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东北大学硕士学位论文 高温持久试验机控制系统研究 摘要 本文以高温持久试验机的控制系统改造为背景，在采用先进组态软件的基础 上，完成了持久试验机控制系统的结构、功能设计和现场调试。实际应用绍果表 明：控制系统运行稳定、功能先进，实现了更好的经济技术指标。在此基础上，针 对温度控制问题，本文提出了模糊一p i d 复合控制策略，并在m a t l a b 环境下进行了 仿真，为控制策略的实际应用奠定了基础。 ( 1 ) 本文首先介绍持久试验机的结构与工作原理，作为高溢合金产品的物理性 能检验设备，持久试验机在企业生产中的重要作用，其检验能力与精度对高温合 金产品的质量和产量的重要影响。 ( 2 ) 其次，在对持久试验机控制系统研究的主要内容进行分析的基础上，分析 了持久试验机控制系统的结构和功能设计，以及控制系统中所使用的硬件及组态 软件的功能和特点：对所使用的智能工业调节器、上位机的组态软件a i f c s 和程 序设计方法都分别进行了介绍。 ( 3 ) 然后，本文研究了持久试验机自动控制系统的实际应用设计。持久试验杌 控制系统采用传统p i d 调节器进行控制，结合大量现场实际生产经验，根据持久 试验机实际设备状况及产品规格，确定了合理的p i d 参数，满足了控制精废要求。 另外，本文对控制系统中主监视画面、趋势查询、参数修改等功能的设计进行了 详细阐述。 ( 4 ) 最后，针对传统p i d 调节器在调节大滞后、时变、非线性的复杂系统，或 参数未知、和随机干扰、无法获得精确数学模型的系统时，控制性能往往不够理 想的问题，为进一步提高系统温度性能，本文提出了模糊- p i d 复合控制的解决方 案。模糊控制器是一种近年来发展起来的新型控制器，其优点是不要求掌握受控 对象的精确的数学模型，而根据人工控制规则组织控制决策表，然后由该表决定 控制量的大小。在m 触r l a b 环境下完成了模糊控制器的设计和模型仿真。仿真结 果证明，该控制策略优于常规p i d 控制，具有定的实际应用价值。 关键词：高温合金持久试验机组态软件模糊。p i d 复合控制 u 东北太学硕士学位论j = r e s e a r c ho nt h ec o n t r o l s y s t e m o f h i g h t e m p e r a t u r el o n g - t i m et e s t i n gm a c h i n e a b s t r a c t t h i st h e s i si sb a s e d 锄t h ei m p r o v e m e n to fh i g ht e m p e r a t u r el o n g - t i m et e s t i n g m a c h i n ec o n t r o ls y s t e m w i t ht h ea p p l i c a t i o no fa d v a n c e dc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ，t h e s t r u c t u r ea n df u n c t i o n so ft h eh i g ht e m p e r a t u r e l o n g - t i m et e s t i n gm a c h i n ec o n t r o l s y s t e ma r ed e s i g n e d t h es y s t e mh a sb e e np u ti n t or u n n m g t h ea p p l i c a t i o nr e s u l t s s h o wt h a ti tw o r k sq u i t ew e l l ，a n dt h es a t i s f y i n ga c c u r a c ya n du n i f o r m i t yo ft h ef u r n a c e t e m p e r a t u r ec o n t r o la r eo b t a i n e d , t h et e c h n i c a la n de c o n o m i ci n d e xw a si m p r o v e d i n o r d e rt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h ec o n t r o ls y s t e mf u r t h e r , t h es t r a t e g i e so f f u z z y - p i dc o