1、第1章 課程設(shè)計(jì)的方案1.1 概述在產(chǎn)品的工藝加工過程中，溫度有時(shí)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響很大，溫度檢測(cè)和控制是十分重要的。例如在砂漿工藝中，使?jié){液的溫度保持恒定值，對(duì)保持漿液粘度和濃度不變，進(jìn)行均勻上漿是十分重要的，這就需要對(duì)加熱介質(zhì)的溫度進(jìn)行連續(xù)的測(cè)量和控制；另外，由于砂漿機(jī)中蒸氣壓力和卷繞速度的變化使烘干溫度變化很大，因此，測(cè)量和控制烘筒的溫度非常重要。加熱爐是煉油、化工生產(chǎn)中的重要裝置之一，它的任務(wù)是把原料油加熱到一定溫度，以保證下道工序的順利進(jìn)行。在冶金工業(yè)中，加熱爐內(nèi)的溫度控制直接關(guān)系到所冶煉金屬的產(chǎn)品質(zhì)量的好壞，溫度控制不好，將給企業(yè)帶來不可彌補(bǔ)的損失。為此，可靠的溫度的監(jiān)控在工業(yè)中是十

2、分必要的。加熱爐是鋼鐵企業(yè)熱軋生產(chǎn)過程的關(guān)鍵設(shè)備之一，其性能直接影響到加熱爐的能耗和最終鋼材產(chǎn)品質(zhì)量鋼坯成材率、軋機(jī)設(shè)備壽命以及整個(gè)主軋線的有效作業(yè)率加熱爐控制系統(tǒng)對(duì)加熱爐的控制系統(tǒng)來講占有很重要的地位，它對(duì)于坯料加熱溫度的均勻，溫度控制的準(zhǔn)確，合理進(jìn)行燃燒，節(jié)約燃料，減少有害氣體對(duì)環(huán)境的污染都有重要意義單回路控制系統(tǒng)解決了大量的定值控制問題。隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模越來越大，復(fù)雜程度越來越高，產(chǎn)品質(zhì)量要求也越來越高，簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足這些要求。前饋串級(jí)控制系統(tǒng)是工業(yè)生產(chǎn)中很常見的一種系統(tǒng)，它將前饋控制和反饋控制結(jié)合起來，組成前饋反饋復(fù)合控制系統(tǒng)。這樣既發(fā)揮了前饋控制即使克服主要干擾被控參數(shù)

3、影響的優(yōu)點(diǎn)，又保持了反饋控制能抑制各種干擾的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也降低了對(duì)前饋控制器的要求，便于工程上的實(shí)現(xiàn)。 第2章 課程設(shè)計(jì)方案論證2.1方案選定2.1.1 簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)加熱爐是煉油、化工生產(chǎn)中的重要裝置之一，它的任務(wù)是把原料油加熱到一定溫度，以保證下道工序的順利進(jìn)行。因此，常選原料油出口溫度為被控參數(shù)、燃料流量為控制變量，構(gòu)成如圖2.1所示的溫度控制系統(tǒng)。影響原料油出口溫度的干擾有原料油流量、原料油入口溫度、燃料壓力、燃料壓力等。該系統(tǒng)根據(jù)原料油出口溫度變化來控制燃料閥門開度，通過改變?nèi)剂狭髁繉⒃统隹跍囟瓤刂圃谝?guī)定的數(shù)值上，是一個(gè)簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)。圖2.1 加熱爐出口單回路溫度控制系統(tǒng)由圖2.1可知

4、，當(dāng)燃料壓力或燃料熱值變化時(shí)，先影響爐膛溫度，然后通過傳熱過程逐漸影響原料油的出口溫度。從燃料流量變化經(jīng)過三個(gè)容量后，才引起原料油出口溫度變化，這個(gè)通道時(shí)間常數(shù)很大，約有15min，反應(yīng)緩慢。而溫度控制器是根據(jù)原料油的出口溫度與設(shè)定值的偏差進(jìn)行控制。當(dāng)燃料部分出現(xiàn)干擾后，圖2.1所示的控制系統(tǒng)并不能及時(shí)產(chǎn)生控制作用，克服干擾對(duì)被控參數(shù)的影響，控制質(zhì)量差。當(dāng)生產(chǎn)工藝對(duì)原料油出口溫度要求嚴(yán)格時(shí)，上述簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)很難滿足要求。燃料在爐膛燃燒后，首先引起爐膛溫度變化，再通過爐膛與原料油的溫差將熱量傳給原料油，中間還要經(jīng)過原料油管道管壁。顯然，燃料量變化或燃料熱值變化，首先使?fàn)t膛溫度發(fā)生改變。如果以爐膛

