电阻炉炉温计算机控制

1、电阻加热炉温度控制系统设计引言在工农业生产或科学实验中，温度是极为普遍又极为重要的热工参数之一.为了保证生产过程正常安全地进行，提高产品的质量和数量，以及减轻工人的劳动强度，节约能源，对加热用的各种电炉要求在一定条件下保持恒温，不能随电源电压波动或炉内物体而变化；或者有的电炉的炉温根据工艺要求按照某个 指定的升温或保温规律而变化等。因此，在工农业生产或科学试验中常常对温度 不仅要不断地测量，而且还进行控制电阻炉炉温的控制根据工艺的要求不同而有所变化.一设计说明书1.设计的初步分析1.1设计要求K s对象模型：G(s)=，Td=350s, Kd=50, t10sTdS + 1电阻加热炉功率800

2、w，220v交流供电。控温范围：50T350E ;保温阶 段控制精度：土 1C。1.2炉温变化过程大体上可归纳为以下几个过程：(1) 自由升温段，即根据电阻炉自身条件对升温速度没有控制的自然升温过程。(2) 恒速升温段，即要求炉温上升的速度按某一斜率进行。(3) 保温段，即要求在这一过程中炉温基本保持不变。(4) 慢速降温段，即要求炉温下降的速度按某一斜率进行。(5) 自由降温段。图1炉温变化过程1.3炉温控制要求要求电阻炉炉内的温度，应按图2所示的规律变化图2炉温控制要求从室温To开始到a点为自由升温段，当温度一旦到达a点(即他to点)，就进 入系统调节。从b点到c点为保温段，要始终在系统控

3、制之下，以保证所需的炉 内温度的精度加工结束，即由c点到d点为自然降温段炉温变化曲线对各项 品质指标的要求如下：过渡过程时间：即从升温开始到进入保温段的时间ti< 15s.超调量：即升温过程的温度最大值(Tm)与保温值(Tk)之差与保温值之比<10%静态误差：即当温度进入保温段后的实际温度值 (T)与保温值(Tk)之差与 保温值之比。一 2%Tk温度保温值的变化范围；50350C ,设保温值为120C2系统的组成和基本工作原理2.1本电阻炉炉温自动控制系统方块图如图3所示图3电阻炉炉温自动控制系统2.2控制过程：计算机定时(即采样周期)对炉温进行测量和控制一次，炉 内温度是由一铂电

4、阻温度计来进行测量，其信号经放大送到模数转换芯片换算成相应的数字量后，再送入计算机中进行判别和运算，得到应有的电功率数（增量值），经过数模转换芯片转换成模拟量信号，供给可控硅功率调节器进行调节， 使其达到炉温变化曲线的要求。当设定某一温度的电炉在正常运行时，如果由于某种原因（例如电源电压的波动，周围环境温度变化等）使炉温发生变化（如下降），铂电阻温度计所检测出来 的温度信号Ui将下跌，把Ui送入计算机内与设定值U0比较，得到偏差信号e= Ui -U。增加，于是经过放大后，使可控硅控制角前移，使输出电压U。增加，温度随之增加，因而补偿了刚才的下降，电阻炉又重新在一个新的平衡温度下运 行另外，如果

5、供给可控硅整流装置的电源电压升高，则会使整流电压UD升高，电炉炉温升高，铂电阻温度计检测出的信号升高，使偏差信号e下降来促使UD下降，补偿由于电源电压升高对炉温的影响。3 控制对象特性的测量和确定3.1对象特性的测量为了设计出一个控制系统能获得较好性能指标 （如静差、超调量，过渡过程 时间、上升时间和稳定裕量）的数字控制器，首先要了解被控制对象的特性，并 用以作为设计自动控制系统的依据。 根据所用的设计方法不同，对象特性究竟需 要测量些什么也有所不同若采用PID调节规律，那就要知道传递函数，因此就得测量对象的传递函数（包括它的各个参数）。对于一些常见的确定性系统，可 以利用动特性（飞升曲线）来

6、识别传递函数具体步骤是将所测得的飞升曲线和几 种标准传递函数的飞升曲线进行比较，并确定该对象应属于哪一种典型的传递函 数，然后再由飞升曲线中求出这一类传递函数所有的参数。3.2控制对象的模型纯滞后的一阶对象则它的传递函数为W（s）= Ts+1它的飞升曲线如图5所示。图4纯滞后的一阶对象的飞升曲线除了上述一种基本形式外，还有二阶控制对象，带纯滞后的二阶控制对象以及其他一些对象，由于电阻炉一般都属一阶对象和带纯滞后的一阶对象，所以这里只讨论一阶控制对象3.3实际飞升曲线的测量在实际测量对象的飞升曲线时，一般均只能在较窄的动态范围中进行。 因为 输入阶跃信号若从“零”开始常会有很大的非线性.但阶跃信

