电阻炉温度控制系统设计word版本

学号：0121011360504
课程设计
题目电阻炉温度控制系统设计
学院自动化学院
专业自动化专业
班级自动化1005班
姓名柳元辉
指导教师刘小珠
2014 年 1 月10 日
课程设计任务书
学生姓名：柳元辉专业班级：自动化1005指导教师：刘小珠工作单位：自动化学院
题目: 电阻炉温度控制系统设计
初始条件：
1.课程设计辅导资料：“过程控制系统和应用”、“过程控制系统与仪表”、“过程
控制仪表及控制系统”、“过程控制系统”等；
2.先修课程：仪表与过程控制系统等。

3.主要涉及的知识点：
过程控制仪表、控制系统、被控过程等
要求完成的主要任务:（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具
体要求）
1.课程设计时间：1.5周；
2.课程设计内容：根据指导老师给定的题目，按规定选择其中1套完成；
本课程设计统一技术要求：研读辅导资料对应章节，对选定的设计题目所涉及的生产工艺和控制原理进行介绍，针对具体设计选择相应的控制参数、
被控参数以及过程检测控制仪表，并画出控制流程图及控制系统方框图。

3.课程设计说明书按学校“课程设计工作规范”中的“统一书写格式”撰写，
具体包括：
①目录；
②摘要；
③生产工艺和控制原理介绍；
④控制参数和被控参数选择；
⑤控制仪表及技术参数；
⑥控制流程图及控制系统方框图；
⑦总结与展望；（设计过程的总结，还有没有改进和完善的地方）；
⑧课程设计的心得体会（至少500字）；
⑨参考文献（不少于5篇）；
⑩其它必要内容等。

时间安排：
指导教师签名： 2013 年 12 月 27 日系主任（或责任教师）签名：年月日
目录
摘要 (1)
1生产工艺和控制原理介绍 (2)
1.1生产工艺 (2)
1.2控制原理 (3)
2控制方案设计 (5)
2.1被控参数选择 (5)
2.2控制变量选择 (5)
2.3建立数学模型 (6)
2.4调节器控制规律 (7)
2.5仪表选择 (9)
2.6控制系统框图 (9)
3总结与展望 (10)
4心得体会 (11)
参考文献 (12)
摘要
自动化技术在工业、农业、科技以及人们的日常生活中发挥着重要的作用，而过程控制通常是指连续生产的自动控制，是自动化技术最重要的组成部分。

过程控制系统与仪表在各个领域尤其是工业领域中有着及其广泛的应用。

其应用范围覆盖石油、化工、制药、生物、医疗、水利、电力、冶金、轻工、纺织等许多领域。

过程控制的主要任务是对生产过程的有关参数，如温度、压力等进行控制，使其保持恒定或按一定规律变化。

在保证产品质量和生产安全的前提下，使连续生产过程自动地进行下去。

温度控制是控制系统中最为常见的控制类型之一。

电阻炉在国民经济中有着广泛的应用，而大功率的电阻炉则应用在各种工业生产过程中。

然而，大多数电阻炉存在着各种干扰因素，将会给工业生产带来极大的不便。

因此，在电阻炉温度控制系统的设计中，应尽量考虑到如何有效地避免各种干扰因素而采用一个较好的控制方案，选择合适的芯片及控制算法是非常有必要的。

本设计要求用单片机设计一个能在多种领域得到广泛应用的电阻炉温度控制系统。

关键字：过程控制、有关参数、温度控制、电阻炉
电阻炉温度控制系统设计
1生产工艺和控制原理介绍
1.1生产工艺
电阻炉是工农业生产中常用的电加热设备,广泛应用于冶金、机械、建材等
行业，而大功率的电阻炉则应用在各种工业生产过程中。

