北华大学过程控制实习——温度控制

1、北华大学电气信息工程学院过程控制系统课程实习报告班 级： 测 控 XX-X 学 号： XX 姓 名： X X X 专 业 名 称： 测控技术与仪器 指 导 教 师： 宋文蕾 孟祥 目 录1实习目的及任务11.1实习目的11.2实习任务12 系统简介及工艺流程12.1系统简介12.2双向ZK-03可控硅22.3三相电阻炉（采用角接）32.4 K型热电偶52.5 SWPD80数显表62.6XZMA-200智能数字显示调节仪82.7工艺流程图93静态特性及动态特性103.1 静态特性及动态特性定义103.2控制步骤103.3积分饱和问题114参数整定及投运124.1 PID参数整定124.2系统的投

2、运13实 习 心 得14参 考 文 献15教师评语16北华大学电气信息工程学院 过程控制系统课程实习报告1实习目的及任务1.1实习目的在现代工业生产过程中，随着生产规模的不断扩大、生产过程的强化、对产品质量的严格要求以及各公司之间的激烈竞争，人工操作与控制已远远不能满足现代化生产的要求。过程控制系统已成为工业生产中必不可少的装备，为保证现代企业安全、优质、低消耗和高效益生产提供了有效的技术手段。生产实习是学生在学完了基础课之后，在学习专业课期间或在学完了专业课之后而进行的生产认识教学环节通过生产实习，学生初步了解相关实习厂的实际生产过程，包括生产原材料、生产工艺及流程、生产工艺条件、生产设备及

3、控制、产品等;加深对专业理论和生产工艺原理及过程的理解，增加感性认识，并学习简单的生产技能；通过同老师与同学的共同探索和交流，增加对实践的了解，并提早适应社会。1.2实习任务本次实习任务是利用ZWK智能温控仪和热处理温控柜实现对温度的控制，要求在室温下开始加热到200摄氏度，分别记录观察温度动态响应过程以及静态响应过程的输出曲线，并计算相应的放大倍数、延迟时间，对动态响应要进行PID参数整定。2 系统简介及工艺流程2.1系统简介电阻炉温度控制系统是以电阻炉内温度为被控对象，以PID自整定控制仪为调节器，可控硅三相调功器及可控制硅为执行器，热电偶及温度变送器为测量变送器组成的单回路控制系统。其中

4、热电偶及温度变送器组成了系统中的反馈环节。整个系统采用数字PID控制器对电阻炉温度进行控制，通过实验利用4:1衰减曲线法来调节比例度、积分时间及微分时间，实现无偏差控制。由于单回路控制系统结构简单，控制迅速，对于控制精度要求不是太高的电阻炉温度控制完全可以达到高速高效的控制效果，其安全性也能很好的满足，故电阻炉温控系统采用单回路控制。其系统框图为：图1 单回路控制系统框图2.2双向ZK-03可控硅2.2.1工作原理图 2 双向可控硅原理图双向可控硅属于NPNPN五层器件，三个电极分别是T1、T2、G。因该器件可以双向导通，故除门极G以外的两个电极统称为主端子，用T1、T2。表示，不再划分成阳极

5、或阴极。其特点是，当G极和T2极相对于T1，的电压均为正时，T2是阳极，T1是阴极。反之，当G极和T2极相对于T1的电压均为负时，T1变成阳极，T2为阴极。双向可控硅由于正、反向特性曲线具有对称性，所以它可在任何一个方向导通。2.2.2相关技术参数表1.双向可控硅相关参数IT(AV)通态平均电流VRRM反向反复峰值电压IDRM断态重复峰值电ITSM通态周波不反复浪涌电流VIN通态峰值电压IGT门极触发电流VGT门极触发电压IH维持电流Dv/dt断态电压临界上升率Di/dt通态电流临界上升率Rthjc结壳热阻VISO模块绝缘电压Tjm额定结温VDRM断态重复峰值电压IRRM反向重复峰值电流IF(

