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淺析工業(yè)電阻爐溫度控制系統
摘 要:本文研究的主要問(wèn)題是實(shí)驗室常用的管式電阻爐的溫度控制,要實(shí)現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)驗的整個(gè)過(guò)程、測試方案及其處理方法。通過(guò)調節PID調節器的比例系數Kp、積分系數Ki和微分系數Kd來(lái)實(shí)現對電阻爐溫度的控制。
關(guān)鍵詞:電阻爐溫度控制系統 PID調節器的參數整定 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(kāi)放性、可靠度越來(lái)越高,目前常用的控制方式有PLC、DCS系統、現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統、開(kāi)放式控制系統等,它們的功能越來(lái)越強大、性能越來(lái)越完善,比如說(shuō)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
1.1 爐溫控制的基本原理
本設計中采用DDZ-III型電動(dòng)單元儀表組合來(lái)實(shí)現對電阻爐溫度的控制,其主要控制規律是PID控制。由熱電偶檢測爐內實(shí)際溫度后,經(jīng)過(guò)熱電偶溫度變送器轉換為4-20mA的直流電流信號送往調節器,調節器對爐溫的測量值與給定值進(jìn)行比較,根據偏差進(jìn)行比例、積分、微分運算后,(其輸出為統一標準電流信號4-20mA)其輸出信號去控制執行機構的動(dòng)作,執行機構的動(dòng)作改變變壓器的供電電壓,從而實(shí)現了對電阻爐溫度的控制。
1.2 各設備的工作原理及其用途
電阻爐;被控對象電阻爐是實(shí)驗室所用的管式電阻爐,該種電阻爐供實(shí)驗室、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備。它是由閉合鐵芯和繞在鐵芯上的兩個(gè)線(xiàn)圈組成,跟電源相連的線(xiàn)圈叫原線(xiàn)圈(也叫初級線(xiàn)圈),另一個(gè)跟負載相連的叫副線(xiàn)圈(也叫次級線(xiàn)圈),鐵芯由涂有絕緣漆的硅鋼片疊合而成�；ジ鞋F象是變壓器工作的基礎。原線(xiàn)圈上加交變電壓,原線(xiàn)圈中就有交變電流,在鐵芯中產(chǎn)生交變磁通量,原、副線(xiàn)圈中都要引起感應電動(dòng)勢。若副線(xiàn)圈是閉合的,則副線(xiàn)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(xiàn)圈中同樣要引起感應電動(dòng)勢。在原、副線(xiàn)圈中由于有交變電流而發(fā)生的互相感應現象,叫互感現象.正是由于互感現象。才使得原、副線(xiàn)圈雖不相連,電能卻可以通過(guò)磁場(chǎng)從原線(xiàn)圈到達副線(xiàn)圈。
1.3 變壓器在本控制系統中的作用
在控制系統中,變壓器是用來(lái)給電阻爐供電的,它與角行程電動(dòng)執行器相連,通過(guò)執行器手柄的轉動(dòng)來(lái)改變變壓器的供電電壓,從而實(shí)現了調節爐溫的作用。
1.4 熱電偶工作原理
熱電偶是一種感溫元件,它把溫度信號轉換成熱電動(dòng)勢信號,通過(guò)電氣儀表轉換成被測介質(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)導體組成閉合回路, 當兩端存在溫度梯度時(shí),回路中就會(huì )有電流通過(guò),此時(shí)兩端之間就存在電動(dòng)勢——熱電動(dòng)勢,這就是所謂的塞貝克效應。
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)熱響應時(shí)間快:熱電偶對溫度變化反應靈敏。(3)測量范圍大:熱電偶從 -40~+ 1600℃ 均可連續測溫。(4)性能可靠, 機械強度好。使用壽命長(cháng),安裝方便。
2、PID調節器及其參數的整定
在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)應用中,調節器是構成自動(dòng)控制系統的核心儀表,它的基本功能是將來(lái)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,輸出調節信號控制執行器的動(dòng)作以實(shí)現對不同被測或被控參數如溫度、壓力、流量或液位等的自動(dòng)控制。
2.1 P、I、D各運算規律的作用
基本運算規律比例(P)、積分(I)和微分(D)三種,PID調節器的運算規律就是由這些基本運算規律組合而成。下面分別介紹三種基本控制規律的特點(diǎn)。
2.1.1 比例(P)控制規律
具有比例控制規律的調節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)可調的比例增益。顯然,當有偏差信號存在時(shí),調節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、應用最普遍的控制規律,它能及時(shí)和迅速地克服擾動(dòng)的影響,從而使系統很快地達到穩定狀態(tài)。但因調節器的輸出信號與輸入信號須始終保持比例關(guān)系,所以在系統穩定后,被控變量無(wú)法達到給定值,而是存在一定的殘余偏差,即殘差。
2.1.2 積分(I)控制規律
具有積分控制規律的調節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,斜率與調節器積分速度成正比的直線(xiàn)是積分過(guò)程的描述。直線(xiàn)越陡,表示積分速度越快,積分作用越強。
2.1.3 微分(D)控制規律
具有微分控制規律的調節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的瞬間,即t=t1時(shí),偏差信號的變化為無(wú)窮大,因而理論上輸出也應達到無(wú)窮大;而當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(wú)法實(shí)現的,而且也不可能獲得好的調節效果。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,然后按指數曲線(xiàn)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。
2.2 DDZ-III型調節器PID控制規律的實(shí)現
DDZ-III型調節器PID控制規律是利用運算放大器電路先分別形成PD和PI控制規律,然后再串聯(lián)形成PID控制規律的�？紤]微分控制規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,因而運算放大電路中先進(jìn)行微分調節作用,然后再進(jìn)行積分作用。
2.3 PID調節器的參數整定方法
PID控制器的參數整定是本控制系統設計的核心內容。它是根據被控過(guò)程的特性確定PID控制器的比例系數、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。而且,在工業(yè)控制中,目前應用最多的控制方法仍然是PID控制。但PID控制器的參數與系統所處的穩態(tài)工況有關(guān)。一旦工況改變了,控制器參數的“最佳”值也就隨著(zhù)改變,這就意味著(zhù)需要適時(shí)地整定控制器的參數。
在實(shí)時(shí)控制中,一般要求被控過(guò)程是穩定的,對給定量的變化能夠迅速跟蹤,超調量要小且有一定的抗干擾能力。一般要同時(shí)滿(mǎn)足上述要求是很困難的,但必須滿(mǎn)足主要指標,兼顧其它方面。參數的選擇可以通過(guò)實(shí)驗確定,也可以通過(guò)試湊法或者經(jīng)驗數據法得到。
3、結語(yǔ)
通過(guò)文章的介紹我們可以對電阻爐溫度控制系統有了一定的的認識和了解,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的開(kāi)發(fā)設計是一項復雜的系統工程,必須嚴格按照系統分析、系統設計、系統實(shí)施、系統運行與調試的過(guò)程來(lái)進(jìn)行,遇到新的問(wèn)題就不斷探索和努力,最終才可以使問(wèn)題得到解決。
參考文獻
[1] 李登超.參數檢測與自動(dòng)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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