炉温的单闭环控制系统的设计

过程控制系统课程设计设计题目：炉温的单闭环控制系统的设计

摘要

温度是工业对象中一种重要的参数，特别在冶金、化工、机械各类工业中，广泛使用各种加热炉、热处理炉和反应炉等。由于炉子的种类不同，因此所采用的加热方法及燃料也不同，如煤气、天然气、油和电等。但是就其控制系统本身的动态特性来说，基本上属于一阶纯滞后环节，因而在控制算法上亦基本相同。

随着社会的发展，在生活和工业中已经广泛的使用温度控制，而现代化炉温控制已经开始自动化PID控制时代了。控制炉温恒定是满足生产、提高效率和节能减耗的关键技术，其具有很多优势，能够进一步提高控制精度，同时使得加热时间大大降低，不短提高能源的利用，因此也是越来越受到重视。为了更好的确保加热炉的安全运行，因此加强炉温控制系统的设计与实现的研究非常有必要。基于此本文分析了基于PID算法的炉温控制系统的设计与实现。

关键词：比例；积分；微分；炉温控制

目录

摘要 .............................................................................................................................................. I

一、概述 (1)

二、课程设计任务及要求 (2)

2.1 设计任务 (2)

2.2 设计要求 (2)

三、理论设计 (3)

3.1方案论证 (3)

3.2 系统设计 (3)

3.3炉温控制系统硬件工作原理 (6)

3.3.1前向通道工作过程 (6)

3.3.2 反馈通道工作过程 (6)

四、系统设计 (7)

4.1 PID算法设计 (7)

4.2软件设计 (9)

4.2.1 画面的制作 (9)

4.2.2 建立数据词典 (10)

4.2.3 建立动画连接 (11)

五、调试过程与结果 (12)

5.1 调解P参数 (12)

5.2 调节I参数 (13)

5.3 调节D参数 (14)

5.4 综合调试P、I、D三个参数 (15)

六、实验中所用仪器设备清单 (16)

七、收获与体会 (20)

一、概述

近年来随着热处理工艺广泛应用于加工过程,热处理中温度的控制精度和控制规律的优劣直接影响到热处理工艺的好坏。电阻炉是热处理工艺中应用最多的加热设备,研究电阻炉温度控制方法具有重要意义。工业生产中广泛应用工业炉，如在冶金、化工等工矿企业以及宾馆、学校、商场等公共场所。当前，电阻炉温度控制的主要问题是：由于电阻炉是一个特性参数随炉温变化而变化的被控对象，炉温控制具有单向性、大惯性、大滞后、时变性的特点。例如，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，当其温度一旦超调就很难用控制手段使其降温，因而很难用数学方法建立精确的模型和确定参数。

PID（比例-积分-微分）控制器作为最早实用化的控制器已有70多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。PID控制器具有结构简单、容易实现、控制效果好、鲁棒性强等特点，是迄今为止最稳定的控制方法。它所涉及的参数物理意义明确，理论分析体系完整，并为工程界所熟悉，因而在工业过程控制中得到了广泛应用。从实际需要出发，一种好的PID控制器参数整定方法，不仅可以减少操作人员的负担，还可以使系统处于最佳运行状态。因此，对PID控制器参数整定法的研究具有重要的实际意义。

本次课程设计中我们通过调节PID调节器的比例系数Kp、积分系数Ki和微分系数Kd来实现对电阻炉的温度控制。

二、课程设计任务及要求

2.1 设计任务

在基本掌握过程控制常规控制方案的工作原理及参数整定步骤的基础上，针对一个电烤箱设计炉温控制系统。

2.2 设计要求

具体要求：

(1) 电烤箱控制系统的工作方案设计、设备选型及其连线；

(2) 炉温控制系统的对象-传递函数确定；

(3) 单回路PID炉温控制的实现；

(4) 利用组态王软件编制上位机监控软件；

(5) 撰写规范化的说明书一份。

三、理论设计

3.1方案论证

本设计采用PID控制算法对温度进行控制，比例控制能迅速反应误差，从而减小误差，但比例控制不能消除稳态误差，比例系数Kp太小不容易达到给定，Kp过大，会引起系统的不稳定；积分控制的作用是，只要系统存在误差，积分控制作用就不断的积累，输出控制量以消除误差，因而，只要有足够的时间，积分控制将能完全消除误差，积分作用太强会使系统超调加大，甚至使系统出现振荡；微分控制可以减小超调量，克服振荡，使系统的稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。对于炉温控制来说，由于加热炉的降温完全依靠自然散热，微分控制的作用并不明显。

3.2 系统设计

计算机控制系统一般由控制计算机、A/D与D/A接口、执行机构、被控对象、检测元件和变送器组成。本炉温控制系统的控制计算机采用普通奔腾PC机，A/D与D/A转换由研华多功能采集卡PCI-1711来实现，执行功能由可控硅模块来完成，检测元件为热电阻Pt100，温度变送器为XMZ数字显示仪。系统结构图如图3.1所示。

图3.1 炉温控制系统结构框图

（1）PCI-1711：原来实验系统使用的是采用ISA总线的PCL-812PG采集卡，采样速率最大为30kHz，而PCI-1711是一款功能强大的多功能PCI总线数据采集卡，采样速率可达100kHz，速度快而且使用PCI总线也是适应时代发展趋势。PCI-1711有2路模拟量输出通道，16路单端模拟量输入通道；16路数字量输入通道与16路数字量输出通道；12位A/D转换器；板载1K 采样FIFO 缓冲器；