1、題 目：電阻爐溫度控制系統設計電阻爐溫度控制系統設計摘 要隨著科學技術的飛速發展，控制理論不斷豐富和完善，控制技術也在向智能化、開放性、高可靠性的方向發展。目前常用的控制方式有智能化儀表、plc、dcs，它們可組成各種控制系統以滿足不同的控制要求。其功能越來越強大、性能也越來越完善，并具有控制精度高、抗干擾能力強、防爆性強等特點。本文研究的是電阻爐的溫度控制系統，由于電阻爐在生產和生活中的應用比較廣泛，所以電阻爐的溫度控制就顯得尤為重要了。建立一個控制系統首先要針對控制對象進行研究，本設計的研究對象是實驗室現有的管式電阻爐，因此本文對其進行了對象性能測試。然后針對電阻爐的特點，提出了利用數字調

2、節器、固態繼電器等器件組成溫度控制系統，通過調節參數實現對電阻爐溫度的控制。這種方法經濟、簡單、易操作，控制精度高。最主要的是：學會了利用實驗室現有的設備去掌握設計一個控制系統，更深刻的理解設計控制系統的思想，為以后的學習、工作打下了堅實的基礎。關鍵詞：電阻爐；對象特性測試；控制系統；pwm；調節器resistance furnace temperature control systemabstractalong with sciences and technologys swift development, the control theory is unceasingly rich and

3、 is perfect, the control technology also to the intellectualization, openness, the redundant reliable direction develops. at present the commonly used control mode has the intellectualized measuring appliance, plc, dcs, they may compose each kind of control system to satisfy the technique of product

4、ion the request. its function is getting more and more formidable, the performance to be getting more and more perfect, and has the control precision to be high, antijamming ability is strong, what the explosion-proof strong and so on characteristic this article studies is resistance furnaces temper

5、ature control system, because resistance furnace in produces and in the life application is quite widespread, therefore resistance furnaces temperature control appeared especially important, established a control system first to aim at the controlled member to conduct the research. this designs obje

6、ct of study is the laboratory existing tubular resistance furnace, therefore this article has carried on the object performance test to it. then in view of resistance furnaces characteristic, proposed use component composition temperature control systems and so on digit regulator, solid state relay,

7、 realize through the adjustment parameter to the resistance furnace temperature control. this method economical, simple, easy to operate, the control precision is high. what is most main: grasps using the laboratory existing equipment designs the work which a control system , the more profound under

8、standing design control systems thought that for the later study, the work has built the solid foundation.key word: resistance furnace；characteristics of the test object；control system；pwm；regulator目錄摘 要iabstractii目錄iii第一章 引言11.1電阻爐的概述11.2電阻爐溫度控制系統的應用與發展2第二章 電阻爐的溫度控制系統設計概述42.1 總體方案設計42.2 設計要求42.3 設計

9、原理4第三章 電阻爐溫度特性的測試、記錄及分析63.1 電阻爐溫度特性測試63.1.1 對象特性測試中所用儀表63.1.2 對象特性測試原理63.1.3 進行溫度特性曲線測試的儀器儀表的接線圖63.2 溫度特性曲線的記錄與分析83.2.1 溫度特性曲線的記錄83.2.2 溫度特性曲線試驗結果的數據處理的方法93.2.3 溫度特性曲線數據處理14第四章 電阻爐溫度控制系統的設計174.1 電阻爐溫度控制系統的實現過程174.1.1 電阻爐溫度控制系統的系統方框圖及調節過程174.1.2 儀器儀表介紹17第五章 電阻爐溫度控制系統的參數整定及系統調試315.1 溫度控制系統的實現線路315.1.1

10、 系統的連線框圖315.1.2 系統的連接線路及自動控制過程315.2 pid調節器及其參數的整定315.2.1 p、i、d各運算規律的作用315.2.2 pid參數的整定方法355.2.3 系統的pid整定結果及分析38總結40參考文獻42附錄a 系統接線端子圖44附錄b pwm電路原理圖45附錄c pwm程序46致謝52第一章 引言1.1電阻爐的概述工業爐是在工業生產中利用燃料燃燒或電能轉化的熱量將物料或工件加熱的熱工設備。機械工業應用的工業爐有多種類型，在鑄造車間，有熔煉金屬的沖天爐、感應爐、電阻爐、電弧爐、真空爐、平爐、坩堝爐等；在鍛壓車間，有對鋼錠或鋼坯進行鍛前加熱的各種加熱爐，和鍛

11、后消除應力的熱處理爐；在金屬熱處理車間，有改善工件機械性能的各種退火、正火、淬火和回火的熱處理爐；在焊接車間，有焊件的焊前預熱爐和焊后回火爐；在粉末冶金車間有燒結金屬的加熱爐等。自1973年能源危機以來，開發新能源和節約燃料引起世界各國的普遍關注。工業爐是我國能源的一大用戶，它所耗用的能源占全國總能耗的25%，熱軋生產用各種加熱爐的能耗約占全廠總能耗的60%以上。因此，降低它們的能耗是很有意義的，實施自動控制是一種有效的途徑3。電阻爐是工業爐的一種，它是利用電流使爐內電熱元件或加熱介質發熱，從而對工件或物料加熱的工業爐。電阻爐在機械工業中用于金屬鍛壓前加熱、金屬熱處理加熱、釬焊、粉末冶金燒結、

