【正文】 成溫度控制系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)參數(shù)實現(xiàn)對電阻爐溫度的控制。s and technology39。s object of study is the laboratory existing tubular resistance furnace, therefore this article has carried on the object performance test to it. Then in view of resistance furnace39。 自 1973 年能源危機以來，開發(fā)新能源和節(jié)約燃料引起世界各國的普遍關(guān)注。電阻爐在機械工業(yè)中用于金屬鍛壓前加熱、金屬熱處理加熱、釬焊、粉末冶金燒結(jié)、玻璃陶瓷焙燒和退火、低熔點金屬熔化、砂型和油漆膜層的干燥等。加熱功率從不足一千瓦到數(shù)千千瓦。在低溫爐內(nèi)則以對流傳熱方式加熱，電熱元件裝在風道內(nèi)，通過風機強迫爐內(nèi)氣體循環(huán)流動，以加強對流傳熱。因此電阻爐廣泛應用于冶金、機械、材料等行業(yè)，是發(fā)展最早，品種規(guī)格最多，需要量 最大的一類工業(yè)爐 。后者是電流直接通過被加熱的物料，依靠物料本身的電阻發(fā)熱。所以 間接電熱電阻爐是工業(yè)生產(chǎn)和科研中應用最廣泛的一種爐子。因而將 集散控制系統(tǒng) (DCS)應用到電阻爐溫度的控制上，可以提高控制精度，可靠性和安全性。 DCS 系統(tǒng)則 以內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 3 模擬量反饋控制為主，輔以開關(guān)量的順序控制和模擬量開關(guān)量混合型的批量控制，它們可以覆蓋煉油、石化、化工、冶金、電力、輕工及市政工程等大部分行業(yè)。當系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)時，爐溫將穩(wěn)定在給定值上，從而 實現(xiàn)了電阻爐的恒溫控制。測試的方法有：時域測試法（這里指 飛升曲線法）、頻域測試法、統(tǒng)計法等 。 測得對象特性后，根據(jù)要求選擇一個合適的控制系統(tǒng)。 在確定了控制方法后還要先根據(jù)經(jīng)驗 值定一組最初的調(diào)節(jié)器參數(shù)，然后再結(jié)合 實驗數(shù)據(jù)求得的調(diào)節(jié)器參數(shù)，調(diào)節(jié)整定系統(tǒng)，使控制效果 達到 最佳，從而確定最后的調(diào)節(jié)器參數(shù) ，最終實現(xiàn)電阻爐的溫度控制。 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 6 第三章 電阻爐溫度特性的測試、記錄及分析 電阻爐溫度特性測試 一般研 究調(diào)節(jié)對象特性的方法有兩種。目前用來測定對象動態(tài)特性的實驗方法主要有三種：測定動態(tài)特性的時域方法、測定動態(tài)特性的頻域方法、測定動態(tài)特性的統(tǒng)計方法。這些方法都不需要特殊的信號發(fā)生器，在很多情況下可以利用調(diào)節(jié)系統(tǒng)中原有的儀器設備 完成 ，方法簡單，測試工作量小，故應用甚廣。 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 7 2 2 0交流調(diào) 壓 器 電 阻 爐S 型 熱 電 偶無 紙 記 錄 儀T 圖 電阻爐的溫度性能測試原理圖 自耦變壓器熱電偶輸出端21電阻爐電阻絲220V 圖 電 阻爐的溫度性能測試接線圖 由圖 可以看出，我們是將自耦變壓器原邊接民用電源，其副邊的輸出接至管式電阻爐的電源輸入端，從而使電阻爐開 始加熱，我們利用 S型的鉑銠 鉑熱電偶作為傳感器來測試爐溫，其熱電偶的輸出端 1， 2 應接至無紙記錄儀的輸入端，由無紙記錄儀的 USB 接口讀取 曲線圖，再利用無紙記錄儀 U 盤數(shù)據(jù)存儲分析軟件分析曲線圖。 