5、溫度作為被控參數(shù)組成單回路控制系統(tǒng)，會(huì)使控制通道容量滯后減少，時(shí)間常數(shù)約為3min，對(duì)來自燃料的干擾、的控制作用比較及時(shí)，對(duì)應(yīng)的控制系統(tǒng)如圖2.2所示。但問題是爐膛溫度畢竟不能真正代表原料油出口溫度，即使?fàn)t膛溫度恒定，原料油本身的流量或入口溫度變化仍會(huì)影響原料油出口溫度，這是因?yàn)閬碜栽嫌偷母蓴_、并沒有包含控制系統(tǒng)（反饋回路）之內(nèi)，控制系統(tǒng)不能克服、對(duì)原料油出口溫度的影響，控制效果仍達(dá)不到生產(chǎn)工藝要求。圖2.2 加熱爐爐膛溫度控制系統(tǒng)2.1.2 前饋-串級(jí)控制系統(tǒng)如果將上面兩種控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)溫度控制器對(duì)被控參數(shù)的精確控制、溫度控制器對(duì)來自燃料的干擾、的及時(shí)控制結(jié)合起來，先根據(jù)爐膛溫度的變化，改

6、變?nèi)剂狭浚焖傧齺碜匀剂系母蓴_、對(duì)爐膛溫度的影響；然后再根據(jù)原料油出口溫度與設(shè)定值的偏差，改變爐膛溫度控制器的設(shè)定值，進(jìn)一步控制燃料量，以保持原料油出口溫度恒定，這樣就構(gòu)成了以原料油出口溫度為主要被控參數(shù)，以爐膛溫度為輔助被控參數(shù)的串級(jí)控制系統(tǒng)。在以這個(gè)串級(jí)控制系統(tǒng)作為反饋回路，將前饋和反饋相加的信號(hào)作為爐膛溫度控制器的設(shè)定值，組成相加型前饋和串級(jí)反饋的控制系統(tǒng)。這樣干擾、對(duì)原油出口溫度的影響主要由爐膛溫度控制器（構(gòu)成的控制回路進(jìn)行校正；由原料油出口溫度控制器）構(gòu)成的控制回路克服干擾、對(duì)原料油出口溫度的影響，并對(duì)其他干擾所引起的的偏差進(jìn)行校正。綜上所述，由于加熱爐動(dòng)態(tài)性復(fù)雜，存在多種擾動(dòng)，簡(jiǎn)

7、單控制系統(tǒng)難以滿足控制要求，所以采用前饋-串級(jí)控制系統(tǒng)。第3章 加熱爐前饋-串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和器件選擇前饋-串級(jí)控制系統(tǒng)的串級(jí)系統(tǒng)采用兩套檢測(cè)變送器和兩個(gè)控制器，前一個(gè)控制器的輸出作為后一個(gè)控制器的設(shè)定，后一個(gè)控制器的輸出送往控制閥。前一個(gè)控制器稱為主控制器，它所檢測(cè)和控制的變量稱主變量（主被控參數(shù)），即工藝控制指標(biāo)；后一個(gè)控制器稱為副控制器，它所檢測(cè)和控制的變量稱副變量（副被控參數(shù)），是為了穩(wěn)定主變量而引入的輔助變量。串級(jí)部分包括兩個(gè)控制回路，主回路和副回路。副回路由副變量檢測(cè)變送、副控制器、控制閥和副過程構(gòu)成；主回路由主變量檢測(cè)變送、主控制器、副控制器、控制閥、副過程和主過程構(gòu)成。前饋串

