加热炉温度控制系统

1、成绩： 大连工业大学艺术与信息工程学院集散控制系统实验报告实验题目：加热炉对象控制系统专业名称：自动化班级学号：自动化10116学生姓名：张荣瀚目 录一、设计目的 （3）二设计理念与思路 （3）三、参考文献 （4）四设计主要设备 （4）五设计电路图及工作原理1.电路结构 （5）2.电路工作原理 （6）六电路调试1、了解各个电路模块的原理和参数 （7）2、接线，未上主电源之前，检查各电路是否正常 （12）3、进行手动调节，观察调节效果 （13）4、调节PID，观察调节效果 （14）七、心得体会 （15）设计题目 温度控制系统一、设计目的1了解单回路过程控制系统工业用调节器的结构，特性和基本使用方

2、法。2学习调节器重要参数整定的含义，学习并掌握调节器参数的整定方法。3学习用调节器，变送器，管式电炉等设备构成温度控制系统4领会调节器控制规律改变或系统参数变化对系统被控参数和系统性能的影响作用。二、设计理念与思路 在现实社会中，温度、湿度等变化量的自动化控制已经得到了充分的使用，在工业生产中占据了较高的比例。其中的控制方法较多使用了闭环控制系统。闭环控制系统(closed-loop control system)的特点是系统被控对象的输出(被控制量)会反送回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭环。闭环控制系统有正反馈和负反馈，若反馈信号与系 统给定值信号相反，则称为负反馈( Negative

3、 Feedback)，若极性相同，则称为正反馈，一般闭环控制系统均采用负反馈，又称负反馈控制系统。闭环控制系统的例子很多。比如人就是一个具有负反馈 的闭环控制系统，眼睛便是传感器，充当反馈，人体系统能通过不断的修正最后作出各种正确的动作。如果没有眼睛，就没有了反馈回路，也就成了一个开环控制系 统。当一台的全自动加热炉具有能连续检查温度是否合理，在温度达到合理要求之后能自动调节电源，它就是一个闭环控制系统。控制方法较多使用PID控制。在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它 以其结构简单、稳定性好、

4、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、 积分、微分计算出控制量进行控制的。在加热炉温度控制中，由于温度变量比较缓慢，经常只对PI进行调节，D的调节可以省略。关键词 ：闭环控制系统，PID控制，温度，自动化，加热炉温度控制三、参考文

5、献 王兆安 黄俊 电力电子技术（第4版） 西安：机械工业出版社 2009 张涛 电力电子技术 电子工业出版社 2003杨为民 乌齐斌 过程控制系统 西安电子科技大学出版社 2008夏德铃 翁贻方 自动控制理论 机械工业出版社 2009四、设计主要设备1. 管式电炉一台；2 热电偶两支；3. 温度变送器一台；4. PID调节器一台；5. 可控硅控制单元一台；6. 直流毫安表一台；7. UJ-37电位差计一台；8. 万用表一只；9. 秒表一只。五、设计电路图及工作原理1. 电路结构温度控制系统结构图执行调节器电炉温度变送热电电位差图1在加热炉工作过程中，利用热电偶检测电炉的温度，利用热电偶把电流转

6、换，将电压输送给PID调节器，PID调节器对数据进行处理，将执行数据传输给执行器，执行器通过PWM控制晶闸管，实现对加热炉温度控制。 2电路工作原理在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的 其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或 不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技

7、术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、 积分、微分计算出控制量进行控制的。PID控制公式如下 u(t) = Kp*e(t) + Kie(t) + Kde(t) e(t-1)+u0 比例（P）控制 比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。 积分（I）控制 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的 或简称有差系统（System with Stead

8、y-state Error）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积 分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳 态误差。 微分（D）控制 在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用， 其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使

9、抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入 “比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能 够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在 调节过程中的动态特性。 PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被 控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理

10、论计算整定法。它主要是 依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主 要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应 曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需 要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行 PID控制器参数的整定步骤如下：(1)首先预选择一个足够短的

11、采样周期让系统工作；(2)仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡， 记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；(3)在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。 在实际调试中，只能先大致设定一个经验值，然后根据调节效果修改。 对于温度系统：P（%）20-60，I（分）3-10，D（分）0.5-3 对于流量系统：P（%）40-100，I（分）0.1-1 对于压力系统：P（%）30-70，I（分）0.4-3 对于液位系统：P（%）20-80，I（分）1-5六、电路调试1、了解各个电路模块的原理和参数（1）温度变送器四线制电动温度变送器DBW1120/B 输出信号：DC 15V

12、及DC 420mA负载电阻：050（辅助电流输出回路）200K（对输出DC 15V回路时）工作条件：周围环境温度：050;空气相对湿度：小于85%型号表示DBW电动单元组合仪表变送单元温度1）四线传输温度变送2）四线传输毫伏变送1）热电偶2）热电阻3）热电偶温差4）热电阻温差1）E或Cu502）K或Cu1003）S或Pt504）B或Pt100O/B改进程序号Ia 本质安全防爆型无为一般型工作振动：频率小于25Hz，全振幅小于0.1mm;外磁场：<400A/m周围环境不应含有腐蚀性、易爆炸气体结构形式：架装式外形尺寸：44×175×360（mm）重量：约2（2）调节器&

13、#160;DTZ-2100D/2100G全刻度指示调节器概述  100D/2100G全刻度指示调节器是DDZ-III系列仪表中调节单元的基型品种，它接受变送器经信号分配器送来的信号征收给定信号进行比较，对其差值进行比例、积分、微分运算，以电流输出控制执行机构。可对温度、压力、流量、液位压等工艺参数进行自动调节。特征有边框的盘装结构，可密集安装，也可分散安装。测量信号和给定信号由纵形双针动圈式（或双光柱）表头显示，显示醒止、直观。自动/手动切换采用无触点电子开头,操作方便可靠。主要技术指标输入信号：1-5VDC给定方式：内给定1-5DVC   外给定4-2

