发布时间 : 星期五 文章电阻炉温度控制系统设计更新完毕开始阅读f82191c1ba1aa8114531d9c7
武汉理工大学《过程控制系统与仪表》课程设计说明书
2控制方案设计
要进行控制系统设计必须先明确过程控制系统方案设计的基本要求，生产过程对过程控制系统的要求可简要归纳为安全性、稳定性和经济性三个方面。控制系统的技术要求与性能指标一般由生产过程设计制造单位或用户提出，这些技术要求与性能指标是控制系统设计的基本依据，设计者必须全面、深入的了解与掌握。技术要求与性能指标必须科学合理、切合实际。其次要知道过程控制系统设计的主要内容即包括控制系统方案设计、工程设计、工程安装和仪表调校、调节器参数整定等四个主要内容。其中控制方案设计是控制系统设计的核心。
2.1被控参数选择
被控参数又称作被控变量，是指生产过程中希望借助自动控制保持恒定值（或按一定规律变化）的变量。合理选择被控变量，关系到生产工艺能否达到稳定操作、保证质量、保证安全等目的。
被控变量的选择依据：
（1）根据生产工艺的要求，找出影响生产的关键变量作为被控变量。 （2）当不能用直接工艺参数作为被控变量时，应选择与直接工艺参数有单值函数关系的间接工艺参数作为被控变量。
（3）被控变量必须有足够大的灵敏度且容易被测量。 （4）选择被控变量时，必须考虑工艺合理性。
显然对于电阻炉温度控制系统被控参数基本上都是电阻炉内的温度值，控制的目标就是使电阻炉内的温度恒定在某个允许的范围内或者是按某种规律变化。
2.2控制变量选择
控制变量又称操纵变量，把用来克服干扰对被控变量的影响，实现控制作用的变量称为控制变量或操纵变量。最常见的操纵变量是介质的流量，也有以转速、电压等作为操纵变量的。被控变量选定以后，应对工艺进行分析，找出所有影响被控变量的因素。在这些变量中，有些是可控的，有些是不可控的。在诸多影响被控变量的因素中选择一个对被控变量影响显著且便于控制的变量，作为控制变量；其它未被选中的因素则视为系统的干扰。
5
武汉理工大学《过程控制系统与仪表》课程设计说明书
控制变量的选择依据：
（1）控制通道应当放大系数大、时间常数小、纯滞后越小越好。 （2）控制变量应是工艺上允许控制的变量，并且要考虑工艺的合理性与生产的经济性。
对于各种不同类型的电阻炉温度控制系统，影响被控量即电阻炉内的温度的因素是多种多样的，要从所有允许控制的变量中尽可能地选择一个对被控参数影响显著、控制性能好的输入变量作为控制变量。显然对于几乎所有的电阻炉而言，理想的被控变量是电阻炉的功率。而影响功率的两个量就是电压和电流，通过控制电压或电流或控制两者来调控被控量。
2.3建立数学模型
被控过程数学模型是控制系统分析与设计的基础，建立数学模型是过程控制系统设计的重要一步。控制变量与被控变量确定以后，则过程的输入与输出关系就确定了，就可以利用各种已知的方法建立被控过程的数学模型。常用的建立对象数学模型的方法有以下几种：
（1）机理法建模
通过分析生产过程的内部机理，找出变量之间的关系。如物料平衡方程、能量平衡方程、化学反应定律、电路基本定律等，从而导出对象的数学模型。机理法建模的首要条件是必须对生产过程的机理有充分的认识，并且能够比较准确的用数学语言加以描述。机理法建模需要充分而可靠的先验知识，如果先验知识不充分，就无法得到正确的数学模型。
（2）测试法建模
根据工业过程中某因果变量的实测数据，进行数学处理后得到的数学模型。测定对象特性的实验方法主要有三种：时域法——输入阶跃或方波信号，测对象的飞升曲线或方波响应曲线；频域法——输入正弦波或近似正弦波，测对象的频率特性；统计相关法——输入随机噪音信号，测对象参数的变化。
（3）综合法
机理法与测试法相结合。
理论分析和实验结果得出，电阻炉可以用一个一阶惯性环节加一个延时环节
6
武汉理工大学《过程控制系统与仪表》课程设计说明书
来近似代替，由于本系统控制的电阻炉工作时是密封加温的，没有其它扰动因素，输入的电功率可以认为全部用于电阻炉的升温，其数学模型为
Ke??s?U(s)Tps?1?(s)
其中，θ（s）为炉温，U（s）为输入电压，K、TP、τ为炉子的参数
除此之外，还要建立执行机构以及测量变送环节的数学模型。在这一步中主要确定执行机构如调节阀的正反作用方式以及测量变送装置的正反作用方式，以及他们各自的数学模型。可利用前述方法建立数学模型。此处重点介绍正反作用的判定方法。以调节阀为例气开阀为正作用，因为控制信号增加阀门开度增加，反之气关阀为反作用。测量变送装置一般为正作用，因为一般情况下，输入的被测量增加，变送器输出增加。
2.4调节器控制规律
在控制系统设计过程中，设备选型确定之后，被控过程、测量环节、和执行器这三部分的基本特性就基本确定了，不能随意改变。工业应用最为广泛的控制器是基于比例积分微分（PID）原理的控制器，下面简述比例、微分、积分控制规律。
（1）比例（P）控制规律
u(t)?1e(t) P为比例度 p其响应曲线如图2-1所示。
U(t)o图2-1比例控制规律的特性曲线
t
P越小，控制作用越强、系统调节越快、系统稳定性越差，控制余差越小。（2）积分（I）控制规律
7
武汉理工大学《过程控制系统与仪表》课程设计说明书
u(t)?SI?edt?0t1TI?edt T为积分时间常数
0It其响应曲线如图2-2所示。
U(t)o图2-2积分规律响应曲线
t
TI??，积分控制规律能消除余差，TI越大，积分作用越弱，积分作用为零。TI减小，积分作用增强，系统振荡加剧，稳定性下降。因此，加积分后，比例带
要适当加大。
（3）微分（D）控制规律
deu?TD TD为微分时间常数
dt其响应曲线如图2-3所示。
E(t)e(t)oU(t)to图2-3微分规律响应曲线
t
微分控制能在偏差出现或变化的瞬间，立即根据变化的趋势，产生强烈的调节作用，使偏差尽快地消除于萌芽状态之中。当偏差存在，但不变化时，微分输出为零，对静态偏差毫无抑制能力。因此不能单独使用，总要和比例或比例积分调节规律结合起来，组成PD调节器或PID调节器。
选定调节器之后还要对调节器参数进行整定。调节器参数整定方法可简单归结为理论计算和工程整定两大类。理论计算方法要求知道被控过程的数学模型，
8