电阻炉温度控制系统毕业设计论文.doc

电阻炉温度控制系统摘 要自本世纪30年代以来,自动化技术取得了惊人的成就,在工业生产和科学发展中起着关键的作用。自动控制理论经过了几十年的完善，控制系统的发展也经历了从简单形式到复杂形式，从局部自动化到全局自动化，从低级智能到高级智能的发展过程，这期间的几个变更都促使了生产力的极大飞跃。本文介绍了管式电阻炉温度控制系统的设计过程。该过程主要由三部分组成：要设计电阻炉的温度控制系统，首先要了解这一被控对象的温度特性。文中第一部分便介绍了电阻炉温度特性测试实验。然后针对电阻炉的温度特性及实验室现有条件提出了利用电动组合仪表（ddz-iii型）仪表组成一套单闭环负反馈系统的控制方案，这就是组成了电阻炉温度控制系统。这在论文的第三部分讲到。论文的第二部分讲述pid控制技术，其中涉及到pid控制的原理和特点及pid的实现和参数确定等问题。本次设计的温度控制系统的被测对象是实验室中常见的管式电阻炉，被控参数是电阻炉的炉内温度。热电偶作为测温元件来检测炉内温度，控制系统由热电偶温度变送器、常规的pid调节器及角行程的电动执行器等ddz-型仪表组成。这里之所以采用常规的pid控制，一是因为该方法理论成熟、操作简单、容易掌握、稳态响应特性好，对特性参数不确定的系统特别适用。再有就是要受实验室现有条件的限制，对于这个精度要求不高的电阻炉温度控制系统，这套设备完全可以实现预定的控制目的。 关键词：管式电阻炉；自动化仪表；温度特性；控制系统resistance furnace temperature control systemabstractsince this century 30s, the automated technology has obtained astonishing achievement let is playing the key role in the industrial production and the science development. the automatic control theory passed through several dozens years consummation, the control system development has also experienced has conformed to simplicity the single form to the complex form, from the partial automation to the overall situation automation, from the preliminary intelligence to the high-level intelligent developing process, this period several changes has all urged the productive forces enormous leap this article introduced the tubular resistance furnace temperature control system design process. this process mainly is composed by three parts: must design the resistance furnace the temperature control system, first must understand this is controlled the object the temperature characteristic. in the article the first part then introduced the resistance furnace temperature characteristic test experiment. then proposed in view of the resistance furnace temperature characteristic and the laboratory existing condition the use electrically operated combination measuring appliance (ddz-iii) the measuring appliance composes a set of single closed loops negative feedbacks system the control plan, has composed the resistance furnace temperature control system. this