淺析工業(yè)電阻爐溫度控制系統(tǒng)

　　摘 要:本文研究的主要問題是實(shí)驗(yàn)室常用的管式電阻爐的溫度控制,要實(shí)現(xiàn)對電阻爐的溫度控制,就需了解這一被控對象的特性,因此又介紹了電阻爐溫度特性測試實(shí)驗(yàn)的整個(gè)過程、測試方案及其處理方法。通過調(diào)節(jié)PID調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)Kp、積分系數(shù)Ki和微分系數(shù)Kd來實(shí)現(xiàn)對電阻爐溫度的控制。

　　關(guān)鍵詞:電阻爐溫度控制系統(tǒng) PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定 單元組合儀表

　　盡管科學(xué)在日新月異的飛速發(fā)展,控制手段也在不斷的向前進(jìn)步,智能化、集成度、開放性、可靠度越來越高,目前常用的控制方式有PLC、DCS系統(tǒng)、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)、開放式控制系統(tǒng)等,它們的功能越來越強(qiáng)大、性能越來越完善,比如說控制精度、抗干擾能力、防爆性等都有了很大的提高,但是各種控制方式最基本的思想是一致的。

　　1、電阻爐溫度控制系統(tǒng)

　　1.1 爐溫控制的基本原理

　　本設(shè)計(jì)中采用DDZ-III型電動單元儀表組合來實(shí)現(xiàn)對電阻爐溫度的控制,其主要控制規(guī)律是PID控制。由熱電偶檢測爐內(nèi)實(shí)際溫度后,經(jīng)過熱電偶溫度變送器轉(zhuǎn)換為4-20mA的直流電流信號送往調(diào)節(jié)器,調(diào)節(jié)器對爐溫的測量值與給定值進(jìn)行比較,根據(jù)偏差進(jìn)行比例、積分、微分運(yùn)算后,(其輸出為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)電流信號4-20mA)其輸出信號去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作,執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作改變變壓器的供電電壓,從而實(shí)現(xiàn)了對電阻爐溫度的控制。

　　1.2 各設(shè)備的工作原理及其用途

　　電阻爐;被控對象電阻爐是實(shí)驗(yàn)室所用的管式電阻爐,該種電阻爐供實(shí)驗(yàn)室、工礦企業(yè)、科研單位進(jìn)行化學(xué)分析、物理測定、加熱時(shí)使用。

　　變壓器;變壓器是改變交流電壓的設(shè)備。它是由閉合鐵芯和繞在鐵芯上的兩個(gè)線圈組成,跟電源相連的線圈叫原線圈(也叫初級線圈),另一個(gè)跟負(fù)載相連的叫副線圈(也叫次級線圈),鐵芯由涂有絕緣漆的硅鋼片疊合而成�；ジ鞋F(xiàn)象是變壓器工作的基礎(chǔ)。原線圈上加交變電壓,原線圈中就有交變電流,在鐵芯中產(chǎn)生交變磁通量,原、副線圈中都要引起感應(yīng)電動勢。若副線圈是閉合的,則副線圈中就要產(chǎn)生交變電流,此交變電流也在鐵芯中產(chǎn)生交變磁通量,在原、副線圈中同樣要引起感應(yīng)電動勢。在原、副線圈中由于有交變電流而發(fā)生的互相感應(yīng)現(xiàn)象,叫互感現(xiàn)象.正是由于互感現(xiàn)象。才使得原、副線圈雖不相連,電能卻可以通過磁場從原線圈到達(dá)副線圈。

　　1.3 變壓器在本控制系統(tǒng)中的作用

　　在控制系統(tǒng)中,變壓器是用來給電阻爐供電的,它與角行程電動執(zhí)行器相連,通過執(zhí)行器手柄的轉(zhuǎn)動來改變變壓器的供電電壓,從而實(shí)現(xiàn)了調(diào)節(jié)爐溫的作用。

　　1.4 熱電偶工作原理

　　熱電偶是一種感溫元件,它把溫度信號轉(zhuǎn)換成熱電動勢信號,通過電氣儀表轉(zhuǎn)換成被測介質(zhì)的溫度。熱電偶測溫的基本原理是兩種不同成份的均質(zhì)導(dǎo)體組成閉合回路, 當(dāng)兩端存在溫度梯度時(shí),回路中就會有電流通過,此時(shí)兩端之間就存在電動勢——熱電動勢,這就是所謂的塞貝克效應(yīng)。

　　1.5 熱電偶優(yōu)點(diǎn)

　　熱電偶是工業(yè)中常用的溫度測溫元件,具有如下特點(diǎn):(1)測量精度高:熱電偶與被測對象直接接觸,不受中間介質(zhì)的影響。(2)熱響應(yīng)時(shí)間快:熱電偶對溫度變化反應(yīng)靈敏。(3)測量范圍大:熱電偶從 -40~+ 1600℃ 均可連續(xù)測溫。(4)性能可靠, 機(jī)械強(qiáng)度好。使用壽命長,安裝方便。