12、玻璃陶瓷焙燒和退火、低熔點金屬熔化、砂型和油漆膜層的干燥等。自從發現電流的熱效應(即楞茨-焦耳定律)以后，電熱法首先用于家用電器，后來又用于實驗室小電爐。隨著鎳鉻合金的發明，到20世紀20年代，電阻爐已在工業上得到廣泛應用。工業上用的電阻爐一般由電熱元件、砌體、金屬殼體、爐門、爐用機械和電氣控制系統等組成。加熱功率從不足一千瓦到數千千瓦。工作溫度在 650以下的為低溫爐；6501000為中溫爐;1000以上為高溫爐。在高溫和中溫爐內主要以輻射方式加熱。在低溫爐內則以對流傳熱方式加熱，電熱元件裝在風道內，通過風機強迫爐內氣體循環流動，以加強對流傳熱。電阻爐有室式、井式、臺車式、推桿式、步進式、馬

13、弗式和隧道式等類型。可控氣氛爐、真空爐、流動粒子爐等也都是電阻爐。與其它的工業爐相比，電阻爐具有發熱部分簡單，對爐料的種類限制少，爐溫控制精度高，容易實現在真空或控制氣氛中加熱等特點。因此電阻爐廣泛應用于冶金、機械、材料等行業，是發展最早，品種規格最多，需要量最大的一類工業爐。電阻爐按其加熱方式不同，可以分為間接電熱和直接電熱兩大類。前者依靠電流通過爐內的電熱體或導電液體產生熱量，再經過一定的傳熱過程將熱量傳給被加熱的物體。目前大多數的電阻爐都屬于這一類。后者是電流直接通過被加熱的物料，依靠物料本身的電阻發熱。間接電熱電阻爐的電熱原理：電流通過爐內的專門電阻發熱即電熱體所產生的熱量，借熱輻射、

14、對流和傳導將熱量傳遞給被處理的物料，這種電爐稱為間接電熱電阻爐。其特點是：采用不同材料的電熱體可在爐內達到不同的最高工作溫度;采用不同的電熱體安裝和布置方式，可在爐內得到各種所需的溫度分布以及做成各種形式和大小的爐子。所以間接電熱電阻爐是工業生產和科研中應用最廣泛的一種爐子。1.2電阻爐溫度控制系統的應用與發展現在所說的電阻爐溫度控制系統，多指采用電腦或微處理器進行智能控制的系統，在系統的發展史上，稱為第三代控制系統，以plc和dcs為代表，從70年代開始應用以來，在冶金、電力、石油、化工、輕工等工業過程控制中獲得迅猛的發展。70年代中期，由于設備大型化、工藝流程連續性要求高、要控制的工藝參數

15、增多，而且條件苛刻，要求顯示操作集中等，使已經普及的電動單元組合儀表不能完全滿足要求。在此情況下，在原來采用中小規模集成電路而形成的直接數字控制器(ddc)的自控和計算機技術的基礎上，開發出了以集中顯示操作、分散控制為特征的集散控制系統 (dcs)。因而將集散控制系統 (dcs)應用到電阻爐溫度的控制上，可以提高控制精度，可靠性和安全性。從90年代開始，陸續出現了現場總線電阻爐溫度控制系統、基于pc的電阻爐溫度控制系統等。 目前，由于控制的目的、工藝要求、精度要求的不同，可以采用不同的控制方式。控制方式的使用范圍也不同：plc適用于離散過程控制，如開關、順序動作執行等場所，隨著plc的功能越來

16、越強大，plc也開始進入過程自動化領域。dcs系統則以模擬量反饋控制為主，輔以開關量的順序控制和模擬量開關量混合型的批量控制，它們可以覆蓋煉油、石化、化工、冶金、電力、輕工及市政工程等大部分行業。而現場總線的突出特點在于它把集中與分散相結合的dcs集散控制結構，變成新型的全分布式結構，把控制功能徹底下放到現場，依靠現場智能設備本身實現基本控制功能。在本設計中以電阻爐為研究對象，利用實驗室現有的管式電阻爐和一系列的數字化儀表來完成電阻爐的溫度控制系統。通過改變調節器的比例帶、積分時間和微分時間來實現對電阻爐的溫度控制。當系統處于平衡狀態時，爐溫將穩定在給定值上，從而實現了電阻爐的恒溫控制。該方法

17、簡單，易操作，控制精度高，可靠性強。同時這種控制方案可以根據不同的研究對象完成不同的控制要求。第二章 電阻爐的溫度控制系統設計概述2.1 總體方案設計自動控制系統設計首先要研究被控對象，即對被控對象進行測試。測試的方法有：時域測試法（這里指飛升曲線法）、頻域測試法、統計法等。這里采用飛升曲線法。本設計的研究對象是實驗室現有的管式電阻爐，因此對它進行性能實驗測試。設計中取的是對象的飛升曲線，所以實驗中讓對象（電阻爐）在某一穩態下穩定一段時間后，快速的改變它的輸入量，使對象達到另一穩定狀態，從而求得對象在階躍函數時的飛升曲線。測得對象特性后，根據要求選擇一個合適的控制系統。因為在一般連續生產過程中