n t r o la t ep u tf o r w a r di nt h i st h e s i s ，a n dt h es i m u l a t i o n sa t ec a r r i e do u tw i t h m 棚a b ( 1 ) f i r s t , t h i st h e s i si n t r o d u c e dt h es t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo ft h eh i g h t e m p e r a t u r el o n g t i m et e s t i n gm a c h i n ec o n t r o ls y s t e m a sap r o o f - t e s te q u i p m e n to f h i 曲t e m p e r a t u r ea l l o y sp h y s i c a lp e r f o r m a n c e ，t h el o n g - t i m et e s t i n ge q u i p m e n tp l a y sa n i m p o r t a n tr o l ei ne n t e r p r i s ep r o d u c t i o n i t st e s t i n ga b i l i t ya n da c c u 删w i l ld om o r e e f f e c to nt h eo u t p u ta n d q u a l i t yo ft h ep r o d u c t s ( 2 ) s e c o n d l y , o nt h eb a s i so fa n a l y s i so ft h ec o n t r o ls y s t e m ，t h ef u n c t i o n so ft h e h a r d w a r ea n ds o f t w a r ea p p l i e di nt h es y s t e ma t ei n t r o d u c e d ，a n dt h es t r u c t u r ea n dt h e f u n c t i o n so ft h ec o n t r o ls y s t e ma t ed i s c u s s e d t h er e a l i z a t i o no ft h ec o n t r o ls y s t e mi s i n t r o d u c e di n d e t a i lw i t he m p h a s i so nt h ei n t e l l i g e n ti n d u s t r i a l r e g u l a t o rt h eh m i ， c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ea 腰c s a n dc o n t r o lp r o g r a m s ( 3 ) t h i r d l y , t h i st h e s i sr e s e a r c h e dt h ep r a c t i c a ld e s i g no ft h el o n g - t i m et e s t i n g m a c h i n ec o n t r o ls y s t e mi nd e t a i l i tw a sc o n t r o l l e db yp i d r e g u l a t o ri nt h ep a s t w eb u i l t as e to fr e a s o n a b l ep a r a m e t e r so fc o n t r o ls y s t e mf o rt h et e s t i n ge q u i p m e n to nt h eb a s i s o fe x p e r i e n c e si np r o d u c t i o na n dt h ea c t u a ls i t u a t i o no ft h ee q u i p m e n ta n dt h es i z eo f p r o d u c t i o n a f t e ra c h i e v i n gt h er e q u i r e m e n to fc o n t r o la c c u r a c y , b yt h ew a y , i nt h e c o n t r o ls y s t e m ，t h em a i nm o n