1、一、摘 要溫度是工業(yè)對(duì)象中主要的被控參數(shù)之一。特別是在冶金、化工、機(jī)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(dòng)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(bǔ)償算法。為了保證生產(chǎn)過(guò)程正常安全地進(jìn)行，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量，以及減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約能源，對(duì)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(dòng)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(gè)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(shí)驗(yàn)中常常對(duì)溫度不僅要不斷地測(cè)

2、量，而且要進(jìn)行控制。二、總體方案設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)任務(wù)用一臺(tái)計(jì)算機(jī)及相應(yīng)的部件組成電阻爐爐溫的自動(dòng)控制系統(tǒng)，并使系統(tǒng)達(dá)到工藝要求的性能指標(biāo)。1、設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求電阻加熱爐用于合 金鋼產(chǎn)品熱力特性實(shí)驗(yàn)，電加熱爐用電爐絲提供功率，使其在預(yù)定的時(shí)間內(nèi)將爐內(nèi)溫度穩(wěn)定到給定的溫度值。在本控制對(duì)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(jìn)行控制。系統(tǒng)模型：2、工藝要求按照規(guī)定的曲線進(jìn)行升溫和降溫，溫度控制范圍為50350，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(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)基本功能微機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)：正常工況下，系統(tǒng)投入自動(dòng)。模擬手動(dòng)操作：當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生異常，投入手動(dòng)控制。微

3、機(jī)監(jiān)控功能：顯示當(dāng)前被控量的設(shè)定值、實(shí)際值，控制量的輸出值，參數(shù)報(bào)警時(shí)有燈光報(bào)警。4、對(duì)象分析在本設(shè)計(jì)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(kāi)始到50為自由升溫階段，當(dāng)溫度一旦到達(dá)50，就進(jìn)入系統(tǒng)調(diào)節(jié)，當(dāng)溫度到達(dá)350時(shí)進(jìn)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(jìn)行降溫控制。保溫段的時(shí)間為6001800s。過(guò)渡過(guò)程時(shí)間：即從開(kāi)始控制到進(jìn)入保溫階段的時(shí)間要小于600s。在保溫段當(dāng)溫度高于352或低于348時(shí)要報(bào)警，在升溫和降溫階段也要進(jìn)行控制，使?fàn)t內(nèi)溫度按照曲線的斜率升或降。采用MCS51單片機(jī)作為控制器，ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片為模擬量輸入，D

4、AC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片為模擬量輸出，鉑電阻為溫度檢測(cè)元件，運(yùn)算放大器和可控硅作為功率放大，電阻爐為被控對(duì)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(guò)程中的溫度和輸出值。5、系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)定時(shí)對(duì)爐溫進(jìn)行測(cè)量和控制一次，爐內(nèi)溫度是由一鉑電阻溫度計(jì)來(lái)進(jìn)行測(cè)量，其信號(hào)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(jì)算機(jī)中進(jìn)行判別和運(yùn)算，得到應(yīng)有的電功率數(shù)，經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成模擬量信號(hào)，供給可控硅功率調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其達(dá)到爐溫變化曲線的要求。三、硬件的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)1、計(jì)算機(jī)機(jī)型：MCS51 8031（不包含ROM、EPROM）系統(tǒng)總線：PC總線2、設(shè)計(jì)輸入輸

5、出通道輸入通道：因?yàn)樗氐膶?shí)際溫度在50 350左右，即（35050）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(shí)現(xiàn)。（通過(guò)調(diào)整放大器的零點(diǎn)來(lái)實(shí)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(kāi)關(guān)以及微型計(jì)算機(jī)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(kāi)關(guān)由地址鎖存器和譯碼器控制，可以在8個(gè)通道中任意訪問(wèn)一個(gè)通道的模擬信號(hào)。輸出通道：據(jù)其實(shí)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?yàn)橐话憧刂葡到y(tǒng)對(duì)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