14、0mDVC（250±0.1%）输出信号：4-20Madc闭环跟踪误差：<±0.5%  负载电阻：205-750 功 能：自动/手动，非平衡无扰动切换 调节动作 调节动作：PD；PI；PID比 例 带：（P）2%-500% 积分时间：(Ti)0.01分-2.5分和0.1分-25分两档（开关切换）微分时间：（TD）关、0.04分-10分（开关切换）微分增益：KD=10  工作环境:环境温度:0-50;相对湿度:85%(RH)电源电压：24VAC±10%功

15、 耗：3W 重 量：3Kg结构形式                                    安装方式：盘面外形尺寸：80×160×460（mm）（宽×高×深）开孔尺寸

16、：76+1×152+1（mm）型号规格型号 指示形式 指示范围 DTZ-2100D 双针动圈式指示表 0100% DTZ-2100G 双光柱指示表 0100% （3）执行器ZK01单相交流调压调功一体化技术电力调整器ZK01单相交流调压调功一体化技术电力调整器采用全数字化电路设计，继承了我公司GBC2M-3系列主要功能，并且单相220V/380VAC通用。其调压采用移相控制方式，调功有定周期调功和变周期调功两种方式。其功能包括：上电缓起动、缓关断、散热器超温检测保护等功能。其特点：体积小，输出起控点低、电源频率适应范围宽（可用于发电机电源），外形美观，是一款经济型单相电力调整器。ZK

17、01系列单相调整器由控制板、散热单元、功率模块、外壳等组成。控制板使用ZK01控制板；散热系统采用高效散热器，同等体积下提高30%的散热效率；低噪长寿命风机，确保系统的可靠。 力调整器与带0-5V、4-20mA的智能PID调节器或PLC配套使用；主要用与工业电炉的加热控制、大中小型风机水泵软启动节能运行控制、。负载类型可以是单相阻性负载、单相感性负载及单相变压器负载；调整器 ZK01- 基本功能：移相调压, 可变宽脉冲触发调节分辨率：0.1°(调压), 20ms(调功)环境温湿度：040，90%RH最大a控制输入 4 420 mA DC,接收电

18、阻:120 5 05V DC, 输入电阻:20K 6 010V DC, 输入电阻:20Kb触发方式 2- 触发反并联可控硅模块c电流容量 025- 25A （自然散热） 230×88×185 050- 50A （风冷散热） 230×88×185 80- 80A （风冷散热） 230×88×185 150- 150A （风冷散热） 245×162×200 200-

19、60;200A （风冷散热） 376×132×288 250- 250A （风冷散热） 376×132×288d调功方式(选件) 00 无01 阻性调功ZK01整机电流容量选择参考a)一般纯阻负载：所选电力调整器的电流容量应大于负载最大电流。b)硅碳棒负载：当取消变压器时，硅碳棒应串联，使之能够承受电源电压的70%80%以上。硅碳棒在700800存在负阻区，所选电力调整器的电流容量应大于负载电流1.5倍以上。选型例：K01整机：ZK01-42-050-00，表示4-20mA输入，触发反并联可控硅模块，电流

20、容量为50A，不带调功功能。2、接线，未上主电源之前，检查各电路是否正常电炉电源 一条线执行器输入电源 一条线电炉执行器输出 一条线调节器执行器输入 两条线调节器转换器输出 两条线调节器电源转换器 两条线转换器输入热电偶 两条线控制器热电偶 两条线电炉连接电源转化器连接电源 执行器连接电源3、进行手动调节，观察调节效果 打开转换器和执行器电源，将调节器的手动键按下，将输出调节至最小0，检查电路是否正确。如果电路正确，打开电熔炉电源，手动调节输出，电热炉温度上升。在条件允许的范围内，不断增大输出值，记录不同的输出值时，在调节器上现实的温度值，观察规律。实验证明，输出值越大，电炉通过执行器获得的电

21、压越大，加热炉温度稳定时温度越高，且成正比例关系。关系式：y(x) =kx+ay 在调节器读取的温度值x 通过调节器输出按键调节得到的温度输出要求的值，可以在调节器上读取。a 为室内温度 在试验中得到温度关系如下室温18输出20刻度显示31实际温度256刻度初始0根据数据获得变量a等于18 变量k等于11.9y(x) =11.9*x+18的图形如下y/cx/(v)4、调节PID，观察调节效果a . 在试验中，根据经验，PID的参数有一定的合适范围 。对于温度系统：P（%）20-60，I（分）3-10，D（分）0.5-3PID控制公式 u(t) = Kp*e(t) + Kie(t) + Kde(

22、t) e(t-1)+u0 b . 比例带校验试验开关置为手动，内外给定选择开关置内给定，输入电压，给点电压为3v，使偏差为0，D置关，I置2.5分，倍率选择开关置*10，正反作用开关置正作用。P置被测刻度100%，信号源2为3.5V，按键开关值自动，当开关k有信号源1切换到信号源2，记录调节器输出，因为实测比例带为P=(vi2-vi1)/(vo2-vo1)*100%比例带刻度误差允许范围为+-25%，所以随着信号源切换，调节器输出应在vo2=3.6004.667范围内。c . 积分时间校验调节器开关置为手动，调节器输出为3v，信号源2调节为3.5V，D置关，P置被测刻度100%，测量校正置为测量，正反作用开关置正作用，倍率选择开关置*1，内给定为3v，给点电