然而，大多数电阻炉存在着各种干扰因素，将会给工业生产带来极大的不便。

因此，在电阻炉温度控制系统的设计中，应尽量考虑到如何有效地避免各种干扰因素而采用一个较好的控制方案，选择合适的芯片及控制算法是非常有必要的。

电阻炉是利用电流通过电热体元件将电能转化为热能来加热或者熔化工件
和物料的热加工设备。

电阻炉由炉体、电气控制系统和辅助系统组成。

炉体由炉壳、加热器、炉衬（包括隔热屏）等部件组成。

电气控制系统包括电子线路、微机控制、仪表显示及电气部件等。

辅助系统通常指传动系统、真空系统、冷却系统等，虽炉种的不同而已。

但电阻炉的主要参数由额定电压、额定功率、额定温度、工作空间尺寸。

生产率、空炉损耗功率、空炉升温时间、炉温控制精度及炉温均匀性等。

.电阻炉的热效率高。

电阻炉不需要燃烧气体，没有因排除燃烧气体而产生
的废气造成的热损失。

炉膛室内热强度高，能达到较高的温度，因此能是高熔点金属得熔化。

除此之外，能满足工件在各种工艺樊为中的要求，并使之成为可控。

能用质量流量计对所控气氛进行检测。

由保护气氛来保证炉内气氛的清洁。

比如保护气氛改为真空，可以将炉内的残余气体抽走，保护气氛改为氢气，各种可随之运出。

高纯度的氢气，气含氧量可小于0.1ppm，气露点小于－70℃。

能够满
足工作空间温度场均匀分布和恒温的精度要求。

比如在48小时内温度漂移±0.5℃。

整个工艺过程能用微机和智能化程序控制。

有利于连锁保护，报警、防爆、数显、曲线记录。

操作简单，寿命长，安全有保障。

场所利用率大，噪声较稳定等特点。

在工业生产中，温度是极为普遍又极为重要的热工参数之一，为了保证生产
过程正常安全的运行，提高产品的质量，减轻工人的劳动强度，同时节约能源,须要求加热用的各种电炉在一定的条件下保持恒温，不能随电压的波动而变化.或者有的电炉根据工艺要求按照某个指定的升温或保温律而变化，且超调量小或者无超调量，稳定性好，不振荡。

根据工艺的要求不同，大体上可以归纳为以下几个过程：
（1）自由升温段，这一工艺过程要求执行元件向电阻炉输送最大能量，使加热炉全速升温到某一值，升温的时间和速度没有具体要求，这时单片机不需要进行控制工作，只需检测炉温。

（2）恒温段，这一工艺过程是温度控制的主要工艺过程，它要求控制系统保证炉温在各种干扰下能稳定在允许范围内。

（3）自由降温段，这一工艺过程中执行元件不再向炉子输送能量，让其自然冷却到某一温度，此时单片机只需监测炉温即可，有时甚至无须做任何工作。

电阻炉温度控制工艺曲线如图1-1所示。

图1-1 电阻炉温度控制的工艺曲线
1.2控制原理
电阻炉温度控制系统是闭合的反馈系统。

温控系统主要由温度传感器、温度调节仪、执行装置、被控对象四个部分组成，其系统结构图如图1-2所示。

被控制对象常常是大容量、大惯性的电热炉温度对象，是典型的多阶容积迟后特性，在工程上往往近似为包含有纯滞后的二阶容积迟后。

图1-2 系统控制结构框图
电阻炉按热量产生的方法不同，可分为间接加热式和直接加热式二大类。

间接加热式电阻炉、就是在炉子内部有专用的电阻材料做的发热元件。

电流通过加热元件时产生热量，再通过热的传导、对流、辐射而使放置在炉中的炉料被加热。

直接加热式电阻炉，电源直接接在所需加热的材料上，使强大的电流直接流过所需加热的材料而使材料自己发热达到加热效果。

工业电阻炉，大部分是采用间接加热式的，只有一部分因加热工艺人的特殊需要而采用直接加热式。

按传热方式，电阻炉分为辐射式电阻炉和对流式电阻炉。

辐射式电阻炉以辐射传热为主，对流传热作用较小；对流式电阻炉以对流传热为主，通常称为空气循环电阻炉，靠热空气进行加热，炉温多低于650℃。

电阻炉温度控制往往不是直接控制系统的温度，直接控制系统温度也是不太可能实现的，经常是直接控制电阻炉的电压或电流从而控制电阻炉的温度，进而控制电阻的产热，通过电阻的产热来控制温度。

随着生产过程中被加热物料的变化，电阻炉内的温度必然变化，所以必须经温度检测与变送装置及时测得温度，以便温度控制器作用于执行结构从而使电阻炉内的温度满足需要。

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。

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
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
1
)()
(+=
-s T Ke s U s p s
τθ
其中，θ（s ）为炉温，U （s ）为输入电压，K 、T P 、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
1
()()u t e t p
=
P 为比例度 其响应曲线如图2-1所示。

图2-1比例控制规律的特性曲线
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
t
1()t
t
I I
u t S edt edt T ==
⎰⎰ I
T 为积分时间常数
其响应曲线如图2-2所示。

图2-2积分规律响应曲线
积分控制规律能消除余差，I T 越大，积分作用越弱，I T =∞，积分作用为零。

I T 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
D
de
u T dt = D T 为微分时间常数 其响应曲线如图2-3所示。

图2-3微分规律响应曲线
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，
t
t
t
在工程上较少采用；常用的工程整定方法有：稳定边界法、衰减曲线法、反应曲线法、经验凑试法等。