6、D/A轉(zhuǎn)換器，與微處理器完全兼容。期間采用先進(jìn)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(yùn)算放大器，Rf為為運(yùn)算放大器的反饋電阻端。3、設(shè)計(jì)支持計(jì)算機(jī)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(diǎn):占用機(jī)時(shí)少,顯示可靠.但元件多,線路復(fù)雜、成本高，功耗大。報(bào)警電路設(shè)計(jì)：正常運(yùn)行時(shí)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(jìn)行報(bào)警。報(bào)警時(shí)報(bào)警燈亮，電笛響，同時(shí)發(fā)送中斷信號(hào)至CPU進(jìn)行處理。4、元器件的選擇傳感器的選

7、擇：鉑銠10鉑熱電偶，S型，正極性，量程01300C，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(lái)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(duì)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(shí)現(xiàn)移相觸發(fā)。變送器的選擇：因?yàn)橄到y(tǒng)要求有偏置，又需要對(duì)熱電偶進(jìn)行冷端補(bǔ)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(jìn)行控制，其功能相當(dāng)于兩個(gè)單向可控硅反向連接，具有雙向?qū)üδ?，其通斷狀態(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)?。?章 數(shù)字控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4.1 系統(tǒng)控制參數(shù)確定 4.1.1 被

8、控參數(shù)選擇單回路控制系統(tǒng)選擇被控參數(shù)時(shí)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(duì)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(guò)程的輸入變量有兩類：控制變量和擾動(dòng)變量。其中，干擾時(shí)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(yùn)行的因素。而控制參數(shù)選擇的基本原則為： 選擇對(duì)所選定的被控變量影響較大的輸入變量作為控制參數(shù)； 在以上前提下，選擇變化范圍

9、較大的輸入變量作為控制參數(shù)，以便易于控制； 在的基礎(chǔ)上選擇對(duì)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(jì)對(duì)溫度的控制算法, 采用技術(shù)成熟的PID 算法, 對(duì)于時(shí)間常數(shù)比較大的系統(tǒng)來(lái)說(shuō), 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(jiǎn)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(duì)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

10、相當(dāng)于能自動(dòng)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(jìn)一步改進(jìn)調(diào)節(jié)器的方法是通過(guò)檢測(cè)信號(hào)的變化率來(lái)預(yù)報(bào)誤差, 并對(duì)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(shí)加快了系統(tǒng)的穩(wěn)定速度,縮短調(diào)整時(shí)間, 從而改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能, 其控制規(guī)律的微分方程為:傳遞函數(shù)為：用PID 控制算法實(shí)現(xiàn)加熱爐溫度控制是這樣一個(gè)反饋過(guò)程: 比較實(shí)際物料出口溫度和設(shè)定溫度得到偏差, 通過(guò)對(duì)偏差的處理獲得控制信號(hào), 再去調(diào)節(jié)加熱爐的燃料流

11、量, 從而實(shí)現(xiàn)對(duì)爐溫的控制, 由于加熱爐一般都是下一階段對(duì)象和帶純滯后的一階對(duì)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(shí)際經(jīng)驗(yàn)。4.3 控制算法電阻加熱爐溫度控制系統(tǒng)框圖：整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)可用一個(gè)帶純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)來(lái)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(jì)目標(biāo)是設(shè)計(jì)一個(gè)合適的數(shù)字控制器，使整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(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)， 相對(duì)應(yīng)的整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)是：4.4 計(jì)算過(guò)程：連同零階保持器在內(nèi)的系統(tǒng)廣義被控對(duì)象的傳遞函數(shù) 系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù) 數(shù)字

12、控制器：消除振鈴現(xiàn)象后的數(shù)字控制器：將上式離散化：U（Z）U（Z）Z1=1.279E（Z）1.226E（Z）Z1 U（K）U（K1）=1.279E（K）1.226E（K1）最終得：U（K）=U（K1）+1.279E（K）1.226E（K1）第5章 控制儀表的選型和配置 5.1 檢測(cè)元件溫度的測(cè)量方式有接觸式測(cè)溫和非接觸式測(cè)溫兩大類。本系統(tǒng)選擇接觸式測(cè)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(cè)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(hào)變送，故選擇溫度變送器。其中較為常用的有模