6、AV)正向平均电流2.3三相电阻炉（采用角接）2.3.1定义及工作原理电阻炉是利用电流使炉内电热元件或加热介质发热，从而对工件或物料加热的工业炉。电阻炉在机械工业中用于金属锻压前加热、金属热处理加热、钎焊、粉末冶金烧结、玻璃陶瓷焙烧和退火、低熔点金属熔化、砂型和油漆膜层的干燥等。电阻炉的工作原理是利用电的热效应，以电为最基础能源，通过电热元件将电能转化为热能，在炉内对金属进行加热。电阻炉和火焰比，热效率高，可达5080，热工制度容易控制，劳动条件好，炉体寿命长，适用于要求较严的工件的加热，但耗电费用高。2）安装需注意： 安装前首先按基础图检查地基是否符合要求。 检查炉子附件是否齐全，运输过程有

7、否损坏，炉衬有无开裂和塌陷，电热元件有否拆断和脱离搁砖现象。 电阻炉烘干前，应用万用表测量电热元件与炉壳间的电阻，不允许有短路现象。烘干后，应用500V兆欧表测量冷态绝缘电阻值不小于0.5兆欧。 电阻炉的工作电压超过36V时，应有良好的接地装置。炉壳外裸露的带电部分和传动装置，应加保护罩壳。为保证操作安全可靠，要设置必要的保护措施，如过流继电器、压力继电器和自动断路开关等。 电控、温控柜应安置在炉子一侧，不能距炉子太远。控制柜后门距墙壁要大于600mm，元件板支架要用地脚螺栓固定。各种管路要按规定涂上不同颜色，以示区别。 易燃或有爆炸危险的气源，应放在专用的安全隔离房间。并式电阻炉一般安装在地

8、坑中，炉盖标高在地面上500mm左右。炉子主回路电缆和热电偶补偿导线应敷设在地沟中，上面覆盖板。3）角接法：角形接法连接是把三相绕组的首端和尾端依次相连。接法如下图所示。 三角形接法，有助于提高电机功率，缺点，启动电流大，绕组承受电压（380V)大，对电阻丝的绝缘要求更高。图3 角接法2.4 K型热电偶2.4.1工作原理图 4 热电偶原理图热电偶是目前应用广泛、简单的温度传感器，也是有源热电传感器的主要类型，他在很多方面具备了一种理想温度传感器的条件。热电偶测温时基于热电效应。在两种不同的导体（或半导体）A和B组成的闭合回路中，如果他们两个结点的温度不同，则回路中产生以个电动势，通常称这种电动

9、势为热电动势，这就是热电效应。K（镍铬-镍硅）型热电偶和其它型号热电偶的工作原理相同，如图所示，K型热电偶是以镍铬合金为正极，镍硅合金为负极的两导体的一端焊接而成的。这两根导体的焊接端称为K型的热电极，其焊接端为热端，非焊接端为冷端。在进行温度测量时，将热端插入被测的物体介质中，使其热端感受到被测介质的温度，其冷端置于恒定的温度下，并用连接导线连接电气测量仪表。由于两端所处的温度不同，在回路中就会产生热电势，在保持冷端温度不变的情况下，产生的热电势只随其热端温度而变化，因此，用电气测量仪表测得热电势的数值后，便可求出对应的温度数值。2.4.2使用场合及使用要点可测量01300的介质温度，适宜在

10、氧化性及惰性气体中连续使用，短期使用温度为1200，长期使用温度为1000，其热电势与温度的关系近似线性，价格便宜，是目前用量最大的热电偶。型热电偶是抗氧化性较强的贱金属热电偶，不适宜在真空、含硫、含碳气氛及氧化还原交替的气氛下裸丝使用；当氧分压较低时，镍铬极中的铬将择优氧化，使热电势发生很大变化，但金属气体对其影响较小，因此，多采用金属制保护管。使用要点： 热电偶导体及套管的传热可能引起测温误差。为了减少此种影响，应注意热电偶在被测介质中插入深度。 与热电偶相配的仪表必须是高输入阻抗的，保证不从热电偶取电流，否则测出的是端电压而不是电动势。最好用直流电位计，或由场效应管、运算放大器等元件构成

