炉温控制原理-2014版

炉温自动控制原理材料教学实验中心热处理设备与控温仪表概述所谓自动控制就是指在没有人直接参与的情况下，控制装置或者控制器能够按照预先设定的规律使机器、设备或者生产过程（统称为被控对象）的某个工作状态或者参数（即控制量）自动地运行。例如，家用的全自动洗衣机、电冰箱、电暖气等都是常见的小型自动控制系统；电阻炉温度控制系统可以按照给定的温度值自动地保持炉内温度恒定；人造卫星可以准确地进入预定轨道运行并能被收回等，这些都体现出自动控制的优越性及特点。自动控制技术具有节省人力，提高系统控制精度，完成人工控制系统无法完成的工作等特点，广泛应用于工业、农业、交通、国防、宇航、社会等领域，自动控制已经成为现代社会生活中不可缺少的重要组成部分。概述概述概述概述概述概述实验原理控制方法

炉温自动控制就是根据炉子的实际温度与设定温度的偏差，自动接通或断开供给炉子热源，以及连续改变热源功率的大小，使炉温稳定在给定范围之内，以满足热处理工艺的需要。其特点如下：

改善劳动环境防止生产过程的烟尘、高温对人体的危害。

提高生产率。

提高和稳定工艺质量。实验原理控制方法炉子感温元件显示控制执行装置温度设定热源能量炉温自动控制系统方框图实验原理控制方法控制方法比较控制方法实验原理控制方法比较实验原理控制方法◈动圈式温度指示调节仪★动圈式温度指示调节仪，是一种测量与显示并兼有温度调节功能的热工装置。实验原理一、温度指示仪的原理◈动圈式温度指示调节仪★动圈式温度指示仪由动圈测量机构和测量电路组成◈动圈式温度指示调节仪实验原理

动圈测量机构✿动圈由纯铜绕制，张丝用弹性很好的铍青铜制作，用它把动圈悬吊在磁场中。张丝通电流且可以提供反作用力矩。✿当热电偶产生的（热）电势信号通过测量电路加到动圈上时，有电流的动圈在磁场作用下产生电磁转矩，驱使动圈和固定在动圈上的指针偏转。与此同时，张丝的反作用力矩逐渐增加，电磁转矩和张丝的反作用力矩相等时，指针停止转动并在刻度板上指示出相应的温度值。实验原理◈动圈式温度指示调节仪

M动=C1I

（C1与磁感应强度和动圈的几何尺寸有关）

M反=C2ψ（C2和张丝的弹性与尺寸有关）

M动=M反C1I=C2ψ

ψ=CI

偏转角度与电流成正比

动圈测量机构实验原理◈动圈式温度指示调节仪

测量电路

RS量程电阻；Rb、Rt

补偿电阻实验原理◈动圈式温度指示调节仪

测量电路实验原理◈动圈式温度指示调节仪二、动圈式温度指示调节仪原理及构造◈动圈式温度指示调节仪实验原理二、动圈式温度指示调节仪原理及构造

1.基本原理如上图所示，刻度盘下有一个可以移动的设定温度指针，指针支板上固定着一对检测线圈，指针移动时，检测线圈也同时移动。在测量温度指针上固定一个铝箔小旗，当被测炉温低于给定时，铝旗在检测线圈之外，由检测线圈控制的震荡放大器处于震荡状态，继电器吸合，加热炉送电。反之，铝旗进入检测线圈中，隔断了检测线圈的磁耦合，破坏了震荡条件，促进继电器释放，电炉停止加热。铝旗的进与出，对应着加热炉电源的开与断。因之称为二位式调节实验原理◈动圈式温度指示调节仪

2.控制电路二、动圈式温度指示调节仪原理及构造实验原理◈动圈式温度指示调节仪二、动圈式温度指示调节仪原理及构造

2.

控

制

电

路直流电源电路震荡偏置电路检波功放电路实验原理◈动圈式温度指示调节仪二、动圈式温度指示调节仪原理及构造当热电偶断线或发生故障时，保护电路发出信号，使测量指针向满刻度方向偏转，带动铝旗进入线圈间隙而使加热炉断电。实验原理控制方法1.位式控制控制方法实验原理1.位式控制实验原理控制方法1.位式控制实验原理控制方法2.连续控制控制方法实验原理2.连续控制实验原理控制方法2.连续控制控制方法实验原理PID控制简介

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、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。

控制方法实验原理PID控制简介

PIDG（S）yryoeuPID：ProportionalIntegralDerivativePID控制：对偏差信号e(t)进行比例、积分和微分运算变换后形成的一种控制规律。

“利用偏差、消除偏差”

PID控制器是实际工业控制过程中应用最广泛、最成功的一种控制方法。

实验原理控制方法PID控制简介

PID控制器的输入输出关系为：相应的传递函数为：

在很多情形下，PID控制并不一定需要全部的三项控制作用，而是可以方便灵活地改变控制策略，实施P、PI、PD或PID控制。实验原理控制方法PID控制简介

1.比例控制（P）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-stateerror）。

R2R1ui(t)uo(t)-+实验原理控制方法PID控制简介

1.比例控制（P）

P控制对系统性能的影响：Kp>1时：

a.开环增益加大，稳态误差减小；

b.幅值穿越频率增大，过渡过程时间缩短；

c.系统稳定程度变差。Kp<1时：与Kp>1时，对系统性能的影响正好相反。控制方法实验原理PID控制简介

1.比例控制（P）实验原理控制方法PID控制简介

2.积分控制（I）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（SystemwithSteady-stateError）。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。实验原理控制方法PID控制简介

2.积分控制（I）CRui(t)uo(t)-+实验原理控制方法PID控制简介

2.积分控制（I）-900-1800积分控制可以增强系统抗高频干扰能力。故可相应增加开环增益，从而减少稳态误差。但纯积分环节会带来相角滞后，减少了系统相角裕度，通常不单独使用。控制方法实验原理3.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控制简介

实验原理控制方法PID控制简介

3.微分（D）控制RCui(t)uo(t)-+实验原理控制方法PID控制简介

3.微分（D）控制-900-1800900

微分控制可以增大截止频率和相角裕度，减小超调量和调节时间，提高系统的快速性和平稳性。但单纯微分控制会放大高频扰动，通常不单独使用。控制方法实验原理PID控制简介

PD（比例-微分）控制器PD控制器的输入输出关系为：相应的传递函数为：实验原理控制方法PID控制简介

90o45o0o0+20dB/decPD控制器的Bode图控制方法实验原理PID控制简介

PD控制的特点（类似于超前校正）：1、增加系统的频宽，降低调节时间；2、改善系统的相位裕度，降低系统的超调量；3、增大系统阻尼，改善系统的稳定性；4、增加了系统的高频干扰；PD控制的应用：依据性能指标要求和一定的设计原则求解或试凑参数。

实验原理控制方法PID控制简介

PI（比例-积分）控制器PI控制器的输入输出关系为：相应的传递函数为：实验原理控制方法PID控制简介

PI（比例-积分）控制器PI控制器的Bode图0o-45o-90o0-20实验原理控制方法PID控制简介

PI（比例-积分）控制器PI控制的特点（类似于滞后校正）：1、提高系统的型别，改善系统的稳态误差；2、增加了系统的抗高频干扰的能力；3、增加了相位滞后；4、降低了系统的频宽，调节时间增大；PI控制的应用：依据性能指标要求和一定的设计原则求解或试凑参数。

控制方法实验原理PID控制简介

PID（比例-积分-微分）控制器PID控制器的传递函数为：PID控制的应用：依据性能指标要求和一定的设计原则求解