13、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(cè)元件的熱電偶相配合，將溫度信號(hào)線性的轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。變送器構(gòu)成方框圖如圖5-2所示。圖5-2 電動(dòng)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(jì)選用放入是KBW1131型熱電偶溫度變送器。 1.主要技術(shù)參數(shù)：名稱性能輸入信號(hào)最小量程3mV，最大量程量程3mV)工作條件環(huán)境溫度：540相對(duì)濕度：10%75%供電電源：24V2.4VDC功率2W 表5.1 熱電偶溫度變送器參數(shù)表 2.工作原理：KBW1131型

14、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(hào)隔離模塊組成，見(jiàn)圖5-3所示。GF750隔離模塊WS溫度轉(zhuǎn)換模塊+輸出/熱電偶-+-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(shí)現(xiàn)PID算法的控制儀表的主要類型大致分為電動(dòng)或氣動(dòng)，電動(dòng)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(dòng)II型、III型。在串級(jí)控制系統(tǒng)中，選用的儀表不同，具體的實(shí)施方案也不同。電動(dòng)III型和電動(dòng)II型儀表就其功能來(lái)說(shuō)基本相同，但是其控制信號(hào)不相同，控制II型典型信號(hào)為，而電動(dòng)III型儀表的典型信號(hào)

15、為，此外。III型儀表較II型儀表操作、維護(hù)更為方便、簡(jiǎn)捷，同時(shí)III型儀表還具有完善的跟蹤、保持電路，使得手動(dòng)切換非常方便，隨時(shí)都可以進(jìn)行切換，且保證無(wú)擾動(dòng)。所以在本設(shè)計(jì)中選用電動(dòng)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(dòng)III型調(diào)節(jié)器構(gòu)成方框圖作用方式選擇：對(duì)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(gè)環(huán)節(jié)的情況來(lái)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(hào)及整個(gè)控制回路開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)的符號(hào)為“負(fù)”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(hào)為“正”，所以調(diào)節(jié)器應(yīng)選“負(fù)”作用即反作用。 5.3.2 調(diào)節(jié)器配置 1.

16、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)名稱性能輸入信號(hào)15V直流電壓外給定信號(hào)420mA直流電流（輸入電阻250）輸出信號(hào)420mA直流電流負(fù)載電阻250750輸入與給定指示0100%，指示誤差為1.0%輸出信號(hào)指示0100%，指示誤差為2.5%整定參數(shù)（F=1情況下）比例帶Xp=2500%連續(xù)可調(diào)，最大值刻度誤差2.5%；積分時(shí)間Ti有兩檔0.012.5分與0.125分。分別連續(xù)可調(diào)，最大值與最小值刻度誤差為%；微分時(shí)間Td=0.0410分，連續(xù)可調(diào)，最大刻度誤差為%干擾系數(shù)F積分增益KdKd10閉環(huán)跟蹤誤差

17、 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(jī)構(gòu)，是按照調(diào)節(jié)器所給定的信號(hào)大小和方向，改變閥的開(kāi)度，以實(shí)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(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。其中執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括氣動(dòng)、電動(dòng)和液動(dòng)三大類，而液動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)使用甚少，同時(shí)氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)中使用最廣泛的是氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)，因此執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇主要是指對(duì)氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)和電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇，由于氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)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(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)并配上電/氣閥門定位器。調(diào)節(jié)閥的開(kāi)

18、、關(guān)形式需要考慮到以下幾種因素： 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(wú)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； 保證產(chǎn)品質(zhì)量：當(dāng)發(fā)生控制閥處于無(wú)源狀態(tài)而恢復(fù)到初始位置時(shí)，產(chǎn)品的質(zhì)量不應(yīng)降低； 盡可能的降低原料、產(chǎn)品、動(dòng)力損耗； 從介質(zhì)的特點(diǎn)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(kāi)閥：執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用正作用方式，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)正裝以實(shí)現(xiàn)氣開(kāi)的氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)蝶閥。執(zhí)行器由電/氣閥門定位器和氣動(dòng)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(dòng)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(shí)際生產(chǎn)中常用的調(diào)節(jié)閥有線性特性、對(duì)數(shù)特性、拋物線特性和快開(kāi)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(guò)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(gè)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)表名稱性能輸入信號(hào)4-20mADC輸出信號(hào)0-0.14MPa圖5-8 ZPD-01端子圖3. 薄膜氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥ZMB