自動化實(shí)踐初步 第八章 溫度控制系統(tǒng)

1、自動化實(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 溫度自動控制系統(tǒng)的構(gòu)成溫度自動控制系統(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)、被控對象、檢測裝置給定環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)器執(zhí)行機(jī)構(gòu)被控對象檢測環(huán)節(jié)比較環(huán)節(jié)例8-1 電爐爐溫自動控制系統(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小時連續(xù)保溫680 后，才能達(dá)到預(yù)期的性能，這就需要對退火爐的溫度進(jìn)行控制。電爐溫度控制系統(tǒng)原理圖如圖81例8-2 計算機(jī)控制電爐爐溫自動控

2、制系統(tǒng)隨著電力電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，為提高電爐爐溫控制系統(tǒng)的性能，爐溫自動控制系統(tǒng)采用計算機(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電信號二次儀表可處理信號顯示調(diào)節(jié)儀表 顯示調(diào)節(jié)儀表溫度電壓流量位移電信號濾波、放大、非線性校正 在自動

3、化控制系統(tǒng)中，二次儀表經(jīng)常處于核心地位，因此對其進(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)對象的參數(shù)進(jìn)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(zhí)行器執(zhí)行對負(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，其工作原理是將測量值與設(shè)定值相比較，差值經(jīng)放大處理后，對執(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(jié)構(gòu)，尤其是爐體體積。 由于存在滯后時間，儀表做出調(diào)節(jié)動作后，需要一定的時間才能把調(diào)節(jié)結(jié)果通過傳感器反饋至儀表，在此段滯后時間內(nèi)，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(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)行器的頻繁動作，人為設(shè)定回差，將上述二位式調(diào)節(jié)改為：當(dāng)測量值小于回差上限值時，執(zhí)行器導(dǎo)通；當(dāng)測量值小于回差下限值時，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)測量值到達(dá)上限設(shè)定值時，溫度控制器輸出控制信號使執(zhí)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(jīng)過過沖后逐漸下降，直至降到設(shè)定回差的下限時，溫度控制器輸出控制信號使執(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)動調(diào)壓器方式，前者使用壽命長，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合外，已很少采用。8.3.4 時間比例調(diào)節(jié) 原理時間比例調(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，在一個開關(guān)周期內(nèi)，當(dāng) 0

7、tton時，控制器輸出控制信號使執(zhí)行器導(dǎo)通，電阻絲加熱；當(dāng) tontT時，控制器輸出控制信號使執(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(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)行器在一個周期的導(dǎo)通時間就可以模擬輸出具有相當(dāng)分辨率的連續(xù)量。具有比例帶的時間比例調(diào)節(jié)原理 實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)測量溫度小于比例帶下限值時，執(zhí)行器一直導(dǎo)通；當(dāng)測量溫度大于比例

8、帶上限值時，執(zhí)行器一直斷開；時間比例調(diào)節(jié)只在測量溫度位于比例帶下限和上限值之間時進(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， ；當(dāng)PV=SV+SP 時， 。所以，在比例帶范圍內(nèi)，時間比值 和測量溫度之間的關(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，時間比例式調(diào)節(jié)對加熱功率的調(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)果的波動較小。在有擾動時，被控對象的調(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，不會產(chǎn)生持續(xù)的振蕩現(xiàn)象。 比

9、例或時間比例調(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有一個偏差，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，每一時刻 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，輸出信號將隨時間增大。當(dāng)偏差為0時，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(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，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，簡稱PI控制。比例積分控制規(guī)律用下

11、式表示：積分時間 越小，積分作用越強(qiáng)。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(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)報警輸出：AC250V/5A（阻性負(fù)載）二級參數(shù)設(shè)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(shè)置范圍：0.2-20.0( )或2-20( ) 控制及報警值設(shè)置范圍：儀表全量程的0100%上跟隨報警設(shè)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(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(diào)節(jié)儀； （2）調(diào)節(jié)方式為二位PID調(diào)節(jié)； （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(diǎn)輸出。3.報警功能：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)值時作出報警動作，而無論是上限、上上限、下限、下下限報警。默認(rèn)的報警動作是報警輸出繼