溫度特性曲線的記錄 在開始實驗時，我們選定的初始給定值是 30V，待溫度上升到某一穩(wěn)定值時，我們將給定值改變?yōu)?70V， 相當于給該系統(tǒng)一個階躍信號，從而使溫度的變化曲線出現(xiàn)階躍響應 。在響應曲線測定后，為了分析和設計控制系統(tǒng)，需要將響應曲線轉(zhuǎn)化為傳遞函數(shù)。 溫度特性曲線 試驗結(jié)果的數(shù)據(jù)處理的方法 在描繪生產(chǎn)過程的動態(tài)特性時，常用微分方程式或傳遞函數(shù)的形式表達。同時記下輸入階躍變化量 x 和 y 的最終變量 ??y? 。 （ 2） 由飛升曲線確定二階環(huán)節(jié)的參數(shù) 響應曲線測定后，為了分析和設計控制系統(tǒng)，需要將響應曲線轉(zhuǎn)化為傳遞函數(shù)。在生產(chǎn)實際中，多數(shù)對象的飛升曲線都是過阻尼的，因此該方法適用于大批的工業(yè)對象。因121212TTTT TT?? ???? ，故 121TT????。這樣，就得到尋求時間常數(shù) 1T ， 2T 的第一個關(guān)系式 7712 72 1 .2tttT T T tt??? ? ? ? ?即 （ 314） 其次，在式（ 313）中，令 4 ????便可確立 ??yt??與 ? ?212TT??? 之間的關(guān)系，如圖 所示，這是尋求時間常數(shù) 1T 、 2T 的第二個關(guān)系式。根據(jù) 4y? 的數(shù)值分三種情況處理： ①若 ≤ 4y? ≤ ，則采用式（ 38）來近似，這時還要計算兩個未知參數(shù) 1T 及 2T 。 為了對此傳遞函數(shù)進行校驗，可以檢查它的幾個點，在校驗時仍需用到圖 的曲線，實驗結(jié)果與計算結(jié)果在 0t? ， 4tt? ， 7tt? 時是重合的，在內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 14 ? ?8 1 T T??和 ? ?20 1 22t T T??兩點可按圖 查出 8y? 與 20y? 的值，且與實驗曲線上的值相比較作為校驗。至此，傳遞函數(shù)（ 39）式就確定了。 溫度特性曲線 數(shù)據(jù)處理 響應曲線測定后，為了分析和設計控制系統(tǒng)，需要將響應曲線轉(zhuǎn)化為傳遞函數(shù)。 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 15 圖 ??yt? ～ t 曲線圖 根據(jù)無因次飛升曲線（如圖 所示），求出與 ?? 相對應的 7 3750ts? 于是得 74 12503tts?? 再從圖中找到對應于 t 的 4y? 4 ? ? 由于所得之 4y? 滿足不等式 ≤ y4* ≤ 故用無滯后的二階環(huán)節(jié)（ 38）來近似，這時根據(jù)公式（ 314）及圖 之曲線找到 7 ?? 查圖， 4 ? ? 時， Δ178。 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 17 第四章 電阻爐溫度控制系統(tǒng)的設計 電阻爐溫度控制系統(tǒng)的實現(xiàn)過程 電 阻爐溫度控制系統(tǒng)是一個單回路 反饋控制系統(tǒng) ，它由四個基本環(huán)節(jié)組成，即被控對象、測量變送裝置、控制器和控制閥。由于 外加 某種擾動的影響，使爐溫降低或升高，此時 S 熱電偶產(chǎn)生的毫伏信號 ，一方面送至顯示儀表指示和記錄，另一方面送入 數(shù)字 調(diào)節(jié)器中。 為使我們的設計盡可能的簡單易操作，控制效果 更 好，在這些儀器儀表的選用上，是經(jīng)過多方面的考慮， 而 最終做出的選擇。它不僅可以保護熱電極延長熱電偶的使用壽命，還可以起到支撐和固定熱電極的作用。如果兩物體其中之一是溫度計的感溫部分，另一物體是被測物體，則可以說溫度計的感溫部分充分反映了被測物體的溫度。 因此 ， 在熱電偶測溫時 ， 可接入測量儀表 ， 測得熱電動勢后 ， 即可知道被測介質(zhì)的溫度 。 