【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 數(shù)相當(dāng)于一個(gè)帶有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，即通常認(rèn)為對(duì)象與一個(gè)零階保持器相 串聯(lián)。系統(tǒng)控制框圖如圖 所示。 T(c) T(c) T(x) 溫度設(shè)定值 + R（ t） 圖 系統(tǒng)控制原理圖 采用 “溫度”的表現(xiàn)，可以用純滯后一階慣性環(huán)節(jié)來描述，即 1( ) 39。 ( ) * ( ) * 11scc KeG s G s D s s?????? （ 25） 式中： Gc(s) —— 煤氣退火爐的傳遞函數(shù)； D(s) —— 比例環(huán)節(jié)取 1； K—— 比例系數(shù)； ? —— 純滯后時(shí)間； τ1—— 時(shí)間常數(shù)。 與一個(gè)零階保持器串聯(lián)時(shí)，系統(tǒng)廣義被控對(duì)象的脈沖傳遞函數(shù)為： 11/1/ 11( ) . 1.TNTeG z K z ez????? ??? ? （ 26） 含純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)的大林計(jì)算式為： 11/ 1// / 1 / 1( 1 ) ( 1 )() ( 1 ) [ 1 ( 1 ) ]T Tc T T T Ne z eDZ K e e z e z? ?? ??? ??? ? ? ? ? ?? ? ?? ? ? ? ? ? ? （ 27） 若令： 1/0 /1(1 )TTea Ke?????? ? （ 28） 111/ / ( / )1 /(1 )T T TTeea Ke? ? ??? ? ???? ? （ 29） /1 Tbe??? （ 210） /2 1 Tbe???? （ 211） D(s) Gc(s) H（ s） 89S52 單片機(jī)D(z) 溫度傳感器 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 D(z)的 簡(jiǎn)化表達(dá)式便為： 1011112() 1 Na a zDz b z b z?? ? ??? ?? （ 212） 式中： T—— 采樣周期； τ1—— 被控對(duì)象時(shí)間常數(shù)； τ—— 閉環(huán)系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)； 設(shè) K＝ 1， T＝ 1s ， τ＝ 3 ， τ1＝ 1s ， N=1。 最后求得： 1120 .6 3 2 0 .1 6 5 )D ( z ) = 1 0 .7 1 7 0 .2 8 3zzz?????? （ 213） 當(dāng) ()cUz對(duì)表達(dá)式中各項(xiàng)求 Z 變換后， 可求出混合氣流量調(diào)節(jié)器輸 出量 ()cUk的計(jì)算公式為： 1 2 0 1( ) ( 1 ) ( 1 ) ( ) ( 1 )c c c T TU k b U k b U k N a E k a E k? ? ? ? ? ? ? ? （ 214） 退火爐的溫度控制具有升溫速度快 ， 慣性大 ， 時(shí)變等特點(diǎn)。其升溫 ， 保溫是依靠其爐內(nèi)的 天然 氣空氣混合燃燒來達(dá)到工藝要求的 ， 降溫則是依靠環(huán)境自然冷卻。爐溫溫度一旦超調(diào)就無法用控制手段使其降溫 ， 因此對(duì)于各個(gè)溫度段控制的主要控制目標(biāo)就是超調(diào)量 ， 超調(diào)量的失調(diào)會(huì)導(dǎo)致爐溫控制不穩(wěn)定 ，產(chǎn)品 廢品率高 。安全隱患大 ， 所以對(duì)于此類的工業(yè)控制對(duì)象采用普通 的 PID 控制很難保證小超調(diào)或無超調(diào) ， 系統(tǒng)的振蕩會(huì)嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量 。 通過方案比較，本設(shè)計(jì)采用方案二的大林控制算法進(jìn)行控制。因?yàn)榇罅炙惴ㄊ蔷哂?專門針對(duì)大滯后系統(tǒng)設(shè)計(jì)的算法 ， 是運(yùn)用于自動(dòng)控制領(lǐng)域中的一種算法，是一種先設(shè)計(jì)好閉環(huán)系統(tǒng)的響應(yīng)再反過來綜合調(diào)節(jié)器的方法。