張歆彤

（西北民族大學(xué)電氣工程學(xué)院， 甘肅 蘭州 730124）

引言

在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，溫度控制已經(jīng)成為了一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，在機(jī)械、化工、食品、冶金等工業(yè)生產(chǎn)中要廣泛地用到加熱爐對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行不同程度的熱處理，在不同的生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)常需要將溫度控制和保持在一定的范圍內(nèi)。但是在實(shí)際生產(chǎn)的過(guò)程中，由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境比較惡劣，影響因素眾多，而且溫度控制比較復(fù)雜，所以很難將溫度時(shí)刻保持在一定范圍內(nèi)。本文提出的加熱爐溫度控制系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)，采用PID控制器對(duì)加熱爐進(jìn)行溫度控制，對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的控制采用串級(jí)控制方式進(jìn)行控制，有效地消除了靜差，減少了調(diào)節(jié)時(shí)間，最重要的是提高了控制精度和系統(tǒng)的可靠性。

1 加熱爐溫度控制系統(tǒng)的工作原理

本加熱爐溫度控制系統(tǒng)采用電加熱方式進(jìn)行加熱，加熱器所產(chǎn)生的熱量與調(diào)壓器電壓uc的二次方成正比關(guān)系，若uc增高，則爐溫上升，調(diào)壓器電壓uc的高低由調(diào)壓器滑動(dòng)觸點(diǎn)的位置所決定，該觸點(diǎn)的位置通過(guò)可逆轉(zhuǎn)的直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)而改變。加熱爐的實(shí)際溫度用熱電偶測(cè)量，其輸出電壓為uf。uf作為系統(tǒng)的反饋電壓與給定電壓ur進(jìn)行比較，從而得出偏差電壓ue，偏差電壓經(jīng)電壓放大器、功率放大器放大成ua后，可以作為控制電動(dòng)機(jī)的電樞電壓。爐溫自動(dòng)控制系統(tǒng)的原理圖1所示。

在正常情況下，爐溫（℃）等于某個(gè)期望值T，熱電偶的輸出電壓uf正好等于給定電壓ur。此時(shí)，ue=ur-uf=0，故u1-ua=0，則可逆電動(dòng)機(jī)兩端電壓為0，轉(zhuǎn)軸不轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)壓器的滑動(dòng)觸點(diǎn)停留在某個(gè)合適的位置上，使uc保持一定的數(shù)值。這時(shí)，爐子散失的熱量正好等于從加熱器吸取的熱量，形成穩(wěn)定的熱平衡狀態(tài)，溫度保持恒定。

圖1 爐溫自動(dòng)控制系統(tǒng)原理圖

當(dāng)爐膛溫度T℃由于某種原因突然下降時(shí)（例如爐門(mén)打開(kāi)造成的熱量流失），則出現(xiàn)以下的控制過(guò)程：

該控制過(guò)程的結(jié)果是使?fàn)t膛溫度回升，直至T℃的實(shí)際值等于期望值為止。

2 加熱爐溫度控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

本文為加熱爐溫度控制系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)要求如下。該系統(tǒng)以加熱爐出口的溫度作為主變量，以爐膛溫度作為副變量，對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的控制采用串級(jí)控制方式。系統(tǒng)整體確定后，要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行細(xì)化，接下來(lái)要選擇控制器和調(diào)節(jié)閥的作用方式。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)采用一步整定法整定主、副控制器PID的參數(shù)，求出比例度與衰減振蕩周期，從而得出系統(tǒng)的性能。設(shè)計(jì)完成后，應(yīng)參照自動(dòng)控制原理中該系統(tǒng)所對(duì)應(yīng)的公式求得主、副控制器的最佳參數(shù)值，然后設(shè)定系統(tǒng)參數(shù)為最佳參數(shù)值，保證系統(tǒng)具有穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能。在系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程中，應(yīng)求出系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線，從而實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。若要檢測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，則可以求出設(shè)定值為0時(shí)，施加幅值為30%的一次階躍擾動(dòng)信號(hào)，得出系統(tǒng)的輸出曲線。串級(jí)控制原理如下頁(yè)圖2所示。

圖2 串級(jí)控制原理圖

3 溫度控制系統(tǒng)的具體控制過(guò)程

首先，向系統(tǒng)輸入期望的溫度值，系統(tǒng)讀取到期望溫度數(shù)據(jù)后驅(qū)動(dòng)可逆電機(jī)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使調(diào)壓器的觸點(diǎn)處于合適的位置，這樣就可以使加熱爐中的電熱絲兩端電壓為期望溫度所需的電壓。此外，爐溫控制系統(tǒng)方框圖3所示，在系統(tǒng)輸出位置有回路將系統(tǒng)輸出量通過(guò)熱電偶引到放大器前與給定電位進(jìn)行比較，這有利于系統(tǒng)通過(guò)輸入量與輸出量的電壓差自動(dòng)調(diào)節(jié)調(diào)壓器觸點(diǎn)的位置，使加熱爐保持一個(gè)穩(wěn)定的溫度值。該系統(tǒng)為閉環(huán)控制系統(tǒng)，輸入與輸出之間存在反饋通路，當(dāng)輸出存在偏差時(shí)反饋通路可以將偏差信息返回并使系統(tǒng)及時(shí)作出調(diào)整，且該系統(tǒng)的穩(wěn)定性好，抗干擾能力較強(qiáng)。

圖3 爐溫控制系統(tǒng)方框圖

該系統(tǒng)采用PID控制器進(jìn)行控制，PID控制器稱(chēng)為比例—積分—微分控制器，它是由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）構(gòu)成的，通過(guò) Kp、Ki和Kd三個(gè)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，是在工業(yè)控制應(yīng)用中常見(jiàn)的反饋回路部件。在控制系統(tǒng)中，PID控制器把收集到的數(shù)據(jù)和輸入的期望值進(jìn)行比較，然后利用兩者之間的差值計(jì)算新的輸入值，將新的輸入值輸入系統(tǒng)進(jìn)行控制，可以讓系統(tǒng)的數(shù)據(jù)達(dá)到或者保持在期望值。PID控制器具有原理簡(jiǎn)單、使用方便、性?xún)r(jià)比高、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，其最大的特點(diǎn)是可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和差別出現(xiàn)的頻率來(lái)調(diào)整輸入值，使系統(tǒng)更加準(zhǔn)確，運(yùn)行更加穩(wěn)定。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了加熱爐溫度控制系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)采用閉環(huán)系統(tǒng)，利用PID控制器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，整個(gè)系統(tǒng)的控制采用串級(jí)控制方式。溫度系統(tǒng)在這種控制方式的運(yùn)行下，其運(yùn)行效率和控制精度都會(huì)得到明顯的提高，并且系統(tǒng)的反饋通路會(huì)不斷地將輸出量返回到輸入端進(jìn)行比較，從而保證系統(tǒng)輸出的穩(wěn)定。本文所提出的仿真設(shè)計(jì)具有廣闊的應(yīng)用前景，在實(shí)際開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，本文中加熱爐溫度控制系統(tǒng)的工作原理可作為重要參考依據(jù)。