1、學 號： 0121011360504課 程 設 計題 目電阻爐溫度控制系統設計學 院自動化學院專 業自動化專業班 級自動化1005班姓 名柳元輝指導教師劉小珠2014年1月10日課程設計任務書學生姓名： 柳元輝 專業班級： 自動化1005 指導教師： 劉小珠 工作單位： 自動化學院 題 目: 電阻爐溫度控制系統設計 初始條件：1. 課程設計輔導資料：“過程控制系統和應用”、“過程控制系統與儀表”、“過程控制儀表及控制系統”、“過程控制系統”等；2. 先修課程：儀表與過程控制系統等。3. 主要涉及的知識點： 過程控制儀表、控制系統、被控過程等要求完成的主要任務: （包括課程設計工作量及其技術要求

2、，以及說明書撰寫等具體要求）1. 課程設計時間：1.5周；2. 課程設計內容：根據指導老師給定的題目，按規定選擇其中1套完成； 本課程設計統一技術要求：研讀輔導資料對應章節，對選定的設計題目所涉及的生產工藝和控制原理進行介紹，針對具體設計選擇相應的控制參數、被控參數以及過程檢測控制儀表，并畫出控制流程圖及控制系統方框圖。3. 課程設計說明書按學校“課程設計工作規范”中的“統一書寫格式”撰寫，具體包括： 目錄； 摘要； 生產工藝和控制原理介紹； 控制參數和被控參數選擇； 控制儀表及技術參數； 控制流程圖及控制系統方框圖； 總結與展望；（設計過程的總結，還有沒有改進和完善的地方）； 課程設計的心得

3、體會（至少500字）； 參考文獻（不少于5篇）； 其它必要內容等。時間安排：具體時間設計內容1月1日指導老師就課程設計內容、設計要求、進度安排、評分標準等做具體介紹。學生確定選題，明確設計要求1月2日開始查閱資料，了解系統生產工藝和控制原理。1月3日確定系統所需檢測元件、執行元件、調節儀表技術參數1月6日1月7日確定控制流程圖及控制系統方框圖1月8日1月9日撰寫課程設計說明書1月10日答辯并上交課程設計說明書指導教師簽名： 2013 年 12 月 27 日系主任（或責任教師）簽名： 年 月 日武漢理工大學過程控制系統與儀表課程設計說明書目錄摘要11生產工藝和控制原理介紹21.1生產工藝21.2

4、控制原理32控制方案設計52.1被控參數選擇52.2控制變量選擇52.3建立數學模型62.4調節器控制規律72.5儀表選擇92.6控制系統框圖93總結與展望104心得體會11參考文獻12摘要自動化技術在工業、農業、科技以及人們的日常生活中發揮著重要的作用，而過程控制通常是指連續生產的自動控制，是自動化技術最重要的組成部分。過程控制系統與儀表在各個領域尤其是工業領域中有著及其廣泛的應用。其應用范圍覆蓋石油、化工、制藥、生物、醫療、水利、電力、冶金、輕工、紡織等許多領域。過程控制的主要任務是對生產過程的有關參數，如溫度、壓力等進行控制，使其保持恒定或按一定規律變化。在保證產品質量和生產安全的前提下

5、，使連續生產過程自動地進行下去。溫度控制是控制系統中最為常見的控制類型之一。電阻爐在國民經濟中有著廣泛的應用，而大功率的電阻爐則應用在各種工業生產過程中。然而，大多數電阻爐存在著各種干擾因素，將會給工業生產帶來極大的不便。因此，在電阻爐溫度控制系統的設計中，應盡量考慮到如何有效地避免各種干擾因素而采用一個較好的控制方案，選擇合適的芯片及控制算法是非常有必要的。本設計要求用單片機設計一個能在多種領域得到廣泛應用的電阻爐溫度控制系統。關鍵字：過程控制、有關參數、溫度控制、電阻爐電阻爐溫度控制系統設計1生產工藝和控制原理介紹1.1生產工藝電阻爐是工農業生產中常用的電加熱設備,廣泛應用于冶金、機械、建

6、材等行業，而大功率的電阻爐則應用在各種工業生產過程中。然而，大多數電阻爐存在著各種干擾因素，將會給工業生產帶來極大的不便。因此，在電阻爐溫度控制系統的設計中，應盡量考慮到如何有效地避免各種干擾因素而采用一個較好的控制方案，選擇合適的芯片及控制算法是非常有必要的。電阻爐是利用電流通過電熱體元件將電能轉化為熱能來加熱或者熔化工件和物料的熱加工設備。 電阻爐由爐體、電氣控制系統和輔助系統組成。爐體由爐殼、加熱器、爐襯（包括隔熱屏）等部件組成。電氣控制系統包括電子線路、微機控制、儀表顯示及電氣部件等。輔助系統通常指傳動系統、真空系統、冷卻系統等，雖爐種的不同而已。 但電阻爐的主要參數由額定電壓、額定功

