电阻炉温度控制系统设计毕业设计论文.doc

题 目：电阻炉温度控制系统设计56）电阻炉温度控制系统设计摘 要随着科学技术的飞速发展，控制理论不断丰富和完善，控制技术也在向智能化、开放性、高可靠性的方向发展。目前常用的控制方式有智能化仪表、plc、dcs，它们可组成各种控制系统以满足不同的控制要求。其功能越来越强大、性能也越来越完善，并具有控制精度高、抗干扰能力强、防爆性强等特点。本文研究的是电阻炉的温度控制系统，由于电阻炉在生产和生活中的应用比较广泛，所以电阻炉的温度控制就显得尤为重要了。建立一个控制系统首先要针对控制对象进行研究，本设计的研究对象是实验室现有的管式电阻炉，因此本文对其进行了对象性能测试。然后针对电阻炉的特点，提出了利用数字调节器、固态继电器等器件组成温度控制系统，通过调节参数实现对电阻炉温度的控制。这种方法经济、简单、易操作，控制精度高。最主要的是：学会了利用实验室现有的设备去掌握设计一个控制系统，更深刻的理解设计控制系统的思想，为以后的学习、工作打下了坚实的基础。关键词：电阻炉；对象特性测试；控制系统；pwm；调节器resistance furnace temperature control systemabstractalong with sciences and technologys swift development, the control theory is unceasingly rich and is perfect, the control technology also to the intellectualization, openness, the redundant reliable direction develops. at present the commonly used control mode has the intellectualized measuring appliance, plc, dcs, they may compose each kind of control system to satisfy the technique of production the request. its function is getting more and more formidable, the performance to be getting more and more perfect, and has the control precision to be high, antijamming ability is strong, what the explosion-proof strong and so on characteristic this article studies is resistance furnaces temperature control system, because resistance furnace in produces and in the life application is quite widespread, therefore resistance furnaces temperature control appeared especially important, established a control system first to aim at the controlled member to conduct the research. this designs object of study is the laboratory existing tubular resistance furnace, therefore this article has carried on the object performance test to it. then in view of resistance furnaces characteristic, proposed use component composition temperature control systems and so on digit regulator, solid state relay, realize through the adjustment parameter to the resistance furnace temperature control. this method economical, simple, easy to operate, the control precision is high. what is most main: grasps using the laboratory existing