i t o rp i c t u r e ，t h ee n q u i r yo ft h et r e n da n dt h em o d i f i c a t i o n o ft h ep a r a m e t e r sw e r ep r e s e n t e di nd e t a i l ( 4 ) f i n a l l y , a st h ec o n t r o lp e r f o r m a n c eo ft r a d i t i o n a lp i dr e g u l a t o ri sn o tp e r f e c t l 雏 东北大学硕士学拉论文 e n o u g l l ，o n c ci ti sa p p l i e di nc o m p l e xc o n t r o ls y s t e mw h i c hh a v et h ef e a t u r e so fg r e a t a d j u s t i n gd e l a y , t i m e - v a r i a n ta n dn o n l i n e a r , o ri nc o n t r o ls y s t e mo fe x i s t i n ge t h e r u n k n o w np a r a m e t e r so rr a n d o md i s t u r b a n c e s ，o ri nc o n t r o ls y s t e mo fi n c a p a b i l i t yo f a c q u i r i n gp r e c i s em s t h e m a t i c a lm o d e l ，a l lt h i sw i l ld e c r e a s et h ee f f e c t i v e n e s so ft e s t i n g t h ec o n t r o ls t r a t e g i e so ff u z z y - p i da r cp r o p o s e dt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h e t e m p e r a t u r ec o n t r 0 1 f u z z yc o n t r o l l e ri sa8 0 f to fl a t e s tm o d e lc o n t r o l l e rd e v e l o p e di n 1 a s ts e v e r a ly e a r sa n di ti sak i n do fc o n t r o l l e rw h i c hd o n tr e q u i r ep r e c i s em a t h e m a t i c a l m o d e l c o n t r a r i l y , i to r s a m e sa n dc o n t r o l sd e c i s i o nt a b l ea c c o r d i n gt om a n u a lc o n t r o l r e g u l a t i o n ，a n dt h e nd e t e r m i n ec o n t r o l l i n gv a r i a b l e sb yc o n t r o ld e c i s i o nt a b l e t h e s y s t e mi ss i m u l a t e du s i n gt h es i m u l i n ka n dt h ef u z z yl o g i ct o o l b o xi nm a a r ia b 7 n l e s i m u l a t i o nr e a u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e dc o n t r o lm e a h o d sh a v es u p e r i o rp e r f o r m a n c et o t r a d i t i o n a lc o n t r o lm e t h o d s k e y w o r d s ： s u p e r a l l o y t h eh i g ht e m p e r a t u r el o n g - t i m et e s t i n gm a c h i n e c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ef u z z y - p i dc o m p o m l d e dc o n t r 0 1 1 v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成 果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包括本人为获得其它学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示谢意。 