7、率、額定溫度、工作空間尺寸。生產率、空爐損耗功率、空爐升溫時間、爐溫控制精度及爐溫均勻性等。.電阻爐的熱效率高。電阻爐不需要燃燒氣體，沒有因排除燃燒氣體而產生的廢氣造成的熱損失。爐膛室內熱強度高，能達到較高的溫度，因此能是高熔點金屬得熔化。除此之外，能滿足工件在各種工藝樊為中的要求，并使之成為可控。能用質量流量計對所控氣氛進行檢測。由保護氣氛來保證爐內氣氛的清潔。比如保護氣氛改為真空，可以將爐內的殘余氣體抽走，保護氣氛改為氫氣，各種可隨之運出。高純度的氫氣，氣含氧量可小于0.1ppm，氣露點小于70。能夠滿足工作空間溫度場均勻分布和恒溫的精度要求。比如在48小時內溫度漂移±0.5。整

8、個工藝過程能用微機和智能化程序控制。有利于連鎖保護，報警、防爆、數顯、曲線記錄。操作簡單，壽命長，安全有保障。場所利用率大，噪聲較穩定等特點。在工業生產中，溫度是極為普遍又極為重要的熱工參數之一，為了保證生產過程正常安全的運行，提高產品的質量，減輕工人的勞動強度，同時節約能源,須要求加熱用的各種電爐在一定的條件下保持恒溫，不能隨電壓的波動而變化.或者有的電爐根據工藝要求按照某個指定的升溫或保溫律而變化，且超調量小或者無超調量，穩定性好，不振蕩。根據工藝的要求不同，大體上可以歸納為以下幾個過程：（1）自由升溫段，這一工藝過程要求執行元件向電阻爐輸送最大能量，使加熱爐全速升溫到某一值，升溫的時間和

9、速度沒有具體要求，這時單片機不需要進行控制工作，只需檢測爐溫。（2）恒溫段，這一工藝過程是溫度控制的主要工藝過程，它要求控制系統保證爐溫在各種干擾下能穩定在允許范圍內。（3）自由降溫段，這一工藝過程中執行元件不再向爐子輸送能量，讓其自然冷卻到某一溫度，此時單片機只需監測爐溫即可，有時甚至無須做任何工作。電阻爐溫度控制工藝曲線如圖1-1所示。1.2控制原理電阻爐溫度控制系統是閉合的反饋系統。溫控系統主要由溫度傳感器、溫度調節儀、執行裝置、被控對象四個部分組成，其系統結構圖如圖1-2所示。被控制對象常常是大容量、大慣性的電熱爐溫度對象，是典型的多階容積遲后特性，在工程上往往近似為包含有純滯后的二階

10、容積遲后。 圖1-2 系統控制結構框圖電阻爐按熱量產生的方法不同，可分為間接加熱式和直接加熱式二大類。間接加熱式電阻爐、就是在爐子內部有專用的電阻材料做的發熱元件。電流通過加熱元件時產生熱量，再通過熱的傳導、對流、輻射而使放置在爐中的爐料被加熱。直接加熱式電阻爐，電源直接接在所需加熱的材料上，使強大的電流直接流過所需加熱的材料而使材料自己發熱達到加熱效果。工業電阻爐，大部分是采用間接加熱式的，只有一部分因加熱工藝人的特殊需要而采用直接加熱式。按傳熱方式，電阻爐分為輻射式電阻爐和對流式電阻爐。輻射式電阻爐以輻射傳熱為主，對流傳熱作用較小；對流式電阻爐以對流傳熱為主，通常稱為空氣循環電阻爐，靠熱空

11、氣進行加熱，爐溫多低于650。電阻爐溫度控制往往不是直接控制系統的溫度，直接控制系統溫度也是不太可能實現的，經常是直接控制電阻爐的電壓或電流從而控制電阻爐的溫度，進而控制電阻的產熱，通過電阻的產熱來控制溫度。隨著生產過程中被加熱物料的變化，電阻爐內的溫度必然變化，所以必須經溫度檢測與變送裝置及時測得溫度，以便溫度控制器作用于執行結構從而使電阻爐內的溫度滿足需要。2控制方案設計要進行控制系統設計必須先明確過程控制系統方案設計的基本要求，生產過程對過程控制系統的要求可簡要歸納為安全性、穩定性和經濟性三個方面。控制系統的技術要求與性能指標一般由生產過程設計制造單位或用戶提出，這些技術要求與性能指標是