equipment designs the work which a control system , the more profound understanding design control systems thought that for the later study, the work has built the solid foundation.key word: resistance furnace；characteristics of the test object；control system；pwm；regulator内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）目录摘 要iabstractii目录iii第一章 引言11.1电阻炉的概述11.2电阻炉温度控制系统的应用与发展2第二章 电阻炉的温度控制系统设计概述42.1 总体方案设计42.2 设计要求42.3 设计原理4第三章 电阻炉温度特性的测试、记录及分析63.1 电阻炉温度特性测试63.1.1 对象特性测试中所用仪表63.1.2 对象特性测试原理63.1.3 进行温度特性曲线测试的仪器仪表的接线图63.2 温度特性曲线的记录与分析83.2.1 温度特性曲线的记录83.2.2 温度特性曲线试验结果的数据处理的方法93.2.3 温度特性曲线数据处理14第四章 电阻炉温度控制系统的设计174.1 电阻炉温度控制系统的实现过程174.1.1 电阻炉温度控制系统的系统方框图及调节过程174.1.2 仪器仪表介绍17第五章 电阻炉温度控制系统的参数整定及系统调试315.1 温度控制系统的实现线路315.1.1 系统的连线框图315.1.2 系统的连接线路及自动控制过程315.2 pid调节器及其参数的整定315.2.1 p、i、d各运算规律的作用315.2.2 pid参数的整定方法355.2.3 系统的pid整定结果及分析38总结40参考文献42附录a 系统接线端子图44附录b pwm电路原理图45附录c pwm程序46致谢52第一章 引言1.1电阻炉的概述工业炉是在工业生产中利用燃料燃烧或电能转化的热量将物料或工件加热的热工设备。机械工业应用的工业炉有多种类型，在铸造车间，有熔炼金属的冲天炉、感应炉、电阻炉、电弧炉、真空炉、平炉、坩埚炉等；在锻压车间，有对钢锭或钢坯进行锻前加热的各种加热炉，和锻后消除应力的热处理炉；在金属热处理车间，有改善工件机械性能的各种退火、正火、淬火和回火的热处理炉；在焊接车间，有焊件的焊前预热炉和焊后回火炉；在粉末冶金车间有烧结金属的加热炉等。自1973年能源危机以来，开发新能源和节约燃料引起世界各国的普遍关注。工业炉是我国能源的一大用户，它所耗用的能源占全国总能耗的25%，热轧生产用各种加热炉的能耗约占全厂总能耗的60%以上。因此，降低它们的能耗是很有意义的，实施自动控制是一种有效的途径3。电阻炉是工业炉的一种，它是利用电流使炉内电热元件或加热介质发热，从而对工件或物料加热的工业炉。电阻炉在机械工业中用于金属锻压前加热、金属热处理加热、钎焊、粉末冶金烧结、玻璃陶瓷焙烧和退火、低熔点金属熔化、砂型和油漆膜层的干燥等。自从发现电流的热效应(即楞茨-焦耳定律)以后，电热法首先用于家用电器，后来又用于实验室小电炉。随着镍铬合金的发明，到20世纪20年代，电阻炉已在工业上得到广泛应用。工业上用的电阻炉一般由电热元件、砌体、金属壳体、炉门、炉用机械和电气控制系统等组成。加热功率从不足一千瓦到数千千瓦。工作温度在 650以下的为低温炉；6501000为中温炉;1000以上为高温炉。在高温和中温炉内主要以辐射方式加热。在低温炉内则以对流传热方式加热，电热元件装在风道内，通过风机强迫炉内气体循环流动，以加强对流传热。电阻炉有室式、井式、台车式、推杆式、步进式、马弗式和隧道式等类型。可控气氛炉、真空炉、流动粒子炉等也都是电阻炉。与其它的工业炉相比，电阻炉具有发热部分简单，对炉料的种类限制少，炉温控制精度高，容易实现在真空或控制气氛中加热等特点。因此电阻炉广泛应用于冶金、机械、材料等行业，是发展最早，品种规格最多，需要量最大的一类工业炉。电阻炉按其加热方式不同，可以分为间接电热和直接电热两大类。前者依靠电流通过炉内的电热体或导电液体产生热量，再经过一定的传热过程将热量传给被加热的物体。目前大多数的电阻炉都属于这一类。后者是电流直接通过被加热的物料，依靠物料本身的电阻发热。间接电热电阻炉的电热原理：电流通过炉内的专门电阻发热即电热体所产生的热量，借热辐射、对流和传导将热量传递给被处理的物料，这种电炉称为间接电热电阻炉。其特点是：采用不同材料的电热体可在炉内达到不同的最高工作温度;采用不同的电热体安装和布置方式，可在炉内得到各种所需的温度分布以及做成各种形式和大小的炉子。所以间接电热电阻炉是工业生产和科研中应用最广泛的一种炉子。