設(shè)計(jì)的 數(shù)字控制器（算法）使閉環(huán)系統(tǒng)的特性為具有時(shí)間滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，且滯后時(shí)間與被控對(duì)象的滯后時(shí)間相同。此算法具有消除余差、對(duì)純滯后有補(bǔ)償作用等 特點(diǎn) ，能夠達(dá)到良好控制效果。因此，本設(shè)計(jì)選擇方案二。 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 第 3章 硬件 電路設(shè)計(jì) 溫度傳感器的選擇 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是對(duì)溫度進(jìn)行檢測(cè)，而溫度檢測(cè)傳感器元件有多種選擇，常用的有熱電偶、熱電阻以及其他溫度傳感器。由于熱電偶可以將被測(cè)溫度直接轉(zhuǎn)換成電勢(shì)信號(hào)，便于遠(yuǎn)傳、自動(dòng)記錄和實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，在工業(yè)中應(yīng)用極為廣泛。所以，本系統(tǒng)采用熱電偶傳感器為溫度檢測(cè)元件。 本文設(shè)計(jì)要求的溫度檢測(cè)范圍在 0~+1000℃ 。由于所測(cè)的溫度范圍不同，所選用的熱電偶材料及型號(hào)也不盡相同，目前的熱電偶傳感器有：鉑銠 10— 鉑熱電偶，其可在 1100℃以下范圍長(zhǎng) 期工作，符號(hào) S；鎳鉻 — 鎳鋁（硅）熱電偶，測(cè)量范圍在 40~+1200℃，符號(hào) K 型；此外還有鉑銠 13— 鉑熱電偶（ R 型），鎳鉻硅 —鎳硅熱電偶（ N 型），測(cè)溫范圍為 0~+1300℃，等等。 本系統(tǒng)采用 N 型熱電偶為溫度檢測(cè)元件， N 型熱電偶為廉價(jià)金屬熱電偶，是一種最新的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化的熱電偶，測(cè)溫范圍為 0~+1300℃，允差等級(jí) A，而且 N型熱電偶具有線性度好，熱電動(dòng)勢(shì)較大，靈敏度較高，穩(wěn)定性和均勻性較好，抗氧化性能強(qiáng)，價(jià)格便宜，不受短程有序化影響等優(yōu)點(diǎn)，滿足控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。 工作原理： N 型熱電偶的電極由兩根不同導(dǎo)體材質(zhì)組 成。當(dāng)測(cè)量端與參比端存在溫差時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)，工作儀表便顯示出熱電勢(shì)所對(duì)應(yīng)的溫度值。 N 型熱電偶主要技術(shù)參數(shù)：測(cè)量范圍 (℃ ) 01300；允差等級(jí) A；分度號(hào) N；外形尺寸 (mm)不限；熱響應(yīng)時(shí)間 (s)90；聯(lián)接型式多種可選擇。 WRM130 型 N 型鎳鉻硅 — 鎳硅熱電偶傳感器實(shí)物圖如圖 所示。 圖 WRM130型 N型鎳鉻硅 — 鎳硅熱電偶傳感器 實(shí)物圖 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 在冷端采取一定措施，補(bǔ)償由于冷端溫度變化造成的影響稱為熱電偶的冷端補(bǔ)償。由熱電偶的工作原理可知，熱電偶電動(dòng)勢(shì)的大小不僅與測(cè)量端的溫度有關(guān)，而且與 冷端的溫度有關(guān)，是測(cè)量端溫度 t 和冷端溫度 t0 的函數(shù)差。 為保證輸出熱電勢(shì)是被測(cè)溫度的單值函數(shù)，必須使冷端溫度保持恒定；熱電偶分度表給出的熱電勢(shì)是以冷端溫度 0℃ 為依據(jù)，否則會(huì)產(chǎn)生誤差。因此，常采用一些措施來消除冷鍛溫度變化所產(chǎn)生的影響，如冷端恒溫法、冷端溫度校正法、補(bǔ)償導(dǎo)線法、補(bǔ)償電橋法。 本設(shè)計(jì)采用電橋冷端補(bǔ)償法進(jìn)行冷端補(bǔ)償。 熱電偶 測(cè)量溫度時(shí)要求其冷端（測(cè)量端為熱端，通過引線與測(cè)量電路連接的端稱為冷端）的溫度保持不變，其熱電勢(shì)大小 與測(cè)量溫度呈一定的比例關(guān)系。若測(cè)量時(shí)，冷端的（環(huán)境）溫度變化，將影響嚴(yán)重測(cè)量的準(zhǔn)確性。