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规 定：即学校膏权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论 文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交漉，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名：毫r 亥f 苫、 导师签名 ， 一 签字日期：三厕泽刈2 7 日 签字日期 嘭位 暂 云 叩 了目 厶y ：争 名 占 糙 沙 徘 瓤 论 垃 学 日 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 持久试验机概述 第一章绪论 1 1 1 持久试验机的发展动态 世界工业技术的发展趋势是走向更高的温度、更大的速度和更高的压力。为 了适应这些发展，合金钢、高温合金与其他特种合金不但在需要量上曰益增大， 而且对它的性能要求也愈来愈高，最重要的是强度要大、要能耐磨损、耐高温、 能抵抗氧化和腐蚀等。舍金钢是指在碳钢中添加一种或几种合金元素所形成的钢 材，在钢材中依不同的用途丽加入镶、铬、钒、钨等元素，使钢材增强高温硬度、 耐蚀、耐热、磁化等性能。 随着冶金工业和航空航天事业的发展，现代动力设备对材料在高温条件下服役 提出了更高的要求，其高温承受载荷下的机械性能有效、稳定越来越重要。我公 司研制生产g h l 3 1 jg h l 4 1 、g h 6 0 5 等许多高温台金产品，在8 7 0 以下具有较 高的抗拉强度和持久强度，适于制作8 5 0 c 以下要求高强度和9 8 0 。c 以下要求抗氧 化的航空发动机高温部件，如叶片盘、机匿和燃烧室零件等，这些高、精、尖部 件的质量要求非常高，衡量金属材料高温特性的主要参数即有持久强度，高温持 久试验机就是在高温合金出厂前进行持久性能测定所需的设备。 在高温持久试验中，试验设备的好坏直接决定了试验数据的准确性。作为冶 金企业钢材物理性能检验设备之一，高温持久试验机处于关键位置，直接影响产 品的质量、产量和成本。持久试验机电阻炉自动控制的效益恰恰在提高企业生产 率、改善产品质量和节约能源上有举足轻重的意义。 疲劳强度设计是建立在实验基础上的一门科学。只有模拟真实的载裤及环境， 对被研究的设备或零部件进行实物试验，才能正确地评价他们真实的疲劳特性， 验证疲劳设计的预期效果。 疲劳破坏是机械零部件早期失效的主要形式。据统计，约有8 0 以一t - 零部件 失效是由疲劳引起的，其中大多数是突然断裂。随着现代机械向离速和大型化方 向发展，许多零部件在高温、高压、重载和腐蚀等恶劣工况下运行，疲劳破坏事 故更是层出不穷。因此，研究机械零部件的疲劳强废和推广疲劳设计，对提高机 东北大学硕士学位论支 第- 章绪论 械产品的可靠性和使用寿命有着十分重要的意义。 疲劳试验的分类： ( 1 ) 按试验环境可分为：室温疲劳试验、低温疲劳试验、高温疲劳试验、热疲 劳试验、腐蚀疲劳试验、接触疲劳试验、微动磨损疲劳试验等。 ( 2 ) 按试样的加载方式可分为：拉压疲劳试验、弯曲疲劳试验、扭转疲劳试验、 复合应力疲劳试验。 高温持久试验机是根据离温合金产品的实际应用条件，如有的应用在5 0 0 。c 左 右，有的应用在8 0 0 ( 2 左右，加一定应力持续4 0 - 1 0 0 小时等的持久强度极限。即 是用来检测金属的高温持久力学性能的。 国内对持久试验机电阻炉的温度控制进行了广泛研究，并且随着工业计算机 技术的发展，持久试验机电阻炉计算机控制逐步进入实用化阶段。近十年来，由 于计算机技术以及智能控制技术的迅速发展，持久试验机电阻炉计算机控制的应 用日趋广泛，控制水平明显提高，取得了一些应用成果。 试验机行业是静、动态力学性能试验仪器、试验设备、试验装置和无损检测 仪器设备的生产制造业。试验机行业已有五十多年的发展史，随着我国生产制造 水平的不断提高和测试技术的飞速发展，随着各行备娩对试验机产品需求的增长， 目前生产试验杌的公司和企业已遍布全国各地，生产着几百种规格、型号和系列 的试验机产品，有的试验机产品已出口到国外，远销到亚洲和欧美市场，具有一- 定的竞争能力。 