talks about in the paper third part. the paper second part narrates the pid control technology, in which involves to the pid control principle and the characteristic and the pid realization and the parameter firmly grades the questionthis design temperature control system was measured the object is in the laboratory the common tubular resistance furnace, is controlled the parameter is in the resistance furnace stove the temperature. the thermo-element examines in the stove as the temperature element the temperature, the control system changes by the thermo-element temperature, the conventional pid regulator and the angle travelling schedule electrically operated execution the ddz- iii measuring appliance and so on delivering is composed. here therefore uses conventional the pid control, one is because this method theory mature, the operation simple, is easy to grasp, the stable state response characteristic is good, specially is suitable to the characteristic parameter indefinite system. again has is must receive the laboratory existing condition the limit, regarding this precision request not high resistance furnace temperature control system, this set of equipment is enough.keywords: tubular resistance furnace ；automated measuring appliance；temperature characteristic ；control system 目 录摘 要iabstractii第一章 引 言31.1 研究背景31.2 论文结构4第二章 总体设计概述52.1总体设计概述52.2 设计内容及要求62.3 总体设计框图6第三章电阻炉温度特性测试实验83.1 实验设备简介83.1.1 电阻炉83.1.2热电偶83.1.3 热电偶温度变送器103.1.4 纪录仪133.1.5 24v标准电源133.1.6 调压变压器133.1.7 pid调节器133.1.8 饲服放大器，d型操作器，电动执行器143.2 电阻炉温度特性测试实验173.3 实验数据分析19第四章 pid控制274.1 pid控制概述274.2 pid控制的实现294.3 pid控制器的参数整定31第五章 电阻炉温度控制系统345.1 电阻炉温度控制系统的发展与应用345.2 单回路反馈控制系统355.3 控制系统框图39第六章 设计总结40参考文献41附 录42致 谢43第一章 引 言1.1 研究背景自20世纪30年代以来,自动化技术获得了前所未有的发展,在工业生产和科学发展中起着非常重要的作用。自动控制极大的提高了劳动生产率和产品质量，推动了现代工农业的巨大进步，在我国的四个现代化建设中起到了不可磨灭的作用。工业炉在我国是能源的一大用户，它所耗用的能源占全国总能耗的25%，热轧生 产用各种加热炉的能耗约占全厂总能耗的60%以上。因此，降低它们的能耗是很有意义的，实施自动控制是一种有效的途径2。这里的自动控制其实是指生产过程自动化，是指在没有人的直接参与下利用控制器使被控的工业对象的某些物理量自动的按预先给定的规律运行。它经历了一个从简单形式到复杂形式，从局部自动化到全局自动化，从低级智能到高级智能的发展过程。