18、，單回路調節系統可以滿足大多數的控制要求，所以這里采用單回路調節系統。單回路調節系統一般是指在一個調節對象上用一個調節器來保持一個參數恒定，而調節器只接受一個測量信號，其輸出也只控制一個執行機構。想要實現電阻爐的溫度控制，控制方法有很多，例如利用常溫儀表，數字儀表，plc等，它們都可以實現自動控制，但由于數字儀表即比常溫儀表操作簡單，控制精度高，又比plc經濟實用，故本設計采用數字儀表足已滿足我們的控制要求。在確定了控制方法后還要先根據經驗值定一組最初的調節器參數，然后再結合實驗數據求得的調節器參數，調節整定系統，使控制效果達到最佳，從而確定最后的調節器參數，最終實現電阻爐的溫度控制。2.2

19、設計要求針對電阻爐組成一個簡單實用的恒溫控制系統，可以通過設置參數使其溫度在0-1000攝氏度內得到有效的控制，并且控制精度達到預想效果，控制時間也可以隨意改變。2.3 設計原理以電阻爐溫度為研究對象,采用數字pid控制器對電阻爐溫度進行控制,通過調節比例帶、積分時間、微分時間來調節控制效果,同時針對不同溫度段所表現出來的不同熱性能，采用全功率或比例控制加快升溫過程，再進行pid算法結合積分分離或積分削弱算法控制穩定過程的方案。使電阻爐溫度控制達到超調量小、穩定精度高的優良控制效果。第三章 電阻爐溫度特性的測試、記錄及分析3.1 電阻爐溫度特性測試一般研究調節對象特性的方法有兩種。對于簡單的對

20、象或系統各環節的特性，可以通過分析過程的機理、物料或能量平衡關系求得數學模型，即對象動態特性的微分方程式，這種方法稱為分析法。但是，復雜對象的微分方程式很難建立，也不容易求解。所以，另一種方法是通過實驗測定，對取得數據進行加工整理而求得對象的微分方程式或傳遞函數，這種方法稱為實驗測定法。目前用來測定對象動態特性的實驗方法主要有三種：測定動態特性的時域方法、測定動態特性的頻域方法、測定動態特性的統計方法。這里僅對本次設計用到的是時域方法加以介紹。時域方法主要是求對象的飛升曲線或方波響應曲線，如輸入量做階躍變化，測繪對象輸出量隨時間變化曲線就得到飛升特性。如果將輸入量作一個脈沖方波變化，測出對象輸

21、出量隨時間的變化曲線就得到脈沖方波響應曲線。這些方法都不需要特殊的信號發生器，在很多情況下可以利用調節系統中原有的儀器設備完成，方法簡單，測試工作量小，故應用甚廣。此法缺點是測試精度不高且對生產有一定影響。3.1.1 對象特性測試中所用儀表電阻絲高溫爐，自耦變壓器，無紙記錄儀，s型熱電偶3.1.2 對象特性測試原理在實驗中，用調壓變壓器將220v的交流電轉換成不同伏值的電壓，通過這些電壓為管式電阻爐提供電源，將熱電偶所測的電阻爐在不同伏值供電電壓下的毫伏信號接入無紙記錄儀進而實時地繪制電阻爐的溫度特性曲線。3.1.3 進行溫度特性曲線測試的儀器儀表的接線圖下面我們將進行溫度特性測試原理圖和接線

22、圖的繪制。圖3.1 電阻爐的溫度性能測試原理圖圖3.2電阻爐的溫度性能測試接線圖由圖3.2可以看出，我們是將自耦變壓器原邊接民用電源，其副邊的輸出接至管式電阻爐的電源輸入端，從而使電阻爐開始加熱，我們利用s型的鉑銠-鉑熱電偶作為傳感器來測試爐溫，其熱電偶的輸出端1，2應接至無紙記錄儀的輸入端，由無紙記錄儀的usb接口讀取曲線圖，再利用無紙記錄儀u盤數據存儲分析軟件分析曲線圖。我們按照圖3.2將各儀器儀表的引腳相互連接，這就組成了測試溫度特性的電路。我們通過調節自耦變壓器的給定電壓，使電阻爐的溫度變化并繪出溫度升高或降低的曲線圖。3.2 溫度特性曲線的記錄與分析在電阻爐溫度特性曲線的測試中，我們

23、通過選擇不同的給定電壓送入電阻爐，從而使電阻爐的溫度由一個穩態階躍到另一個穩定狀態，也相當于給電阻爐一個階躍信號，來得到溫度的階躍響應曲線。3.2.1 溫度特性曲線的記錄在開始實驗時，我們選定的初始給定值是30v，待溫度上升到某一穩定值時，我們將給定值改變為70v，相當于給該系統一個階躍信號，從而使溫度的變化曲線出現階躍響應。為了使我們的設計達到一定的要求，應多給幾個階躍信號，使溫度比較高時，也能很好的進行自動控制。因而，我們又將給定值設為70v,溫度升高到穩定狀態時，再給一個階躍信號，即將變壓器的電壓調至110v。圖3.3階躍響應曲線圖3.3為電阻爐溫度特性曲線截取圖。在響應曲線測定后，為了

