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浅析工业电阻炉温度控制系统

作者：王环 李福进 王森

来源：《数字技术与应用》2011年第03期

摘 要:本文研究的主要问题是实验室常用的管式电阻炉的温度控制,要实现对电阻炉的温度控制,就需了解这一被控对象的特性,因此又介绍了电阻炉温度特性测试实验的整个过程、测试方案及其处理方法。通过调节PID调节器的比例系数Kp、积分系数Ki和微分系数Kd来实现对电阻炉温度的控制。

关键词:电阻炉温度控制系统 PID调节器的参数整定 单元组合仪表 中图分类号:TH86 文献标识码:A 文章编号:1007-9416(2011)03-0009-02

尽管科学在日新月异的飞速发展,控制手段也在不断的向前进步,智能化、集成度、开放性、可靠度越来越高,目前常用的控制方式有PLC、DCS系统、现场总线控制系统、开放式控制系统等,它们的功能越来越强大、性能越来越完善,比如说控制精度、抗干扰能力、防爆性等都有了很大的提高,但是各种控制方式最基本的思想是一致的。

1、电阻炉温度控制系统 1.1 炉温控制的基本原理

本设计中采用DDZ-III型电动单元仪表组合来实现对电阻炉温度的控制,其主要控制规律是PID控制。由热电偶检测炉内实际温度后,经过热电偶温度变送器转换为4-20mA的直流电流信号送往调节器,调节器对炉温的测量值与给定值进行比较,根据偏差进行比例、积分、微分运算后,(其输出为统一标准电流信号4-20mA)其输出信号去控制执行机构的动作,执行机构的动作改变变压器的供电电压,从而实现了对电阻炉温度的控制。 1.2 各设备的工作原理及其用途

电阻炉;被控对象电阻炉是实验室所用的管式电阻炉,该种电阻炉供实验室、工矿企业、科研单位进行化学分析、物理测定、加热时使用。

变压器;变压器是改变交流电压的设备。它是由闭合铁芯和绕在铁芯上的两个线圈组成,跟电源相连的线圈叫原线圈(也叫初级线圈),另一个跟负载相连的叫副线圈(也叫次级线圈),铁芯由涂有绝缘漆的硅钢片叠合而成。互感现象是变压器工作的基础。原线圈上加交变电压,原线圈

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中就有交变电流,在铁芯中产生交变磁通量,原、副线圈中都要引起感应电动势。若副线圈是闭合的,则副线圈中就要产生交变电流,此交变电流也在铁芯中产生交变磁通量,在原、副线圈中同样要引起感应电动势。在原、副线圈中由于有交变电流而发生的互相感应现象,叫互感现象．正是由于互感现象。才使得原、副线圈虽不相连,电能却可以通过磁场从原线圈到达副线圈。

1.3 变压器在本控制系统中的作用

在控制系统中,变压器是用来给电阻炉供电的,它与角行程电动执行器相连,通过执行器手柄的转动来改变变压器的供电电压,从而实现了调节炉温的作用。 1.4 热电偶工作原理

热电偶是一种感温元件,它把温度信号转换成热电动势信号,通过电气仪表转换成被测介质的温度。热电偶测温的基本原理是两种不同成份的均质导体组成闭合回路, 当两端存在温度梯度时,回路中就会有电流通过,此时两端之间就存在电动势——热电动势,这就是所谓的塞贝克效应。

1.5 热电偶优点

热电偶是工业中常用的温度测温元件,具有如下特点:(1)测量精度高:热电偶与被测对象直接接触,不受中间介质的影响。(2)热响应时间快:热电偶对温度变化反应灵敏。(3)测量范围大:热电偶从 -40~+ 1600℃ 均可连续测温。(4)性能可靠, 机械强度好。使用寿命长,安装方便。

2、PID调节器及其参数的整定

在实际工业生产应用中,调节器是构成自动控制系统的核心仪表,它的基本功能是将来自变送器的测量信号与给定信号相比较,并对由此所产生的偏差信号进行比例、积分或微分处理后,输出调节信号控制执行器的动作以实现对不同被测或被控参数如温度、压力、流量或液位等的自动控制。

2.1 P、I、D各运算规律的作用

基本运算规律比例(P)、积分(I)和微分(D)三种,PID调节器的运算规律就是由这些基本运算规律组合而成。下面分别介绍三种基本控制规律的特点。 2.1.1 比例(P)控制规律

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具有比例控制规律的调节器其输出信号的变化量ΔY与偏差信号ε之间存在比例关系,用微分方程形式表示为: ΔY=KPε

式中,KP为一个可调的比例增益。显然,当有偏差信号存在时,调节器的输出立刻与偏差成比例地变化。这是一种最基本、最主要、应用最普遍的控制规律,它能及时和迅速地克服扰动的影响,从而使系统很快地达到稳定状态。但因调节器的输出信号与输入信号须始终保持比例关系,所以在系统稳定后,被控变量无法达到给定值,而是存在一定的残余偏差,即残差。 2.1.2 积分(I)控制规律

具有积分控制规律的调节器其输出信号的变化量ΔY与偏差信号ε的积分成正比,用微分方程形式表示可为:

式中,为积分时间;为积分速度。显然,斜率与调节器积分速度成正比的直线是积分过程的描述。直线越陡,表示积分速度越快,积分作用越强。 2.1.3 微分(D)控制规律

具有微分控制规律的调节器其输出信号的变化量ΔY与偏差信号ε的变化速度成正比,用微分方程形式表示可为:

式中,为微分时间;为偏差信号的变化速度。

在阶跃输入信号出现的瞬间,即t=t1时,偏差信号的变化为无穷大,因而理论上输出也应达到无穷大;而当t>t1时,输出信号的变化等于零。实际上,这种理想的微分作用是无法实现的,而且也不可能获得好的调节效果。它是在阶跃发生的时刻,输出突然跳跃到一个较大的有限值,然后按指数曲线衰减直至零。该跳跃跳的越高或降的越慢,表示微分作用越强。 2.2 DDZ-III型调节器PID控制规律的实现

DDZ-III型调节器PID控制规律是利用运算放大器电路先分别形成PD和PI控制规律,然后再串联形成PID控制规律的。考虑微分控制规律只有在输入信号发生变化时才起作用,而且该变化越大微分作用明显,因而运算放大电路中先进行微分调节作用,然后再进行积分作用。 2.3 PID调节器的参数整定方法