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1、 內(nèi)蒙古科技大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文） 題 目：電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 學(xué)生姓名：梁寶瑞 學(xué) 號：200440503218 專 業(yè)：測控技術(shù)與儀器 班 級：測控04-2班 指導(dǎo)教師：左鴻飛 11 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文） 電阻爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 摘 要 溫度是工業(yè)生產(chǎn)中常見的和最基本的參數(shù)之一，一般物理變化和化學(xué)變化的過程都與溫度密切相關(guān)，因此生產(chǎn)過程中常需對溫度進行檢測和監(jiān)控。 實驗室的回轉(zhuǎn)式電阻爐是一個具有較大純滯后和時間常數(shù)的溫度對象的特點，本設(shè)計根據(jù)這個特點選擇了PID調(diào)節(jié)

2、規(guī)律。根據(jù)設(shè)計要求的控制精度選擇了單回路控制系統(tǒng)。 本設(shè)計選用了兩套設(shè)計方案，第一套方案是基于DDZ—Ⅲ型儀表設(shè)計的控制系統(tǒng)，在第一套方案中先組成開環(huán)系統(tǒng)測量溫度對象特性，并根據(jù)對象特性計算出PID控制器的控制參數(shù)。在做成閉環(huán)控制系統(tǒng)之后，還需要手動調(diào)節(jié)PID參數(shù)，使PID參數(shù)達到最優(yōu)。第二套是基于數(shù)字儀表PID調(diào)節(jié)器設(shè)計的控制系統(tǒng)。所以第二套方案實施更為簡單方便，控制精度更高，所組成的系統(tǒng)也更加可靠。由于兩套設(shè)計方案的控制系統(tǒng)及控制規(guī)律一致，故在本設(shè)計中主要介紹了第一套方案。 關(guān)鍵詞：電阻爐；PID；單回路控制系統(tǒng) Design and Realize Temperatu

3、re Control System of Resistance Furnace Abstract Temperature is one of common and the most basic parameters in the industrial production. General physical and chemical changes have a close relationship with temperature, as a result, generally speaking, it is necessary to detect and monitor tempera

4、ture during production. Type resistance furnace of laboratory is such a temperature object that has a bigger pure lagging and a temperature constant, the design chooses a PID adjustment principle. According to the control precise of design requirements, the design chooses a single circuit controlli

5、ng system. The design chooses two design plans: of which the first one is a DDZ-III instrument-based control system, in which an open loop system is made up of to survey the features of the temperature object, with which calculate the control parameters of the PID controller, and after a close loo

6、p control system is made completely, it is necessary to adjust the parameters of the PID controller manually to get the best parameters for PID; the second one is a shimaden PID adjuster-based control system.Thus, the second plan is simpler and more convenient when implementing and is more precise w

7、hen controlling. The system that is made up of the second plan is more reliable. As the control systems and controlling principles of the two design plans are consistent, the design focuses on introducing the first plan. Key words: resistance furnace; PID adjustment principle; single circuit con

8、trolling system. 第一章 電阻爐溫度對象特性測試 本設(shè)計求取電阻爐溫度特性的數(shù)學(xué)模型采用的是實驗辨識方法（響應(yīng)曲線法），當(dāng)先使電阻爐達到一個穩(wěn)態(tài)（溫度為150℃時），在達到穩(wěn)態(tài)后給電阻爐一個階躍信號（大小為30V），用記錄儀記錄下電阻爐溫度在階躍信號作用下被控對象隨時間變化的特性曲線，測量電阻爐溫度對象特性曲線的框圖如圖1.1所示： 圖1.1 電阻爐溫度特性測量原理框圖 根據(jù)實驗側(cè)得得對象特性曲線如圖1.2所示： 圖1.2 對象特性曲線 根據(jù)圖3.2所示，階躍輸入幅值為30，則增益K可按下式求?。?