11、的电路与热电偶相配合。 应注意寄生电动势引起的误差。因为热电动势很小，如果导线、接线端子、切换开关等金属材料不同而有接触电动势，或由于温度分布不均而又温差电动势。都会对测量结果有影响。2.5 SWPD80数显表2.5.1 SWPD80数显表功能及时性；自动报警系统；在局部区域出现异常情况，可自动关闭相关阀门，防止事故发生；提高统计数据的准确性；系统维护量小；各项参数一目了然；后方作为数据服务器的计算机通过无线方式接收数据后，不但本机可以显示、进行数据处理和报表打印，而且可通过网络达到数据共享。双重记录功能。无纸记录仪和后方计算机同时记录，互为冗余，可较好的防止数据丢失，即使计算机中的数据由于各

12、种原因丢失，可方便的从记录仪中取回历史数据。 本系统现场部分采用无纸记录仪，集采集、控制、记录、显示于一体，结构简单，功能强大。2.5.2 SWPD80数显表使用方法运行前首先进行仪表系数的设定，确定流量计接线无误、接地良好后方可使用。定期对流量计管道进行清洗、检查和复校。设有润滑油或清洗液注入口的流量计，应按说明书的要求定期注入润滑油或清洗液，以维护叶轮良好运行。监查显示仪表状况，评估显示仪表读数，有异常要及时检查。过滤器清洁，不能被杂质堵塞，可以从其入口、出口处压力表读数差的增大来判断出，出现堵塞及时排除，否则，会严重降低流量。2.5.3相关技术参数表2.数字显示仪表相关参数输入种类量程测

13、量量程精度DVC020mV-9999199990.2%0100mV-9999199990.2%05V-9999199990.2%15V-9999199990.2%DCI0100mA-9999199990.2%420mA-9999199990.2%TCS-50.0100.03.7100.01768.02B01820.02K-50.01372.02E-50.01000.02J-50.01200.02T-199.90320.002Wer3-250.02300.05RTDPt100200.0850.01Cu50-50.00150.001电阻0350-999919999频率010KHZ01999912.

14、6XZMA-200智能数字显示调节仪其采用最新型的专用芯片制成、齐全的输出和调节规律供选择、具有掉电保护功能、精度等级±0.3%FS±1dig、具有全输入功能，使仪表能起到一表多用、线性输入时量程可随意迁移、显示清晰直观、可靠而实用的仪表安装结构。产品特点采用先进的SMT表面贴装技术采用先进的开关电源，使仪表更显轻巧。具有全输入功能，不但使仪表具备一表多用，具增加仪表的可塑性。具有掉电保护功能。精度为5%FS±1ding.二组断电器输出灵活使用，可用于报警，也可用于调节。线性输入时量程可随意迁移。具有极高的性能价格比。显法清晰直观。可靠而实用的仪表安装结构。分辨力

15、为14bit.具有传感器误差修正功能。输入形式热电偶B:01800 S:01600 K:01300 E:0800 T:0300 J:0800 Wu-Re3-25 02000热电阻:Pt100：-100200 -200600 Cu50：0150线性输入mV输入：0100mV.DC; 050mV.DC; 0100mV.DC;电压输入:05V.DC; 15V.DC;电流输入：0100mA.DC; 420mA.DC;辐射感温器：WFT-202（F1石英玻璃）4001200WFT-202（F2，K9玻璃）7002000输出形式二组继电器触点输出可任意组成以下方式：1） 上限报警2） 下限报警（二位式控制

