1、電阻加熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計引言在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)或科學實驗中，溫度是極為普遍又極為重要的熱工參數(shù)之不僅要不斷地測量，而且還進行控制電阻爐爐溫的控制 .根據(jù)工藝的要求不同而有所變化.1.設(shè)計的初步分析1.1 設(shè)計要求K ed s對象模型： ( ) G s，T =350s，K =50，=10sddT s1d電阻加熱爐功率 800w，220v 交流供電。控溫范圍：50350；保溫階段控制精度：1。1.2 爐溫變化過程大體上可歸納為以下幾個過程：(1)自由升溫段，即根據(jù)電阻爐自身條件對升溫速度沒有控制的自然升溫過程。恒速升溫段，即要求爐溫上升的速度按某一斜率進行。保溫段，即要求在這一過程中爐溫基本保持不變。

2、慢速降溫段，即要求爐溫下降的速度按某一斜率進行。自由降溫段。而每一段都有時間的要求，如圖 1 所示。圖 1 爐溫變化過程1.3 爐溫控制要求要求電阻爐爐內(nèi)的溫度，應(yīng)按圖 2 所示的規(guī)律變化。圖 2 爐溫控制要求從室溫 T 開始到a a 點即他 t 點00入系統(tǒng)調(diào)節(jié)。從b 點到 c點為保溫段，要始終在系統(tǒng)控制之下，以保證所需的爐內(nèi)溫度的精度加工結(jié)束，即由c點到 d 點為自然降溫段爐溫變化曲線對各項品質(zhì)指標的要求如下： 過渡過程時間：即從升溫開始到進入保溫段的時間 t 15s1 超調(diào)量：即升溫過程的溫度最大值(T 與保溫值(T 之差與保溫值之比MkT TMkTk 靜態(tài)誤差：即當溫度進入保溫段后的實

3、際溫度值與保溫值(T 之差與k保溫值之比。T TkTk溫度保溫值的變化范圍；50350,設(shè)保溫值為 120。2系統(tǒng)的組成和基本工作原理2.1 本電阻爐爐溫自動控制系統(tǒng)方塊圖如圖 3 所示。圖 3 電阻爐爐溫自動控制系統(tǒng)2.2 控制過程：計算機定時(即采樣周期)對爐溫進行測量和控制一次，爐相應(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) (增量值)，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。當設(shè)定某一溫度的電爐在正常運行時，如果由于某種原因(例如電源電壓的使爐溫發(fā)生變化(如下降的溫度信號 u 將下跌，把 u 送入計算機內(nèi)與設(shè)定值

4、u 比較，得到偏差信號 ii0u u。增加，于是經(jīng)過放大后，使可控硅控制角前移，使輸出電壓 u。增加，溫i度隨之增加，因而補償了剛才的下降，電阻爐又重新在一個新的平衡溫度下運行另外，如果供給可控硅整流裝置的電源電壓升高，則會使整流電壓u 升高，D電爐爐溫升高，鉑電阻溫度計檢測出的信號升高，使偏差信號 e 下降來促使 uD下降，補償由于電源電壓升高對爐溫的影響。3控制對象特性的測量和確定3.1 對象特性的測量為了設(shè)計出一個控制系統(tǒng)能獲得較好性能指標(如靜差、超調(diào)量，過渡過程時間、上升時間和穩(wěn)定裕量)的數(shù)字控制器，首先要了解被控制對象的特性，并要測量些什么也有所不同若采用 PID 調(diào)節(jié)規(guī)律，那就要

5、知道傳遞函數(shù)，因此就得測量對象的傳遞函數(shù)包括它的各個參數(shù)) 以利用動特性飛升曲線來識別傳遞函數(shù)具體步驟是將所測得的飛升曲線和幾數(shù)，然后再由飛升曲線中求出這一類傳遞函數(shù)所有的參數(shù)。3.2 控制對象的模型純滯后的一階對象Kes則它的傳遞函數(shù)為( )W s1它的飛升曲線如圖 5 圖 4 純滯后的一階對象的飛升曲線里只討論一階控制對象3.3 實際飛升曲線的測量否則干擾對測量結(jié)果誤差的影響就相對增加。出的飛升曲線當然它所對應(yīng)的輸入也就是這個突然附加的階躍信號。利用上述的方法測得的電阻爐爐溫的實際飛升曲線如圖 7 所示。圖 5 實際飛升曲線其傳遞函數(shù)是：KesW(s)1式中：K放大系數(shù)T對象時間常數(shù)對象滯

