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淺析工業電阻爐溫度控制系統
摘 要:本文研究的主要問題是實驗室常用的管式電阻爐的溫度控制,要實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驗的整個過程、測試方案及其處理方法。通過調節PID調節器的比例系數Kp、積分系數Ki和微分系數Kd來實現對電阻爐溫度的控制。
關鍵詞:電阻爐溫度控制系統 PID調節器的參數整定 單元組合儀表
盡管科學在日新月異的飛速發展,控制手段也在不斷的向前進步,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、現場總線控制系統、開放式控制系統等,它們的功能越來越強大、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
1.1 爐溫控制的基本原理
本設計中采用DDZ-III型電動單元儀表組合來實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際溫度后,經過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行比較,根據偏差進行比例、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作,執行機構的動作改變變壓器的供電電壓,從而實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驗室所用的管式電阻爐,該種電阻爐供實驗室、工礦企業、科研單位進行化學分析、物理測定、加熱時使用。
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),另一個跟負載相連的叫副線圈(也叫次級線圈),鐵芯由涂有絕緣漆的硅鋼片疊合而成。互感現象是變壓器工作的基礎。原線圈上加交變電壓,原線圈中就有交變電流,在鐵芯中產生交變磁通量,原、副線圈中都要引起感應電動勢。若副線圈是閉合的,則副線圈中就要產生交變電流,此交變電流也在鐵芯中產生交變磁通量,在原、副線圈中同樣要引起感應電動勢。在原、副線圈中由于有交變電流而發生的互相感應現象,叫互感現象.正是由于互感現象。才使得原、副線圈雖不相連,電能卻可以通過磁場從原線圈到達副線圈。
1.3 變壓器在本控制系統中的作用
在控制系統中,變壓器是用來給電阻爐供電的,它與角行程電動執行器相連,通過執行器手柄的轉動來改變變壓器的供電電壓,從而實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勢信號,通過電氣儀表轉換成被測介質的溫度。熱電偶測溫的基本原理是兩種不同成份的均質導體組成閉合回路, 當兩端存在溫度梯度時,回路中就會有電流通過,此時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。
1.5 熱電偶優點
熱電偶是工業中常用的溫度測溫元件,具有如下特點:(1)測量精度高:熱電偶與被測對象直接接觸,不受中間介質的影響。(2)熱響應時間快: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,安裝方便。
2、PID調節器及其參數的整定
在實際工業生產應用中,調節器是構成自動控制系統的核心儀表,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,并對由此所產生的偏差信號進行比例、積分或微分處理后,輸出調節信號控制執行器的動作以實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。
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之間存在比例關系,用微分方程形式表示為:
ΔY=KPε
式中,KP為一個可調的比例增益。顯然,當有偏差信號存在時,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,它能及時和迅速地克服擾動的影響,從而使系統很快地達到穩定狀態。但因調節器的輸出信號與輸入信號須始終保持比例關系,所以在系統穩定后,被控變量無法達到給定值,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,為積分時間;為積分速度。顯然,斜率與調節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。
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,偏差信號的變化為無窮大,因而理論上輸出也應達到無窮大;而當t>t1時,輸出信號的變化等于零。實際上,這種理想的微分作用是無法實現的,而且也不可能獲得好的調節效果。它是在階躍發生的時刻,輸出突然跳躍到一個較大的有限值,然后按指數曲線衰減直至零。該跳躍跳的越高或降的越慢,表示微分作用越強。
2.2 DDZ-III型調節器PID控制規律的實現
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,然后再串聯形成PID控制規律的。考慮微分控制規律只有在輸入信號發生變化時才起作用,而且該變化越大微分作用明顯,因而運算放大電路中先進行微分調節作用,然后再進行積分作用。
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。它是根據被控過程的特性確定PID控制器的比例系數、積分時間和微分時間的大小。而且,在工業控制中,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工況有關。一旦工況改變了,控制器參數的“最佳”值也就隨著改變,這就意味著需要適時地整定控制器的參數。
在實時控制中,一般要求被控過程是穩定的,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。一般要同時滿足上述要求是很困難的,但必須滿足主要指標,兼顧其它方面。參數的選擇可以通過實驗確定,也可以通過試湊法或者經驗數據法得到。
3、結語
通過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一步的掌握。控制系統的開發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、系統實施、系統運行與調試的過程來進行,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
[1] 李登超.參數檢測與自動控制.冶金工業出版社.
[2] 吳勤勤主編.控制儀表及裝置.第二版.北京:化學工業出版社,2002.
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