12、控制系統設計的基本依據，設計者必須全面、深入的了解與掌握。技術要求與性能指標必須科學合理、切合實際。其次要知道過程控制系統設計的主要內容即包括控制系統方案設計、工程設計、工程安裝和儀表調校、調節器參數整定等四個主要內容。其中控制方案設計是控制系統設計的核心。2.1被控參數選擇被控參數又稱作被控變量，是指生產過程中希望借助自動控制保持恒定值（或按一定規律變化）的變量。合理選擇被控變量，關系到生產工藝能否達到穩定操作、保證質量、保證安全等目的。被控變量的選擇依據：（1）根據生產工藝的要求，找出影響生產的關鍵變量作為被控變量。（2）當不能用直接工藝參數作為被控變量時，應選擇與直接工藝參數有單值函數關

13、系的間接工藝參數作為被控變量。（3）被控變量必須有足夠大的靈敏度且容易被測量。（4）選擇被控變量時，必須考慮工藝合理性。顯然對于電阻爐溫度控制系統被控參數基本上都是電阻爐內的溫度值，控制的目標就是使電阻爐內的溫度恒定在某個允許的范圍內或者是按某種規律變化。2.2控制變量選擇控制變量又稱操縱變量，把用來克服干擾對被控變量的影響，實現控制作用的變量稱為控制變量或操縱變量。最常見的操縱變量是介質的流量，也有以轉速、電壓等作為操縱變量的。被控變量選定以后，應對工藝進行分析，找出所有影響被控變量的因素。在這些變量中，有些是可控的，有些是不可控的。在諸多影響被控變量的因素中選擇一個對被控變量影響顯著且便于

14、控制的變量，作為控制變量；其它未被選中的因素則視為系統的干擾?？刂谱兞康倪x擇依據：（1）控制通道應當放大系數大、時間常數小、純滯后越小越好。（2）控制變量應是工藝上允許控制的變量，并且要考慮工藝的合理性與生產的經濟性。對于各種不同類型的電阻爐溫度控制系統，影響被控量即電阻爐內的溫度的因素是多種多樣的，要從所有允許控制的變量中盡可能地選擇一個對被控參數影響顯著、控制性能好的輸入變量作為控制變量。顯然對于幾乎所有的電阻爐而言，理想的被控變量是電阻爐的功率。而影響功率的兩個量就是電壓和電流，通過控制電壓或電流或控制兩者來調控被控量。2.3建立數學模型被控過程數學模型是控制系統分析與設計的基礎，建立數

15、學模型是過程控制系統設計的重要一步?？刂谱兞颗c被控變量確定以后，則過程的輸入與輸出關系就確定了，就可以利用各種已知的方法建立被控過程的數學模型。常用的建立對象數學模型的方法有以下幾種：（1）機理法建模通過分析生產過程的內部機理，找出變量之間的關系。如物料平衡方程、能量平衡方程、化學反應定律、電路基本定律等，從而導出對象的數學模型。機理法建模的首要條件是必須對生產過程的機理有充分的認識，并且能夠比較準確的用數學語言加以描述。機理法建模需要充分而可靠的先驗知識，如果先驗知識不充分，就無法得到正確的數學模型。（2）測試法建模根據工業過程中某因果變量的實測數據，進行數學處理后得到的數學模型。測定對象特

16、性的實驗方法主要有三種：時域法輸入階躍或方波信號，測對象的飛升曲線或方波響應曲線；頻域法輸入正弦波或近似正弦波，測對象的頻率特性；統計相關法輸入隨機噪音信號，測對象參數的變化。（3）綜合法機理法與測試法相結合。理論分析和實驗結果得出，電阻爐可以用一個一階慣性環節加一個延時環節來近似代替，由于本系統控制的電阻爐工作時是密封加溫的，沒有其它擾動因素，輸入的電功率可以認為全部用于電阻爐的升溫，其數學模型為其中，（s）為爐溫，U（s）為輸入電壓，K、TP、為爐子的參數除此之外，還要建立執行機構以及測量變送環節的數學模型。在這一步中主要確定執行機構如調節閥的正反作用方式以及測量變送裝置的正反作用方式，以

17、及他們各自的數學模型?？衫们笆龇椒ń祵W模型。此處重點介紹正反作用的判定方法。以調節閥為例氣開閥為正作用，因為控制信號增加閥門開度增加，反之氣關閥為反作用。測量變送裝置一般為正作用，因為一般情況下，輸入的被測量增加，變送器輸出增加。2.4調節器控制規律在控制系統設計過程中，設備選型確定之后，被控過程、測量環節、和執行器這三部分的基本特性就基本確定了，不能隨意改變。工業應用最為廣泛的控制器是基于比例積分微分（PID）原理的控制器，下面簡述比例、微分、積分控制規律。（1）比例（P）控制規律 為比例度其響應曲線如圖2-1所示。圖2-1比例控制規律的特性曲線越小，控制作用越強、系統調節越快、系統穩