24、分析和設計控制系統，需要將響應曲線轉化為傳遞函數。在轉化過程中，首要問題是選定模型的結構。對于采用pid控制的閉環控制系統，并不要求非常準確的被控對象模型。因此在滿足精度要求的情況下，常采用低階傳遞函數來擬和被控對象。3.2.2 溫度特性曲線試驗結果的數據處理的方法在描繪生產過程的動態特性時，常用微分方程式或傳遞函數的形式表達。如何將實驗所獲得的各種不同對象的飛升曲線進行處理，以便用一些簡單的典型微分方程或傳遞函數來近似表達，既適合工程應用，又有足夠的精度，即這里所指的數據處理。（1） 由飛升曲線確定有純滯后的一階環節的參數圖3.4 電阻爐的飛升曲線有純滯后的s形飛升曲線，如圖3.4所示。在變

25、化速度最快處作一切線，它的斜率就是最快的速度，并從時間軸的交點得出滯后時間。同時記下輸入階躍變化量和的最終變量。然后用下列式子求及： ； (3-1) (3-2)這種處理方法極為簡單但準確性不高，再介紹一種比較準確的方法：求穩態放大系數的式子不變，在計算時間常數及純滯后時，將曲線修改成無因次的飛升曲線為 (3-3)對于有滯后的一階非周期環節來說，在階躍作用下的解為 ； (3-4)為了確定及的值，在無因次飛升曲線上選取的兩個坐標值，現選擇及如下：； (3-5)其中，對上式聯立求解可得；。 (3-6)可以看出，由,及對應飛升曲線上的兩個值及求得及。若選擇，則可得 ； (3-7)對于計算結果，可在 這

26、幾個時間上，對飛升曲線進行校驗。（2） 由飛升曲線確定二階環節的參數響應曲線測定后，為了分析和設計控制系統，需要將響應曲線轉化為傳遞函數。本設計采用二階系統的s形飛升曲線的分析方法對實驗結果進行處理。下面介紹一下二階系統的s形飛升曲線的分析方法，并用該方法對實驗測得的電阻爐溫度特性曲線進行分析。對于s形的實驗飛升曲線，規定其傳遞函數按下式： （3-8） 或 （3-9）來近似，前者相當于過阻尼的二階環節（傳遞函數的分母有兩個實根及，后者為阻尼系數為1的有純滯后的二階環節。在生產實際中，多數對象的飛升曲線都是過阻尼的，因此該方法適用于大批的工業對象。對于式（3-8），在零初始條件下，當輸入作階躍變

27、化，階躍變量為時，它的解為 （3-10）用無因式表示: （3-11）由式（3-11）可知，為了求的值，應先確定兩個時間常數和，而這就要建立兩個方程。在式（3-11）中引入時間無因次量； (3-12) 其中2=+，則可化為: （3-13）注意：；,可見式（3-13）表達了，和 三者之間的關系。 令，則在式（3-13）中只剩，和兩個參量。因，故。當在01之間取值時，可算出與之相對應的，結果如下圖3.5所示：這里令。圖3.5 2t7*關系曲線分析圖3.5可以發現，當時，的值在1.2附近變動。如果令=1.2，則由此帶來的誤差為，這在工程上是允許的。這樣，就得到尋求時間常數，的第一個關系式 即 （3-1

28、4）其次，在式（3-13）中，令便可確立與之間的關系，如圖4.8所示，這是尋求時間常數、的第二個關系式。在同一圖中還畫有及時的曲線和，這兩條曲線可供檢驗數據處理結果之用。圖3.6 y4與2的關系曲線經上述分析之后，可將確定典型二階方程參數的步驟簡述如下：實驗求得飛升曲線后，先按式和式求出放大倍數k和無因次的飛升曲線，然后根據來求及或及。根據求得與之對應的，再算出對應于從飛升曲線上找到的數值。根據的數值分三種情況處理：若0.1910.33，則采用式（3-8）來近似，這時還要計算兩個未知參數及。計算時需要借助圖3.6的曲線。為了算及，首先求出，再由圖3.6的曲線和的值求得對應的的值進而求，最后用公

29、式； （3-15）來計算時間常數及。至此就求得了近似傳遞函數（3-8）式的各參數。為了對此傳遞函數進行校驗，可以檢查它的幾個點，在校驗時仍需用到圖3.6的曲線，實驗結果與計算結果在，時是重合的，在和兩點可按圖3.6查出與的值，且與實驗曲線上的值相比較作為校驗。若數值相近，則認為這樣的近似是合理的。若0.191，則采用（3-9）式的帶純滯后的二階環節近似，這時要計算的兩個未知參數是和。先令及在曲線上找到相應的時間及的值，然后按公式 ； (3-16)來計算純滯后及時間常數。至此，傳遞函數（3-9）式就確定了。為了校驗，計算結果應在，及處與實驗曲線重合，并可按時及時與實驗所得飛升曲線相比較。若，則應