9、 (1.1) 時間常數(shù)T及延遲時間τ可用作圖法確定:在圖3.2的對象特性曲線的拐點P做切線，切線與時間軸交于A點，而與特性曲線穩(wěn)態(tài)值的漸近線交于B點，則OA對應(yīng)延遲時間τ，AB對應(yīng)時間常數(shù)T。對象特性曲線對應(yīng)的傳遞函數(shù)為： (1.2) 這種近似方法擬合精度較差但方法簡單，但方法簡便，而且實踐表明它可以成功地應(yīng)用于PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定。 在有了K、T、τ三個數(shù)據(jù)，即可按照表1.1所給的經(jīng)驗公式，計算出過程呈4：1衰減時的控制器參數(shù)。 表1.1反應(yīng)曲線法整定控制器參數(shù)

10、經(jīng)驗公式（4：1衰減） 控制器類型 控制器參數(shù) δ/% Ti/min TD/min P — — PI 3.3τ — PID 2τ 0.5 本設(shè)計采用的是PID控制器，各參數(shù)計算如下： 電阻爐溫度控制系統(tǒng)的組成 根據(jù)電阻爐以及被控對象（溫度）的特點，本設(shè)計電阻爐溫度控制系統(tǒng)是單回路閉環(huán)控制系統(tǒng)。 1.1電阻爐溫度控制系統(tǒng)的特點 （1）信號在各個單元之間的傳遞是單向的，即各單元的輸入信號可以影響輸出信號，但輸出信號對輸人信號無反作用。 （2）電阻爐溫度控制系統(tǒng)是負反饋控制系統(tǒng)，即反饋信號與給定信號相減以獲得偏差信號。 （

11、3）信號的傳遞在系統(tǒng)中形成閉合回路，因此電阻爐控制系統(tǒng)是閉環(huán)系統(tǒng)。 （4）控制器發(fā)出的指令是由偏差信號產(chǎn)生的，所以自動控制系統(tǒng)是一個由偏差信號驅(qū)動的系統(tǒng)。 1.2 基于DDZ—Ⅲ型儀表設(shè)計的溫度控制系統(tǒng) 基于DDZ—Ⅲ型儀表設(shè)計的溫度控制系統(tǒng)的系統(tǒng)方塊圖如圖2.1所示： 2.1基于DDZ—Ⅲ型儀表的電阻爐溫度控制系統(tǒng)方框圖 （1）熱電偶：熱電偶是敏感元件，它由兩種不同的導(dǎo)體A和B連接在一起，構(gòu)成一個閉合回路，當(dāng)兩個連接點1與2的溫度不同時，由于熱電效應(yīng)回路中就會產(chǎn)生零點幾到幾十毫伏的熱電動勢，記為。接點1在測量時被置于測場所，故稱為測量端或工作端。接點2則要求恒定在某一溫度下稱為

12、參考端或自由端，如圖2.2所示。 實驗證明，當(dāng)電極材料選定后，熱電偶的熱電動勢僅與兩個接點的溫度有關(guān)，即： 式（2.1） 比例系數(shù)稱為熱電動勢率，它是熱電偶最重要的特征量。當(dāng)兩接點的溫度分別為，時，回路總的熱電動勢為： 式（2.2） 式中，分別為接點的分熱電動勢。對于已選定材料的熱電偶，當(dāng)其自由端溫度恒定時， 為常數(shù)，這樣回路總的熱電動勢僅為工作溫度t1的單值函數(shù)。所以，通過測量熱電動勢的方法就可以測量工作點的實際溫度。 圖2.2　熱電偶工

13、作原理示意圖 圖2.2中把自由端02畫成虛線，是想說明熱電偶在使用時2點實際上不是直接相接的。由熱電偶的中間導(dǎo)體定律：“在熱電偶測溫回路中，串接第三種導(dǎo)體，只要其兩端溫度相同，則熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢與串接的中間金屬無關(guān)”，那么，把較短的測量導(dǎo)線和儀表串接在2點并視其為第三種金屬，就可認(rèn)為它們不影響熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢即工作溫度的測量。 實際使用時，測量場所與測量儀表往往相距很遠，又因為組成熱電偶的材料比較貴重，所以常加導(dǎo)線來連接。這里有兩種使用方法：第一種，兩根連接導(dǎo)線具有相同的熱電性質(zhì)，如在一根導(dǎo)線(如常用的紫銅線)上取下的兩段線，它們的化學(xué)成分和物理性質(zhì)就很相近，這