随着自动控制技术的广泛应用，自动化仪表的需求量也越来越大，逐渐形成一个专门的仪表门类。 而这里所说的自动化仪表是指再生产自动化中特别是连续生产过程自动化中必需的一类专门的仪器仪表，其中包含对工艺参数进行测量的检测仪表、根据测量值对给定值的偏差按一定的调节规律发出调节命令的调节仪表、以及根据调节仪器的命令对进行生产装置的物料或能量进行控制的执行器等，这些仪表代替人们对生产过程进行测量、控制、监督与保护，是实现生产过程自动化必不可少的技术工具1。本次设计就是要通过ddz型仪表组成的自动控制系统使电阻炉的温度在没有人的直接参与下在某一稳定值（以400为例）上下波动不超过10的误差。为了获得较高的控制精度，本文采用pid控制方法，通过改变pid调节器的比例系数kp、积分系数ki和微分系数kd来实现对电阻炉的温度控制。当系统处于平衡状态时，炉温将稳定在给定值上或在稳定值附近存在很小的上下波动，达到了预期的控制要求。1.2 论文结构根据设计过程的要求，论文主要分为三部分，第一部分介绍电阻炉温度特性测试实验的实验设备及实验过程；第二部分介绍pid控制的相关知识；第三部分则主要介绍电阻炉温度控制系统的选择，连接与调试。具体内容参见正文的有关章节。第二章 总体设计概述2.1总体设计概述设计一个自动控制系统，首先应对调节对象的特性做全面的分析和测定。一般研究调节对象特性的方法有两种。对于简单的对象或系统各环节的特性，可以通过分析过程的机理、物料或能量平衡关系求得数学模型，即对象动态特性的微分方程式，这种方法称为分析法。但是，复杂对象的微分方程式很难建立，也不容易求解。所以，另一种方法是通过实验测定，对取得数据进行加工整理而求得对象的微分方程式或传递函数，这种方法称为实验测定法。目前用来测定对象动态特性的实验方法主要有三种：测定动态特性的时域方法、测定动态特性的频域方法、测定动态特性的统计方法。这里仅对本次设计用到的是时域方法加以介绍。时域方法主要是求对象的飞升曲线或方波响应曲线，如输入量作阶跃变化，测绘对象输出量随时间变化曲线就得到飞升特性。如果将输入量作一个脉冲方波变化，测出对象输出量随时间的变化曲线就得到脉冲方波响应曲线。这些方法都不需要特殊的信号发生器，在很多情况下可以利用调节系统中原有的仪器设备，方法简单，测试工作量小，故应用甚广。此法缺点是测试精度不高且对生产有一定影响。设计中取的是对象的飞升曲线，实验中是让对象（电阻炉）在某一稳态下稳定一段时间后，快速的改变它的输入量，是对象达到另一稳定状态，从而求得对象在阶跃函数时的飞升曲线。测得对象特性后，根据工艺要求选择一个合适的控制系统。因为在一般连续生产过程中，单回路调节系统可以满足大多数工业生产的要求，所以这里采用单回路调节系统。单回路调节系统一般是指在一个调节对象上用一个调节器来保持一个参数恒定，而调节器只接受一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。设计中用常规的pid调节器来保持管式电阻炉温度的恒定，调节器接受的是热电偶温度变送器输出的可线性反映炉温变化的15v直流电压，输出信号控制由饲服放大器、d型操作器、角行程的电动执行器、调节变压器等组成的执行机构动作，通过改变电阻炉的供电电压来控制电阻炉的炉内温度。在设计中用pid调节器的比例-积分-微分调节，即pid调节器的三个参数都要涉及。设计中的被控对象（管式电阻炉）具有特性参数随温度变化而变化，大惯性、大滞后、时变性等特点。单用一种控制手段很难达到理想的控制效果，这里采用p-i-d调节（即比例-积分-微分调节）。其中的比例环节是必不可缺的，它使输出与输入成线性关系；积分作用能消除静态误差，对系统的动态性能也有一定程度的改善；微分作用能加快过渡过程和提高系统的稳定性，在温度控制系统中一般都要用到。三者结合起来使用以使控制效果达到最佳。在确定了控制方法后还要先根据经验值定一组最初的调节器参数，然后再结合根据实验数据求得的调节器参数，调试系统，使控制效果最佳，从而确定最后的调节器参数。2.2 设计内容及要求1.在详细了解现有电阻炉温度特性的基础上，用常规仪表设计一套控制系统，确定系统仪表组成及相应指标。2.确定系统方案，画出控制系统原理图以及接线端子图。3.系统连接、安装、调试，实现预定控制方案所确定的控制功能。2.3 总体设计框图 本次设计要求用常规仪表组成电阻炉温度控制系统，这里采用电动单元组合（ddz-型）仪表组成的控制系统，总体框图如图2.1所示： 图2.1 ddz-型仪表组成的控制系统框图从图中我们可以看出单元划分的原则和各单元的功能。被调量一般是非电量的工艺参数（本设计中是电阻炉的温度）必须经过一定的检测元件（设计中用s型热电偶）将其转换成易于显示和传送的物理量（设计中转换成毫伏电压值）。检测元件输出的能量太小，不能直接驱动显示和调节仪表，必须经过放大或再一次的能量转换，才能将检测元件输出的微信号变换为能远距离传送的统一标准信号，这一工作由变送单元完成（设计中由热电偶温度变送器完成）。