18、定性越差，控制余差越小。（2）積分（I）控制規律 為積分時間常數其響應曲線如圖2-2所示。圖2-2積分規律響應曲線積分控制規律能消除余差，越大，積分作用越弱，積分作用為零。減小，積分作用增強，系統振蕩加劇，穩定性下降。因此，加積分后，比例帶要適當加大。（3）微分（D）控制規律 為微分時間常數其響應曲線如圖2-3所示。圖2-3微分規律響應曲線微分控制能在偏差出現或變化的瞬間，立即根據變化的趨勢，產生強烈的調節作用，使偏差盡快地消除于萌芽狀態之中。當偏差存在，但不變化時，微分輸出為零，對靜態偏差毫無抑制能力。因此不能單獨使用，總要和比例或比例積分調節規律結合起來，組成PD調節器或PID調節器。選定

19、調節器之后還要對調節器參數進行整定。調節器參數整定方法可簡單歸結為理論計算和工程整定兩大類。理論計算方法要求知道被控過程的數學模型，在工程上較少采用；常用的工程整定方法有：穩定邊界法、衰減曲線法、反應曲線法、經驗湊試法等。2.5儀表選擇選擇測量儀表。要控制一個生產過程，首先必須實時檢測生產過程中的有關參數。例如溫度、壓力、流量、液位等。用來檢測這些參數的工具稱為檢測儀表，其中包括測量指示儀表及將被測參數轉換成標準信號輸出的測量變送器。顯然對于溫度爐要檢測的是爐內溫度，故采用溫度傳感器。但又得根據生產工藝的要求及特點選擇合適的溫度傳感器。選擇控制儀表。根據生產工藝要求，可選用電動單元組合（DDZ

20、-III或DDZ-II）儀表，也可根據儀表技術的發展水平選用其他儀表或系統。2.6控制系統框圖綜合前面所述，根據具體生產工藝要求可以設計不同的控制系統，有簡單控制系統和復雜控制系統的兩種。為了方便，我選擇簡單的溫度控制系統。其控制系統框圖如圖2-4所示x+-ufyGc(s)Go(s)Gv(s)Gm(s)圖2-4簡單電阻爐溫度控制系統框圖其中是給定溫度，是控制器的傳遞函數， 是執行器的傳遞函數， 是被控對象及電阻爐的傳遞函數 ， 是檢測變送裝置的傳遞函數。f代表干擾量，y為被控量。3總結與展望溫度是工業對象中主要的被控參數之一，象冶金、機械、食品、化工各類工業中，廣泛使用的各種加熱爐、熱處理爐、

21、反應爐等，對工件的處理溫度要求嚴格控制，溫度控制的傳統方法是人工儀表控制，其重復性差，工藝要求難以保證，工人勞動強度大。目前，對傳統的溫度控制方法進行改造，用微機取代常規控制已成必然，國內已經相繼出現各種以微機為核心的溫度控制系統。這種系統控制精度高，重復性好，自動化程度高，可以大大的提高產品質量和減輕工人的勞動負擔。電阻爐是工業爐的一種。它在機械、電子、航天、航空、兵工、冶金、化工、食品、輕工、建材、陶瓷、醫藥等多種工業領域，都有著廣泛的應用。工業加熱設備，即工業爐，按加熱能源和能量轉換方式，分為電加熱于燃料加熱的兩種，亦即電爐與火焰爐。火焰爐主要應用于鋼鐵、冶金和汽車等工業部門；在電子工業

22、中，對零件、材料的加熱工藝規范，如除氣、定形、退火、凈化、提純、燒結、被覆、黑化、封裝等，則多采用電爐。在天然氣能源充足的地區得到廣泛的應用。工業電阻爐的主要用途是供機械工業對原材料、毛坯、機械另件加熱用。如板材軋制前的坯料加熱，鍛件的加熱。機械另件及半成品的熱處理以改善其機械性能，如進桿淬火、回火、退火、正火、氣體滲碳、氮化等。亦有用于燒結、釬焊，部份電阻爐用于低熔點金屬的熔煉及陶瓷玻璃工業的加熱。電阻爐的控制必將朝著更自動化智能化發展，使其更加安全、更加符合要求，更加經濟節約能耗。4心得體會本次課程設計是電阻爐的溫度控制系統，實際上是一種很常見的控制過程的實現。通過本次課程設計讓我感覺到過程控制這門學科雖說是自動化技術的組成部分，但我覺得這門課程更加貼近生活，更加容易讓我將書本上的知識聯系實際，更增加了我對動手能力提高的渴望。過程控制