14、時，可根據(jù)中間金屬定律判斷出電偶的熱電動勢只取決于電偶兩端溫度t1、t2，其它環(huán)境溫度的影響就可忽略。第二，熱電偶的兩電極分別采用和自己熱電性質(zhì)相近的補償導(dǎo)線延長至3點，這樣熱電動勢只取決于t1和t3，而與t2無關(guān)。 上述使用情況中，溫度點t2和t3往往采用冰水混合物(0℃)來恒定溫度。這時，總的熱電動勢就變成工作溫度t1的單值函數(shù)，可記為E-t1。為了使用方便，對于不同的熱電偶規(guī)定了不同的分度號，根據(jù)不同的分度號，我們又可查找其對應(yīng)的分度表，從而得到標(biāo)準(zhǔn)熱電偶E-t1關(guān)系的具體對應(yīng)值(相關(guān)溫度點一般規(guī)定為0℃)。 熱電偶測溫時，除工作端外的各個部分要求有良好的絕緣，否則會引入誤差，甚至無

15、法測量。另外，為了支撐和固定熱電極，延長其壽命，還應(yīng)選擇合適的保護套管材料。使用一段時間后，熱電偶要和標(biāo)準(zhǔn)偶進行校正。 （2）控制對象（調(diào)節(jié)對象）：指被控制的設(shè)備與機器，在本設(shè)計系統(tǒng)中控制對象指的是回轉(zhuǎn)式管式電阻爐。控制對象的輸出量就是控制系統(tǒng)的輸出量（或稱被控量）。在本設(shè)計中的輸出量是電阻爐的溫度。 （3）控制器（調(diào)節(jié)器）：根據(jù)輸入信號而按某一規(guī)律自動地改變輸出信號的儀表，具有比較、放大、判斷決策與發(fā)出指令的功能。在本設(shè)計控制系統(tǒng)使用的是DDZ-Ⅲ溫度控制器DTZ—2100。調(diào)節(jié)器的構(gòu)成方框圖如圖2.3所示： 圖2.3 調(diào)節(jié)器方框圖 調(diào)節(jié)器有兩個輸入量，其中一個稱為給定值，另一個

16、輸入量是來自測量變送器的信號，由于這個信號的傳遞方向?qū)刂葡到y(tǒng)來說是從其輸出端回到輸入端，所以稱為反饋信號。 這兩個信號在控制器中比較的結(jié)果得到被控量與給定值之間的一個偏差信號（正或負），調(diào)節(jié)器對該偏差信號按設(shè)定的控制規(guī)律進行運算（在這款系統(tǒng)中選用的是PID規(guī)律），然后發(fā)出控制指令信號，送入執(zhí)行器。 因為本設(shè)計的系統(tǒng)是單回路負反饋控制系統(tǒng)，從控制原理可以知道，對于一個反饋控制系統(tǒng)來說，只有在負反饋的情況下，系統(tǒng)才是穩(wěn)定的，當(dāng)系統(tǒng)收到干擾是，其過渡過程將會是衰減的；反之，如果系統(tǒng)是正反饋，那么系統(tǒng)將是不穩(wěn)定的，一旦遇到干擾作用，過渡過程將會發(fā)散。系統(tǒng)不穩(wěn)定當(dāng)然是不希望發(fā)生的，因此，對于反饋控

17、制系統(tǒng)來說，要使系統(tǒng)能夠穩(wěn)定地工作，必須要夠成負反饋。 為了保證能構(gòu)成負反饋，系統(tǒng)開環(huán)總放大倍數(shù)必須為負值，而系統(tǒng)開環(huán)總放大倍數(shù)是系統(tǒng)中各個環(huán)節(jié)放大被數(shù)的乘積。這樣，只要事先知道了對象、控制閥和測量變送裝置放大倍數(shù)的正負，在根據(jù)開環(huán)總放大倍數(shù)之積為負的要求，就可以容易地確定出控制器的正、反作用。對象、控制閥和測量變送裝置放大倍數(shù)的正負是很容易確定的，只要分析一下它們各自的輸出與輸入信號是同向變化還是反向變化就可以確定，當(dāng)輸入信號增大，輸出信號也隨之增大時，其放大倍數(shù)為正，當(dāng)輸入信號增大，而輸出信號減小時，其放大倍數(shù)為負。根據(jù)上述判斷依據(jù)可知在本設(shè)計中溫度變送器是正作用（+），執(zhí)行器是正作用（