16、）3） 上、下限报警（三位式控制）4） 上、上限报警5） 下、下限报警2.7工艺流程图图5工艺流程图3静态特性及动态特性3.1 静态特性及动态特性定义3.1.1静态特性静态特性是指当系统达到稳态时，系统的输出与输入的关系，它可以用一个相应的代数方程来描述。静态特性在过程控制系统中定义为稳态时控制过程被控参数与控制变量之间的关系。静态特性的主要技术指标有线性度、测量范围和量程、迟滞和重复性、灵敏度、分辨力和阈值、稳定性、漂移和静态误差。3.1.2动态特性动态特性：当被测量随时间迅速变化时，输出量与输入量之间的关系称为动态特性，可以用微分方程表示。无论复杂度如何，把测量装置作为一个系统来看待。问题

17、简化为处理输入量x(t)、系统传输特性h(t)和输出y(t)三者之间的关系。3.2控制步骤3.2.1 P（纯比例）控制需要将控制器的积分作用和微分作用全部切除，将比例系数Kc从小到大变化，对于每一个Kc值做小幅度的设定值阶跃变化，在实际操作中是使比例度%在20%60%之间变化，由中间到两边调节，缩小调节范围，每一次改动，打开炉子或放入东西作为扰动。得出4：1的衰减振荡新的曲线的比例度%，以及曲线周期。3.2.2 I（积分）和D（微分）控制根据经验法确定PID参数，% =0.8×%（纯比例时），Ti=0.3×，=0.1×。将新的参数输入设备，观察曲线是否为4：1衰减

18、振荡曲线，若不是，利用PID参数整定口诀来微调及的值使其得到4：1衰减振荡曲线。3）计算出相关参数：控制器增益Kc：%=超调量：%=3.3积分饱和问题3.3.1积分饱和产生原因1. 当偏差产生跃变时，位置型PID算式的输出将急剧增大或减小，有可能超过执行机构的上（下）限，而此时执行机构只能工作在上限。2. 系统输出需要很长时间才达到给定值，在这段时间内算式的积分项将产生一个很大的积累值。3. 当系统输出超过给定值后，偏差反向，但由于大的积分积累值，系统不稳定。3 .3 .2积分饱和现象及消除方法积分饱和想象是指若系统存在一个方向的偏差，PID控制器的输出由于积分作用的不断累加而加大，从而导致u

19、(k)达到极限位置。此后若控制器输出继续增大，u(k)也不会再增大，即系统输出超出正常运行范围而进入了饱和区。一旦出现反向偏差，u(k)逐渐从饱和区退出。进入饱和区愈深则退饱和时间愈长。此段时间内，执行机构仍停留在极限位置而不能随着偏差反向立即做出相应的改变，这时系统就像失去控制一样，造成控制性能恶化。这种现象称为积分饱和现象或积分失控现象。消除积分饱和的方法：对控制器限幅，与阀门调节范围相对应；限制积分部分输出；积分切出法。4参数整定及投运4.1 PID参数整定室温保持在20,在3min内没有变化，则延迟时间为3min，温度从20升到稳态200为28min，则时间常数为25min，此时手动设

20、置的功率为50%。达到稳态后，加干扰信号，将手动功率设置为0，此时温度从稳态值升温一段时间后又达到新平衡，这段时间为20min。放大倍数K为稳态值减去室温值，与功率变化的比值，180/50%=360.在这升温过程中每隔5min记录一次数据，数据如下：表3 实验数据时 间/min271217222732374247温度/203267134182193230243231219时间/min52576267727782879297温度/212208206212214213205203201201输出曲线如下图：图6 输出曲线4.2系统的投运经过控制系统设计，仪表调校，安装后，接下来的工作就是控制系统的投运，也就是将工业生产从手动操纵状态切入自动控制状态。在一 些实际赢用场合投运控制系统必须做到心细而大胆，其步骤如下： 详细地了解工艺，对投运可能出现的问题有所估计。 理解控制系统的设计意图。 在现场，通过简单的操作队有关仪表的功能是否可靠且性能是否基本良好做出判断。 设置好控制器的正、反最用和P,I,D参数。 按无扰动切换（手、自动切换时控制信号基本不变）的要求将控制器切入自动。实