自動(dòng)化實(shí)踐初步 第八章 溫度控制系統(tǒng)

1、自動(dòng)化實(shí)踐初步第八章溫度控制系統(tǒng)內(nèi)容要點(diǎn)：溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的構(gòu)成通用儀表控制系統(tǒng)的基本組成溫度控制器的調(diào)節(jié)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(tǒng)的基本構(gòu)成了解溫度控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)原理了解基本溫度控制器件8.1 溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的構(gòu)成溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)組成： 給定環(huán)節(jié)、比較環(huán)節(jié)、調(diào)節(jié)器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、被控對(duì)象、檢測(cè)裝置給定環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)器執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對(duì)象檢測(cè)環(huán)節(jié)比較環(huán)節(jié)例8-1 電爐爐溫自動(dòng)控制系統(tǒng) 機(jī)電工業(yè)中常用的原材料，如硅鋼片在熱處理過程中需要進(jìn)行10小時(shí)連續(xù)保溫680 后，才能達(dá)到預(yù)期的性能，這就需要對(duì)退火爐的溫度進(jìn)行控制。電爐溫度控制系統(tǒng)原理圖如圖81例8-2 計(jì)算機(jī)控制電爐爐溫自動(dòng)控

2、制系統(tǒng)隨著電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，為提高電爐爐溫控制系統(tǒng)的性能，爐溫自動(dòng)控制系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，原有的比例調(diào)節(jié)器由數(shù)字控制器所替代；原有的執(zhí)行機(jī)構(gòu)由移相可控整流電路取代，如下圖81計(jì)算機(jī)控制的電爐溫度控制系統(tǒng)方框圖爐溫控制系統(tǒng)的方框圖8.2 通用儀表控制系統(tǒng)的基本組成 不論石化、電站、冶煉等大工業(yè)的集中控制還是印染、包裝、橡膠成型、組織培養(yǎng)、熱處理等行業(yè)的單機(jī)設(shè)備，工業(yè)過程測(cè)量控制系統(tǒng)主要由傳感器、顯示調(diào)節(jié)儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(hào)電信號(hào)二次儀表可處理信號(hào)顯示調(diào)節(jié)儀表 顯示調(diào)節(jié)儀表溫度電壓流量位移電信號(hào)濾波、放大、非線性校正 在自動(dòng)

3、化控制系統(tǒng)中，二次儀表經(jīng)常處于核心地位，因此對(duì)其進(jìn)行認(rèn)真比較和精心選擇，在安全上是必須的，在經(jīng)濟(jì)上是劃算的。 執(zhí)行器部分為了能夠?qū)I(yè)對(duì)象的參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)控制(或報(bào)警)，就必須由中間繼電器、可控硅、電磁閥等執(zhí)行器執(zhí)行對(duì)負(fù)載的調(diào)控。執(zhí)行器一般都工作于高電壓、大電流、多動(dòng)作的惡劣工作條件下，因此，正確選擇產(chǎn)品和降額使用是理所當(dāng)然和十分經(jīng)濟(jì)的。8.3 溫度控制器的調(diào)節(jié)原理8.3.1 二位式調(diào)節(jié)原理二位式調(diào)節(jié)又稱通斷式控制，其工作原理是將測(cè)量值與設(shè)定值相比較，差值經(jīng)放大處理后，對(duì)執(zhí)行器進(jìn)行開（通）或關(guān)（斷）的控制，主要由溫度傳感器、溫度控制器、執(zhí)行器和電阻絲組成。滯后時(shí)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(shí)，有一段時(shí)間爐體溫度基本保持不變，這一段時(shí)間稱之為滯后時(shí)間，其大小通常取決于爐體結(jié)構(gòu)，尤其是爐體體積。 由于存在滯后時(shí)間，儀表做出調(diào)節(jié)動(dòng)作后，需要一定的時(shí)間才能把調(diào)節(jié)結(jié)果通過傳感器反饋至儀表，在此段滯后時(shí)間內(nèi)，被控對(duì)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(tài)的交替出現(xiàn)，必然使被控參數(shù)有周期性的起伏，形成在設(shè)定值附近上下的震蕩。在實(shí)際應(yīng)用中，為避免執(zhí)行器的頻繁動(dòng)作，人為設(shè)定回差，將上述二位式調(diào)節(jié)改為：當(dāng)測(cè)量值小于回差上限值時(shí)，執(zhí)行器導(dǎo)通；當(dāng)測(cè)量值小于回差下限值時(shí)，執(zhí)行器斷開。改進(jìn)二位式調(diào)節(jié)溫度實(shí)際調(diào)節(jié)效果曲線和執(zhí)行器等的工作狀況示意圖如右圖一般把回差設(shè)置在儀表