18、+），管式電阻爐是正作用（+）為了保證總的開環(huán)放大系數(shù)為負，所以調(diào)節(jié)器選用反作用（+）。 （4）執(zhí)行器：執(zhí)行器由執(zhí)行機構(gòu)和調(diào)節(jié)機構(gòu)組成。接受控制器來的控制信號，經(jīng)過功率放大后產(chǎn)生控制作用，驅(qū)動調(diào)節(jié)機構(gòu)，改變進入控制對象的物質(zhì)流或能量流，使控制對象中的被控量向著給定值的方向發(fā)生變化，以滿足控制要求。在本設(shè)計采用的執(zhí)行器是角行程電動執(zhí)行器DKJ—210。 （5）測量變送器：通過檢測元件（傳感器）接收被測量參數(shù)信號并將它轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)輸出信號的儀表。測量變送器把被控量大小與變化變成與給定值相同類型的輸出信號送入控制器，在本設(shè)計的系統(tǒng)中的測量變送器是熱電偶溫度變送器。測量變送器送出的信號稱為反饋信號。

19、本設(shè)計用控制系統(tǒng)選用的變送器是DBW—1120H。變送器的原理如圖1.4所示： 圖1.4 變送器構(gòu)成原理圖 （6）操作器：操作器是手動操作器的簡稱。主要用在氣動或電動執(zhí)行機構(gòu)系統(tǒng)中實現(xiàn)手動操作。它與調(diào)節(jié)器配合，完成從自動到手動或手動到自動的無擾切換，也可以在控制系統(tǒng)出故障或系統(tǒng)投運時用它進行手動遙控。操作器時電動控制儀表裝置中的一個輔助單元。操作器主要有一下功能：無擾動切換功能、跟蹤功能、聯(lián)鎖保護功能、中途限位功能和指示功能。 本設(shè)計采用的是D型操作器DKJ—2100。D型操作器可以與調(diào)節(jié)器配合完成對執(zhí)行機構(gòu)的直接操作和閥位跟蹤，從而為系統(tǒng)的起停、事故處理提供方便?？梢詫崿F(xiàn)自動與手動狀態(tài)

20、的雙向無平衡無擾動切換。 DDZ一Ⅲ型控制器的使用： a. 通電準(zhǔn)備 ① 檢查電源端子接線極性是否正確。 ② 根據(jù)工藝要求確定正 / 反作用開關(guān)的位置。 ③ 按照控制閥的特性放好閥位指示器的方向。 b. 用手動操作啟動 ①用軟手動操作 把自動 / 手動切換開關(guān)撥到軟手動位置，用內(nèi)設(shè)定輪調(diào)整設(shè)定信號用軟手動操作鍵調(diào)整控制器的輸出信號，使輸入信號盡可能靠近設(shè)定值。 ②用硬手動操作 把自動 / 手動切換開關(guān)撥到硬手動位置，用內(nèi)設(shè)定輪調(diào)整設(shè)定信號用硬手動操作桿調(diào)整控制器的輸出信號，使輸入信號盡可能靠近設(shè)定值。 c. 由手動切換到自動 用手動操作使輸入信號接近設(shè)定值，待工藝過程穩(wěn)定