8、級(jí)控制系統(tǒng)的前饋系統(tǒng)采用一個(gè)控制器和一個(gè)變送器，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，立即將其測(cè)量出來，通過前饋控制器，根據(jù)擾動(dòng)量的大小改變控制變量，以抵消擾動(dòng)對(duì)被控參數(shù)的影響。圖3.1加熱爐出口溫度前饋-串級(jí)控制系統(tǒng)主控制器副控制器器控制閥爐膛壁管原料油溫度變送器2溫度變送器1f3,f4f1,f2前饋控制器溫度變送器圖3.2加熱爐出口溫度前饋-串級(jí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖3.1前饋-串級(jí)控制系統(tǒng)的串級(jí)系統(tǒng)一、 主回路設(shè)計(jì) 主回路設(shè)計(jì)就是確定被控參數(shù)，根據(jù)被控參數(shù)與生產(chǎn)過程的關(guān)系，被控參數(shù)的選擇通常有兩種方法。一種是選擇能直接返應(yīng)生產(chǎn)過程中產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量，易于測(cè)量的參數(shù)作為被控參數(shù)，稱為直接參數(shù)法。但有時(shí)由于缺乏檢測(cè)直接

9、反映產(chǎn)品質(zhì)量參數(shù)的有效手段，無法對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量參數(shù)進(jìn)行直接檢測(cè)，這時(shí)可以選擇與質(zhì)量指標(biāo)有單值對(duì)應(yīng)關(guān)系、易于測(cè)量的變量作為被控參數(shù)，間接反映產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)過程的實(shí)際情況。二、 副回路的設(shè)計(jì)與副參數(shù)的選擇副回路的選擇是確定副回路的被控參數(shù)，串級(jí)系統(tǒng)的特點(diǎn)主要來源于它的副回路，副回路的參數(shù)選擇一般應(yīng)遵行下面幾個(gè)原則：（1）主、副參數(shù)有對(duì)應(yīng)關(guān)系。即通過調(diào)整副參數(shù)能有效地影響主參數(shù)，副參數(shù)的變化應(yīng)反映主參數(shù)的變化趨勢(shì)、并在很大程度上影響主參數(shù)；其次，選擇的副參數(shù)必須是物理上可測(cè)的；另外，由副參數(shù)所構(gòu)成的副回路，控制通道盡可能短，控制過程時(shí)間常數(shù)不能太大，時(shí)間滯后小，以便使等效過程時(shí)間常數(shù)顯著減小，提高整個(gè)系

10、統(tǒng)的工作頻率，加快控制過程反應(yīng)速度，改善系統(tǒng)控制品質(zhì)。（2）副參數(shù)的選擇必須使副回路包含變化劇烈的主要干擾，并盡可能多包含一些干擾。 在選擇副參數(shù)時(shí)一定要把主要干擾包含在副回路中，并力求把更多的干擾包含在副回路中，但也不是副回路包含的干擾越多越好，因?yàn)楦被芈钒母蓴_越多，其控制通道時(shí)間常數(shù)必然越大，響應(yīng)速度變慢，副回路快速克服干擾的能力將受到影響。所以在選擇副參數(shù)時(shí)，應(yīng)在副回路反應(yīng)靈敏與包含較多干擾之間進(jìn)行合理的平衡。（3）副參數(shù)的選擇應(yīng)考慮主、副回路中控制過程的時(shí)間常數(shù)的匹配，以防“共振”的發(fā)生。在串級(jí)控制系統(tǒng)中，主、副回路中控制過程的時(shí)間常數(shù)不能太接近，一方面是為了保證副回路具有較快的反

11、應(yīng)能力，另一方面由于在串級(jí)控制系統(tǒng)中，主、副會(huì)理密切相關(guān)，如果主、副回路中的時(shí)間常數(shù)比較接近，系統(tǒng)一旦受到干擾，就有可能產(chǎn)生“共振”，使控制質(zhì)量下降，甚至使系統(tǒng)因震蕩而無法工作。在選擇副參數(shù)時(shí)，應(yīng)注意使主、副回路中控制過程的時(shí)間常數(shù)之比為310，以減少主、副回路的動(dòng)態(tài)聯(lián)系、避免“共振”。（4）應(yīng)注意工藝上的合理性和經(jīng)濟(jì)性。三、主、副控制器控制規(guī)律的選擇 在串級(jí)控制系統(tǒng)中，主，副控制器起的作用不同。主控制器起定值控制作用，副控制器起隨動(dòng)控制作用，這是選擇控制器規(guī)律的基本出發(fā)點(diǎn)。主被控參數(shù)是工藝操作的主要指標(biāo)，允許波動(dòng)范圍很小，一般要求無靜差，因此，主控制器應(yīng)選PI或PID控制規(guī)律。副被控參數(shù)的設(shè)