5、全量程的0.2%0.5%左右比較合適。二位式調(diào)節(jié)可靠性高而且成本低，應(yīng)用場(chǎng)合十分廣泛。8.3.2 三位式調(diào)節(jié)原理 三位式調(diào)節(jié)是為克服二位式調(diào)節(jié)容易產(chǎn)生的升溫速度與溫度過沖量（超調(diào)）之間的矛盾而發(fā)展的一種調(diào)節(jié)方式。三位式調(diào)節(jié)可以用兩個(gè)繼電器的觸點(diǎn)組成“升溫加熱”、“恒溫調(diào)節(jié)”及“停止加熱”三種輸出狀態(tài)。當(dāng)測(cè)量值到達(dá)上限設(shè)定值時(shí)，溫度控制器輸出控制信號(hào)使執(zhí)行器B斷開主加熱器B的電源。此時(shí)由于主輔加熱器均斷電不再加熱，故溫度在經(jīng)過過沖后逐漸下降，直至降到設(shè)定回差的下限時(shí)，溫度控制器輸出控制信號(hào)使執(zhí)行器B導(dǎo)通，主加熱器B又開始加熱，溫度又逐漸上升，周而復(fù)始。三位式調(diào)節(jié)溫度實(shí)際調(diào)節(jié)效果曲線和執(zhí)行器等的工

6、作狀況示意圖如右圖。8.3.3 連續(xù)比例調(diào)節(jié)原理 連續(xù)的含義是指調(diào)節(jié)器輸出的信號(hào)是模擬量，比例的含義是指調(diào)節(jié)器的輸出與輸入偏差成正比。 連續(xù)調(diào)節(jié)儀表的輸出方式一般可分為可控硅移相觸發(fā)方式和電機(jī)驅(qū)動(dòng)調(diào)壓器方式，前者使用壽命長(zhǎng)，應(yīng)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(chǎng)合外，已很少采用。8.3.4 時(shí)間比例調(diào)節(jié) 原理時(shí)間比例調(diào)節(jié)原理（斷續(xù)式比例調(diào)節(jié)） 例8-3 如下圖，若設(shè)該電爐是一個(gè)1000W的電爐，在30秒鐘周期內(nèi)，執(zhí)行器導(dǎo)通15s，斷開15s，那么在這個(gè)周期內(nèi)，電爐實(shí)際得到的加熱功率為50%，即500W。其余依次類推。如右圖，設(shè)執(zhí)行器的開關(guān)周期為T，在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，當(dāng) 0

7、tton時(shí)，控制器輸出控制信號(hào)使執(zhí)行器導(dǎo)通，電阻絲加熱；當(dāng) tontT時(shí)，控制器輸出控制信號(hào)使執(zhí)行器斷開，電阻絲不加熱。設(shè)電阻絲加熱的額定功率為Pnom ，實(shí)際加熱瞬時(shí)功率為 p，平均功率為 P，控制器輸出信號(hào) Uc、瞬時(shí)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(diào)制 （Pluse Width Modulation）技術(shù)的應(yīng)用。 改變占空比 就可以調(diào)節(jié)電阻絲的加熱功率，且加熱功率連續(xù)可調(diào)，它表明通過控制執(zhí)行器在一個(gè)周期的導(dǎo)通時(shí)間就可以模擬輸出具有相當(dāng)分辨率的連續(xù)量。具有比例帶的時(shí)間比例調(diào)節(jié)原理 實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)測(cè)量溫度小于比例帶下限值時(shí)，執(zhí)行器一直導(dǎo)通；當(dāng)測(cè)量溫度大于比例

8、帶上限值時(shí)，執(zhí)行器一直斷開；時(shí)間比例調(diào)節(jié)只在測(cè)量溫度位于比例帶下限和上限值之間時(shí)進(jìn)行。設(shè)控制器溫度設(shè)定值為SV ，比例帶下限值為SV-SP ，比例帶上限值為 SV+SP；設(shè)溫度測(cè)量值為 PV，根據(jù)上述調(diào)節(jié)原理，很顯然有:當(dāng) PV=SV-SP時(shí)， ；當(dāng)PV=SV+SP 時(shí)， 。所以，在比例帶范圍內(nèi)，時(shí)間比值 和測(cè)量溫度之間的關(guān)系式如下：比例調(diào)節(jié)的靜差實(shí)際調(diào)節(jié)過程及調(diào)節(jié)效果示意如下圖 與位式調(diào)節(jié)相比，時(shí)間比例式調(diào)節(jié)對(duì)加熱功率的調(diào)節(jié)是根據(jù)偏差連續(xù)改變輸出量的大小這一方式去實(shí)現(xiàn)的，因此調(diào)節(jié)結(jié)果的波動(dòng)較小。在有擾動(dòng)時(shí)，被控對(duì)象的調(diào)節(jié)參數(shù)能很快趨向平穩(wěn)。在比例帶值合適的情況下，不會(huì)產(chǎn)生持續(xù)的振蕩現(xiàn)象。 比

