接線端子
5.4 執(zhí)行器 5.4.1 執(zhí)行器選型
本系統(tǒng)中，執(zhí)行器是系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，是按照調(diào)節(jié)器所給定的信號大小和方向，改變閥的開度，以實現(xiàn)調(diào)節(jié)燃料流量的裝置。 1.執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)形式：
執(zhí)行器在結(jié)構(gòu)上分為執(zhí)行機構(gòu)和調(diào)節(jié)機構(gòu)。其中執(zhí)行機構(gòu)包括氣動、電動和液動三大類，而液動執(zhí)行機構(gòu)使用甚少，同時氣動執(zhí)行機構(gòu)中使用最廣泛的是氣動薄膜執(zhí)行機構(gòu)，因此執(zhí)行機構(gòu)的選擇主要是指對氣動薄膜執(zhí)行機構(gòu)和電動執(zhí)行機構(gòu)的選擇，由于氣動執(zhí)行機構(gòu)的工作溫度范圍較大，防爆性能較好，故本系統(tǒng)選擇氣動薄膜執(zhí)行機構(gòu)并配上電/氣閥門定位器。
調(diào)節(jié)閥的開、關(guān)形式需要考慮到以下幾種因素：
① 生產(chǎn)安全角度：當(dāng)氣源供氣中斷，或調(diào)節(jié)閥出故障而無輸出等情況下，
應(yīng)該確保生產(chǎn)工藝設(shè)備的安全，不至發(fā)生事故；
② 保證產(chǎn)品質(zhì)量：當(dāng)發(fā)生控制閥處于無源狀態(tài)而恢復(fù)到初始位置時，產(chǎn)品
的質(zhì)量不應(yīng)降低；
③ 盡可能的降低原料、產(chǎn)品、動力損耗； ④ 從介質(zhì)的特點考慮。
綜合以上各種因素，在加熱爐溫度控制系統(tǒng)中，執(zhí)行器的調(diào)節(jié)閥選擇氣開閥：執(zhí)行機構(gòu)采用正作用方式，調(diào)節(jié)機構(gòu)正裝以實現(xiàn)氣開的氣動薄膜調(diào)節(jié)蝶閥。執(zhí)行器由電/氣閥門定位器和氣動調(diào)節(jié)閥配合使用組成，其方框圖如圖5-7所示。
圖5-7 電/氣閥門定位器和氣動調(diào)節(jié)閥組成的系統(tǒng)框圖
1.調(diào)節(jié)閥的流量特性：
調(diào)節(jié)閥的流量特性的選擇，在實際生產(chǎn)中常用的調(diào)節(jié)閥有線性特性、對數(shù)特性、拋物線特性和快開特性四種，在本系統(tǒng)中執(zhí)行器的調(diào)節(jié)閥的流量特性選擇等百分比特性。
2.調(diào)節(jié)閥的口徑：
調(diào)節(jié)閥的口徑的大小，直接決定著控制介質(zhì)流過它的能力。為了保證系統(tǒng)有較好的流通能力，需要使控制閥兩端的壓降在整個管線的總壓降中占有較大的比例。
5.4.2 執(zhí)行器配置
1.電/氣閥門定位器ZPD-01 表5.3 ZPD-01參數(shù)表
圖5-8 ZPD-01端子圖
3.薄膜氣動調(diào)節(jié)閥ZMBS-16K 表5.4 ZMBS-16K參數(shù)表
圖5-9 執(zhí)行器接線端子圖
五、軟件設(shè)計 1、系統(tǒng)程序流程圖
a、系統(tǒng)主程序框圖
b、A/D轉(zhuǎn)換子程序流程圖
C、數(shù)字控制算法子程序流程圖
d、LED顯示流程圖
六、完整的系統(tǒng)電路圖
七、系統(tǒng)調(diào)試
在設(shè)計完成后進行調(diào)試，根據(jù)設(shè)計邏輯圖制作好實驗樣機，就可以進入硬件調(diào)試，調(diào)試的主要任務(wù)是排除樣機的故障，其中包括設(shè)計錯誤和工藝性故障，然后在進行軟件的調(diào)試用微型機對MCS51系列單片機程序進行交叉匯編。在硬件，軟件單獨調(diào)試后，即可進入硬件、軟件聯(lián)合調(diào)試階段，找出硬件、軟件之間不相匹配的地方，反復(fù)修改和調(diào)試，直到符合設(shè)計要求。
八、設(shè)計總結(jié)
通過設(shè)計實驗，使我掌握了微型機控制系統(tǒng)I/O接口的擴展方法，模擬量輸入/輸出通道的設(shè)計，常用控制程序的設(shè)計方法，數(shù)據(jù)處理及非線性補償技術(shù)，以及數(shù)字控制器的設(shè)計方法。
很感謝老師和同學(xué)的幫助，我們才能順利的完成任務(wù)，感謝老師的悉心指導(dǎo)，老師辛苦了。
20
九、參考文獻
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(5)張凡
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清華大學(xué)出版社 清華大學(xué)出版社 西安電子科技大學(xué)出版社 (二) 》 清華大學(xué)出版社 21 《微型計算機控制應(yīng)用實例集》 《單片機原理及接口技術(shù)》 《微機原理與接口技術(shù)》 《微型計算機控制應(yīng)用實例集
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