30、用來描述傳遞函數的特性。由飛升曲線確定傳遞函數的方法介紹完畢，下面將對實驗所得數據加以處理9。3.2.3 溫度特性曲線數據處理響應曲線測定后，為了分析和設計控制系統，需要將響應曲線轉化為傳遞函數。因為我們采用的是pid控制的閉環控制系統，并不要求非常準確的被控對象模型，因此在滿足精度要求的情況下，采用延遲的二階慣性環節傳遞函數來擬合被控對象。 對電阻爐溫度特性曲線的分析，我們只截取其中的一部分，以500011000s這段曲線（控制目的中要求的穩定溫度處于這一段）為例。首先將實驗所得飛升曲線化為無因次飛升曲線。圖3.7 t 曲線圖根據無因次飛升曲線（如圖3.7所示），求出與相對應的于是得再從圖中

31、找到對應于的由于所得之滿足不等式0.191y4* 0.33故用無滯后的二階環節（3-8）來近似，這時根據公式（3-14）及圖3.6之曲線找到 查圖，時， =0.82 ， =0.91，于是按式（3-15）可求 ；由上述方法求得被控對象的傳遞函數，通過分析傳遞函數即可了解被控電阻爐的溫度特性。 進而我們連接系統并進行參數調節。由實驗曲線圖可得：；(min)；（min）由經驗公式可計算出：p=113；(min)；（min）。第四章 電阻爐溫度控制系統的設計4.1 電阻爐溫度控制系統的實現過程電阻爐溫度控制系統是一個單回路反饋控制系統，它由四個基本環節組成，即被控對象、測量變送裝置、控制器和控制閥。本

32、設計中被控對象是電阻爐的溫度，測量變送裝置為s型熱電偶，控制器采用數字調節器，控制閥則是由固態繼電器構成。4.1.1 電阻爐溫度控制系統的系統方框圖及調節過程 圖4.1 電阻爐溫度自動調節系統由圖4.1可以看出，該系統是一個單參數閉環控制系統。當系統處于平衡狀態時，爐溫將穩定在給定值上。由于外加某種擾動的影響，使爐溫降低或升高，此時s熱電偶產生的毫伏信號，一方面送至顯示儀表指示和記錄，另一方面送入數字調節器中。在調節器中測量信號與給定值信號進行比較后，產生一個偏差值，經過pid運算后輸出一個4-20ma的電流信號，然后送入pwm（脈寬調制電路）電路中，這樣將調節器輸出的4-20ma的電流信號線

33、性的轉變為通電時間為0%-100%的占空比，根據占空比控制固態繼電器改變電阻爐的通電和斷電時間，從而改變了電阻爐的溫度。由于通電時間的改變，電阻爐爐溫也隨之而變，當爐溫與給定值相等時，偏差，調節器輸出恒定，通電時間固定，通過這種方式使爐溫保持在給定值上，即實現了電阻爐的恒溫控制。4.1.2 儀器儀表介紹在該設計中，我們用到了很多儀器儀表，對所用儀器儀表的介紹如下：表4.1使用儀器設備表格儀器儀表名稱型號規格生產廠家備注管形高溫爐sk-2-12h 哈爾第二電爐廠制造額定功率：2千瓦額定溫度：1000 頻 率：50赫茲 額定電壓：220v熱電偶s型(鉑銠10-鉑)長期使用溫度為1400(我國規定為

34、1300)，短期使用溫度為1600自耦變壓器制號1234天津市電機器材廠制造最大電力50kva，50輸入輸出電壓電壓電流220v0250v20a110v0250v10a數字調節器sr74a日本pwm電路采用單片機at89c2051，adc0832，74ls164，led固態繼電器jgx-10f日本從上表可以很好的了解到所用的儀器儀表，可清楚我們的基本設計方法，從而可以進一步的了解該設計，給人以清晰、簡單的設計思路。為使我們的設計盡可能的簡單易操作，控制效果更好，在這些儀器儀表的選用上，是經過多方面的考慮，而最終做出的選擇。1.熱電偶熱電偶的基本結構是熱電極，絕緣材料和保護管。絕緣材料的作用是使

35、兩根熱電極絲相互電絕緣，避免因熱電極短路而引入測量誤差，并保證一定的機械強度。為使熱電偶熱電極不直接與被測介質接觸，通常采用保護管。它不僅可以保護熱電極延長熱電偶的使用壽命，還可以起到支撐和固定熱電極的作用。熱電偶溫度計的原理是利用兩種不同的金屬導體在兩個端點上相互接觸，當其兩接點溫度不同時，回路內就會產生熱電勢。它是接觸式測溫儀表，溫度不同的兩物體相互接觸，由于它們之間有溫度差存在，熱量就會從高溫物體向低溫物體傳遞。如果這兩個物體與外界沒有能量交換，則經過足夠長時間兩者之間就會達到熱平衡狀態，即傳熱量為零，兩者溫度相等。如果兩物體其中之一是溫度計的感溫部分，另一物體是被測物體，則可以說溫度計

