1、自動化實踐初步第八章溫度控制系統內容要點：溫度自動控制系統的構成通用儀表控制系統的基本組成溫度控制器的調節原理溫度控制器的使用說明目的與要求：熟悉溫度控制系統的基本構成了解溫度控制系統的調節原理了解基本溫度控制器件8.1 溫度自動控制系統的構成溫度自動控制系統組成： 給定環節、比較環節、調節器、執行機構、被控對象、檢測裝置給定環節調節器執行機構被控對象檢測環節比較環節例8-1 電爐爐溫自動控制系統 機電工業中常用的原材料，如硅鋼片在熱處理過程中需要進行10小時連續保溫680 后，才能達到預期的性能，這就需要對退火爐的溫度進行控制。電爐溫度控制系統原理圖如圖81例8-2 計算機控制電爐爐溫自動控

2、制系統隨著電力電子技術和計算機技術的發展，為提高電爐爐溫控制系統的性能，爐溫自動控制系統采用計算機進行控制，原有的比例調節器由數字控制器所替代；原有的執行機構由移相可控整流電路取代，如下圖81計算機控制的電爐溫度控制系統方框圖爐溫控制系統的方框圖8.2 通用儀表控制系統的基本組成 不論石化、電站、冶煉等大工業的集中控制還是印染、包裝、橡膠成型、組織培養、熱處理等行業的單機設備，工業過程測量控制系統主要由傳感器、顯示調節儀表和執行機構三部分組成 傳感器（一次儀表） 傳感器溫度電壓流量位移非電信號電信號二次儀表可處理信號顯示調節儀表 顯示調節儀表溫度電壓流量位移電信號濾波、放大、非線性校正 在自動

3、化控制系統中，二次儀表經常處于核心地位，因此對其進行認真比較和精心選擇，在安全上是必須的，在經濟上是劃算的。 執行器部分為了能夠對工業對象的參數進行自動控制(或報警)，就必須由中間繼電器、可控硅、電磁閥等執行器執行對負載的調控。執行器一般都工作于高電壓、大電流、多動作的惡劣工作條件下，因此，正確選擇產品和降額使用是理所當然和十分經濟的。8.3 溫度控制器的調節原理8.3.1 二位式調節原理二位式調節又稱通斷式控制，其工作原理是將測量值與設定值相比較，差值經放大處理后，對執行器進行開（通）或關（斷）的控制，主要由溫度傳感器、溫度控制器、執行器和電阻絲組成。滯后時間：由于電爐爐體為保溫隔熱材料制成

4、的密閉箱體，剛開始加熱時，有一段時間爐體溫度基本保持不變，這一段時間稱之為滯后時間，其大小通常取決于爐體結構，尤其是爐體體積。 由于存在滯后時間，儀表做出調節動作后，需要一定的時間才能把調節結果通過傳感器反饋至儀表，在此段滯后時間內，被控對象的溫度仍呈慣性上升或慣性下降。如右圖 通和斷兩種狀態的交替出現，必然使被控參數有周期性的起伏，形成在設定值附近上下的震蕩。在實際應用中，為避免執行器的頻繁動作，人為設定回差，將上述二位式調節改為：當測量值小于回差上限值時，執行器導通；當測量值小于回差下限值時，執行器斷開。改進二位式調節溫度實際調節效果曲線和執行器等的工作狀況示意圖如右圖一般把回差設置在儀表

5、全量程的0.2%0.5%左右比較合適。二位式調節可靠性高而且成本低，應用場合十分廣泛。8.3.2 三位式調節原理 三位式調節是為克服二位式調節容易產生的升溫速度與溫度過沖量（超調）之間的矛盾而發展的一種調節方式。三位式調節可以用兩個繼電器的觸點組成“升溫加熱”、“恒溫調節”及“停止加熱”三種輸出狀態。當測量值到達上限設定值時，溫度控制器輸出控制信號使執行器B斷開主加熱器B的電源。此時由于主輔加熱器均斷電不再加熱，故溫度在經過過沖后逐漸下降，直至降到設定回差的下限時，溫度控制器輸出控制信號使執行器B導通，主加熱器B又開始加熱，溫度又逐漸上升，周而復始。三位式調節溫度實際調節效果曲線和執行器等的工

6、作狀況示意圖如右圖。8.3.3 連續比例調節原理 連續的含義是指調節器輸出的信號是模擬量，比例的含義是指調節器的輸出與輸入偏差成正比。 連續調節儀表的輸出方式一般可分為可控硅移相觸發方式和電機驅動調壓器方式，前者使用壽命長，應用越來越廣泛；后者使用壽命短，比較笨重，除一些特殊要求的場合外，已很少采用。8.3.4 時間比例調節 原理時間比例調節原理（斷續式比例調節） 例8-3 如下圖，若設該電爐是一個1000W的電爐，在30秒鐘周期內，執行器導通15s，斷開15s，那么在這個周期內，電爐實際得到的加熱功率為50%，即500W。其余依次類推。如右圖，設執行器的開關周期為T，在一個開關周期內，當 0