nT 稱中間溫度。 S 型熱電偶的特點是熱電性能穩(wěn)定，抗氧化性強，宜在氧化性、惰性氣氛中連續(xù)使用，其準確度等級是最高的。 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 20 （ 1） 自耦變壓器的結(jié)構(gòu)特點 圖 。 圖 （ 2） 自耦變壓器的工作原理 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 21 自耦變壓器也是利用電磁感應原理制成的 。 在實際生產(chǎn)應用 中，調(diào)節(jié)器是構(gòu)成自動控制系統(tǒng)的核心儀表，它 將來自變送器的測量值與給定值相比較后產(chǎn)生的偏差進行比例、積分、微分 (PID)運算，并輸出統(tǒng)一標準信號，去控制執(zhí)行機構(gòu)的動作，以實現(xiàn)對溫度及其他工藝變量的自動控制。 當 IK 、 DK 均很大時，則上式就近似等于理想 PID 運算規(guī)律的表達式了。 在 本 設計中可以使用 DDZⅢ型調(diào)節(jié)器也可以使用數(shù)字式調(diào)節(jié)器，本設計采用 數(shù)字式調(diào)節(jié)器，因為數(shù)字式調(diào)節(jié)器相對于 DDZⅢ型調(diào)節(jié)器使用起來更方便而且調(diào)節(jié)更精確。 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 23 固態(tài)繼電器有三部分組成 :輸入電路，隔離 (耦合 )和輸出電路。固態(tài)繼電器的輸出電路也可分為直流輸出電路，交流輸出電路和交直流輸出電路等形式。帶有軟磁盤驅(qū)動的 EXII 型無紙記錄儀還可將這些數(shù)據(jù)進行拷盤存檔，用戶可用我們提供的上位機軟件，對已記錄數(shù)據(jù)的軟盤，在上位機上重現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)和歷史曲線。然后再通過無紙記錄儀 U 盤數(shù)據(jù)存儲分析軟件對結(jié)果進行分析。 PWM信號仍然是數(shù)字的，因為在給定的任何時刻，滿幅值的直流供電要么完全有 (ON)，要么完全無 (OFF)。 PWM的一個優(yōu)點是從處理器到被控系統(tǒng)信號都是數(shù)字形式的，無需進行數(shù) 模轉(zhuǎn)換。從模擬信號轉(zhuǎn)向 PWM可以極大地延長通信距離。 從而實現(xiàn)了電阻爐的溫度控制。 以下為其引腳圖： 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 25 圖 AT89C2051 引腳圖 主要性能： 和 MCS51 產(chǎn)品兼容； 2KB 可重編程 FLASH 存儲器（ 1000 次）； 電壓范圍； 全靜態(tài)工作： 0Hz24KHz； 2 級程序存儲器保密鎖定 ； 128*8 位內(nèi)部 RAM； 15 條可編程 I/O 線 ； 兩個 16 位定時器 /計數(shù)器 ； 6 個中斷源 ； 可編程串行通道 ； 高精度電壓比較器（ ， ， ） ； 直接驅(qū)動 LED 的輸出端口 ； ADC0832 是美國國家半導體公司生產(chǎn)的一種 8 位分辨率、雙通道 A/D 轉(zhuǎn)換芯片。 雙通道 A/D 轉(zhuǎn)換； 一般功耗僅為 15mW； C，工業(yè)級芯片溫寬為 ?40176。 CH0 模擬輸入通道 0，或作為 IN+/使用 ； DO 數(shù)據(jù)信號輸出，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出 ； 芯片轉(zhuǎn)換時間僅為 32μS，據(jù)有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗，以減少數(shù)據(jù)誤差，轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性能強。 