36、的感溫部分充分反映了被測物體的溫度。熱電偶具有四大基本定律，分別為中間導體定律，均質導體定律，中間溫度定律，參考電極定律。中間導體定律是熱電偶回路的一個重要性質。這一性質表明：在熱電偶回路中接入第三種導體，只要這第三種導體材料兩端溫度相同，則熱電偶產生的熱電勢保持不變，不受第三種導體接入的影響。因此，在熱電偶測溫時，可接入測量儀表，測得熱電動勢后，即可知道被測介質的溫度。均質導體定律是指由一種均質導體組成的閉合電路，不論導體的截面如何以及各處的溫度分布如何，都不能產生熱電勢。這條定律說明，熱電偶必須由兩種不同性質的材料構成。中間溫度定律是指熱電偶回路兩接點（溫度為、）間的熱電勢，等于熱電偶在溫

37、度為、時的熱電勢與在溫度為、時的熱電勢的代數和。稱中間溫度。參考電極定律 是專業人士才研究、關注的，一般生產、使用環節的人士不太了解，簡單說明就是：用高純度鉑絲做標準電極，假設鎳鉻-鎳硅熱電偶的正負極分別和標準電極配對，他們的值相加是等于這支鎳鉻-鎳硅的值。本設計中的研究對象為電阻爐，它的最大上限在1000左右，因此本設計采用鉑銠10-鉑熱電偶(分度號為s)。這是一種貴金屬熱電偶，由直徑為0.5mm以下的鉑銠合金絲（鉑90%，鐒10%）和純鉑絲制成。s型熱電偶的特點是熱電性能穩定，抗氧化性強，宜在氧化性、惰性氣氛中連續使用，其準確度等級是最高的。長期使用溫度為1400(我國規定為1300)，短

38、期使用溫度為1600。通常用作為標準或作為測量高溫的熱電偶，它的使用溫度范圍廣、均質性及互換性好。它的缺點是價格昂貴，電極絲直徑通常很細，機械強度較低3。2.調壓器（1）自耦變壓器的結構特點圖4.2是自耦變壓器的示意圖。 這種變壓器的結構特點是鐵芯上只繞有一個線圈。 如果把整個線圈作原線圈，副線圈只取線圈的一部分，就可以降低電壓（如圖4.2甲所示）；如果把線圈的一部分作原線圈，整個線圈作副線圈，就可以升高電壓（如圖4.2 乙所示)。圖4.2自耦變壓器的示意圖調壓變壓器是一種典型的自耦變壓器, 它的構造如圖4.3 所示. 線圈ab 繞在一個圓環形的鐵芯上,當a 、b 之間輸入交流電壓后, 轉動滑

39、動觸頭p 的位置,就可以在c、d 兩端輸出能連續變化的不同電壓。圖4.3自耦變壓器結構圖（2）自耦變壓器的工作原理自耦變壓器也是利用電磁感應原理制成的。從圖4.3可以看出,在交流電源的作用下，原線圈中產生交變電流,從而在鐵芯中激發交變的磁通量。這一交變的磁通量將在原、副線圈中產生感應電動勢,這便是自耦變壓器的工作原理。因此，自耦變壓器也具有一般變壓器所具有的變壓、變流和變阻特性。3.調節器在實際生產應用中，調節器是構成自動控制系統的核心儀表，它將來自變送器的測量值與給定值相比較后產生的偏差進行比例、積分、微分(pid)運算，并輸出統一標準信號，去控制執行機構的動作，以實現對溫度及其他工藝變量的

40、自動控制。調節器的運算規律是指調節器的輸出信號與輸入偏差之間隨時間變化的規律。理想的pid調節器的運算規律可用下式表示 （4-1）也可用傳遞函數表示為 （4-2）式中第一項為比例(p)部分，第二項為積分(i)部分，第三項為微分(d)部分，各變量的意義如下：調節器的比例增益；調節器的積分時間；調節器的微分時間；實際pid調節器的運算規律表達式要復雜些，其傳遞函數常用下式表示 （4-3）式中 調節器變量之間的相互干擾系數，可表示為，其中比例系數的大小與調節器的構成方式有關。該式表明，當調節器無積分作用()或無微分作用時，； 考慮相互干擾系數后的實際比例增益； 考慮相互干擾系數后的實際積分時間； 考

41、慮相互干擾系數后的實際微分時間； 積分增益； 微分增益。當、均很大時，則上式就近似等于理想pid運算規律的表達式了。當偏差為階躍信號時，利用拉氏反變換，由上式可求得實際pid調節器的輸出為 （4-4）當時，；當時，。調節器包括偏差檢測和進行pid運算的兩部分電路。偏差檢測電路也即輸入電路，偏差信號一般采用電壓形式，所以輸入信號與給定信號在輸入電路內都是以電壓形式進行比較。在本設計中可以使用ddz-型調節器也可以使用數字式調節器，本設計采用 數字式調節器，因為數字式調節器相對于ddz-型調節器使用起來更方便而且調節更精確。4.固態繼電器本設計中的執行器采用固態繼電器，固態繼電器（亦稱固體繼電器）