21、后把自動 / 手動切換開關(guān)撥到自動位置。在切換前，首先確定控制規(guī)律。對于PID三作用的控制器，將K3置10擋，Ti置最大，即可切除積分作用；若將Td置“斷”，即可切除微分作用?？刂埔?guī)律確定后，即可設(shè)置P、I、D參數(shù)值。 DDZ一Ⅲ型控制器具有無擾動切換特性，且由手動到自動的切換，不需要平衡，可直接切換。 d. 自動控制 自動控制時，生產(chǎn)為正常工作狀態(tài)，不需要人的過多參與，操作人員只需定期觀察控制效果即可。 e. 由自動切換到手動 當(dāng)生產(chǎn)或控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，或者生產(chǎn)檢修，需要停車時，都要將控制器由“自動”切向“手動”，因“手動”有兩種方式，所以切換也有兩種情況。 ① 由自動切換到軟手

22、動，可以直接切換。 ② 由自動切換到硬手動，需先調(diào)整硬手動操作桿使之與自動輸出相等（先平衡），然后再切換。 即DDZ一Ⅲ型控制器可以實現(xiàn)自動、軟手動、硬手動幾種狀態(tài)之間的無擾動切換，其中只有切向硬手動時需要先平衡，其余均為無平衡無擾動切換。 f. 內(nèi)設(shè)定與外設(shè)定的切換 ① 由外設(shè)定切換到內(nèi)設(shè)定 為了進行無擾動切換，先將K1開關(guān)切換到軟手動位置，然后再將K6由外設(shè)定切換到內(nèi)設(shè)定，并調(diào)整內(nèi)設(shè)定值，使其等于外設(shè)定的數(shù)值，再把Kl開關(guān)撥到自動位置（有平衡無擾動切換）。 ② 由內(nèi)設(shè)定切換到外設(shè)定 先把K1開關(guān)撥到軟手動位置，然后由內(nèi)設(shè)定切換到外設(shè)定，調(diào)整外設(shè)定信號使其和內(nèi)設(shè)定指示值相等，

23、再把K1開關(guān)切換到自動位置（有平衡無擾動切換）。 1.3基于數(shù)字儀表PID調(diào)節(jié)器儀表設(shè)計的電阻爐溫度控制系統(tǒng) 基于數(shù)字儀表PID調(diào)節(jié)器儀表設(shè)計的電阻爐溫度控制系統(tǒng)的系統(tǒng)方框圖如圖3.5所示： 圖1.5 基于數(shù)字儀表PID調(diào)節(jié)器儀表的電阻爐溫度控制系統(tǒng)方框圖 （1）PID調(diào)節(jié)器：PID調(diào)節(jié)器選用的是島電公司的PID調(diào)節(jié)器SR74A。測量精度為0.5%級，雙四位數(shù)字顯示。該調(diào)節(jié)器被稱之為“現(xiàn)場工程師”。具有工藝精良，可靠性高，精采的無超調(diào)專家PID和通訊接口，上電緩啟動，手動調(diào)節(jié)輸出，調(diào)節(jié)輸出限幅，控制脫機，變頻器控制模塊，直流輸入可編量程，抗干擾數(shù)字濾波等現(xiàn)場功能，是一種高性能價格比

24、的智能儀表。 PID調(diào)節(jié)器的技術(shù)特點有： 1）無超調(diào)專家PID SR74A帶有獨特的專家經(jīng)驗的PID調(diào)節(jié)算法模塊，它克服了普通PID算法易超調(diào)，及某些抗超調(diào)算法過渡過程時間長的缺點。實現(xiàn)了無超調(diào)。過渡過程時間段的優(yōu)良的調(diào)節(jié)品質(zhì)。在普通的P、I、D三個參數(shù)的基礎(chǔ)上增加了SF參數(shù)，用于設(shè)定專家PID算法的超調(diào)抑制作用強弱。專家PID能夠啟動當(dāng)前測量值到達目標(biāo)值前的偏差預(yù)測系統(tǒng)，SF=0時，為常規(guī)PID；SF減小抑制作用變?nèi)酰籗F增大抑制作用變強；SF=1時抑制作用最強。在本設(shè)計的方案中選用SF=0.4。 2）自由輸入及可編數(shù)顯量程 SR74A采用了最先進的電子技術(shù)，具有獨特的自由輸入功能