由变送单元输出的统一标准信号，一方面送到显示单元供记录或指示，同时送到调节单元与给定值进行比较，调节单元按比较得出的偏差以一定的调节规律发出调节信号，通过执行单元改变阀门的开度，控制进入调节对象的工艺介质流量，达到自动调节的目的。 第三章 电阻炉温度特性测试实验3.1 实验设备简介本次设计用到的设备主要有：管式电阻炉，s型热电偶，热电偶温度变送器，记录仪，24v标准电源及调压变压器；常规的pid调节器，d型操作器，饲服放大器，角行程执行器等。其中前半部分为电阻炉温度特性测试实验所用，控制系统的组成则需要用到上述设备除记录仪以外的所有，下面对这些设备的工作原理及组成结构加以说明：3.1.1 电阻炉设计中所用的电阻炉为实验室中常见的管式电阻炉，这种电阻炉在工业上应用不多，主要在温度实验中作热源，在煤的成分分析和工业分析中也有用到。应用电阻炉作热源时应保证所需温度在它的安全温度以内，注意它的温度特性以便更好的去控制它的温度变化。3.1.2热电偶热电偶是将温度高低转换成电势大小的热电式传感器，是目前温度测量领域应用最广泛的传感器之一。设计中的热电偶将电阻炉的炉内温度转换成毫伏级的电压信号，供与之相配套的显示仪表显示或作为控制系统的被控参数。1. 热电偶的测量原理及特点热电偶的原理基于“热电势效应”，将两种不同材料的导体组成一个闭合回路，如果两端结果的温度不同，回路中产生热电势，该电势的方向和大小与两种导体的性质及结果温度有关，这个物理现象就称为热电势效应，也称温差效应。如图3.1所示：组成热电偶的导体称为热电极，温度高的一端称为热端或工作端（t），另一端称为冷端或自由端（t0），热电势表示为eab（t，t0），它由两导体的接触电势和单一导体的温差电势组成，其表达式为：eab（t，t0）=fab（t）=fab（t）-fab（t0）当参比端温度t0保持恒定时即fab（t0）一定时，热电偶的热电势eab（t，t0）与被测温度t就有了单值函数对应关系，称为热电偶的热电特性。 图3.1 热电效应 应当注意，一般情况下热电偶的接触电势远大于温差电势，故其热电势的极性取决于接触电势的极性8。2、热电偶的应用定则8 （1）若组成热电偶回路的两种导体相同，则无论两端温度如何，热电偶回路内的总电势为零。（2）若热电偶两端点的结果温度相同，即t=t0，则尽管导体a，b材料不同，热电偶回路内的总电势为零。（3）热电势与a，b材料的中间温度无关，它只与端点的结果温度有关。（4）中间导体定则。在热电偶回路中只要中间导体两端温度相同，则接入中间导体c后对热电偶回路的总电势没有影响。3、设计中使用的热电偶 本次设计用到的测温元件为分度号为s的铂铑-铂10热电偶。它的特点是热电性能稳定，抗氧化性强，宜在氧化性、惰性气氛中连续使用。在所有的热电偶中，s型的准确等级最高，长期使用温度1400（我国规定为1300）短期使用温度1600，通常用作标准或测量高温的热电偶。它的使用范围广，均质性及互换性好，缺点是价格昂贵，电阻丝直径很细，机械强度低且热电势较小需配用灵敏度高的显示仪表，。这种热电偶不适于在还原性气氛或含有金属蒸汽的条件下使用，尤其应避免接触有机物、铁、硅、氢气等还原性物质。4、补偿导线使用补偿导线时应注意： （1） 补偿导线的作用只是将热电偶原来的冷接点移到新的位置，本身并不起冷端温度补偿作用。（2） 补偿导线用颜色表示极性，使用时务必注意电极的色标。（3） 常用的补偿导线 表3.1 常用补偿导线8热电偶名称 补偿导线工作端为100冷端为0时的标准电势 正极 负极材料 颜色 材料 颜色铂铑-铂10 铜 红 镍铜 白 0.640.03镍铬-镍硅（铝） 铜 红 康铜 白 4.100.15镍铬-考铜镍铬 褐绿 考铜 白 6.950.303.1.3 热电偶温度变送器 1、变送器的构成原理 图3.2 变送器的原理框图变送器是基于负反馈原理工作的，其构成原理如图3.2所示：它包括测量部分（即输入转换部分）、放大器和反馈部分。测量部分用以检测被测变量x，并将其转换成能被放大器接受的输入信号zi（电压、电流、位移、作用力或力矩等信号）。反馈部分则把变送器的输出信号y转换成反馈信号zf，再回送至输入端。zi与调零信号z0的代数和同反馈信号zf进行比较，其差值送入放大器进行放大，并转换成标准输出信号y。由变送器的构成原理图可求其输入输出关系为： y=k（cx+z0）/（1+kf）其中k为放大器的放大系数；f为反馈部分的反馈系数；c为测量部分的转换系数。当满足深度负反馈的条件kf1时，上式变为 y=（cx+z0）/f该式表明：在kf1的条件下，变送器输出与输入之间的关系取决于测量部分和反馈部分的特征，而与放大器的特性几乎无关，若转换系数和反馈系数为常数，则变送器的输出与输入将保持良好的线性关系4。2、量程调整、零点调整与迁移 讨论变送器涉及的另一个共性问题是量程调整、零点调整与迁移。 量程调整是为了使变送器输出信号的上限值ymax（即统一标准信号的上限值）与测量范围的上限值xmax相对应。量程调整相当于改变输入输出特性的斜率，可通过改变反馈系数f来实现。零点调整和零点迁移的目的都是为了是输出信号的下限值ymin（即统一标准信号的下限值）与测量范围的下限值xmin相对应。在xmin=0时为零点调整，xmin0时为零点迁移。即零点调整使变送器的测量起始点为零，而零点迁移则把测量起始点由零点迁移到某一数值（正值或负值）。当测量起点由零变为某一正值时称为正迁移，反之称为负迁移。零点迁移只是使变送器的输入输出特性曲线沿x轴左右平移斜率不变，可通过改变变送器的调零信号来实现。3、温度变送器 温度变送器与各种热电偶或热电阻配合使用，将信号转换成统一标准信号，作为指示、记录仪或调节器等的输入信号，以实现对温度变量的显示、记录和自动控制。温度变送器还可作为直流毫伏信号转换器来使用，以将其他能够转换成直流毫伏信号的工艺变量也变成相应的统一标准信号4。 温度变送器有两线制和四线制之分，各类变送器又有三个品种：直流毫伏变送器、热电偶温度变送器和热电阻温度变送器。前一种是将输入的直流毫伏信号转换成420ma直流电流或15v直流电压的统一标准信号。后两种则分别与热电偶和热电阻相配合将温度信号转换成统一标准信号输出。三种变送器在线路结构上都分为量程单元和放大单元两部分，它们分别设置在两块印刷电路板上，用接插件互相连接，其中放大单元是通用的，量程单元则要随品种、量程的不同而异。其结构方框图如图3.3所示： 图3.3 温度变送器的结构方框图框图中，空心箭头表示供电回路。毫伏输入信号ui或由测温元件送来的反映温度大小的输入信号et与桥路部分的输出信号uz及反馈信号uf相叠加，送入集成运算放大器。放大了的电压信号再由功率放大器和隔离输出电路转换成统一的420ma直流电流i0或15v直流电压u0输出4。4、热电偶温度变送器热电偶温度变送器的放大单元由集成运算放大器、功率放大器、直流-交流-直流变换器、隔离输出等部分组成。放大单元的作用是将量程单元输出的毫伏信号进行电压和功率放大输出统一的直流电流或直流电压。它的量程单元除包括零点调整、迁移，量程调整等温度变送器共有的功能元件外在其输入回路中增加了由铜电阻（该电阻的阻值在0时固定为50）组成的热电偶冷端温度补偿电路，反馈回路中增加了由运算放大器组成的线性化电路（线性化电路的作用是使热电偶温度变送器的输出信号与被测温度之间成线性关系）。 3.1.4 纪录仪 本次设计要用记录仪来显示电阻炉的升温曲线。使用前要检查记录仪走纸是否均匀无卡，漏墨是否正常。记录仪主要在设计前期的电阻炉温度特性测试实验中用到，用完后注意将记录笔头清洗干净以防止其堵塞。3.1.5 24v标准电源本设计中用到的ddz-型仪表都要用24v标准电源供电，用sfy-2110作为标准电源，其输入为220v交流电，可输出24v交流电压、24v直流电压及5a的直流电流。3.1.6 调压变压器本设计采用角行程的调压变压器，其功率为5kva，输入为220v交流电，输出0250v可调电压。3.1.7 pid调节器 调节器将来自变送器的测量值与给定值相比较后产生的偏差进行比例、积分、微分运算，并输出统一标准信号，去控制执行机构的动作，以实现对温度、压力、流量、液位及其他工艺变量的自动控制。调节器中最简单的一种是两位式调节器，其输出根据偏差信号的正负取0或100%两个输出状态中的一种，使用这种调节器的优点是执行器特别便宜，缺点是它的输出只有通、断两种状态，调节过程是必然一种不断上下变化的振荡状态，只能借助调节对象自身热惯性的滤波作用，使炉温的平均值接近于设定值，控制效果不好，只能应用于要求不高的场合。要使调节过程平稳准确，必须使用输出值能连续变化的调节器，并通过采用比例、积分、微分等算法提高调节质量。现代工业上使用的绝大多数是输出能连续变化的调节器4。调节器是对偏差信号进行比例、积分、微分等运算的装置，因此具有特定的传递函数。要精确实现某一传递函数，最方便的方法就是使用高增益的运算放大器，借助于深度负反馈，可使其闭环传递函数等于其输入回路与反馈回路传递函数之比，且系统的传递函数完全由输入和反馈回路的内容决定，与放大器本身的参数无关。目前使用的调节器都是采用这种方法构成的。用这种方法构成调节器是可使用标准运算放大器，只需改变输入或反馈电路的内容，便可获得不同的调节规律，生产出不同的调节器，给仪表制造带来很大的方便。调节器接受偏差信号后，按一定的运算规律输出控制信号，作用于被控对象，以消除扰动对被控变量的影响，从而使被控变量回到给定值上来。对象特性和调节器特性共同决定控制过程的控制品质，对象特性已由实验测得，调节器特性便由组成调节器的输入回路和反馈回路内容确定。3.1.8 饲服放大器，d型操作器，电动执行器饲服放大器、d型操作器和电动执行器共同组成控制系统的执行单元。执行单元又称执行器，一般由执行机构和调节机构组成。执行机构是指产生推力或位移的装置；调节机构又称调节阀，是直接改变能量或物料输送量的装置。执行器按其使用的能源可分为气动，电动和液动三类，设计中用到的是角行程的电动执行机构。下面对其进行简单介绍。电动执行机构有角行程和直行程两种，它将输入的直流电流信号线性的转换成位移量。这两种执行器均是以两相交流电机为动力的位置饲服机构，电气原理相同，只是减速器不同。角行程执行机构的输入信号为420ma，输入电阻为250，输出转矩：16、40、100、250、600、1600、4000、6000、10000n.m，输出轴转角90，全行程时间25s，基本误差2.5%，变量1.5%4。1、基本构成与工作原理角行程电动执行机构由饲服放大器和执行机构两大部分组成，其组成如图3.4所示：该执行机构适用于操纵蝶阀、挡板等转角式调节机构。饲服放大器将输入信号ii和反馈信号if相比较，所得差值信号经功率放大后，驱使两相饲服电机转动，再经减速器减速，带动输出轴改变转角。若差值为正，饲服电机正转，输出轴转角增大；当差值为负时，饲服电机反转，输出轴转角减小。输出轴转角位置经位置发送器转换成相应的反馈电流if，回送到饲服放大器的输入端，当反馈信号图3.4 电动执行机构方框图if与输入信号ii相平衡，即差值为零时，饲服电机停止转动，输出轴就稳定在与输入相对应的位置上4。2、饲服放大器饲服放大器由信号隔离器、综合放大电路、触发电路和固态继电器组成，它将来自调节器的电流信号和位置反馈信号进行综合比较，并将差值放大，以足够的功率去驱动饲服电机旋转。如图3.5所示： 图3.5 饲服放大器原理框图信号隔离器将输入信号、位置反馈信号与放大器电路进行相互隔离，其实质是一个是电流/电压转换电路，它把输入420ma电流转换成15v电压，送至综合放大电路。隔离器采用光电隔离集成电路，精度为0.1%0.25%，绝缘电阻大于50m。综合放大电路由集成运算放大器组组成，触发电路由比较器组组成，两者配合使用，以实现信号的转换和比较、触发继电器动作等功能。固态继电器是一个无触点功率大器件，由触发电路控制其功率输出，用以驱动饲服电机。3、执行机构执行机构由饲服电机、减速器和位置发送器三部分组成。它接受饲服放大器或操作器的输出信号，控制电机的正、反转，再经减速器减速后变成输出力矩去推动调节机构动作。与此同时，位置发送器将调节机构的角位移转换成相应的直流电流信号，用以指示阀位，并反馈到饲服放大器的输入端，去平衡输入电流信号。饲服电机的作用是将饲服放大器输出的电功率转换成机械转矩，并且当饲服放大器没有输出时，电机又能可靠的制动。由于执行机构工作频繁，经常处于启动工作状态，故要求电机具有低启动电流、高启动转矩的特性且有克服执行机构从静止到动作所需的足够力矩。这就是饲服电机与一般电机的不同之处4。减速器把饲服电机高转速、小力矩的输出功率转换成执行机构输出轴的低转速、大力矩的输出功率，以推动调节机构。在减速器的箱体上还装有手动部件，用来进行就地手动操作。操作时只需把手柄拉出，摇动手柄，减速器的输出轴就随之转动4。位置发送器的作用是将执行机构输出轴的转角（0 90）线性的转换成420ma的直流电流信号，用以指示阀位，并作为位置反馈信号if反馈到饲服放大器的输入端，以实现整机负反馈。其中差动变压器是位置发送器的主要部件，它将执行机构的位移线性的转换成电压输出。3.2 电阻炉温度特性测试实验实验说明：要设计一个控制系统，首先要建立控制系统的数学模型，而在建立控制系统数学模型的过程中，最主要是确定被控对象的数学模型。在本次设计中采用的是实验测定法中的时域测定法，即在被测对象的输入端加阶跃信号，在其输出端测绘出其输出量关于时间的变化曲线，然后通过对响应曲线的分析，确定被测对象的传递函数。实验目的：用热电偶及相关设备测试管式电阻炉的温度特性； 熟悉各实验设备的工作原理及组成结构；实验设备：调压变压器 管式电阻炉 s型热电偶 热电偶温度变送器 记录仪 24v标准电源实验原理：该实验通过调压变压器将220v的交流电转换成不同伏值的电压为管式电阻炉提供电源，热电偶所测的电阻炉在不同伏值供电电压下的温度由热电偶温度变送器转换使其在“1-5v”范围内线性输出，记录仪用来实时绘制电阻炉的温度特性曲线，热电偶温度变送器和记录仪均由24v标准电源供电实验原理如图3.6所示： 图3.6 电阻炉温度特性测试试验框图实验内容及步骤： 按实验接线端子图接线，注意正负极性。 2将24v标准电源的开关打开，调整温度变送器的调零电位器和量程电位器，使温度变送器的输出在量程范围内与所测温度成线性关系。多次调试以达到最佳效果。 3调整记录仪使其走纸匀滑无卡，喷墨均匀。 