42、英文名稱為solid state relay，簡稱ssr。固態繼電器與機電繼電器相比，是一種沒有機械運動，不含運動零件的繼電器，但它具有與機電繼電器本質上相同的功能。ssr是一種全部由固態電子元件組成的無觸點開關元件，他利用電子元器件的電，磁和光特性來完成輸入與輸出的可靠隔離，利用大功率三極管，功率場效應管，單向可控硅和雙向可控硅等器件的開關特性，來達到無觸點，無火花地接通和斷開被控電路。固態繼電器有三部分組成:輸入電路，隔離(耦合)和輸出電路。按輸入電壓的不同類別，輸入電路可分為直流輸入電路，交流輸入電路和交直流輸入電路三種。有些輸入控制電路還具有與ttl/cmos兼容，正負邏輯控制和反相等

43、功能。固態繼電器的輸入與輸出電路的隔離和耦合方式有光電耦合和變壓器耦合兩種。固態繼電器的輸出電路也可分為直流輸出電路，交流輸出電路和交直流輸出電路等形式。交流輸出時，通常使用兩個可控硅或一個雙向可控硅，直流輸出時可使用雙極性器件或功率場效應管。固態繼電器具有高壽命，靈敏度高，快速轉換，電磁干擾小等優點，固本設計采用固態繼電器。5.無紙記錄儀無紙無筆記錄儀摒棄了傳統記錄儀中使用的記錄筆和記錄紙，把工業現場的各種需要監視記錄的輸入信號，通過本機cpu數據處理，一方面在大屏幕液晶顯示屏幕上以多種形式的畫面顯示出來，另一方面把這些監察信號的數據存放在本機內藏的大容量存儲芯片內，以便在本記錄儀上直接進行

44、數據和圖形查詢、翻閱和打印。帶有軟磁盤驅動的exii型無紙記錄儀還可將這些數據進行拷盤存檔，用戶可用我們提供的上位機軟件，對已記錄數據的軟盤，在上位機上重現歷史數據和歷史曲線。無紙記錄儀分為：中長圖彩屏無紙記錄儀，藍屏無紙記錄儀，彩屏無紙記錄儀，單色無紙記錄儀。本設計使用的是藍屏無紙記錄儀，在使用時應先進入組態模塊，操作身份選為工程師，進而進入主菜單修改參數，通道選為單通道顯示，量程選為0-1000，接收信號選為s型熱電偶，單位選為攝氏度。當通電時無紙記錄儀將會自動進行工作，把熱電偶的正負極接到無紙記錄儀的輸入端，當實驗達到理想狀態時可以直接通過u盤讀取。然后再通過無紙記錄儀u盤數據存儲分析軟

45、件對結果進行分析。6.pwm電路pwm電路（脈寬調制電路）是利用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術，廣泛應用于測量，通信，功率控制與變換等許多領域。脈沖寬度調制（pwm）是一種對模擬信號電平進行數字編碼的方法。通過高分辨率計數器的使用，方波的占空比被調制用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼。pwm信號仍然是數字的，因為在給定的任何時刻，滿幅值的直流供電要么完全有(on)，要么完全無(off)。電壓或電流源是以一種通(on)或斷(off)的重復脈沖序列被加到模擬負載上去的。通的時候即是直流供電被加到負載上的時候，斷的時候即是供電被斷開的時候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以

46、使用pwm進行編碼。pwm的一個優點是從處理器到被控系統信號都是數字形式的，無需進行數模轉換。讓信號保持為數字形式可將噪聲影響降到最小。噪聲只有在強到足以將邏輯1改變為邏輯0或將邏輯0改變為邏輯1時，也才能對數字信號產生影響。 對噪聲抵抗能力的增強是pwm相對于模擬控制的另外一個優點，而且這也是在某些時候將pwm用于通信的主要原因。從模擬信號轉向pwm可以極大地延長通信距離。在接收端，通過適當的rc或lc網絡可以濾除調制高頻方波并將信號還原為模擬形式。 總之，pwm既經濟、節約空間、抗噪性能強，是一種值得廣大工程師在許多設計應用中使用的有效技術。 本設計利用脈寬調制電路將調節器輸出的4-20m

47、a的信號線性轉化0%-100%的占空比，使其控制固態繼電器的開關，進而控制了電阻爐的通電和斷電時間。從而實現了電阻爐的溫度控制。（1）pwm電路的硬件原理圖本設計的pwm電路采用了at89c2051，adc0832，74ls164，led等，因此自己焊制了pwm電路板。pwm電路圖見附錄b。at89c2051是美國atmel公司生產的低電壓、高性能cmos 8位單片機，片內含2k bytes的可反復擦寫的只讀程序存儲器（perom）和128bytes的隨機數據存儲器（ram），器件采用atmel公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準mcs-51指令系統，片內置通用8位中央處理器和flas