1.2电阻炉温度控制系统的应用与发展现在所说的电阻炉温度控制系统，多指采用电脑或微处理器进行智能控制的系统，在系统的发展史上，称为第三代控制系统，以plc和dcs为代表，从70年代开始应用以来，在冶金、电力、石油、化工、轻工等工业过程控制中获得迅猛的发展。70年代中期，由于设备大型化、工艺流程连续性要求高、要控制的工艺参数增多，而且条件苛刻，要求显示操作集中等，使已经普及的电动单元组合仪表不能完全满足要求。在此情况下，在原来采用中小规模集成电路而形成的直接数字控制器(ddc)的自控和计算机技术的基础上，开发出了以集中显示操作、分散控制为特征的集散控制系统 (dcs)。因而将集散控制系统 (dcs)应用到电阻炉温度的控制上，可以提高控制精度，可靠性和安全性。从90年代开始，陆续出现了现场总线电阻炉温度控制系统、基于pc的电阻炉温度控制系统等。 目前，由于控制的目的、工艺要求、精度要求的不同，可以采用不同的控制方式。控制方式的使用范围也不同：plc适用于离散过程控制，如开关、顺序动作执行等场所，随着plc的功能越来越强大，plc也开始进入过程自动化领域。dcs系统则以模拟量反馈控制为主，辅以开关量的顺序控制和模拟量开关量混合型的批量控制，它们可以覆盖炼油、石化、化工、冶金、电力、轻工及市政工程等大部分行业。而现场总线的突出特点在于它把集中与分散相结合的dcs集散控制结构，变成新型的全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场，依靠现场智能设备本身实现基本控制功能。在本设计中以电阻炉为研究对象，利用实验室现有的管式电阻炉和一系列的数字化仪表来完成电阻炉的温度控制系统。通过改变调节器的比例带、积分时间和微分时间来实现对电阻炉的温度控制。当系统处于平衡状态时，炉温将稳定在给定值上，从而实现了电阻炉的恒温控制。该方法简单，易操作，控制精度高，可靠性强。同时这种控制方案可以根据不同的研究对象完成不同的控制要求。第二章 电阻炉的温度控制系统设计概述2.1 总体方案设计自动控制系统设计首先要研究被控对象，即对被控对象进行测试。测试的方法有：时域测试法（这里指飞升曲线法）、频域测试法、统计法等。这里采用飞升曲线法。本设计的研究对象是实验室现有的管式电阻炉，因此对它进行性能实验测试。设计中取的是对象的飞升曲线，所以实验中让对象（电阻炉）在某一稳态下稳定一段时间后，快速的改变它的输入量，使对象达到另一稳定状态，从而求得对象在阶跃函数时的飞升曲线。测得对象特性后，根据要求选择一个合适的控制系统。因为在一般连续生产过程中，单回路调节系统可以满足大多数的控制要求，所以这里采用单回路调节系统。单回路调节系统一般是指在一个调节对象上用一个调节器来保持一个参数恒定，而调节器只接受一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。想要实现电阻炉的温度控制，控制方法有很多，例如利用常温仪表，数字仪表，plc等，它们都可以实现自动控制，但由于数字仪表即比常温仪表操作简单，控制精度高，又比plc经济实用，故本设计采用数字仪表足已满足我们的控制要求。在确定了控制方法后还要先根据经验值定一组最初的调节器参数，然后再结合实验数据求得的调节器参数，调节整定系统，使控制效果达到最佳，从而确定最后的调节器参数，最终实现电阻炉的温度控制。2.2 设计要求针对电阻炉组成一个简单实用的恒温控制系统，可以通过设置参数使其温度在0-1000摄氏度内得到有效的控制，并且控制精度达到预想效果，控制时间也可以随意改变。2.3 设计原理以电阻炉温度为研究对象,采用数字pid控制器对电阻炉温度进行控制,通过调节比例带、积分时间、微分时间来调节控制效果,同时针对不同温度段所表现出来的不同热性能，采用全功率或比例控制加快升温过程，再进行pid算法结合积分分离或积分削弱算法控制稳定过程的方案。使电阻炉温度控制达到超调量小、稳定精度高的优良控制效果。第三章 电阻炉温度特性的测试、记录及分析3.1 电阻炉温度特性测试一般研究调节对象特性的方法有两种。对于简单的对象或系统各环节的特性，可以通过分析过程的机理、物料或能量平衡关系求得数学模型，即对象动态特性的微分方程式，这种方法称为分析法。但是，复杂对象的微分方程式很难建立，也不容易求解。所以，另一种方法是通过实验测定，对取得数据进行加工整理而求得对象的微分方程式或传递函数，这种方法称为实验测定法。目前用来测定对象动态特性的实验方法主要有三种：测定动态特性的时域方法、测定动态特性的频域方法、测定动态特性的统计方法。这里仅对本次设计用到的是时域方法加以介绍。时域方法主要是求对象的飞升曲线或方波响应曲线，如输入量做阶跃变化，测绘对象输出量随时间变化曲线就得到飞升特性。如果将输入量作一个脉冲方波变化，测出对象输出量随时间的变化曲线就得到脉冲方波响应曲线。