4调压变压器指针调至22v，既20v交流电作电阻炉的供电电压，观察电阻炉的升温情况，记录仪实时的绘制电阻炉的温度特性曲线至稳定状态5将调节变压器指针调至40v，既在20v供电电压所达稳定状态上加一个20v至40v的阶跃信号，观察并记录到新的稳定状6. 将调节变压器指针调至60v，既在40v供电电压所达稳定状态上加一个40v至60v的阶跃信号，观察并记录到新的稳定状态7. 将调节变压器指针调至80v，既在60v供电电压所达稳定状态上加一个60v至80v的阶跃信号，观察并记录到新的稳定状态8分析实验数据3.3 实验数据分析本设计所用管式电阻炉为双容对象。由于被加热物体放在炉管内，而磁管又有热阻，它将炉膛隔开，电阻丝加热炉膛，温度为t1；热量经磁管再传到管内腔，被加热的工件置于内腔其温度为t2。炉温t1按指数曲线上升，而t2的变化还要受磁管热阻的影响，即t2一开始升温较慢，只有等磁管上积蓄的热量多了，t2升温速度才会加快，而后由于自衡的作用，升温速度又逐渐减慢，飞升曲线就呈s形 。如图3.7所示：图3.7 单容与双容对象温度特性曲线下面介绍一下二阶系统的s形飞升曲线的分析方法，并用该方法对实验测得的电阻炉温度特性曲线进行分析。对于s形的实验飞升曲线，规定其传递函数按g（s）=k/t1t2s+（t1+t2）s+1式（3.1）或g（s）=k/（ts+2ts+1）*式（3.2）来近似，前者相当于过阻尼的二阶环节（传递函数的分母有两个实根-1/t1及-1/t2），后者为阻尼系数为1的有纯滞后的二阶环节。在生产实际中，多数对象的飞升曲线都是过阻尼的，因此该方法适用于大批的工业对象。现讲述如下：对于式（3.1），在零初始条件下，当输入x（t）作阶跃变化，阶跃变量为x时，它的解为y（t）=kx（1-（t1 ）/（t1-t2）+（t2） /（t1-t2）式（3.3）用无因式表示y（t）=y（t）/kx=（1-（t1）/（t1-t2）+（t2）/（t1-t2）式（3.4）由式（3.4）可知，为了求y（t）的值，应先确定两个时间常数t1和t2，而这就要建立两个方程。在式（3.4）中引入时间无因次量t=t/2t；t1=t1/2t；t2=t2/2t其中2t=t1+t2，即可化为y（t）=1-(t1)/(t1-t2)+(t2)/(t1-t2)式（3.5）注意：t1=1/2+（t1-t2）/2；t2=1/2-（t1-t2）/2。可见式（3.5）表达了y（t），t，和t1-t2之间的关系。令y（t）=0.7，则在式（3.5）中只剩t和t1-t2两个参量。因为t1-t2=（t1-t2）/（t1+t2），所以| t1-t2|1。当（t1-t2）在01之间取值时，可算出与之相对应的t7，结果如图3.8所示：这里令t1-t2=。分析图3.8可以发现，当y（t）=0.7时，t7的值在1.2附近变动。如果令t7=1.2，则由此带来的误差为（1.22-1.20）/1.20=1.7%，这在工程上是允许的。这样，就得到寻求时间常数t1，t2的第一个关系式 2t=t1+t2=t/tt7/1.2 即 t=t7/2.4式（3.6）图3.8 t7与2关系图 其次，在式（3.5）中，令t=t4=0.4便可确立y（t）与t1-t2之间的关系，如图3.9所示： 图3.9 y4与2的关系图这是寻求时间常数t1、t2的第二个关系式。在同一图中还画有t=t8=0.8及t=t20=2时的曲线y8（t）和y20（t），这两条曲线可供检验数据处理结果之用。经上述分析之后，可将确定典型二阶方程参数的步骤简述如下：实验求得飞升曲线后，先按式k=y（）/x和式y（t）=y（t）/kx求出放大倍数k和无因次的飞升曲线y（t），然后根据y（t）来求t1及t2或t及。根据y（t）=0.7求得与之对应的t7，再算出t4=（2t）t4=t7*t4/1.2=t7/3对应于t4从飞升曲线上找到y4的数值。根据y4的数值分三种情况处理：若0.191y40.33，则采用式（3.1）的过阻尼二阶环节来近似，这时还要计算两个未知参数t1及t2。计算时需要借助图3.8的曲线。为了算t1及t2，首先求出t=t7/2.4，再由图3.9的曲线和y4的值求得对应的的值进而求，最后用公式t1=（1+）t；t2=（1-）t式（3.7）来计算时间常数t1及t2。至此就求得了近似传递函数（3.1）式的各参数。为了对此传递函数进行校验，可以检查它的几个点，在校验时仍需用到图3.9的曲线，实验结果与计算结果在t=0，t=t4，t=t7时是重合的，在t8=0.8（t1+t2）和t20=2（t1+t2）两点可按图3.8查出y8与y20的值，且与实验曲线上的值相比较作为校验。若数值相近，则认为这样的近似是合理的。若y40.191，则采用（3.2）式的带纯滞后的二阶环节近似，这时要计算的两个未知参数是t和。先令y=0.7及y=0.191在y（t）曲线上找到相应的时间t7及t2的值，然后按公式=（3t2-t7）/2；t=（t7-）/2.4来计算纯滞后及时间常数t。