所以，本設(shè)計(jì)需要進(jìn)行冷端補(bǔ)償。補(bǔ)償電橋現(xiàn)已標(biāo)準(zhǔn)化。不平衡電橋（即補(bǔ)償電橋）是由電阻 R R R3 和 RCu 組成。其中 R1=R2=R3=1 ；Rs 是用溫度系數(shù)很小的錳銅絲繞制而成的； RCu 是有溫度系數(shù)較大的銅線繞制而成的補(bǔ)償電阻， 0℃時(shí)， RCu=1 ； Rs=2。此橋串聯(lián)在熱電偶測(cè)量回路中，熱電偶冷端與電阻 RCu 感受相同的溫度，在某一溫度下（通常取 0℃）調(diào)整電橋平衡，使 R1=R2=R3=RCu。當(dāng)冷端溫度變化時(shí)， RCu 隨溫度改 變，破壞了電橋平衡，產(chǎn)生一不平衡電壓△ U，此電壓則與熱電勢(shì)相疊加，一起送入測(cè)量?jī)x表。適當(dāng)選擇Rs 的數(shù)值，可是電橋產(chǎn)生的不平衡電壓△ U在一定溫度范圍內(nèi)基本上能補(bǔ)償由于冷端溫度變化而引起的熱電勢(shì)變化值。這樣，當(dāng)冷端溫度有一定變化時(shí)，儀表仍然可給出正確的溫度示值。冷端補(bǔ)償電路如圖 所示。 圖 熱電偶冷端補(bǔ)償電路 1 2 3 4 5 6 7 8ABCD87654321DCBAT i t l eN u m b e r R e v i s i o nS i z eA3D a t e : 2 1 J u n 2 0 1 3 S h e e t o f F i l e : C : \ U s e r s \ A dm i n i s t ra t or \ D e s k t o p \ 2 1 完成電路 副本 . D D BD ra w n B y :Rs2KR5 1KR c u 1K R7 1KR6 1K+ 5 VR 1 01KR31KR41KDE 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 氣體流量傳感器的選擇 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)需要對(duì)燃?xì)夂涂諝膺M(jìn)行配比，保證理想比例，所以需要對(duì)氣體流量進(jìn)行檢測(cè)來達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控。 熱式氣體 流量計(jì) 采用熱擴(kuò)散原理，熱擴(kuò)散技術(shù)是一種在苛刻條件下性能優(yōu)良、可靠性高的技術(shù)。其典型傳感元件包括兩個(gè)熱電阻（鉑 RTD），一個(gè)是 速度傳感器 ，一個(gè)是自動(dòng)補(bǔ)償氣體溫度變化的 溫度傳感器 。當(dāng)兩個(gè) RTD 被置于介質(zhì)中時(shí)，其中速度 傳感器 被加熱到環(huán)境溫度以上的一個(gè)恒定的溫度， 另一個(gè)溫度傳感器用于感應(yīng)介質(zhì)溫度。流經(jīng)速度傳感器的 氣體 質(zhì)量流量是通過傳感元件的熱傳遞量來計(jì)算的。氣體流速增加，介質(zhì)帶走的熱量增多。使傳感器溫度隨之降低。為了保持溫度的恒定，則必須增加通過傳感器的工作電流，此增加的部分電流大小與介質(zhì)的流速成正比。 QZL 系列熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)既可進(jìn)行氣體流量計(jì)量工作 ,也可用于過程控制領(lǐng)域。它引進(jìn)美國(guó)先進(jìn)技術(shù)生產(chǎn)，無須 溫壓補(bǔ)償，直接測(cè)出流體的質(zhì)量流量。它的突出特點(diǎn)是：沒有可動(dòng)部件；壓力損失?。涣砍瘫葘?；精度高；可靠性高；安裝簡(jiǎn)單，操作方便?？梢栽谒蓄I(lǐng)域全面替代孔板和差壓式流量計(jì)。 特別是計(jì)量精確，不受壓力及環(huán)境溫度變化的影響，屬更新?lián)Q代產(chǎn)品。 技術(shù)參數(shù) ： ●測(cè)量范圍：（ ～ 80） Nm/s（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)為 20℃ ， ） ●溫度范圍：環(huán)境溫度： 40℃ ～ +60℃ 介質(zhì)溫度： 10℃ ～ +200℃ ●準(zhǔn) 確 度： 177。1%的讀數(shù) ； 177。%滿量程 ●重 復(fù) 性： 177。