这些方法都不需要特殊的信号发生器，在很多情况下可以利用调节系统中原有的仪器设备完成，方法简单，测试工作量小，故应用甚广。此法缺点是测试精度不高且对生产有一定影响。3.1.1 对象特性测试中所用仪表电阻丝高温炉，自耦变压器，无纸记录仪，s型热电偶3.1.2 对象特性测试原理在实验中，用调压变压器将220v的交流电转换成不同伏值的电压，通过这些电压为管式电阻炉提供电源，将热电偶所测的电阻炉在不同伏值供电电压下的毫伏信号接入无纸记录仪进而实时地绘制电阻炉的温度特性曲线。3.1.3 进行温度特性曲线测试的仪器仪表的接线图下面我们将进行温度特性测试原理图和接线图的绘制。图3.1 电阻炉的温度性能测试原理图图3.2电阻炉的温度性能测试接线图由图3.2可以看出，我们是将自耦变压器原边接民用电源，其副边的输出接至管式电阻炉的电源输入端，从而使电阻炉开始加热，我们利用s型的铂铑-铂热电偶作为传感器来测试炉温，其热电偶的输出端1，2应接至无纸记录仪的输入端，由无纸记录仪的usb接口读取曲线图，再利用无纸记录仪u盘数据存储分析软件分析曲线图。我们按照图3.2将各仪器仪表的引脚相互连接，这就组成了测试温度特性的电路。我们通过调节自耦变压器的给定电压，使电阻炉的温度变化并绘出温度升高或降低的曲线图。3.2 温度特性曲线的记录与分析在电阻炉温度特性曲线的测试中，我们通过选择不同的给定电压送入电阻炉，从而使电阻炉的温度由一个稳态阶跃到另一个稳定状态，也相当于给电阻炉一个阶跃信号，来得到温度的阶跃响应曲线。3.2.1 温度特性曲线的记录在开始实验时，我们选定的初始给定值是30v，待温度上升到某一稳定值时，我们将给定值改变为70v，相当于给该系统一个阶跃信号，从而使温度的变化曲线出现阶跃响应。为了使我们的设计达到一定的要求，应多给几个阶跃信号，使温度比较高时，也能很好的进行自动控制。因而，我们又将给定值设为70v,温度升高到稳定状态时，再给一个阶跃信号，即将变压器的电压调至110v。图3.3阶跃响应曲线图3.3为电阻炉温度特性曲线截取图。在响应曲线测定后，为了分析和设计控制系统，需要将响应曲线转化为传递函数。在转化过程中，首要问题是选定模型的结构。对于采用pid控制的闭环控制系统，并不要求非常准确的被控对象模型。因此在满足精度要求的情况下，常采用低阶传递函数来拟和被控对象。3.2.2 温度特性曲线试验结果的数据处理的方法在描绘生产过程的动态特性时，常用微分方程式或传递函数的形式表达。如何将实验所获得的各种不同对象的飞升曲线进行处理，以便用一些简单的典型微分方程或传递函数来近似表达，既适合工程应用，又有足够的精度，即这里所指的数据处理。（1） 由飞升曲线确定有纯滞后的一阶环节的参数图3.4 电阻炉的飞升曲线有纯滞后的s形飞升曲线，如图3.4所示。在变化速度最快处作一切线，它的斜率就是最快的速度，并从时间轴的交点得出滞后时间。同时记下输入阶跃变化量和的最终变量。然后用下列式子求及： ； (3-1) (3-2)这种处理方法极为简单但准确性不高，再介绍一种比较准确的方法：求稳态放大系数的式子不变，在计算时间常数及纯滞后时，将曲线修改成无因次的飞升曲线为 (3-3)对于有滞后的一阶非周期环节来说，在阶跃作用下的解为 ； (3-4)为了确定及的值，在无因次飞升曲线上选取的两个坐标值，现选择及如下：； (3-5)其中，对上式联立求解可得；。 (3-6)可以看出，由,及对应飞升曲线上的两个值及求得及。若选择，则可得 ； (3-7)对于计算结果，可在 这几个时间上，对飞升曲线进行校验。（2） 由飞升曲线确定二阶环节的参数响应曲线测定后，为了分析和设计控制系统，需要将响应曲线转化为传递函数。本设计采用二阶系统的s形飞升曲线的分析方法对实验结果进行处理。下面介绍一下二阶系统的s形飞升曲线的分析方法，并用该方法对实验测得的电阻炉温度特性曲线进行分析。对于s形的实验飞升曲线，规定其传递函数按下式： （3-8） 或 （3-9）来近似，前者相当于过阻尼的二阶环节（传递函数的分母有两个实根及，后者为阻尼系数为1的有纯滞后的二阶环节。在生产实际中，多数对象的飞升曲线都是过阻尼的，因此该方法适用于大批的工业对象。对于式（3-8），在零初始条件下，当输入作阶跃变化，阶跃变量为时，它的解为 （3-10）用无因式表示: （3-11）由式（3-11）可知，为了求的值，应先确定两个时间常数和，而这就要建立两个方程。在式（3-11）中引入时间无因次量； (3-12) 其中2=+，则可化为: （3-13）注意：；,可见式（3-13）表达了，和 三者之间的关系。 令，则在式（3-13）中只剩，和两个参量。因，故。当在01之间取值时，可算出与之相对应的，结果如下图3.5所示：这里令。图3.5 2t7*关系曲线分析图3.5可以发现，当时，的值在1.2附近变动。如果令=1.2，则由此带来的误差为，这在工程上是允许的。