电阻炉炉温控制系统的设计.doc

0 引言 电阻炉是热处理生产中应用最广的加热设备，通过布置在炉内的电热元件将电能转化为热能借助辐射与对流的传热方式加热工件。 热处理是提高金属材料及其制品性能的工艺。根据不同的目的，将材料及其制件加热到适宜的温度，保温，随后用不同的方法冷却，改变其内部组织，以获得所要求的性能，通过热处理可以提高制件的使用效能或寿命。在其加热工艺中，不仅需要准确控制制件的加热温度，对一些大型制件，还需要给出加热温度下均温或透烧的时间(既是使被加热物件表面或堆垛外部温度与其心部或中心部位的温度与设定的加热温度均匀一致的时间)。 然而，现行电加热炉使用的控温仪表，无论是传统的交流接触式的位式控温仪表(如XCT、XMT、DWG等等系列)还是移相或过零触发晶闸管调压(功)式的温控系统，以及微电脑控温系统(如DX系列智能温度控制器、SD0.25级精度微处理机智能数显表、PTC 微处理机温度控制器、微电脑热处理控温系统以及RKC、OMEON、EURO、HONNYWELL等等温度控制器)其控制器大多是70~80年代的产品，功能和精度已不适应生产的发展和检验的要求；并且只能是测量与控制电阻加热炉炉膛或者说是被加热对象表面的温度，而对于大件心部或堆垛中间工件的温度是无法进行测量与控制的。何时透烧或者均温多长时间是通过理论计算、试验参数、安全保证系数及操作者的经验等内外因素人为地给定一个均温时间，在设定温度下，均温时间一到，就出炉进行下一道工序。对于不同材料、不同装炉量、不同放置方式以及不同加热功率等均是如此，透没透烧，是否“过烧”，谁也不知道，这是不科学的。因此具有均温时间长、生产效率低、耗费能量大、内部组织粗化、性能低、产品质量恶化、废品率高、原材料消耗多等缺点。另一方面，在这两大类控温仪的技术开发上，也只是局限在仪表的高精度、多通道、数字显示、智能化微机控制等方面进行。 PID调节是连续系统中技术最成熟，且应用最广泛的一种控制方法。它结构灵活，不仅可以采用常规的PID调节，而且可以根据系统的要求，采用各种PID的变种，如PI、PD控制，不完全微分控制，积分分离式PID控制，带死区的PID控制，变速积分PID控制，比例PID控制等等。PID控制器把设定值与实际输出值相减，得到控制偏差，偏差值经比例、积分、微分运算后通过线性组合构成控制量，然后对对象进行控制。虽然计算机控制是离散的，但对于时间常数比较大的系统来说，其近似于连续变化。因此，用数字PID完全可以代替模拟调节器，而且可以得到比较满意的效果。所以，用数字方式模拟PID调节器仍是目前应用比较广的方法之一。 在模拟控制系统中，其过程控制是将被测参数，如温度、压力、流量、成分、液位等由传感器变换成统一的标准信号后输入调节器，在调节器中与给定值进行比较，再把比较出的差值经PID运算后送到执行机构，改变进给量，以达到自动调节的目的。在数字控制系统中则是用数字调节器来代替模拟调节器，按偏差的比例、积分和微分进行控制和调节，是连续系统中应用最广泛的一种调节器。在工业过程控制中，由于控制对象的精确数学模型难以建立，系统的参数又经常发生变化，运用现代控制理论分析综合要耗费很大代价进行模型辨识，建立系统的数学模型十分困难，应用直接数字控制方法比较困难，甚至根本不可能，所以人们经常采用PID调节器，并根据经验进行在线整定，即用实验和分析的方法来确定数字PID调节器的参数。但是，常规PID调节三个参数的整定一般需要经验丰富的工程技术人员来完成，步骤繁琐复杂，既耗时又耗力。而且当对象特性变化时，又要重新整定，并且在现代工业控制过程中，许多被控对象机理复杂，具有多输入多输出的强耦合性、参数时变性、严重的非线性特性、滞后性等特点。在这种情况下，采用常规PID调节器，三个参数的整定比较困难，为此本文提出了采用归一参数整定法，即只整定一个参数，这样减少了许多工作量，提高了工作效率，为实现简易的自整定控制带来方便。本文以电阻炉炉温控制系统为研究对象，采用归一参数整定法的数字PID调节器对电阻炉炉温系统进行控制，通过调节比例系数来调节控制效果，并利用计算机仿真进行验证其控制效果。 系统设计 本设计的核心是温度的参数由传感器检测，经变送器处理后，转换为0～5V的标准信号，送ADC0809模数变换器进行A/D转换，计算机每隔一段时间（400ms）采样一次，采集3次后进行滤波，变换后显示实际值。将温度的检测值和给定值之间进行比较，将得到的偏差e进行数字PID运算，从而得出炉温控制系统的控制电压。 1.1 系统的组成及工作原理 温度是工业对象中主要的被控参数之一，如冶金、机械、食品、化工各类工业中广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等，对工件的处理温度要求严格控制。图1-1为温度控制系统框图，系统温度的控制原理是：