7、tton時，控制器輸出控制信號使執行器導通，電阻絲加熱；當 tontT時，控制器輸出控制信號使執行器斷開，電阻絲不加熱。設電阻絲加熱的額定功率為Pnom ，實際加熱瞬時功率為 p，平均功率為 P，控制器輸出信號 Uc、瞬時功率P 、平均功率P 的波形如右圖。 由圖可以看出：這就是脈沖寬度調制 （Pluse Width Modulation）技術的應用。 改變占空比 就可以調節電阻絲的加熱功率，且加熱功率連續可調，它表明通過控制執行器在一個周期的導通時間就可以模擬輸出具有相當分辨率的連續量。具有比例帶的時間比例調節原理 實際應用中，當測量溫度小于比例帶下限值時，執行器一直導通；當測量溫度大于比例

8、帶上限值時，執行器一直斷開；時間比例調節只在測量溫度位于比例帶下限和上限值之間時進行。設控制器溫度設定值為SV ，比例帶下限值為SV-SP ，比例帶上限值為 SV+SP；設溫度測量值為 PV，根據上述調節原理，很顯然有:當 PV=SV-SP時， ；當PV=SV+SP 時， 。所以，在比例帶范圍內，時間比值 和測量溫度之間的關系式如下：比例調節的靜差實際調節過程及調節效果示意如下圖 與位式調節相比，時間比例式調節對加熱功率的調節是根據偏差連續改變輸出量的大小這一方式去實現的，因此調節結果的波動較小。在有擾動時，被控對象的調節參數能很快趨向平穩。在比例帶值合適的情況下，不會產生持續的振蕩現象。 比

9、例或時間比例調節在系統穩定后，其實際溫度值與設定溫度值之間必然會有一個偏差，即調節的結果值與設置的目標值之間有一差值，專業上稱之為“靜差”，靜差可正可負。靜差的大小和方向取決于全輸出時加熱功率的高低、環境溫度或電網電壓的改變和比例帶的大小等多種原因。8.3.5比例、積分和微分調節原理P調節原理I調節原理 比例、積分和微分調節器通常簡稱為PID調節器，它是目前工業控制中應用最廣的控制規律。 PID調節器在實際應用中根據需要，可組成P調節器、I調節器、PI調節器、PD調節器和PID調節器等 P調節是指使系統的輸出量與輸入量（即偏差）成比例。 單純使用P調節，控制系統被調量一定有靜差。I調節是指調節

10、器輸出控制電壓 是輸入偏差 的積分。用公式表示如下：如果輸入偏差 是幅值為 的階躍函數，上式改寫為：其輸出控制電壓 Uc按線性增長，每一時刻 Ut的大小和 與橫軸所包圍的面積成正比，直至 達到最大值（飽和值 ）為止，如下圖當有偏差存在時，輸出信號將隨時間增大。當偏差為0時，輸出保持在某一值上。因此I調節器組成控制系統可以達到無靜差。PI調節原理D調節原理比例控制動作及時，但是有靜差；積分控制雖能消除靜差，但又容易使控制過程產生振蕩，所以在實際應用中總是把它們結合起來，這樣既能控制及時，又能消除靜差。這種調節器稱為比例積分調節器，用它實現的控制稱為比例積分控制，簡稱PI控制。比例積分控制規律用下

11、式表示：積分時間 越小，積分作用越強。反之，積分時間 越大，積分作用越弱。若積分時間 為無窮大，就沒有積分作用，成為純比例控制器了。D調節就是指調節器的輸出與偏差變化速率成正比，用公式表示如下：PD調節原理PID調節原理 PID參數的選取PID參數人工整定方法8.3.6 自適應調節原理8.4溫度控制器使用說明1.主要技術參數和使用條件精度：(0.5% 1字)溫度系數：不大于0.05%/ 輸出：繼電器觸點輸出： AC250V/5A（阻性負載）或AC250/0.3A（感性負載） 觸點報警輸出：AC250V/5A（阻性負載）二級參數設置范圍 比例帶P：040% 積分時間I：0999s 微分時間D：0

12、999s 誤差修正范圍：-19.919.9( )或-2020( ) 切換差設置范圍：0.2-20.0( )或2-20( ) 控制及報警值設置范圍：儀表全量程的0100%上跟隨報警設置范圍：主控值050( )（WG型只能帶一路報警）比例偏置范圍：-50%+50%自整定功能：ON或OFF參數設置方法：輕觸開關軟件設置（設定參數無接觸不良可能）防誤操作軟件鎖：有工作電源：額定電壓15% 50Hz1Hz工作環境：溫度050 ，相對濕度35%85%的無腐蝕性氣體場合 面形及開孔尺寸2.型號編制說明例8-3 試說明型號為WG-5412溫度控制器的主要性能。解：（1）該儀表是智能型雙三位顯示調節儀； （2）調節方式為二位PID調節； （3）報警為上限報警； （4）輸入信號采用熱電阻溫度傳感器； （5）輸出信號為繼電器觸點輸出。3.報警功能：當輸入值達到人們特意在表面板上設置輸入的數值時作出報警動作，而無論是上限、上上限、下限、下下限報警。默認的報警動作是報警輸出繼