6、后時間。3.4 一階對象參數(shù)的求取定出一個等效的滯后時間 ，這時可在曲線斜率的轉(zhuǎn)折點即拐點)處作一切線，如圖 7 所示。該切線與時間軸的交點認為是一階的起點，即純滯后時間 ，而切線與穩(wěn)態(tài)值的交點時間應(yīng)為 T T。這樣就求出了一階對象的三個參數(shù) K、T、 。由于控制對象的傳遞函數(shù)已給出由此所得的本電阻爐的參數(shù)為：K =50dT =350sd =10s4 控制規(guī)律的選擇4.1. 控制規(guī)律的分析確定段。為避免過沖，從室溫到80額定溫度時為保溫段。在自由升溫段中，希望升溫越快越好，總是將加熱功率全開足，保溫控 P 的變化和爐溫變化之間存在一值保溫溫度相等時才停止輸出，這時由于爐溫變化的延遲性質(zhì)，爐溫并

7、不因輸謂振蕩考慮到滯后的影響，調(diào)節(jié)規(guī)律必須加入微分因數(shù)，即 PD 調(diào)節(jié)。有了 PD 調(diào)節(jié)，系統(tǒng)輸出不僅取決于溫差的大小，還取決于溫差的變化所用是相反的，因而系統(tǒng)可提前減少或停止輸出，使爐溫不至于出現(xiàn)過大的超調(diào)。度控制的精度所以保溫段控制也可以采用 PID 控制方法。根據(jù)本系統(tǒng)的設(shè)計要求選擇 PID控制方法。4.2PID算法和參數(shù)的選定在連續(xù)系統(tǒng) PID校正的控制量可表示為1et) T det)ut) Kp(et)TDI離散算法可表示為用位置算法表示)TTku(k) e(k) e(j) e(k)e(k DTTIj0T采樣周期T 微分時間DT-積分時間IK 比例系數(shù)P4.3 確定 PID控制器的各

8、參數(shù)應(yīng)用擴充階躍響應(yīng)曲線法來計算 PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)，其步驟如下：1.數(shù)字控制器不接入系統(tǒng)，將被控對象的被控制量調(diào)到給定值附近，并使其穩(wěn)定下來，然后測出對象的單位階躍響應(yīng)曲線，如圖 5 所示。2.在對象響應(yīng)的拐點處作一切線，求出純滯后時間 和時間常數(shù) Tm 以及它們的比值。3.選擇控制度。4.查下表求得 PID的參數(shù) T.、Kp、T 和T 值.ID表 1-1 擴充階躍響應(yīng)曲線法 PID參數(shù))TTTIDPI0.100.050.200.160.841.150.781.0_2,.03.61.9PID0.551.50PI0.500.340.800.600.680.850.570.603.9_2.0PI

9、D1.500.82選定了上述各參數(shù)后，即可進行軟件設(shè)計編制成控制程序。1.PID控制器傳遞函數(shù)的確定1.1PID 各參數(shù)的求取已知PID控制器（1）在連續(xù)系統(tǒng)PID校正的控制量可表示為ut) Kp(et) et) T det)1TDI（2）離散算法可表示為用位置算法表示)TTku(k) e(k) ( ) ( ) ( e j e k e kDTTj0I被控對象的傳遞函數(shù)：K ed sG(s) ，T =350s，K =50，=10sddT s1d選擇控制度為：1.05.1.2PID各參數(shù)的計算查表 1-1可得如下數(shù)據(jù)T =1.05 ; )=1.15 =2.0 ; =0.45TTID經(jīng)計算可得各參數(shù)的值為：T=0.05sKp=40.25T =20sT =4.5sDI由此可得 PID