这样，就得到寻求时间常数，的第一个关系式 即 （3-14）其次，在式（3-13）中，令便可确立与之间的关系，如图4.8所示，这是寻求时间常数、的第二个关系式。在同一图中还画有及时的曲线和，这两条曲线可供检验数据处理结果之用。图3.6 y4与2的关系曲线经上述分析之后，可将确定典型二阶方程参数的步骤简述如下：实验求得飞升曲线后，先按式和式求出放大倍数k和无因次的飞升曲线，然后根据来求及或及。根据求得与之对应的，再算出对应于从飞升曲线上找到的数值。根据的数值分三种情况处理：若0.1910.33，则采用式（3-8）来近似，这时还要计算两个未知参数及。计算时需要借助图3.6的曲线。为了算及，首先求出，再由图3.6的曲线和的值求得对应的的值进而求，最后用公式； （3-15）来计算时间常数及。至此就求得了近似传递函数（3-8）式的各参数。为了对此传递函数进行校验，可以检查它的几个点，在校验时仍需用到图3.6的曲线，实验结果与计算结果在，时是重合的，在和两点可按图3.6查出与的值，且与实验曲线上的值相比较作为校验。若数值相近，则认为这样的近似是合理的。若0.191，则采用（3-9）式的带纯滞后的二阶环节近似，这时要计算的两个未知参数是和。先令及在曲线上找到相应的时间及的值，然后按公式 ； (3-16)来计算纯滞后及时间常数。至此，传递函数（3-9）式就确定了。为了校验，计算结果应在，及处与实验曲线重合，并可按时及时与实验所得飞升曲线相比较。若，则应用来描述传递函数的特性。由飞升曲线确定传递函数的方法介绍完毕，下面将对实验所得数据加以处理9。3.2.3 温度特性曲线数据处理响应曲线测定后，为了分析和设计控制系统，需要将响应曲线转化为传递函数。因为我们采用的是pid控制的闭环控制系统，并不要求非常准确的被控对象模型，因此在满足精度要求的情况下，采用延迟的二阶惯性环节传递函数来拟合被控对象。 对电阻炉温度特性曲线的分析，我们只截取其中的一部分，以500011000s这段曲线（控制目的中要求的稳定温度处于这一段）为例。首先将实验所得飞升曲线化为无因次飞升曲线。图3.7 t 曲线图根据无因次飞升曲线（如图3.7所示），求出与相对应的于是得再从图中找到对应于的由于所得之满足不等式0.191y4* 0.33故用无滞后的二阶环节（3-8）来近似，这时根据公式（3-14）及图3.6之曲线找到 查图，时， =0.82 ， =0.91，于是按式（3-15）可求 ；由上述方法求得被控对象的传递函数，通过分析传递函数即可了解被控电阻炉的温度特性。 进而我们连接系统并进行参数调节。由实验曲线图可得：；(min)；（min）由经验公式可计算出：p=113；(min)；（min）。第四章 电阻炉温度控制系统的设计4.1 电阻炉温度控制系统的实现过程电阻炉温度控制系统是一个单回路反馈控制系统，它由四个基本环节组成，即被控对象、测量变送装置、控制器和控制阀。本设计中被控对象是电阻炉的温度，测量变送装置为s型热电偶，控制器采用数字调节器，控制阀则是由固态继电器构成。4.1.1 电阻炉温度控制系统的系统方框图及调节过程 图4.1 电阻炉温度自动调节系统由图4.1可以看出，该系统是一个单参数闭环控制系统。当系统处于平衡状态时，炉温将稳定在给定值上。由于外加某种扰动的影响，使炉温降低或升高，此时s热电偶产生的毫伏信号，一方面送至显示仪表指示和记录，另一方面送入数字调节器中。在调节器中测量信号与给定值信号进行比较后，产生一个偏差值，经过pid运算后输出一个4-20ma的电流信号，然后送入pwm（脉宽调制电路）电路中，这样将调节器输出的4-20ma的电流信号线性的转变为通电时间为0%-100%的占空比，根据占空比控制固态继电器改变电阻炉的通电和断电时间，从而改变了电阻炉的温度。由于通电时间的改变，电阻炉炉温也随之而变，当炉温与给定值相等时，偏差，调节器输出恒定，通电时间固定，通过这种方式使炉温保持在给定值上，即实现了电阻炉的恒温控制。4.1.2 仪器仪表介绍在该设计中，我们用到了很多仪器仪表，对所用仪器仪表的介绍如下：表4.1使用仪器设备表格仪器仪表名称型号规格生产厂家备注管形高温炉sk-2-12h 哈尔第二电炉厂制造额定功率：2千瓦额定温度：1000 频 率：50赫兹 额定电压：220v热电偶s型(铂铑10-铂)长期使用温度为1400(我国规定为1300)，短期使用温度为1600自耦变压器制号1234天津市电机器材厂制造最大电力50kva，50输入输出电压电压电流220v0250v20a110v0250v10a数字调节器sr74a日本pwm电路采用单片机at89c2051，adc0832，74ls164，led固态继电器jgx-10f日本从上表可以很好的了解到所用的仪器仪表，可清楚我们的基本设计方法，从而可以进一步的了解该设计，给人以清晰、简单的设计思路。