随着数字计算机向小型、高速、大容量、低成本方向的发展，传统的p i d 控制 不断发展改进的同时，现代控制理论也在不断发展。7 0 年代以来，发展了类新 型计算机控制算法预测控制，它在复杂工业过程中得到成功应用，由于它突 破了传统思想豹约束，采用了预测模型、滚动优化、反馈校正和多步预测等新的 控制思想，获取了更多的系统运行信息，因而使控制效果和鲁棒性( 表示当个 控制系统中的参数发生摄动时系统能否保持诳常工作的一种特性或属性) 得以提 高。 目前国内持久试验机电阻炉控制系统的研究现状如下： ( 1 ) 采用先进控制设备 随着工业控制计算机、可编程控制器、智能仪表及集散系统等先进控制系统 的发展，它们逐步取代了以前大规模的继电器、模拟式仪表。无论是p l c 还是d c s ， 其软件编制均较简单，使用问题语言，无须专门编程人员就可自行编制，此外不 但能独立使用，且其通讯能力较强，便于联网。 ( 2 ) 采用新的控制方法和控制理论 2 东北大学硕士学位论交 第一章绪论 越来越多的控制系统采用现代控制理论，最优控制、自适应控制、自校正控 制器、自整定p i d 参数的控制器、专家控制、模糊控制、专家p i d 控制等。有些 己成功地在工业中应用，在工业控制领域中p i d 控制算法是一种广泛应用的控制 方法，它具有结构简单，参数整定方便的优点，在许多场台下都能获得令人满意 的控制效果。然而当被控对象的特性比较复杂，由于标准p i d 算式中积分项的作 用，有可能会使系统产生一种较大的超调量，此外，如果p i d 参数调整不当，将 会导致系统不停的振荡。为了消除这一现象，就必须对p i d 算法进行改进。对于 工业上许多复杂的问题，在多数情况下难以做出准确的描述和严格的分析。而专 家系统对上述问题就可以做出较好的预测，并找出鹅决问题的透当的方法，除此 之外，专家系统还可以处理带有某些误差或不完饕的一类数据。为了综合标准的 p i d 控制算法和专家系统的优点，我们在高温持久试验温度微机控制系统中采用专 家系统和p i d 控制器结合的方法，利用专家系统知识库输出来修正p i d 参数，改 变p i d 控制方式以达到最佳p i d 控制结果。总之，微型枫的应用，为复杂的现代 控制理论的数学计算创造了条件。 ( 3 ) 管理系统的应用 除了传统的现场过程级闭环控制以外，持久试验机电阻炉也使用上位机进行 管理。上位机应用程序分为监控界面、数据存储、报表生成、优化控制等主要功 能。管理系统应用的扩展，大大提商了持久试验机电阻炉控制系统的应用性能和 实用价值，提高了生产过程的效率。 1 1 2 持久试验机控制系统研究的主要内容 持久强度试验机由主机、高温炉、拉杆及引伸计、变形测量和温度控制装置 等组成，也可配置相应的巡徊检测和数据处理系统。高温炉有封闭式和对开式， 温度控制采用高稳定性的仪表，或工业计算机。持久试验机控制系统主要是用于 控制炉体内的升温和保温过程，系统要求升温速度快，而且温度的超调量小，特 别是在负荷变化的过程中，保持最佳控温的问题。由于控制精度要求高，而被控 对象的不确定性，使得持久试验机电阻炉的工艺过程成为一个非常复杂的工业过 程，采用自动控制系统完成整个过程的控制任务，从控制工艺的角度保证了调节的 实施。控制系统性能的优劣主要通过以下几个技术指标来判别： f 1 ) 温度控制精度 进行持久试验的过程就是按照生产工艺的温度要求进行控温的过程，生产工 艺对温度控制的效果要求十分严格，通常要求设定值与实测温度相差小于3 ， 3 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 在保温段要求控制精度更高，通常小于2 。 ( 2 ) 试样的均匀受热 升温过程要求炉内试样的上、下部保持稳定均匀的温度梯度和控制气氛，防 止由于试样受热不均丽出现的试验结果不可靠的现象。 ( 3 ) 系统误差及电偶修正 系统误差和电偶修正对于不同炉温设定值的可重复性，可以保证温度测量与 显示的精度。 ( 4 ) 节能要求 在满足前述条件的同时，如何合理地利用能源，减少电能的消耗量，以节约 能源，降低生产成本，也是控制系统重要的性能指标之一。 1 2 持久试验机概况 抚顺特殊钢股份公司( 原抚颓钢厂) 始建于1 9 3 7 年，是我国大型特殊钢重点 企业和军工材料、航空航天材料研发及生产基地，现隶属于东北特殊钢集团有限 责任公司垒资子公司。抚顺特钢生产高质量特殊钢及高温合金产品，主要包括有 不同用途的模具钢，还有碳结、碳工、合结、合工、轴承、弹簧、不锈、高工等 钢种及用户要求的产品。广泛应用于模具( 其中包括冷作、热作和塑料模具) 、航 空、航天、航海、汽车、机械、建筑、陶瓷、家电、军工等几十个行业。 抚顺特殊钢质保部负责对产品质量的检验，高温持久试验机是用来测验金属 的高温持久力学性能的。