至此，传递函数（3.2）式就确定了。为了校验，计算结果应在y=0，y=0.191及y=0.7处与实验曲线重合，可按t=1.6t+时y=0.48及t20=4t+时y=0.91与实验所得飞升曲线相比较。图3.10 s形飞升曲线若y40.33，则应用g（s）=k /（ts+1）来描述传递函数的特性。此时该环节作为有纯滞后的一阶惯性环节来处理。如图3.10所示s形飞升曲线，在变化速度最快处作一切线，它的斜率m就是最快的速度（dy/dt）m，并从与时间轴的交点得出滞后时间。同时记下输入阶跃变化量x和y的最终变变量y（）。然后用下列式子求k及t k=y（）/x；t=y（）/（dy/dt）m这种处理方法极为简单但准确性不高，再介绍一种比较准确的方法：求稳态放大系数k的式子不变，在计算时间常数t及纯滞后时，将y（t）曲线修改成无因次的飞升曲线y（t）为y（t）=y（t）/kx=y（t）/y（）对于有滞后的一阶非周期环节来说，在阶跃作用下的解为y（t）=0 （tt1，对上式联立求解可得=t2ln1-y（t1）-t1ln1-y（t2）/ln1-y（t1）ln1-y（t2） ；t=t1-/ln1-y（t1）=-（t2-）/ln1-y（t2）可以看出，由t1t2及对应飞升曲线上的两个值y（t1）及y（t2）求得t及。若选择y（t1）=0.39，y（t2）=0.63则可得 =2t1-t2；t=2（t1-t2）对于计算结果，可在t3 y（t3）=0t4=0.8t+ y（t4）=0.55t5=2t+ y（t5）=0.87这几个时间上，对飞升曲线进行校验1。由飞升曲线确定传递函数的方法介绍完毕，下面将用该方法对实验所得数据加以处理。如图3.11所示电阻炉温度特性曲线：图3.11 电阻炉温度特性曲线我们只截取其中的一部分，以700013000s之间的曲线（我们要求的控制温度400处于这一段内）为例。首先将实验所得飞升曲线化为无因次飞升曲线y（t）。如图3.12所示： 图3.12 电阻炉温度无因次飞升曲线根据无因次飞升曲线，求出与y=0.7相对应的t7 = 3500s于是得t4 = t7/3 = 1167s再从图3.9中找到对应于t4的y4 y4 = 0.25由于所得y4满足不等式0.191y4 0.33故用无滞后的二阶环节的传递函数式（3.1）来近似，这时根据式（3.6）可得 t = t7/2.4 =1458s查图3.9可知y4=0.25时， =0.52 即 =0.72 ，于是按式（3.7）可求出 t1 =（1+）t = 2508s ；t2 =（1-）t = 408s k = y（）/x = 510/20 = 25.5 g（s）=k/（t1t2s+（t1+t2）s+1）=25.5/（1023264s+2916s+1） 表（3.1）表明实验值与计算值很接近，所以计算结果是合理的。 表3.1实验飞升曲线与计算结果 t（s）y01167233335005832实验值00.250.500.700.95计算值00.250.510.700.94第四章 pid控制4.1 pid控制概述在工程实际中，应用最广泛的调节控制规律为比例、积分、微分控制，简称pid控制，又称pid调节。pid控制器问世至今已有近70年历史，无论是电动式还是气动式仪表都经历了、及型几个改进阶段，以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其他技术难以采用，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调节来确定，这时应用pid控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用pid控制技术。但pid不具有在线自整定功能且在控制非线性、时变、耦合及参数和结构不确定的复杂过程时，控制效果也不是很好。现代控制系统多将pid控制与其他技术相结合以达到最佳控制效果，设计中没有涉及这里就不再赘述。pid控制，实际也有pi和pd控制。pid控制器就是根据系统误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。下面就各种控制环节的特点加以说明：比例（p）控制比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。积分（i）控制在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差则这个系统是有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取关于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推