12、置是為了克服主要干擾對(duì)主參數(shù)的影響，因而可以允許在一定范圍的變化，并允許有靜差。為此，副控制器選擇P控制規(guī)律。四、主、副控制器正、反作用方式的確定在串級(jí)控制系統(tǒng)中，主、副控制器正、反作用方式的選擇原則是使整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成負(fù)反饋。串級(jí)控制系統(tǒng)中，主、副控制器的正反作用的選擇方法是：首先根據(jù)工藝要求決定控制閥的氣開、氣關(guān)形式，并決定副控制器的正反作用;然后再依據(jù)主、副過程的正、反形式最終確定主控制器的正、反作用方式。由圖3.2可以得到，從生產(chǎn)工藝安全出發(fā)，燃料油控制閥選用氣開式，即一旦出現(xiàn)故障或氣源斷氣，控制閥應(yīng)完全關(guān)閉，切斷燃料油進(jìn)入加熱爐，確保設(shè)備安全。對(duì)于副控制器，當(dāng)爐膛溫度升高時(shí)，測(cè)量信號(hào)增大

13、、為保證副回路為負(fù)反饋，此時(shí)控制閥應(yīng)關(guān)小，要求副控制器輸出信號(hào)減小。按照測(cè)量信號(hào)增大，輸出信號(hào)減小的原則要求，副控制器應(yīng)為反作用方式。對(duì)于主控制器，當(dāng)副參數(shù)升高時(shí)，主參數(shù)也升高，故主控制器應(yīng)為反作用方式。五、前饋-串級(jí)控制系統(tǒng)的串級(jí)系統(tǒng)的控制過程 1、主被控變量：加熱爐出口溫度 2、副被控變量：爐膛溫度 3、控制閥：從安全角度考慮，選擇氣開控制閥，0。 4、副被控對(duì)象：控制閥打開，燃料油流量增加，爐膛溫度升高，因此，0。 5、副控制器：為保證負(fù)反饋，應(yīng)滿足0。因0,應(yīng)選0,即選擇反作用控制器。 6、主被控對(duì)象：當(dāng)爐膛溫度升高時(shí)，出口溫度升高，因此，0。 7、主控制器：為保證負(fù)反饋，應(yīng)滿足0。因

14、0,應(yīng)選0。即選用反作用控制器。 8、主控方式更換：由于副控制器是反作用控制器，因此，主控制器從串級(jí)切換到主控制時(shí)，主控制器的作用方式不更換，保持原來的反作用方式。該串級(jí)控制系統(tǒng)的控制過程如下： 當(dāng)擾動(dòng)或負(fù)荷變化使?fàn)t膛溫度升高時(shí)，因副控制器是反作用，因此，控制器輸出減小，控制閥是氣開型，從而控制閥開度減小，燃料量減小，使?fàn)t膛溫度下降；同時(shí)，爐膛溫度升高，使出口溫度升高，通過反作用的主控制器，使副控制器的設(shè)定降低，通過副控制回路的控制，減小燃料量，減低爐膛溫度，進(jìn)而降低出口溫度，以保持出口溫度恒定。3.2 前饋-串級(jí)控制系統(tǒng)的前饋系統(tǒng)一、前饋控制系統(tǒng)的原理加入前饋控制器后，從干擾F(s)到被控參

15、數(shù)Y(s)之間存在兩個(gè)通道：一個(gè)是通過干擾通道傳遞函數(shù)為去影響被控參數(shù)Y(s)，另一個(gè)是經(jīng)過測(cè)量環(huán)節(jié)FT,傳遞函數(shù)為, 和前饋控制器FC,傳遞函數(shù)為及控制閥傳遞函數(shù)為，產(chǎn)生控制作用，再經(jīng)過控制通道傳遞函數(shù)為去影響輸出量Y(s)。干擾F(s)對(duì)被控參數(shù)Y(s)影響：如果要F(s)對(duì)被控參數(shù)Y(s)沒有影響，可以得到完全抵消的條件為：即：二、前饋控制系統(tǒng)的通用模型按照不變性條件，求得前饋控制器的傳遞函數(shù)表達(dá)式，即： （1）實(shí)踐證明，很多工業(yè)過程都有過阻尼特性，因此，常常將被控過程的控制通道和擾動(dòng)通道用一階或二階的容量滯后模型來近似，必要時(shí)串聯(lián)一個(gè)純滯后環(huán)節(jié)，即： （2） （3）將式（2）和式（3）