48、h存儲單元，功能強大at89c2051單片機可為您提供許多高性價比的應用場合。以下為其引腳圖：圖4.4 at89c2051引腳圖主要性能：和mcs-51產品兼容；2kb可重編程flash存儲器（1000次）；2.7-6v電壓范圍；全靜態工作：0hz-24khz；2級程序存儲器保密鎖定；128*8位內部ram；15條可編程i/o線；兩個16位定時器/計數器；6個中斷源；可編程串行通道；高精度電壓比較器（p1.0，p1.1，p3.6）；直接驅動led的輸出端口；adc0832 是美國國家半導體公司生產的一種8 位分辨率、雙通道a/d轉換芯片。由于它體積小，兼容性，性價比高而深受單片機愛好者及企業歡

49、迎，其目前已經有很高的普及率。圖4.5 adc0832的引腳圖adc0832 具有以下特點： 8位分辨率； 雙通道a/d轉換； 輸入輸出電平與ttl/cmos相兼容； 5v電源供電時輸入電壓在05v之間； 工作頻率為250khz，轉換時間為32s； 一般功耗僅為15mw； 8p、14pdip（雙列直插）、picc 多種封裝； 商用級芯片溫寬為0c to +70c，工業級芯片溫寬為40c to +85c；芯片接口說明： cs_ 片選使能，低電平芯片使能； ch0 模擬輸入通道0，或作為in+/-使用； ch1 模擬輸入通道1，或作為in+/-使用； gnd 芯片參考0 電位（地）； di 數據信

50、號輸入，選擇通道控制； do 數據信號輸出，轉換數據輸出； clk 芯片時鐘輸入； vcc/ref 電源輸入及參考電壓輸入（復用）；adc0832 為8位分辨率a/d轉換芯片，其最高分辨可達256級，可以適應一般的模擬量轉換要求。其內部電源輸入與參考電壓的復用，使得芯片的模擬電壓輸入在05v之間。芯片轉換時間僅為32s，據有雙數據輸出可作為數據校驗，以減少數據誤差，轉換速度快且穩定性能強。獨立的芯片使能輸入，使多器件掛接和處理器控制變的更加方便。通過di 數據輸入端，可以輕易的實現通道功能的選擇。74ls164 為 8 位移位寄存器,其主要電特性的典型值如下：當清除端（clear）為低電平時，

51、輸出端（qaqh）均為低電平。 串行數據輸入端（a，b）可控制數據。當 a、b任意一個為 低電平，則禁止新數據輸入，在時鐘端（clock）脈沖上升沿作用下q0 為低電平。當a、b 有一個為高電平，則另一個就允許輸入數據，并在clock 上升沿作用下決定q0 的狀態。 圖4.6 74ls164的引腳圖引腳功能：clock ：時鐘輸入端；clear： 同步清除輸入端（低電平有效）； a，b ：串行數據輸入端；qaqh： 輸出端；圖4.7 74ls164的真值表（2）pwm電路的軟件pwm電路的軟件主要分為三部分，第一是模數轉換程序，第二是將調節器的輸出信號轉化為占空比的程序，第三是led顯示占空比

52、的程序。本設計采用c51進行編程（程序見附錄c）（3） pwm電路板由于實驗室的數字調節器不帶有pwm模塊，所以需要自己焊制pwm電路板，電路板見圖4.8圖4.8 pwm電路板用信號發生器模擬調節器輸出的4-20ma電流，對pwm電路進行了演示，具體見圖4.9，圖4.10，圖4.11 圖4.9 pwm演示圖1 圖4.10 pwm演示圖2 圖4.11 pwm演示圖3第五章 電阻爐溫度控制系統的參數整定及系統調試根據前面的實驗結果，下一步應進行該系統的參數整定及系統調試。這時就應該實際的考慮很多問題，包括在系統連接后運行及調節參數上出現的問題。5.1 溫度控制系統的實現線路5.1.1 系統的連線框

53、圖系統的接線端子圖與系統的基本原理框圖是一致的。見附錄a5.1.2 系統的連接線路及自動控制過程在實驗室，對儀表進行了解，然后按照系統接線端子圖連線。一定將各儀表對應的端子連接正確，避免造成事故。連接好儀表后，檢查無誤后再接通電源。檢測一下調節器和執行器是否能正常工作。接通電源，參考前邊給定的pid調節器的參數，調試，整定系統以達到最佳的控制效果，確定最后的調節器參數。熱電偶將檢測得到的毫伏信號送入調節器，調節器把輸入信號與給定值信號的差值進行比例、積分、微分規律運算后將控制信號送入pwm電路，pwm電路控制固態繼電器的通電和斷電時間，從而控制電阻爐的溫度，只有當調節器的輸入信號與給定值相等時，即差值為零時，固態繼電器的通電時間不變，使電阻爐的溫度控制在給定值上，從而達到了恒溫控制的要求。5.2 pid調節器及其參數的整定在實際工業生產應用中，調節器是構成自動控制系統的核心儀表，它的基本功能是將來自變送器的測量信號與給定信號相比較，并對由此所產生的偏差信號進行比例、積分或微分處理后，輸出調節信號控制執行器的動作以實現對不同被測或被控參數如溫度、壓力、流量或液位等的自動控制。5.2.1 p、i、d各運算規律的作用基本運算規律比例（p）、積分（i）和微分（d）三種，pid調節器的運算規律就是由這些