PDF《电阻炉温度控制系统》

电阻炉温度控制系统 孙凯,李元科 (华中科技大学 机械科学与工程学院 ,湖北 武汉 430074) 摘要:介绍了一种自整定 PID 温度控制系统.

它采用可控硅触发技术 ,根据不同的误差及误差变化率 自动算出 PID 的三个参数 ,电路简单 ,可靠性好.系统软件由结构化模块组成 ,试验证明该系统能达到较 好的控制效果. 关键词 : 电阻炉 ;

温度控制 ;

PID 控制器参数 ;

模糊自整定 中图分类号 : TP273 文献识别码 : A 文章编号 :

1000 - 9787(2003)

02 -

0050 -

03 Temperature control system of resistance furnace SUN Kai , L I Yuan2ke ( Coll of Mech Sci &

Engin , Huazhong University of Science and Technology ,Wuhan

430074 ,China) Abstract: A self2tuning PID temperature control system is designed. In this system ,the digital technology is adopted to trigger the SCR ,and the parameters of PID controller are automatically calculated according to differ2 ent error and the variety of error. The circuit is simple and reliable. The system software includes of some struc2 tured modules. The practical operation has shown that this system can achieve quite good control performance. Key words: resistance furnace ;

temperature control ;

parameters of PID controller ;

fuzzy self2tuning

0 前言在材料烧结、 热处理等工艺过程中 ,温度控制是 一个非常重要的环节.控制精度直接影响着产品质 量的好坏.实验室人员根据材料的烧成制度来调节 电阻炉的输出电压以实现对电阻炉的温度控制.一 般的有两种方法 :第一种就是手动调压法 ,第二种控 制方法在主回路中采取双向可控硅装置 ,并结合一 些简单的仪表 ,使得保温阶段能够自动 ,但这两种方 法的升温过程都是依赖于试验者的调节 ,并不能精 确的按照给定的升降温速度来调节.本文提出的以 参数自整定 PID 控制为基础的温控系统简单、 可靠,大大提高了控制质量及自动化水平 ,具有良好的 经济效益.

1 系统的硬件设计 系统原理框图如图

1 所示. 图1控制系统原理图 Fig

1 Scheme of control system 收稿日期:2002 -

09 -

06 热电偶传来的带有温度信号的毫伏级电压经滤 波、 放大 ,送至 A/ D 转换器.这样通过采样和 A/ D 转换 ,就将所检测的炉温对应的电压信号转换成数 字量送入计算机 ,并与给定的电压信号进行比较 ,计 算其偏差 ,计算机再对偏差按一定的规律进行运算. 运算结果通过控制可控硅在控制周期内的过零触发 脉冲个数 ,也就是控制电阻炉的平均功率的大小来 达到控制温度的目的[1 ] .该控制系统的硬件系统 由同步过零检测电路[2 ] 、 温度信号检测及可控硅触 发电路、 掉电检测与保护电路等组成. 温度检测电路如图

2 所示[3 ] . 图2热电偶的温度检测电路 Fig

2 Temperature detecting circuit of thermocouple 温度传感器选用铂铑

30 ― 铂铑

6 热电偶 ,测温 范围大 . 热电偶输出的热电势为十几毫伏 ,信号先

0 5 传感器技术(Journal of Transducer Technology)

2003 年第22 卷第2期经自稳零高精度斩波运放 ICL7650 放大 ,再经后级 运放

741 反向后输出.ICL7650 输入端的钳位二极 管起保护作用 ,避免了输入线路故障的瞬态尖峰干 扰损坏.放大后的信号通过 A/ D 转换器输入计算 机.热电偶冷端补偿采用集成温度传感器 AD590 , 流过 AD590 的电流 Iμ = 273μ A + t0 ℃*1μ A/ ℃, t0 为室温 ,负载电阻上输出电压为 Iμ 与负载电阻之 积 ,选择负载电阻大小使输出电压在 A/ D 允许输入 电压范围内. 这种测量方法 , 冷端温度准确 , 克服了 常规方法补偿误差大和不方便的缺点.