9、例或時(shí)間比例調(diào)節(jié)在系統(tǒng)穩(wěn)定后，其實(shí)際溫度值與設(shè)定溫度值之間必然會(huì)有一個(gè)偏差，即調(diào)節(jié)的結(jié)果值與設(shè)置的目標(biāo)值之間有一差值，專業(yè)上稱之為“靜差”，靜差可正可負(fù)。靜差的大小和方向取決于全輸出時(shí)加熱功率的高低、環(huán)境溫度或電網(wǎng)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(diào)節(jié)原理P調(diào)節(jié)原理I調(diào)節(jié)原理 比例、積分和微分調(diào)節(jié)器通常簡(jiǎn)稱為PID調(diào)節(jié)器，它是目前工業(yè)控制中應(yīng)用最廣的控制規(guī)律。 PID調(diào)節(jié)器在實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)需要，可組成P調(diào)節(jié)器、I調(diào)節(jié)器、PI調(diào)節(jié)器、PD調(diào)節(jié)器和PID調(diào)節(jié)器等 P調(diào)節(jié)是指使系統(tǒng)的輸出量與輸入量（即偏差）成比例。 單純使用P調(diào)節(jié)，控制系統(tǒng)被調(diào)量一定有靜差。I調(diào)節(jié)是指調(diào)節(jié)

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(shù)，上式改寫為：其輸出控制電壓 Uc按線性增長(zhǎng)，每一時(shí)刻 Ut的大小和 與橫軸所包圍的面積成正比，直至 達(dá)到最大值（飽和值 ）為止，如下圖當(dāng)有偏差存在時(shí)，輸出信號(hào)將隨時(shí)間增大。當(dāng)偏差為0時(shí)，輸出保持在某一值上。因此I調(diào)節(jié)器組成控制系統(tǒng)可以達(dá)到無靜差。PI調(diào)節(jié)原理D調(diào)節(jié)原理比例控制動(dòng)作及時(shí)，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(chǎn)生振蕩，所以在實(shí)際應(yīng)用中總是把它們結(jié)合起來，這樣既能控制及時(shí)，又能消除靜差。這種調(diào)節(jié)器稱為比例積分調(diào)節(jié)器，用它實(shí)現(xiàn)的控制稱為比例積分控制，簡(jiǎn)稱PI控制。比例積分控制規(guī)律用下

11、式表示：積分時(shí)間 越小，積分作用越強(qiáng)。反之，積分時(shí)間 越大，積分作用越弱。若積分時(shí)間 為無窮大，就沒有積分作用，成為純比例控制器了。D調(diào)節(jié)就是指調(diào)節(jié)器的輸出與偏差變化速率成正比，用公式表示如下：PD調(diào)節(jié)原理PID調(diào)節(jié)原理 PID參數(shù)的選取PID參數(shù)人工整定方法8.3.6 自適應(yīng)調(diào)節(jié)原理8.4溫度控制器使用說明1.主要技術(shù)參數(shù)和使用條件精度：(0.5% 1字)溫度系數(shù)：不大于0.05%/ 輸出：繼電器觸點(diǎn)輸出： AC250V/5A（阻性負(fù)載）或AC250/0.3A（感性負(fù)載） 觸點(diǎn)報(bào)警輸出：AC250V/5A（阻性負(fù)載）二級(jí)參數(shù)設(shè)置范圍 比例帶P：040% 積分時(shí)間I：0999s 微分時(shí)間D：0

12、999s 誤差修正范圍：-19.919.9( )或-2020( ) 切換差設(shè)置范圍：0.2-20.0( )或2-20( ) 控制及報(bào)警值設(shè)置范圍：儀表全量程的0100%上跟隨報(bào)警設(shè)置范圍：主控值050( )（WG型只能帶一路報(bào)警）比例偏置范圍：-50%+50%自整定功能：ON或OFF參數(shù)設(shè)置方法：輕觸開關(guān)軟件設(shè)置（設(shè)定參數(shù)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(huán)境：溫度050 ，相對(duì)濕度35%85%的無腐蝕性氣體場(chǎng)合 面形及開孔尺寸2.型號(hào)編制說明例8-3 試說明型號(hào)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(diào)節(jié)儀； （2）調(diào)節(jié)方式為二位PID調(diào)節(jié)； （3）報(bào)警為上限報(bào)警； （4）輸入信號(hào)采用熱電阻溫度傳感器； （5）輸出信號(hào)為繼電器觸點(diǎn)輸出。3.報(bào)警功能：當(dāng)輸入值達(dá)到人們特意在表面板上設(shè)置輸入的數(shù)值時(shí)作出報(bào)警動(dòng)作，而無論是上限、上上限、下限、下下限報(bào)警。默認(rèn)的報(bào)警動(dòng)作是報(bào)警輸出繼