16、代入（1）得到：參數(shù)取不同值時(shí)，可獲得不同特性的前饋控制器。3.3 主、副控制器選用以單片機(jī)89C51為控制器，將溫度傳感器得到的微弱電信號(hào)，經(jīng)儀表放大器放大后，送入轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)化結(jié)束后，89C51讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，當(dāng)爐溫低于設(shè)定溫度時(shí)，啟動(dòng)加熱控制部件，使?fàn)t溫升高，以滿足現(xiàn)場(chǎng)要求當(dāng)爐溫高于設(shè)定溫度時(shí)，實(shí)時(shí)地切斷加熱源采用單片機(jī)來對(duì)爐溫實(shí)時(shí)控制不僅具有控制方便簡(jiǎn)單和靈活性大的特點(diǎn)，而且提高了爐溫控制精度的技術(shù)要求，從而大大提高了產(chǎn)品的質(zhì)量DDZ-III型儀表采用了集成電路和安全火花型防爆結(jié)構(gòu)，提高了儀表精度、儀表可靠性和安全性，適應(yīng)了大型化工廠、煉油廠的防爆要求。III型儀表具有以下主要特點(diǎn)：（1）

17、采用國際電工委員會(huì)（IEC）推薦的統(tǒng)一信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)場(chǎng)傳輸信號(hào)為DC420mA，控制室聯(lián)絡(luò)信號(hào)為DC15V，信號(hào)電流與電壓的轉(zhuǎn)換電阻為250。（2）廣泛采用集成電路，儀表的電路簡(jiǎn)化、精度提高、可靠性提高、維修工作量減少。（3）整套儀表可構(gòu)成安全火花型防爆系統(tǒng)。DDZ-III型儀表室按國家防爆規(guī)程進(jìn)行設(shè)計(jì)的，而且增加了安全柵，實(shí)現(xiàn)了控制室與危險(xiǎn)場(chǎng)所之間的能量限制于隔離，使儀表能在危險(xiǎn)的場(chǎng)所中使用。DDZ-III型PID控制器的結(jié)構(gòu)框圖如圖3.3。主要由輸入電路、給定電路、PID運(yùn)算電路、手動(dòng)與自動(dòng)切換電路、輸出電路和指示電路組成。 控制器接收變送器送來的測(cè)量信號(hào)(DC420mA或DC15V），在輸

18、入電路中與給定信號(hào)進(jìn)行比較，得出偏差信號(hào)，然后在PD與PI電路中進(jìn)行PID運(yùn)算，最后由輸出電路轉(zhuǎn)換為420mA直流電流輸出。內(nèi)給定電路給定值指示輸入電路PD電路內(nèi)給定測(cè)量值指示軟手動(dòng)電路PI電路輸出電路輸出指示硬手動(dòng)電路圖3.3 DDZ-III型控制器結(jié)構(gòu)框圖3.4 主、副電路檢測(cè)器和變送器的確定一、溫度檢測(cè)器熱電偶作為溫度傳感元件，能將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)勢(shì)（mV）信號(hào)，配以測(cè)量毫伏的指示儀表或變送器可以實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量指示或溫度信號(hào)的轉(zhuǎn)換。具有穩(wěn)定、復(fù)現(xiàn)性好、體積小、響應(yīng)時(shí)間較小等優(yōu)點(diǎn)、熱電偶一般用于500C以上的高溫，可以在1600C高溫下長期使用。熱電阻也可以作為溫度傳感元件。大多數(shù)電阻的

19、阻值隨溫度變化而變化，如果某材料具備電阻溫度系數(shù)大、電阻率大、化學(xué)及物理性能穩(wěn)定、電阻與溫度的關(guān)系接近線性等條件，就可以作為溫度傳感元件用來測(cè)溫，稱為熱電阻。熱電阻分為金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱敏電阻兩類。大多數(shù)金屬熱電阻的阻值隨其溫度升高而增加，而大多數(shù)半導(dǎo)體熱敏電阻的阻值隨溫度升高而減少。副回路中的溫度變送器2檢測(cè)的是爐膛的溫度，一般較高，故選擇熱電偶；主電路的溫度變送器1則檢測(cè)的是原料油的出口溫度，溫度較低，選擇熱電阻即可。在使用熱電偶時(shí)，由于冷端暴露在空氣中，受周圍環(huán)境溫度波動(dòng)的影響，且距熱源較近，其溫度波動(dòng)也較大，給測(cè)量帶來誤差，為了降低這一影響，通常用補(bǔ)償導(dǎo)線作為熱電偶的連接導(dǎo)線。補(bǔ)償導(dǎo)