2 系统的控制算法 电阻炉温度控制具有升温单向性、 大惯性、 大滞 后的特点. 其升温单向性是由于电阻炉的升温保温 是依靠电阻丝加热 ,降温则是依靠环境自然冷却 ,因 而很难用数学方法建立精确的模型 , 用传统的单纯 PID 控制方法难以达到好的控制效果. 参数模糊自整定 PID 控制器的实现思想是先找 出PID 三个参数与偏差 E 及偏差变化率 EC 之间的 模糊关系. 在运行中通过不断检测 E 和EC ,再根据 模糊控制原理对三个参数进行在线修改 , 以满足在 不同 E 和EC 时对控制参数的不同要求 , 使被控对 象具有良好的动、 静态性能. 计算量小 ,易于实现. 其 原理图如图

3 所示. 图3控制算法原理图 Fig

3 Scheme of control arithmetic 下面是基本设计步骤. 2.

1 输入输出量的模糊化 本系统选择偏差 E 及偏差变化率 EC 为输入语 言变量 ,输出语言变量为 U (代表 PID 的三个参数 KP , KI 和KD) . E、 EC、 U 对应的基本论域分别为 [ - e , e ] 、 [ - ec , ec ] 、 [ - u , u ] . 各自的模糊集合等级 的论域分别为[ - n , n ] 、 [ - m , m ] 和[ - l , l ] ,则其 量化因子分别为 ke = n e , kec = m ec , 比例因子为 ku = l u . 对于系统的任何偏差 e ( k) , 若x≤kee ( k) ≤ x +

1 2 ( x 为某一整数) ,将e(k) 量化为 x ,若x+12≤kee ( k) ≤ x +

1 , 则将 e ( k) 量化为 x +

1 , 若kee ( k) <

- n ,将e(k) 量化为 - n ,若kee ( k) >

n , 则将 e ( k) 量化为 n . 同理 ec ( k) 和u(k) 也可以得 到量化[4 ] . 由隶属函数计算出量化等级对于各模糊 子集的隶属度 ,找出该量化等级下最大隶属度对应 的模糊集合 ,该模糊集合便代表确定数的模糊化. 对于输入量 E 和EC , 本文选择正态型隶属函 数 ,对于输出量 KP , KI , KD ,其隶属函数曲线如图

4 所示. 输入 语言变量E和EC 的语言值取 正大 ( PB) 、 正中 ( PM) 、 正小 ( PS) 、 正零 ( PZ) 、 负零 (NZ) 、 负小 (NS) 、 负中 (NM) 、 负大 (NB) . 对于语言变量 KP , KI , KD 的语言值取 正大 ( PB) 、 正中 ( PM) 、 正小 ( PS) 、 零 (Z) 、 负小 (NS) 、 负中 (NM) 、 负大 (NB) . 见图

4 所示. 图4输出量隶属函数曲线图 Fig

4 G raph of output membership function 2.

2 控制规则表的建立 在不同 E 和EC 下被控过程对参数 KP , KI , KD 的自整定要求可简单地总结出以下规律[5 ] : ①当|e|较大时 ,为了加快系统的响应速度 , 并避免因开始时偏差 e 的瞬间增大可能引起的微分 过饱和 ,而使控制作用超出许可范围 ,则应取较大的 KP 和较小的 KD ,同时为防止积分饱和 ,避免系统响 应出现较大的超调 , 此时应对积分加以限制 , 令KI =

0 ,去掉积分作用;

②当|e|和|ec | 为中等大小 ,为减少系统响 应的超调 , Kp , KI , KD 都不能太大 , 应取较小的 KI 值,KP 和KD 的值大小要适中 , 以保证系统的响应 速度;

③当|e|较小时 ,为使系统具有良好的稳态性 能 ,应增大 KI 和KP 的值 , 同时为避免系统在设定 值附近出现振荡 ,并考虑系统的抗干扰性能 ,应适当 地选取 KD 的值 ,其原则是 :

1 5 第2期孙凯等 :电阻炉温度控制系统 当| ec | 较小时 , KD 的值可以取大些 ,通常为中 等大小;

当|ec | 较大时 , KD 的值应取小些. 根据以上几点 , 可以写出模糊控制状态表格如 表1所示. 表1参数模糊调整表 Tab

1 Fuzzy adjust table of parameters of PID controller E EC KP KI KD NB ,NM NB ,NM PS PM Z NB ,NM NS ,NZ PM PS Z NB ,NM PZ ,PS NB Z Z NB ,NM PM ,PB NM PS Z NS ,NZ ,PZ ,PS NB ,NM PS PB PS NS ,NZ ,PZ ,PS NS ,NZ PM PS PM NS ,NZ ,PZ ,PS PZ ,PS PM PS PM NS ,NZ ,PZ ,PS PM ,PB PS PB PS PM ,PB NB ,NM NM PS Z PM ,PB NS ,NZ NB Z Z PM ,PB PZ ,PS PM PS Z PM ,PB PM ,PB PS PM Z 2.