2.5仪表选择
选择测量仪表。

要控制一个生产过程，首先必须实时检测生产过程中的有关参数。

例如温度、压力、流量、液位等。

用来检测这些参数的工具称为检测仪表，其中包括测量指示仪表及将被测参数转换成标准信号输出的测量变送器。

显然对于温度炉要检测的是炉内温度，故采用温度传感器。

但又得根据生产工艺的要求及特点选择合适的温度传感器。

选择控制仪表。

根据生产工艺要求，可选用电动单元组合（DDZ-III 或DDZ-II ）仪表，也可根据仪表技术的发展水平选用其他仪表或系统。

2.6控制系统框图
综合前面所述，根据具体生产工艺要求可以设计不同的控制系统，有简单控制系统和复杂控制系统的两种。

为了方便，我选择简单的温度控制系统。

其控制系统框图如图2-4所示
其中x 是给定温度，()c G s 是控制器的传递函数， G ()v s 是执行器的传递函数， 0()G s 是被控对象及电阻炉的传递函数 ， ()m G s 是检测变送装置的传递函数。

f 代表干扰量，y 为被控量。

图2-4简单电阻炉温度控制系统框图
3总结与展望
温度是工业对象中主要的被控参数之一，象冶金、机械、食品、化工各类工业中，广泛使用的各种加热炉、热处理炉、反应炉等，对工件的处理温度要求严格控制，
温度控制的传统方法是人工——仪表控制，其重复性差，工艺要求难以保证，工人劳动强度大。

目前，对传统的温度控制方法进行改造，用微机取代常规控制已成必然，国内已经相继出现各种以微机为核心的温度控制系统。

这种系统控制精度高，重复性好，自动化程度高，可以大大的提高产品质量和减轻工人的劳动负担。

电阻炉是工业炉的一种。

它在机械、电子、航天、航空、兵工、冶金、化工、食品、轻工、建材、陶瓷、医药等多种工业领域，都有着广泛的应用。

工业加热设备，即工业炉，按加热能源和能量转换方式，分为电加热于燃料加热的两种，亦即电炉与火焰炉。

火焰炉主要应用于钢铁、冶金和汽车等工业部门；在电子工业中，对零件、材料的加热工艺规范，如除气、定形、退火、净化、提纯、烧结、被覆、黑化、封装等，则多采用电炉。

在天然气能源充足的地区得到广泛的应用。

工业电阻炉的主要用途是供机械工业对原材料、毛坯、机械另件加热用。

如板材轧制前的坯料加热，锻件的加热。

机械另件及半成品的热处理以改善其机械性能，如进杆淬火、回火、退火、正火、气体渗碳、氮化等。

亦有用于烧结、钎焊，部份电阻炉用于低熔点金属的熔炼及陶瓷玻璃工业的加热。

电阻炉的控制必将朝着更自动化智能化发展，使其更加安全、更加符合要求，更加经济节约能耗。

4心得体会
本次课程设计是电阻炉的温度控制系统，实际上是一种很常见的控制过程的实现。

通过本次课程设计让我感觉到过程控制这门学科虽说是自动化技术的组成部分，但我觉得这门课程更加贴近生活，更加容易让我将书本上的知识联系实际，更增加了我对动手能力提高的渴望。

过程控制是传感与检测技术、计算机控制技术、自动控制原理相结合的多种技术交叉融合的课程，在这次过程控制课程设计过程中我查阅了大量文献资料，了解了各种执行器、变送器、调节器的工作原理和实际应用中应该注意的问题如选型与安装等，加深了我对课本理论知识的理解。

还有通过这几天的设计，我也认识到了和同学配合的重要性，在我们学习生活中，自己不可能是十全十美的，我们也不能是万能的什么都知道，在学习生活中团队配合才是重要的。

在这次的课程设计中也是得到了很多同学的帮助才能够使我快速准确的完成了这次的设计。

锻炼了我查阅资料，进行方案构思的的能力。

这次课程设计，由于理论知识的不足，再加上平时没有什么设计经验，一开始的时候有些手忙脚乱，不知从何入手。

但在查阅大量资料后我们顺利的完成了本次课程设计。

参考文献
[1]何离庆，等．过程控制系统与装置．重庆：重庆大学出版社，2003．
[2]施仁，等．自动化仪表与过程控制．电子工业出版社，2003．
[3]丁炜，等．过程设计仪表及装置．北京：电子工业出版社，2007．
[4]王再英，等．过程控制与仪表．北京：机械工业出版社，2005．
[5]潘天明.工频和中频感应炉. 京冶金工业出版社,1983
本科生课程设计成绩评定表
指导教师签字：
2014年01月12日。