7、号也不能取得过小， 否则干扰对测量结果误差的影响就相对增加。测量的方法是：它在稳定控制信号作用下系统有一个稳定的输出，然后突然 在输入端加一幅度适宜的阶跃控制信号。 输出对应也有一个变化部分，此即为输 出的飞升曲线当然它所对应的输入也就是这个突然附加的阶跃信号。利用上述的方法测得的电阻炉炉温的实际飞升曲线如图7所示。图5实际飞升曲线其传递函数是：式中：K-放大系数T-对象时间常数-对象滞后时间。W(s)二Ke sTs 13.4 阶对象参数的求取但实测的飞升曲线起始部分有弯曲，不易找到确切的位置来定滞后时间， 这时可用一阶加纯滞后的虚线曲线来逼近， 使后面大部分重合，而起始部分则可 定出一个等效

8、的滞后时间.，这时可在曲线斜率的转折点（即拐点）处作一切线， 如图7所示。该切线与时间轴的交点认为是一阶的起点，即纯滞后时间，而切线与稳态值的交点时间应为T,加上纯滞后时间则实测为.+T。这样就求出了一 阶对象的三个参数K、T、. 0由于控制对象的传递函数已给出由此所得的本电阻炉的参数为：Kd=50Td =350s=10s4控制规律的选择4.1.控制规律的分析确定根据炉温变化曲线的要求，可将其分为三段来进行控制：自由升温段，保温 段和自然降温段。而真正需要电气控制的是前面两个阶段， 即自由升温段和保温 段。为避免过冲，从室温到80%额定温度为自由升温段，在 吃0%额定温度时为 保温段。在自由升

9、温段中，希望升温越快越好，总是将加热功率全开足，保温控 制方法有多种，如用比例控制，因炉丝所加功率P的变化和炉温变化之间存在一 段时间延迟，因此当以温差来控制输出时，即比例控制，系统只有在炉温与给定 值（保温温度）相等时才停止输出，这时由于炉温变化的延迟性质，炉温并不因输 入停止而马上停止上升，从而超过给定位。滞后时间越大，超过给定值也越大.炉 温上升到一定高度后，才开始下降并继续下降到小于给定位时，系统才重新输出。 同样由于炉温变化滞后于输出，它将继续下降，从而造成温度的上下波动，即所 谓振荡.考虑到滞后的影响，调节规律必须加入微分因数，即PD调节。有了 PD调节，系统输出不仅取决于温差的大

10、小，还取决于温差的变化.所 以当炉温从自由升温段进入保温段时， 炉温还小于给定值，但温差变化较大，由 于温差及温差的变化对系统输出都有影响， 而在升温过程中，这两项对输出的作 用是相反的，因而系统可提前减少或停止输出，使炉温不至于出现过大的超调。 同样在降温过程中也是如此，从而改善了炉温调节的动态品质。积分作用可以提高温度控制的静态精度，适当选择积分的作用，则可在不影响动态性能下提高温 度控制的精度所以保温段控制也可以采用PID控制方法。根据本系统的设计要求选择PID控制方法。4.2 PID算法和参数的选定在连续系统PID校正的控制量可表示为u(t) = Kp(e(t)占 e(t)dt Td

11、警)Tidt离散算法可表示为(用位置算法表示)t ktu(k) =Kpe(k)e(j) D【e(k)-e(k-1)Ii j =0IT-采样周期Td -微分时间Ti-积分时间Kp -比例系数4.3确定PID控制器的各参数应用扩充阶跃响应曲线法来计算 PID调节器的参数，其步骤如下：1数字控制器不接入系统，将被控对象的被控制量调到给定值附近，并使其稳定下来，然后测出对象的单位阶跃响应曲线，如图5所示。2. 在对象响应的拐点处作一切线，求出纯滞后时间.和时间常数Tm以及它们的比值Tm 03. 选择控制度。4. 查下表求得PID的参数、Kp、Ti和Td值.表1-1扩充阶跃响应曲线法PID参数控制度控制

12、规律Kp/（Tm 1）Ti/已Td/ 11.05PI0.100.843.4_PID0.051.152,.00.451.20PI0.200.783.6PID0.161.01.90.551.50PI0.500.683.9PID0.340.851.620.652.0PI0.800.574.2PID0.600.601.500.82选定了上述各参数后，即可进行软件设计编制成控制程序二.设计计算分析书1.PID控制器传递函数的确定1.1PID各参数的求取已知PID控制器(1)在连续系统PID校正的控制量可表示为U("KP(e+期dt Td)(2)离散算法可表示为(用位置算法表示)T ktu(k)

13、=Kpe(k)石、e(j) D【e(k)-e(k-1)1丨 j=oI被控对象的传递函数：K e_sG(s)= , Td=350s, Kd=50, t10sTdS + 1选择控制度为：1.05.1.2PID各参数的计算查表1-1可得如下数据T =1.05 ;Kp. (Tm )=1.15Tk=2.0 ;Td.=0.45经计算可得各参数的值为:T=0.05sKp=40.25由此可得PID传递函数离散：10.025z2 -19z 9D(z)=40.25z - z连续：22.013 181.125s40.25s 2.013D( s)=40.25+181.125s+=ssTi =20sTD =4.5s2.PID的仿真对所求得的PID传递函数进行MATLAB仿真 连接图如图6所示。仿真结果如图7所示。9120Temp_Selpowergui> PID(s)PID