　　2、PID調(diào)節(jié)器及其參數(shù)的整定

　　在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中,調(diào)節(jié)器是構(gòu)成自動控制系統(tǒng)的核心儀表,它的基本功能是將來自變送器的測量信號與給定信號相比較,并對由此所產(chǎn)生的偏差信號進(jìn)行比例、積分或微分處理后,輸出調(diào)節(jié)信號控制執(zhí)行器的動作以實(shí)現(xiàn)對不同被測或被控參數(shù)如溫度、壓力、流量或液位等的自動控制。

　　2.1 P、I、D各運(yùn)算規(guī)律的作用

　　基本運(yùn)算規(guī)律比例(P)、積分(I)和微分(D)三種,PID調(diào)節(jié)器的運(yùn)算規(guī)律就是由這些基本運(yùn)算規(guī)律組合而成。下面分別介紹三種基本控制規(guī)律的特點(diǎn)。

　　2.1.1 比例(P)控制規(guī)律

　　具有比例控制規(guī)律的調(diào)節(jié)器其輸出信號的變化量ΔY與偏差信號ε之間存在比例關(guān)系,用微分方程形式表示為:

　　ΔY=KPε

　　式中,KP為一個(gè)可調(diào)的比例增益。顯然,當(dāng)有偏差信號存在時(shí),調(diào)節(jié)器的輸出立刻與偏差成比例地變化。這是一種最基本、最主要、應(yīng)用最普遍的控制規(guī)律,它能及時(shí)和迅速地克服擾動的影響,從而使系統(tǒng)很快地達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。但因調(diào)節(jié)器的輸出信號與輸入信號須始終保持比例關(guān)系,所以在系統(tǒng)穩(wěn)定后,被控變量無法達(dá)到給定值,而是存在一定的殘余偏差,即殘差。

　　2.1.2 積分(I)控制規(guī)律

　　具有積分控制規(guī)律的調(diào)節(jié)器其輸出信號的變化量ΔY與偏差信號ε的積分成正比,用微分方程形式表示可為:

　　式中,為積分時(shí)間;為積分速度。顯然,斜率與調(diào)節(jié)器積分速度成正比的直線是積分過程的描述。直線越陡,表示積分速度越快,積分作用越強(qiáng)。

　　2.1.3 微分(D)控制規(guī)律

　　具有微分控制規(guī)律的調(diào)節(jié)器其輸出信號的變化量ΔY與偏差信號ε的變化速度成正比,用微分方程形式表示可為:

　　式中,為微分時(shí)間;為偏差信號的變化速度。

　　在階躍輸入信號出現(xiàn)的瞬間,即t=t1時(shí),偏差信號的變化為無窮大,因而理論上輸出也應(yīng)達(dá)到無窮大;而當(dāng)t>t1時(shí),輸出信號的變化等于零。實(shí)際上,這種理想的微分作用是無法實(shí)現(xiàn)的,而且也不可能獲得好的調(diào)節(jié)效果。它是在階躍發(fā)生的時(shí)刻,輸出突然跳躍到一個(gè)較大的有限值,然后按指數(shù)曲線衰減直至零。該跳躍跳的越高或降的越慢,表示微分作用越強(qiáng)。

　　2.2 DDZ-III型調(diào)節(jié)器PID控制規(guī)律的實(shí)現(xiàn)

　　DDZ-III型調(diào)節(jié)器PID控制規(guī)律是利用運(yùn)算放大器電路先分別形成PD和PI控制規(guī)律,然后再串聯(lián)形成PID控制規(guī)律的�？紤]微分控制規(guī)律只有在輸入信號發(fā)生變化時(shí)才起作用,而且該變化越大微分作用明顯,因而運(yùn)算放大電路中先進(jìn)行微分調(diào)節(jié)作用,然后再進(jìn)行積分作用。

　　2.3 PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定方法

　　PID控制器的參數(shù)整定是本控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。而且,在工業(yè)控制中,目前應(yīng)用最多的控制方法仍然是PID控制。但PID控制器的參數(shù)與系統(tǒng)所處的穩(wěn)態(tài)工況有關(guān)。一旦工況改變了,控制器參數(shù)的“最佳”值也就隨著改變,這就意味著需要適時(shí)地整定控制器的參數(shù)。

　　在實(shí)時(shí)控制中,一般要求被控過程是穩(wěn)定的,對給定量的變化能夠迅速跟蹤,超調(diào)量要小且有一定的抗干擾能力。一般要同時(shí)滿足上述要求是很困難的,但必須滿足主要指標(biāo),兼顧其它方面。參數(shù)的選擇可以通過實(shí)驗(yàn)確定,也可以通過試湊法或者經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)法得到。

　　3、結(jié)語

　　通過文章的介紹我們可以對電阻爐溫度控制系統(tǒng)有了一定的的認(rèn)識和了解,對DDZ-III儀表的工作原理及使用有了進(jìn)一步的掌握�？刂葡到y(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程,必須嚴(yán)格按照系統(tǒng)分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)實(shí)施、系統(tǒng)運(yùn)行與調(diào)試的過程來進(jìn)行,遇到新的問題就不斷探索和努力,最終才可以使問題得到解決。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] 李登超.參數(shù)檢測與自動控制.冶金工業(yè)出版社.

　　[2] 吳勤勤主編.控制儀表及裝置.第二版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002.

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