20、線的作用就是將熱電偶的冷端延長到距離熱源較遠(yuǎn)、溫度較穩(wěn)定的地方。用補(bǔ)償導(dǎo)線將熱電偶的冷端延長到溫度比較穩(wěn)定的地方后，并沒有完全解決冷端溫度補(bǔ)償問題，為此還要采取進(jìn)一步的補(bǔ)償措施。具體的方法有：查表法、儀表零點(diǎn)調(diào)整法、冰浴法、補(bǔ)償電橋法以及半導(dǎo)體PN結(jié)補(bǔ)償法。采用熱電阻法測(cè)量溫度時(shí)，一般將電阻測(cè)溫信號(hào)通過電橋轉(zhuǎn)換成電壓，當(dāng)熱電阻的連接導(dǎo)線很長時(shí)，導(dǎo)線電阻對(duì)電橋的影響不容忽視。為了消除導(dǎo)線電阻帶來的測(cè)量誤差，不管熱電阻和測(cè)量一邊之間的距離遠(yuǎn)近，必須使導(dǎo)線電阻的阻值符合規(guī)定的數(shù)值，如果不足，用錳銅電阻絲湊足。同時(shí)，熱電阻必須用三線接法，熱電阻用三根導(dǎo)線引出，一根連接電源，不影響橋路的平衡，另外兩根被

21、分別置于電橋的兩臂內(nèi)，使引線電阻值隨溫度變化對(duì)電橋的影響大致抵消。二、 溫度變送器檢測(cè)信號(hào)要進(jìn)入控制系統(tǒng)，必須符合控制系統(tǒng)的信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)。變送器的任務(wù)就是將檢測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出。因此，熱電偶和熱電阻的輸出信號(hào)必須經(jīng)溫度變送器轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)后，才能進(jìn)入控制系統(tǒng)，與控制器等其他儀表配合工作。圖3.4給出了溫度變送器的原理框圖，雖然溫度變送器有多個(gè)品種、規(guī)格，以配合不同的傳感元件和不同的量程需要，但他們的結(jié)構(gòu)基本相同。傳感元件輸入電路放大電路反饋電路+電量輸出電流圖3.4 溫度變送器原理框圖 MAT-TT系列一體化溫度變送器是熱電阻、熱電偶與變送器的完美結(jié)合，以十分簡(jiǎn)捷的方式把-2001300的溫

22、度信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)420mA電流信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度精確測(cè)量與控制。 MAT-TT系列溫度變送器可與顯示儀、控制系統(tǒng)、記錄儀等調(diào)節(jié)器配套使用，并被廣泛應(yīng)用于石油、化工、發(fā)電醫(yī)藥、紡織、鍋爐等工業(yè)領(lǐng)域。 儀表主要特點(diǎn)： 溫度模塊內(nèi)部采用環(huán)氧樹脂澆注工藝，適應(yīng)于各種惡劣和危險(xiǎn)場(chǎng)所使用。冷端、溫漂、非線形自動(dòng)補(bǔ)償。液晶、數(shù)碼管、指針等多種指示功能方便現(xiàn)場(chǎng)適時(shí)監(jiān)控。技術(shù)指標(biāo)： (1)基本誤差：1.0%、0.5%、0.25% 二線制輸出、無需補(bǔ)償導(dǎo)線。 (2)輸出信號(hào)：420mA 抗干擾能力強(qiáng)、遠(yuǎn)傳性能好。 (3)負(fù)載電阻：250允許范圍為0500 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、合理安裝方便。 (4)供電電源：24V DC 允許范