25、，用戶可以通過按鍵任意選擇11種標(biāo)準(zhǔn)熱電偶，8種鉑電阻和2種毫伏輸入類型，對于直流輸入類型，用戶還可以進一步設(shè)置對應(yīng)的實測物理量的量程及小數(shù)點位置。 3）最具特色的通訊功能 SR74A提供了RS422和RS485光電隔離通訊接口，迎合了企業(yè)生產(chǎn)過程自動化。 4）手動調(diào)節(jié)輸出 SR74A提供了比例帶內(nèi)的無擾動地手動/自動輸出切換功能，并且可以顯示調(diào)節(jié)輸出百分比顯示窗口，用戶可有手動調(diào)節(jié)加熱功率。 5）輸出限幅 可設(shè)定調(diào)節(jié)輸出的下限和上限。用于節(jié)約能源，限定閥門開度，避開如線性閥的非線性區(qū)，限制伺服設(shè)備動作范圍，減小加熱設(shè)備功率以及如真空設(shè)備中對待特殊加熱元件某升溫段的功率限制。 6

26、）上電緩起動 儀表首次上電后，調(diào)節(jié)輸出線性平緩增加的功能，可設(shè)置1～100秒的緩起動時間。當(dāng)儀表上電，脫機后執(zhí)行，或超量程后恢復(fù)時，調(diào)節(jié)輸出將按緩起動時間線性增長。對于負載的初次通電，變頻調(diào)速器，鉬絲，硅碳棒等冷阻負載，變壓器等感性負載的瞬間合閘，在一定程度上能減弱電源的浪涌沖擊電流，保護功率器件和延長加熱元件的使用壽命。 7）雙設(shè)定值（設(shè)定值偏移）SB功能 在偏移量敞口，可設(shè)置范圍為-1999～2000個數(shù)字單位?？衫猛獠繂螖S開關(guān)，接點，接至儀表的SB輸入端。當(dāng)開關(guān)閉合時，目標(biāo)值為機內(nèi)設(shè)定值加偏移量；當(dāng)開關(guān)斷開，恢復(fù)機內(nèi)設(shè)定。它可用于設(shè)備節(jié)能，保溫和常溫轉(zhuǎn)換，晝夜溫差控制等。 8）

27、高可靠的硬件設(shè)計 整機設(shè)計符合歐共體CE安全及抗電磁干擾標(biāo)準(zhǔn)，電源可使用100VAC～260VAC間寬范圍的輸入工作電壓變化。輸入和輸出均采用了光電隔離，單片機采用看門狗技術(shù)，全面采用防塵，防水面板。 PID調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)定的具體操作過程如下： 1）在熱電偶選擇窗口，選擇熱電偶代碼為06（K型熱電偶 0.0～1200℃）。 2）在選擇量程單位窗口，選擇熱電偶量程的單位C（攝氏度）。 3）在調(diào)節(jié)器正反作用選擇窗口，將調(diào)節(jié)器輸出極性設(shè)為RA（反作用）。 4）在輸出比例周期窗口，將調(diào)節(jié)輸出的時間比例周期設(shè)為2秒。 5）在設(shè)定值窗口，按增、減鍵將SV設(shè)為800℃，按ENT鍵確認(rèn)。 6）將

28、EV1報警方式設(shè)為：上限絕對值（HA）。 7）將EV2報警方式設(shè)為：下限絕對值（LA）。 8）設(shè)置上電抑制功能，設(shè)為2。 9）設(shè)EV1報警值：850℃；EV2報警值為750 ℃。 10）根據(jù)設(shè)計的要求設(shè)置SF為0.4。 11）系統(tǒng)接成閉環(huán)后，在AT功能窗口按增減鍵將OFF改為ON狀態(tài)后，按ENT鍵確認(rèn)啟動自整定，AT燈閃爍自整定起動。當(dāng)爐溫達到設(shè)定值時，經(jīng)過兩個周期震蕩，AT燈滅，自整定完成。 參考文獻 1. 翁維勤，孫洪程. 過程控制系統(tǒng)及工程[M]，北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002 2. 吳勤勤. 控制儀表及裝置 [M]，北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002 3. 高志宏.

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