在现有检验能力不盼满足生产要求的情况下，对8 台 c c 2 a 持久试验机和2 4 台娜3 持久试验机进行控制系统的改造，主要用于商 温合金及部分特钢的物理性能检验。 高温持久试验是测定金属及合金在恒定温度和恒定拉伸负荷作用下，致断裂 的持续时间或测定持久强度极限。它是将被测材料在一定温度下加一定应力，看 它能保持多长时间拉断。在高温持久试验中，试验设备的好坏直接决定了试验数 据的准确性。试验设备中重要的技术指标是温度，g b t 2 0 3 9 - 1 9 9 7 金属拉伸蠕变 及持久试验方法中对温度控制提出了明确的技术指标。 1 2 1 持久试验机工艺设备概况 持久试验机电阻炉上使用的加热炉为立式管式炉，炉体采用耐火砖和耐火泥 制成，炉体蓄热量少，热惰性小，升温速度快，炉腔上、下部采用隔热效果好的 石棉绳塞紧，尽量减小散热损失。该加热炉采用上、下部两段炉丝分别加热，炉 丝材质为镍铬( 或铁铬铝) 可升温至1 0 0 0 - 1 1 0 0 或更高，炉丝螺旋式缠绕在炉体 一4 东北太学硕士驰论主 第一章辩论 在保温段要求控制精度更高，通常小于2 。 ( 2 ) 试样的均匀受热 升温过程要求炉内试样的上、下部保持稳定均匀的温度梯度和控制气氛，防 止由于试样受熟不均丽出现的试验结果不可靠的现象。 ( 3 ) 系统误差及电偶修正 系统误差和电偶修正对于不同炉温设定值的可重复性，可以保证温度测量与 显示的精度。 ( 4 ) 节挠要求 在满足前述条件的同时，如何合理地利用能源，减少电能的消耗量，以节约 能源降低生产成本，也是控制系统重要的性能指标之一。 1 2 持久试验机概况 抚顺特殊钢股份公司( 原抚顺钢厂) 始建于1 9 3 7 年，是我国大型特殊锈重点 企业和军工材料、航空航天材料研发及生产基地，现隶属于东北特殊钢集团有限 责任公司全资予公司。抚顺特钢生产商质量特殊钢及高温合金产品，主要包括有 不同用途的模具钢，还有碳结、碳工、合结、合工、轴承、弹簧、不锈、离工等 钢种及用户要求的产品。广泛应用于模具( 其中包括冷作、热作和塑料模具) 、航 空、航天、航海、汽车、机械、建筑、陶瓷、家电、军工等几十个行业。 抚顺特殊钢质保部负责对产品质量的检验，高温持久试验机是用来测验金属 的高温持久力学性能的。在现有检验能力不能满足生产要求的情况下，对8 台 c c 2 a 持久试验机和2 4 台z s t 3 3 持久试验机进行控制系统的改造，主要用于高 温合金及部分特钢的物理性能检验。 高温持久试验是测定金属及台金在恒定温度和恒定拉伸负荷作用下，致断裂 的持续时间或测定持久强度极限。它是将被测材料在一定温度下加一定应力，看 它能保持多长时间拉断。在高温持久试验中，试验设备的好坏直接决定了试验数 据的准确性。试验设备中重要的技术指标是温度，g b t 2 0 3 9 1 9 9 7 金属拉伸蠕变 及持久试验方法中对温度控制提出了明确的技术指标。 1 2 1 持久试验机工艺设备概况 持久试验机电阻炉上使用的加热炉为立式管式炉，炉体采用耐火砖和耐火泥 制成，炉体蓄热量少，热惰性小，升温速度快，炉腔上、下部采用隔热效果好的 石棉绳塞紧，尽量减小散热损失。该加热炉采用上、下部两段炉始分别加热，炉 丝材质为镍铬( 或铁铬铝) 可升温至1 0 0 0 - 1 1 0 0 或更高，炉丝螺旋式缠绕在炉体 丝材质为镍铬( 或铁铬铝) 司升温至1 0 ( 0 - 1 1 0 0 c 或更高，炉丝螺旋式缠绕在炉体 4 - 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 在保温段要求控制精度更高，通常小于2 。 ( 2 ) 试样的均匀受热 升温过程要求炉内试样的上、下部保持稳定均匀的温度梯度和控制气氛，防 止由于试样受热不均丽出现的试验结果不可靠的现象。 ( 3 ) 系统误差及电偶修正 系统误差和电偶修正对于不同炉温设定值的可重复性，可以保证温度测量与 显示的精度。 ( 4 ) 节能要求 在满足前述条件的同时，如何合理地利用能源，减少电能的消耗量，以节约 能源，降低生产成本，也是控制系统重要的性能指标之一。 1 2 持久试验机概况 抚顺特殊钢股份公司( 原抚颓钢厂) 始建于1 9 3 7 年，是我国大型特殊钢重点 企业和军工材料、航空航天材料研发及生产基地，现隶属于东北特殊钢集团有限 责任公司垒资子公司。抚顺特钢生产高质量特殊钢及高温合金产品，主要包括有 不同用途的模具钢，还有碳结、碳工、合结、合工、轴承、弹簧、不锈、高工等 钢种及用户要求的产品。广泛应用于模具( 其中包括冷作、热作和塑料模具) 、航 空、航天、航海、汽车、机械、建筑、陶瓷、家电、军工等几十个行业。 抚顺特殊钢质保部负责对产品质量的检验，高温持久试验机是用来测验金属 的高温持久力学性能的。在现有检验能力不盼满足生产要求的情况下，对8 台 c c 2 a 持久试验机和2 4 台娜3 持久试验机进行控制系统的改造，主要用于商 温合金及部分特钢的物理性能检验。 