为使我们的设计尽可能的简单易操作，控制效果更好，在这些仪器仪表的选用上，是经过多方面的考虑，而最终做出的选择。1.热电偶热电偶的基本结构是热电极，绝缘材料和保护管。绝缘材料的作用是使两根热电极丝相互电绝缘，避免因热电极短路而引入测量误差，并保证一定的机械强度。为使热电偶热电极不直接与被测介质接触，通常采用保护管。它不仅可以保护热电极延长热电偶的使用寿命，还可以起到支撑和固定热电极的作用。热电偶温度计的原理是利用两种不同的金属导体在两个端点上相互接触，当其两接点温度不同时，回路内就会产生热电势。它是接触式测温仪表，温度不同的两物体相互接触，由于它们之间有温度差存在，热量就会从高温物体向低温物体传递。如果这两个物体与外界没有能量交换，则经过足够长时间两者之间就会达到热平衡状态，即传热量为零，两者温度相等。如果两物体其中之一是温度计的感温部分，另一物体是被测物体，则可以说温度计的感温部分充分反映了被测物体的温度。热电偶具有四大基本定律，分别为中间导体定律，均质导体定律，中间温度定律，参考电极定律。中间导体定律是热电偶回路的一个重要性质。这一性质表明：在热电偶回路中接入第三种导体，只要这第三种导体材料两端温度相同，则热电偶产生的热电势保持不变，不受第三种导体接入的影响。因此，在热电偶测温时，可接入测量仪表，测得热电动势后，即可知道被测介质的温度。均质导体定律是指由一种均质导体组成的闭合电路，不论导体的截面如何以及各处的温度分布如何，都不能产生热电势。这条定律说明，热电偶必须由两种不同性质的材料构成。中间温度定律是指热电偶回路两接点（温度为、）间的热电势，等于热电偶在温度为、时的热电势与在温度为、时的热电势的代数和。称中间温度。参考电极定律 是专业人士才研究、关注的，一般生产、使用环节的人士不太了解，简单说明就是：用高纯度铂丝做标准电极，假设镍铬-镍硅热电偶的正负极分别和标准电极配对，他们的值相加是等于这支镍铬-镍硅的值。本设计中的研究对象为电阻炉，它的最大上限在1000左右，因此本设计采用铂铑10-铂热电偶(分度号为s)。这是一种贵金属热电偶，由直径为0.5mm以下的铂铑合金丝（铂90%，铹10%）和纯铂丝制成。s型热电偶的特点是热电性能稳定，抗氧化性强，宜在氧化性、惰性气氛中连续使用，其准确度等级是最高的。长期使用温度为1400(我国规定为1300)，短期使用温度为1600。通常用作为标准或作为测量高温的热电偶，它的使用温度范围广、均质性及互换性好。它的缺点是价格昂贵，电极丝直径通常很细，机械强度较低3。2.调压器（1）自耦变压器的结构特点图4.2是自耦变压器的示意图。 这种变压器的结构特点是铁芯上只绕有一个线圈。 如果把整个线圈作原线圈，副线圈只取线圈的一部分，就可以降低电压（如图4.2甲所示）；如果把线圈的一部分作原线圈，整个线圈作副线圈，就可以升高电压（如图4.2 乙所示)。图4.2自耦变压器的示意图调压变压器是一种典型的自耦变压器, 它的构造如图4.3 所示. 线圈ab 绕在一个圆环形的铁芯上,当a 、b 之间输入交流电压后, 转动滑动触头p 的位置,就可以在c、d 两端输出能连续变化的不同电压。图4.3自耦变压器结构图（2）自耦变压器的工作原理自耦变压器也是利用电磁感应原理制成的。从图4.3可以看出,在交流电源的作用下，原线圈中产生交变电流,从而在铁芯中激发交变的磁通量。这一交变的磁通量将在原、副线圈中产生感应电动势,这便是自耦变压器的工作原理。因此，自耦变压器也具有一般变压器所具有的变压、变流和变阻特性。3.调节器在实际生产应用中，调节器是构成自动控制系统的核心仪表，它将来自变送器的测量值与给定值相比较后产生的偏差进行比例、积分、微分(pid)运算，并输出统一标准信号，去控制执行机构的动作，以实现对温度及其他工艺变量的自动控制。调节器的运算规律是指调节器的输出信号与输入偏差之间随时间变化的规律。理想的pid调节器的运算规律可用下式表示 （4-1）也可用传递函数表示为 （4-2）式中第一项为比例(p)部分，第二项为积分(i)部分，第三项为微分(d)部分，各变量的意义如下：调节器的比例增益；调节器的积分时间；调节器的微分时间；实际pid调节器的运算规律表达式要复杂些，其传递函数常用下式表示 （4-3）式中 调节器变量之间的相互干扰系数，可表示为，其中比例系数的大小与调节器的构成方式有关。该式表明，当调节器无积分作用()或无微分作用时，； 考虑相互干扰系数后的实际比例增益； 考虑相互干扰系数后的实际积分时间； 考虑相互干扰系数后的实际微分时间； 积分增益； 微分增益。当、均很大时，则上式就近似等于理想pid运算规律的表达式了。当偏差为阶跃信号时，利用拉氏反变换，由上式可求得实际pid调节器的输出为 （4-4）当时，；当时，。调节器包括偏差检测和进行pid运算的两部分电路。偏差检测电路也即输入电路，偏差信号一般采用电压形式，所以输入信号与给定信号在输入电路内都是以电压形式进行比较。