3 输出信息的模糊判决 本系统采用加权平均法 :以论域中的元素 xi 作 为待判决输出模糊集合 U l 的隶属度μui ( xi) 的加权 系数[4 ] 为x=Σni=1xi μul ( xi) Σ n i =

1 μul ( xi) , 其中 x 便是该法的判决结果. 比例因子 k 与判决 结果 x 之积便是实际加到被控过程上去的控制量.

3 结论一个好的控制系统 ,不仅取决于控制方法的合 理 ,还对输入检测电路的硬件和软件精度有较高的 要求.本文对大滞后、 大惯性、 时变性且难以建立精 确数学模型的温度对象 ,采用参数模糊自整定 PID 的控制方法和高精度硬件、 软件设计 ,在较大控温领 域 (室温~1

700 ℃ ) ,对SSX ―

12 ―

16 型箱式电阻炉 进行控温 ,取得了良好的效果 ,在高温时控制精度达 ±

2 ℃.对于本系统 ,还有一些可以改进的地方. 比如 :根据多通道采样及输出 ,相应的编制不同的程 序 ,选取不同的通道号 ,就可以实现一台微机控制多 台电阻炉 ,将明显提高效率 ,节省能源.除此之外 , 若在计算机内建立材料的烧结工艺数据库 ,则可形 成一套完整的计算机辅助设计系统 ,有比较好的发 展和应用前景. 参考文献: [1 ] 白美卿 ,高富强. 电阻炉炉温控制中的可控硅触发技术[J ]. 自 动化仪表 ,1996 ,17 (2) :28 - 31. [2 ] 张桂香 ,王辉. 计算机控制技术[ M ]. 成都 :成都电子科技大 学出版社 ,1999.

214 - 219. [3 ] 汪建宇 ,廖哲智. HD - Ⅱ 型电阻炉温度控制系统[J ]. 自动化与 仪表 ,2001 ,(1) :43 - 47. [4 ] 章卫国 ,杨向忠. 模糊控制理论与应用[ M ]. 西安 :西北工业大 学出版社 ,1999.

48 - 63. [5 ] 李友善 ,李军. 模糊控制理论及其在过程控制中的应用[ M ]. 北京 :国防工业出版社 ,1993.

141 - 150. 作者简介 : 孙凯(1976 - ) ,女 ,河南省许昌人 ,2000 年毕业于华中科技大 学机械学院 ,同年考入本校本系攻读硕士学位 ,研究方向为计算机过 程控制技术. (上接第

49 页) 4.

2 分辨力 在25 ℃,101 kPa 下,φ(Br2) 在0~140 *10-

6 范围内 ,本传感器的分辨力优于

5 *10-

6 . 4.

3 响应时间 在一定φ(Br2) 下,传感器的输出电流值达到 极限电流值的

90 %时所需的时间即为响应时间. 本传感器的响应时间不大于

60 s.

5 结束语 采用原电池原理研制的溴气传感器 ,结构简单、 不须外加电源、 安全可靠、 灵敏度高、 响应时间短、 稳 定性好、 选择性优越、 体积小 ,能连续测定宽范围、 高 体积分数 Br2 气的动态变化 ,可以广泛地应用在各 种需要监测 Br2 气的场所. 参考文献: [1 ] 徐伯洪. 车间空气监测检验方法[ M ]. 北京 :人民卫生出版社 , 1990. 549. [2 ] 关贞道. ° 电池式 [J ]. 技术 ,1988 ,8 (8) :69 - 71. [3 ] 长濑诚. ° 电池法 による 毒性 [J ]. 技术,1992 ,12 (6) :195 - 197. [4 ] 清山哲郎. 化学 [ M ]. 日本东京 :共立出版株式会社 , 1985.

62 - 63. 作者简介 : 杨震夏(1945 - ) ,男 ,江苏武进人 ,高级工程师 ,1968 年毕业于 哈尔滨工程学院.现在中国船舶重工集团公司第七一八研究所从事 分析仪器研制工作.

2 5 传感器技术第22 卷 ........