高温持久试验是测定金属及合金在恒定温度和恒定拉伸负荷作用下，致断裂 的持续时间或测定持久强度极限。它是将被测材料在一定温度下加一定应力，看 它能保持多长时间拉断。在高温持久试验中，试验设备的好坏直接决定了试验数 据的准确性。试验设备中重要的技术指标是温度，g b t 2 0 3 9 - 1 9 9 7 金属拉伸蠕变 及持久试验方法中对温度控制提出了明确的技术指标。 1 2 1 持久试验机工艺设备概况 持久试验机电阻炉上使用的加热炉为立式管式炉，炉体采用耐火砖和耐火泥 制成，炉体蓄热量少，热惰性小，升温速度快，炉腔上、下部采用隔热效果好的 石棉绳塞紧，尽量减小散热损失。该加热炉采用上、下部两段炉丝分别加热，炉 丝材质为镍铬( 或铁铬铝) 可升温至1 0 0 0 - 1 1 0 0 或更高，炉丝螺旋式缠绕在炉体 一4 东北大学硕士学位论囊 第一章绪论 的耐火泥外壁，以保证炉内试样上、下两点的温度均衡。为保证升温的快速性， 每段炉丝的功率大约在1 0 0 0 1 2 0 0 瓦左右，每台炉的总功率在2 0 0 0 - 2 5 0 0 瓦左右。 每次可以检验一个试样( 此时上、下部两个测温点的距离大约为2 厘米左右) ，也 可以检验两个试样( 此时上、下部两个测温点的距离大约为8 1 0 厘米左右) 。常 用检验温度为4 0 0 1 0 0 0 。加热升温到目标温度后，对试样进行加力，0 - 1 0 0 0 m p a ， 试验的时间依据高温合金或特钢产品的技术要求，几小时到上百小时不等。 图1 1 持久试验机电阻炉结构框图 f i g 1 1s t r u c t u r eo fh i s h - t e m p e r a t u r el o n g - t i m et e s t i n gm a c h i n er e s i s t a n c ef u r n a c e 高温持久温度微机控制系统用于高温强度试验和蠕变的全过稷控制。它甩掉 了庞大的自偶调压器群，性能比较完备、自动化程度离、可靠性好，它不仅节约 了投资，创造了优美的工作环境，而且具有可观的经济效益，采用了目前比较流 行的“分级分布”式控制原理，具有资源共享，任务分担，故障分散，投资成本 低的优点。它的测量精度，控温精度都满足厂方的控制要求。 采用交流固态继电嚣控制炉丝的通断，即对炉子的加热与否，交流固态继电 器s s r ( s o l i ds t a t er e l e y s ) 是一种无触点通断电子开关，为四端有源器件。其中 两个端子为输入控制端，另外两端为输出受控端，中间采用光电隔离，作为输入输 出之间电气隔离( 浮空) 。在输入端加上直流或脉冲信号，输出端就能从关断状态转 变成导通状态( 无信号时呈阻断状态) ，从而控锗4 较大负载。整个器件无可动部件及 触点，可实现相当于常用的机械式电磁继电器样的功能。 由于固态继电器是由固体元件组成的无触点开关元件，所以与电磁继电器栩 5 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 比具有工作可靠、寿命长，对外界干扰小，能与逻辑电路兼容、抗干扰能力强、 开关速度快和使用方便等一系列优点，因而具有很宽的应用领域，有逐步取代传统 电磁继电器之势，并可进一步扩展到传统电磁继电器无法应用的计算机等领域。 s s r 固态继电器以触发形式，可分为零压型( z ) 和调相型( p ) 两种。在输入端施 加合适的控制信号v i n 对，p 型s s r 立即导通。当v i n 撤销后，负载电流低于双向可 控硅维持电流时( 交流换向) ，s s r 关断。 z 型s s r 内部包括过零检测电路，在施加输入信号v i n 时，只有当负载电源电压 达到过零区时，s s r 才能导通，并有可能造成电源半个周期的最大延时。z 型s s r 关 断条件同p 型，但由于负载工作电流近似正弦波，高次谐波干扰小，所以应用广泛。 采用输出器件不同，有普通型( s ，采用双向可控硅元件) 和增强型( h s ，采用单向可 控硅元件) 之分。当加有感性受载时，在输入信号截止t l 之翦，双向可控硅导通，电 流滞后电源电压9 0 0 ( 纯感时) 。t l 时刻，输入控制信号撤销，双向可控硅在小于维 持电流时关断( t 2 ) ，可控硅将承受电压上升率d v d t 很高的反向电压。这个电压将 通过双向可控硅内部的结电容，正反馈到栅极。如果超过双向可控硅换向d v d t 指 标( 典型值l o v s ，将引起换向恢复时间长甚至失败。 单向可控硅( 增强型s s r ) 由于处在单极性工作状态，此时只受静态电压上升率 所限制( 典型值2 0 0 v s ) ，因此增强型固态继电器h s 系列比普通型s s r 的换向d v d t 指标提高了 屯o 倍。