23、圍為1830VDC 小型化、安全可靠、使用壽命長。 (5)溫度漂移：0.015%/ 三線制、二線制輸入方法通用。(6)環(huán)境溫度：-2560、相對(duì)濕度：95% 液晶顯示現(xiàn)場(chǎng)溫度，清晰度高，無視覺誤差。3.5 控制閥的確定 由前文得，從生產(chǎn)工藝安全出發(fā)，燃料油控制閥選用氣開式，即一旦出現(xiàn)故障或氣源斷氣，控制閥應(yīng)完全關(guān)閉，切斷燃料油進(jìn)入加熱爐，確保設(shè)備安全為了保證。控制閥按其工作能源形式可分為氣動(dòng)、電動(dòng)和液動(dòng)三類。氣動(dòng)控制閥用壓縮空氣作為工作能源，主要特點(diǎn)是能在易燃易爆環(huán)境中工作，廣泛地應(yīng)用于化工、煉油等生產(chǎn)過程中；電動(dòng)控制閥用電源工作，其特點(diǎn)是能源取用方便，信號(hào)傳遞迅速，但難以在易燃易爆環(huán)境中工作

24、；液動(dòng)控制閥用液壓推動(dòng)，推力很大，一般生產(chǎn)過程中很少使用。故本設(shè)計(jì)采用了氣動(dòng)控制閥，且為氣開形式。HY系列氣動(dòng)閥采用國產(chǎn)或進(jìn)口精小型氣缸或氣動(dòng)執(zhí)行器與國產(chǎn)或臺(tái)灣產(chǎn)優(yōu)質(zhì)蝶閥或球閥組合而成，其以壓縮空氣為動(dòng)力，帶動(dòng)閥芯旋轉(zhuǎn)90以實(shí)現(xiàn)快速啟閉目的，可廣泛應(yīng)用于石油、化工、制藥、污水處理等行業(yè)中的自動(dòng)控制系統(tǒng)。 HYQQF-L系列特別適用于防爆危險(xiǎn)場(chǎng)所及現(xiàn)場(chǎng)工況需要啟閉頻繁速度快，密封要求高的自控制場(chǎng)所，其作用形式可分為單作用和雙作用兩種控制方式。單作用式的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)是一旦動(dòng)力源發(fā)生故障，球閥將控制系統(tǒng)的要求自動(dòng)處于關(guān)閉或開啟位置。 3.6 串級(jí)控制系統(tǒng)的參數(shù)整定串級(jí)控制系統(tǒng)從整體上來看是定值控制系統(tǒng)，

25、要求主參數(shù)有較高的控制精度。但副回路是隨動(dòng)系統(tǒng)，要求副參數(shù)能準(zhǔn)確、快速地跟隨主控制器輸出地變化。主、副回路的原理不一樣，對(duì)主、副參數(shù)的要求也不同，通過正確的參數(shù)整定，可取得理想的控制效果。串級(jí)控制系統(tǒng)主、副控制器的參數(shù)整定方法有逐步逼近法、兩步整定法和一步整定法。這里采用兩步整定法。兩步整定法就是讓系統(tǒng)處于串級(jí)工作狀態(tài)，第一步按單回路控制系統(tǒng)整定副控制器參數(shù)，第二步把已經(jīng)整定好的副回路視為串級(jí)控制系統(tǒng)的一個(gè)環(huán)節(jié)，仍按單回路對(duì)主控制器進(jìn)行一次參數(shù)整定。一個(gè)設(shè)計(jì)合理的串級(jí)控制系統(tǒng)，其主、副回路中被控過程的時(shí)間常數(shù)應(yīng)有適當(dāng)?shù)钠ヅ潢P(guān)系，一般為。主回路的工作周期遠(yuǎn)大于副回路的工作周期，主、副回路間的動(dòng)態(tài)

26、關(guān)聯(lián)較小。兩步整定法的整定步驟如下：（1）在生產(chǎn)工藝穩(wěn)定，系統(tǒng)處于串級(jí)運(yùn)行狀態(tài)，主、副控制器均為比例作用的條件下，先將主控制器的比例度置于100%刻度上，然后由大到小逐漸降低副控制器的比例度，直到得到副回路過渡過程衰減比為4：1的比例度，過渡過程的振蕩周期為。（2）在副控制器的比例度的條件下，逐步降低主控制器的比例度，直到同樣得到主回路過渡過程衰減比為4：1的比例度，過渡過程的振蕩周期為。（3）按以求得的、和、的值，結(jié)合已選定的控制規(guī)律，按表2-1衰減曲線法整定參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算出主、副控制器的整定參數(shù)值。（4）按照“先副回路，后主回路”的順序，將計(jì)算出的參數(shù)值設(shè)置到控制器上，做一些擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)