在本设计中可以使用ddz-型调节器也可以使用数字式调节器，本设计采用 数字式调节器，因为数字式调节器相对于ddz-型调节器使用起来更方便而且调节更精确。4.固态继电器本设计中的执行器采用固态继电器，固态继电器（亦称固体继电器）英文名称为solid state relay，简称ssr。固态继电器与机电继电器相比，是一种没有机械运动，不含运动零件的继电器，但它具有与机电继电器本质上相同的功能。ssr是一种全部由固态电子元件组成的无触点开关元件，他利用电子元器件的电，磁和光特性来完成输入与输出的可靠隔离，利用大功率三极管，功率场效应管，单向可控硅和双向可控硅等器件的开关特性，来达到无触点，无火花地接通和断开被控电路。固态继电器有三部分组成:输入电路，隔离(耦合)和输出电路。按输入电压的不同类别，输入电路可分为直流输入电路，交流输入电路和交直流输入电路三种。有些输入控制电路还具有与ttl/cmos兼容，正负逻辑控制和反相等功能。固态继电器的输入与输出电路的隔离和耦合方式有光电耦合和变压器耦合两种。固态继电器的输出电路也可分为直流输出电路，交流输出电路和交直流输出电路等形式。交流输出时，通常使用两个可控硅或一个双向可控硅，直流输出时可使用双极性器件或功率场效应管。固态继电器具有高寿命，灵敏度高，快速转换，电磁干扰小等优点，固本设计采用固态继电器。5.无纸记录仪无纸无笔记录仪摒弃了传统记录仪中使用的记录笔和记录纸，把工业现场的各种需要监视记录的输入信号，通过本机cpu数据处理，一方面在大屏幕液晶显示屏幕上以多种形式的画面显示出来，另一方面把这些监察信号的数据存放在本机内藏的大容量存储芯片内，以便在本记录仪上直接进行数据和图形查询、翻阅和打印。带有软磁盘驱动的exii型无纸记录仪还可将这些数据进行拷盘存档，用户可用我们提供的上位机软件，对已记录数据的软盘，在上位机上重现历史数据和历史曲线。无纸记录仪分为：中长图彩屏无纸记录仪，蓝屏无纸记录仪，彩屏无纸记录仪，单色无纸记录仪。本设计使用的是蓝屏无纸记录仪，在使用时应先进入组态模块，操作身份选为工程师，进而进入主菜单修改参数，通道选为单通道显示，量程选为0-1000，接收信号选为s型热电偶，单位选为摄氏度。当通电时无纸记录仪将会自动进行工作，把热电偶的正负极接到无纸记录仪的输入端，当实验达到理想状态时可以直接通过u盘读取。然后再通过无纸记录仪u盘数据存储分析软件对结果进行分析。6.pwm电路pwm电路（脉宽调制电路）是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用于测量，通信，功率控制与变换等许多领域。脉冲宽度调制（pwm）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。pwm信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(on)，要么完全无(off)。电压或电流源是以一种通(on)或断(off)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用pwm进行编码。pwm的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响。 对噪声抵抗能力的增强是pwm相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将pwm用于通信的主要原因。从模拟信号转向pwm可以极大地延长通信距离。在接收端，通过适当的rc或lc网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。 总之，pwm既经济、节约空间、抗噪性能强，是一种值得广大工程师在许多设计应用中使用的有效技术。 本设计利用脉宽调制电路将调节器输出的4-20ma的信号线性转化0%-100%的占空比，使其控制固态继电器的开关，进而控制了电阻炉的通电和断电时间。从而实现了电阻炉的温度控制。（1）pwm电路的硬件原理图本设计的pwm电路采用了at89c2051，adc0832，74ls164，led等，因此自己焊制了pwm电路板。pwm电路图见附录b。at89c2051是美国atmel公司生产的低电压、高性能cmos 8位单片机，片内含2k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（perom）和128bytes的随机数据存储器（ram），器件采用atmel公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准mcs-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和flash存储单元，功能强大at89c2051单片机可为您提供许多高性价比的应用场合。