%的滿量程 ●輸 出：瞬時(shí)流量 420mA DC； 最大負(fù)載 600Ω， RS232， RS485 ●機(jī)械連接： 3/4 NPT 不銹鋼 緊固件 ●探桿長(zhǎng)度： 800mm ●探桿直徑： 18mm ●工作壓力： ●現(xiàn)場(chǎng)顯示：上排為瞬時(shí)流量每行 4 個(gè)字符，下排為累積流量每行 8 個(gè)字符 ●數(shù)據(jù)保護(hù) ： 累計(jì)量保存在 EEROM 內(nèi) ●傳感器及管線表體材料 ： 316L ●防護(hù)等級(jí)： IP65 ●變送單元：選擇防爆封裝。 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 QZL系列熱式氣體質(zhì)量流量計(jì) 如圖 。 圖 QZL系列熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)實(shí)物圖 控制閥門的選擇 本次設(shè)計(jì)的溫度控制是通過單片機(jī)處理后，經(jīng)過 D/A 轉(zhuǎn)換后輸出的信號(hào)控制閥門開度來控制天燃?xì)夂涂諝獾牧髁浚瑥亩鴮?shí)現(xiàn)對(duì)退火爐溫度的控制。檢測(cè)來的信號(hào)經(jīng)過單片機(jī) D/A 轉(zhuǎn)換輸出 0~10V 電壓，所以，需要選擇線性閥門，而且接收范圍也是 0~10V 電壓。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的接收信號(hào)為 0~10V 或 4~20mA，故本設(shè)計(jì)選擇電動(dòng)調(diào)節(jié)閥。 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥是工業(yè)自動(dòng)化過程控制中的重要執(zhí)行單元儀表。通過接收工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的信號(hào)（如： 4~20mA）來驅(qū)動(dòng) 閥門 改變閥芯和閥座之間的截面積大小控制管道介質(zhì)的流量、溫度、壓力等工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化調(diào)節(jié)功能。 電動(dòng)調(diào)節(jié)閥一般包括驅(qū)動(dòng)器，接受驅(qū)動(dòng)器信號(hào)（ 0~10V 或 4~20mA）來 控制閥 門進(jìn)行調(diào)節(jié)，也可根據(jù)控制需要，組成智能化網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，優(yōu) 化控制實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。 技術(shù)參數(shù)： 電源電壓： AC220V ； 50Hz 作用模式：電開式（ K）型、電閉式（ B）型 流量特性：直線、等百分比 允許泄漏量（ L/h）硬密封：≤ 104閥的額定容量；軟密封： VI 級(jí) 適用介質(zhì)：水蒸汽油品類氣液體 工作溫度范圍： 30~+250℃ 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 ZDLW電子式電動(dòng)調(diào)節(jié)閥 如圖 。 圖 ZDLW電子式電動(dòng)調(diào)節(jié)閥實(shí)物圖 A/D 轉(zhuǎn)換器的選擇 A/D 轉(zhuǎn)換器采用 A/D 轉(zhuǎn)換芯片，其中 A/D 轉(zhuǎn)換器用于實(shí)現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，單電源供電。本設(shè)計(jì)中，要求精度達(dá)到 1%，則選用分 辨率為 12 位的芯片可以滿足精度要求，故本設(shè)計(jì)選用 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換器 AD574。 AD574A 是美國(guó)模擬數(shù)字公司（ Analog）推出的單片高速 12 位逐次比較型A/D 轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置雙極性電路構(gòu)成的混合集成轉(zhuǎn)換顯片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特點(diǎn)，并且具有自動(dòng)校零和自動(dòng)極性轉(zhuǎn)換功能，只需外接少量的阻容件即可構(gòu)成一個(gè)完整的 A/D 轉(zhuǎn)換器，其主要功能特性如下： 分辨率： 12 位