串行數(shù)據(jù)輸入端（ A， B）可控制數(shù)據(jù)。本設計采用C51 進行編程（程序見 附錄 C） （ 3） PWM 電路板 由于實驗室的數(shù)字調(diào)節(jié)器不帶有 PWM 模塊，所以需要自己焊制 PWM 電 路板，電路板見圖 圖 PWM 電路板 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 29 用信號發(fā)生器模擬調(diào)節(jié)器輸出的 420mA 電流，對 PWM 電路進行了演示，具體見圖 ，圖 ，圖 圖 PWM 演示圖 1 圖 PWM 演示圖 2 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 30 圖 PWM 演示圖 3 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 31 第五章 電阻爐溫度控制系統(tǒng)的參數(shù)整定及系統(tǒng)調(diào)試 根據(jù) 前面的實驗結(jié)果，下一步應進行該系統(tǒng)的參數(shù)整定及系統(tǒng)調(diào)試。一定將各儀表對應的端子連接正確， 避免造成事故。 熱電偶將檢測得到的 毫伏信號送入 調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器把輸入信號與給定值 信號的差值進行比例、積分、微分規(guī)律運算后將控制信號送入 PWM 電路， PWM 電路控制固態(tài)繼電器的通電和斷電時間，從而控制 電阻爐的溫度，只有當 調(diào)節(jié)器的輸入信號與給定值相等時，即差值為零時，固態(tài)繼電器的通電時間 不變 ， 使電阻爐的溫度控制在給定值上，從而達到了恒溫控制的 要求。 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 32 （ 1） 比例（ P）控制規(guī)律 具有比例控制規(guī)律的調(diào)節(jié)器其輸出信號的變化量 ΔY 與偏差信號 ε 之間存在 比例關(guān)系，用微分方程形式表示為： ΔY=KPε （ 51） 式中， KP 為一個可調(diào)的比例增益。但因調(diào)節(jié)器的輸出信號與輸入信號須始終保持比例關(guān)系，所以在系統(tǒng)穩(wěn)定后，被控變量無法達到給定值，而是存在一定的殘余偏差，即殘差。直線越陡，表示積分速度越快，積分作用越強。因此，希望消除殘差和最終消除殘差是積分調(diào)節(jié) 作用的重要特征。 (3) 微分（ D）控制規(guī)律 具有微分控制規(guī)律的調(diào)節(jié)器其輸出信號的變化量 ΔY 與偏差信號 ε 的變化速度成正比，用微分方程形式表示可為： 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 34 D dyTdt??? （ 53） 式中， DT 為微分時間； ddt?為偏差信號的變化速度。 如圖 給出了應用中的實際微分控制規(guī)律： 圖 應用中的微分調(diào)節(jié)器階躍響應曲線圖 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 35 它是在階躍發(fā)生的時刻，輸出突然跳躍到一個較大的有限值，然后按指數(shù)曲線衰減直至零。 PID 參數(shù)的整定方法 在工業(yè)控制中， PID 控制器的參數(shù)與系統(tǒng)所處的穩(wěn)態(tài)工況有關(guān)。調(diào)節(jié)器的輸出作為被控對象的輸入控制量。下面 介紹幾種常用的控制器參數(shù)的工程整定 方法。出現(xiàn)臨界振蕩過程的比例度 k? 稱為臨界比例度，臨界振蕩的周期 KT 則稱臨界周期。如果這時加干擾，過渡過程與 4﹕ 1 衰減還有一定差距 ，可適當對數(shù)值做一點調(diào)整，直到過渡過程達到滿意為止。此外，這種方法只適用于二階以上的高階對象，或是一階加純滯后的對象