27、，觀察過渡過程曲線，作適當(dāng)?shù)膮?shù)調(diào)整，直到控制品質(zhì)最佳為止。表3.1 衰減曲線法整定參數(shù)計(jì)算表 整定參數(shù)控制規(guī)律P（%）TiTdPPsPI1.2Ps0.5TsPID0.8Ps0.3Ts0.1Ts3.7 串級(jí)控制系統(tǒng)的控制算法：一、 模擬PID控制規(guī)律的離散化表3.2 模擬PID控制規(guī)律的離散化形式模擬形式離散化形式二、 數(shù)字P、PID控制器的差分方程PID控制： 稱為比例項(xiàng) 稱為積分項(xiàng) 稱為微分項(xiàng)P控制 三、 PID控制器的類型1、選用位置型控制 2、 PID位置型控制示意圖PID位置算法調(diào)節(jié)閥 被控對(duì)象r（t）c（t）圖3.5 PID位置型控制示意圖3、位置型PID算法的程序流程 1、位置型

28、的遞推形式 2、位置型PID算法的程序流程只需在增量型PID算法的程序流程基礎(chǔ)上增加一次加運(yùn)算u(n)+u(n-1)=u(n)和更新u(n-1)即可。 計(jì)算e(n)計(jì)算計(jì)算計(jì)算+計(jì)算計(jì)算計(jì)算+u（n-1）e(n-1)到e(n-2)e(n)到e(n-1)u(n)到u(n-1)返回 圖3.5 PID位置型控制流程圖第3章 硬件設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)組成該加熱爐系統(tǒng)采用煤氣加熱，如果煤氣流量頻繁變化，加熱爐的溫度也隨之不斷變化。從而影響加熱爐的出口溫度。又似此看來，影響加熱爐出口溫度的主要因素是爐溫的變化。為使出口溫度恒定，采用前饋-串級(jí)控制系統(tǒng)，設(shè)置三個(gè)控制器，控制爐溫和出口溫度，以及其他擾動(dòng)。系統(tǒng)原理

29、圖見圖3.1所示。圖3.1 加熱爐系統(tǒng)原理圖其中出口溫度環(huán)是主環(huán)，爐溫溫度環(huán)是副環(huán)。外加一個(gè)前饋環(huán)。加熱爐的主控制器是出口溫度，由熱電偶測(cè)得溫度信號(hào)，經(jīng)溫度變送器、運(yùn)算放大器、A/D轉(zhuǎn)換得到出口溫度數(shù)字量，該數(shù)字量與給定量比較得到主偏差，經(jīng)控制器1運(yùn)算后得到主環(huán)輸出數(shù)字量。加熱爐的爐溫溫度作為副環(huán)控制量，經(jīng)溫度變送器、運(yùn)算放大器、A/D轉(zhuǎn)換得到爐溫溫度數(shù)字量，該數(shù)字量與主環(huán)輸出量比較得到副偏差，經(jīng)控制器2運(yùn)算后得到控制量，作為計(jì)算機(jī)輸出送至D/A轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換后的模擬信號(hào)通過溫度控制閥對(duì)爐溫溫度進(jìn)行控制，是出口溫度穩(wěn)定在給定值上。在本系統(tǒng)中為了保證系統(tǒng)動(dòng)態(tài)時(shí)無超調(diào)，穩(wěn)態(tài)時(shí)無靜差，主、副環(huán)控制器均采用積分分離的PID算法。3.2 硬件系統(tǒng)整體組成根據(jù)加熱爐系統(tǒng)的技術(shù)要求及經(jīng)濟(jì)方面的考慮，我們選用8031單片機(jī)為控制器，組成加熱爐出口溫度控制系統(tǒng)。系統(tǒng)主要有8031單片機(jī)、ROM、RAM、A/D轉(zhuǎn)換器、DA轉(zhuǎn)換器、鍵盤掃描電路、顯示電路、傳感器、放大電路、鎖存器、譯碼器、I/O擴(kuò)展芯片、與非門、或非門、反相器及D觸發(fā)器等組成。硬件系統(tǒng)組成框架圖如圖3.2所示。圖3.2 硬件系統(tǒng)組成框架圖 熱電偶產(chǎn)生一電信號(hào)，信號(hào)的強(qiáng)弱隨溫度的高低而變。該信號(hào)經(jīng)放大電路放大后，送入A/D轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量與溫