以下为其引脚图：图4.4 at89c2051引脚图主要性能：和mcs-51产品兼容；2kb可重编程flash存储器（1000次）；2.7-6v电压范围；全静态工作：0hz-24khz；2级程序存储器保密锁定；128*8位内部ram；15条可编程i/o线；两个16位定时器/计数器；6个中断源；可编程串行通道；高精度电压比较器（p1.0，p1.1，p3.6）；直接驱动led的输出端口；adc0832 是美国国家半导体公司生产的一种8 位分辨率、双通道a/d转换芯片。由于它体积小，兼容性，性价比高而深受单片机爱好者及企业欢迎，其目前已经有很高的普及率。图4.5 adc0832的引脚图adc0832 具有以下特点： 8位分辨率； 双通道a/d转换； 输入输出电平与ttl/cmos相兼容； 5v电源供电时输入电压在05v之间； 工作频率为250khz，转换时间为32s； 一般功耗仅为15mw； 8p、14pdip（双列直插）、picc 多种封装； 商用级芯片温宽为0c to +70c，工业级芯片温宽为40c to +85c；芯片接口说明： cs_ 片选使能，低电平芯片使能； ch0 模拟输入通道0，或作为in+/-使用； ch1 模拟输入通道1，或作为in+/-使用； gnd 芯片参考0 电位（地）； di 数据信号输入，选择通道控制； do 数据信号输出，转换数据输出； clk 芯片时钟输入； vcc/ref 电源输入及参考电压输入（复用）；adc0832 为8位分辨率a/d转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在05v之间。芯片转换时间仅为32s，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。通过di 数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。74ls164 为 8 位移位寄存器,其主要电特性的典型值如下：当清除端（clear）为低电平时，输出端（qaqh）均为低电平。 串行数据输入端（a，b）可控制数据。当 a、b任意一个为 低电平，则禁止新数据输入，在时钟端（clock）脉冲上升沿作用下q0 为低电平。当a、b 有一个为高电平，则另一个就允许输入数据，并在clock 上升沿作用下决定q0 的状态。 图4.6 74ls164的引脚图引脚功能：clock ：时钟输入端；clear： 同步清除输入端（低电平有效）； a，b ：串行数据输入端；qaqh： 输出端；图4.7 74ls164的真值表（2）pwm电路的软件pwm电路的软件主要分为三部分，第一是模数转换程序，第二是将调节器的输出信号转化为占空比的程序，第三是led显示占空比的程序。本设计采用c51进行编程（程序见附录c）（3） pwm电路板由于实验室的数字调节器不带有pwm模块，所以需要自己焊制pwm电路板，电路板见图4.8图4.8 pwm电路板用信号发生器模拟调节器输出的4-20ma电流，对pwm电路进行了演示，具体见图4.9，图4.10，图4.11 图4.9 pwm演示图1 图4.10 pwm演示图2 图4.11 pwm演示图3第五章 电阻炉温度控制系统的参数整定及系统调试根据前面的实验结果，下一步应进行该系统的参数整定及系统调试。这时就应该实际的考虑很多问题，包括在系统连接后运行及调节参数上出现的问题。5.1 温度控制系统的实现线路5.1.1 系统的连线框图系统的接线端子图与系统的基本原理框图是一致的。见附录a5.1.2 系统的连接线路及自动控制过程在实验室，对仪表进行了解，然后按照系统接线端子图连线。一定将各仪表对应的端子连接正确，避免造成事故。连接好仪表后，检查无误后再接通电源。检测一下调节器和执行器是否能正常工作。接通电源，参考前边给定的pid调节器的参数，调试，整定系统以达到最佳的控制效果，确定最后的调节器参数。热电偶将检测得到的毫伏信号送入调节器，调节器把输入信号与给定值信号的差值进行比例、积分、微分规律运算后将控制信号送入pwm电路，pwm电路控制固态继电器的通电和断电时间，从而控制电阻炉的温度，只有当调节器的输入信号与给定值相等时，即差值为零时，固态继电器的通电时间不变，使电阻炉的温度控制在给定值上，从而达到了恒温控制的要求。5.2 pid调节器及其参数的整定在实际工业生产应用中，调节器是构成自动控制系统的核心仪表，它的基本功能是将来自变送器的测量信号与给定信号相比较，并对由此所产生的偏差信号进行比例、积分或微分处理后，输出调节信号控制执行器的动作以实现对不同被测或被控参数如温度、压力、流量或液位等的自动控制。5.2.1 p、i、d各运算规律的作用基本运算规律比