由于采用两只大功率单向可控硅反并联，改变了电流分配 和导热条件，提高了s s r 输出功率。 增强型s s r 在大功率应用场合，无论是感性负载还是阻性负载，耐电压、耐电 流冲击及产品的可靠性，均超过普通固态继电器，并达到了进口产品的基本指标， 是替代普通固态继电器的更新产品。 s 系列同态继电器，h s 系列增强型固态继电器、可以广泛用于：计算机外围接 口装置，恒温器和电阻炉控制、工业自动化装置等。 针对影响被加热金属产品质壁的主要因素，即加热生产工艺过程中的加热速 度、加热时间、加热曲线等，灏用先进的组态软件和智能仪表共同控制固态继电 器等策略，在实时监铡炉温分布的情况下，实施对上、下部温度比较，同步升温 的控制方法，调整加热速度、加热时间，控制炉内温度场分布，实现对待检验试 样的升温和保温过程的控制。 1 ，2 2 持久试验机控制要求 改造设备名称： c c 一2 a 持久试验机8 台 一6 东北大学硕士学位论文 第幸绪论 z s t 3 3 持久试验机2 4 台 共计3 2 台 技术要求： ( 1 ) 每个电阻炉上、下两段温度单独采集，单独控温，共计6 4 个测温点及控灞 点。 ( 2 ) 采用计算机管理，既能保证计算机对3 2 台试验机的控制，又要保证3 2 台试 验机能够单独操作，单独运行，单独采集信号。 ( 3 ) 温度控制范围：2 0 0 - - - 1 2 0 0 c ，温度控制精度1o c 。梯度不大于1 ( 梯度： 上、下部温度差) 。 ( 4 ) 升温速度尽可能快，温度超调量不大于2o c 或更小，调整时间尽可能短。 ( 5 ) 冷端温度自动补偿。热电偶误差可任意修改，设置系统温度补偿窗口。 ( 6 ) 温度波动大于3 时，应有声光报警。 ( 7 ) 适合生产要求，2 4 小时连续生产，故障率低。维修过程中不影响其他试验 机的运行。 ( 8 ) 控制软件和管理软件功能强大，应满足如下要求： ( a ) 可以对3 2 台试验机进行全局监控。 ( b ) 能够记录升温时间，到温时间，保温时间。能够记录温度曲线，并保存 三个月的记录，形成温度记录报表。 ( c ) 可以对炉号、钢钟、试验时间、已试时间、应力、电偶误差等进行修改， 并能够打印。 ( d ) 2 4 小时打印监控，能随时或定时打印当前的试验温度控制情况。 ( e ) 显示3 2 台试验机全部温度控制及试验时间等情况。 ( f ) 对试验过程中出现的各种情况( 如：趣温、断偶、接反、升温、加载、 报警、断裂、到时等) 应有不同的标志和显示。 ( g ) 有良好的开放性和接口。 1 3 本文的主要工作 本文以抚钢质保部高温持久试验机的控制系统改造为背景。阐述了作为高温 合金及部分特钢产品的物理性能检验设备，其检验能力与检验精度对高温合金产 品的质量和产量具有重要意义。 首先，介绍持久试验枫控制系统的炉体构造，检测部分、控制部分的构成t 0 二作原理以及要实现的主要功能，并对厂方的技术要求进行了介绍。 7 东北大学硕士学位论文第一章绪论 其次，认真分析持久试验机控制系统研究的主要内容，详细介绍了持久试验 机控制系统的结构和功能设计，以及控制系统中所使用的硬件及组态软件的功能 和特点；对所使用的智能工业调节器、上位枧的组态软件a d f c s 和程序设计方法 都分别进行了介绍。 然后，详细介绍了持久试验机自动控制系统的实际应用设计，持久试验机控 制系统采用传统p i d 调节器进行控制，控制及显示精度基本能够满足技术要求， 针对传统p i d 调节器在调节大滞后、时变、非线性的复杂系统时，控制性能往往 不够理想的特点，为进一步提高系统温度性能，本文提出了模糊- p i d 复合控制的 解决方案，在m a t l a b 环境下完成了模糊控制器的设计和模型仿真，仿真结果证明， 该控制策略优于常规p i d 控制，具有一定的实际应用价值。 8 一 查些苎兰塑主堂堡! 坚墨三主塑叁垫墼壑茎苎垫鳖塑墨塑熊塑垦兰! 蟹；生 第二章持久试验机计算机控制系统结构及 功能设计 2 。1 控制系统硬件和软件组态 持久试验机电阻炉控制系统总体结构如图2 。1 所示。 工程师 操作员站 h i p c $ 圈2 i 计算机控制系统结构示意图 f i g 2 1s t r u c t u r eo fc o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m 整个系统硬件包括：工业控制计算机、智能工业调节器、通讯转换器和打印 机。智能工业调节器采用a 1 7 0 8 仪表，在本次改造过程中，共有3 2 台持久试验机， 每台试验机有上、下部两个温度测量点，每个温度测量点用块智能工业调节器 来进行控制，所以共用了6 4 块仪表，仪表有r s 4 8 5 通讯接口，6 4 块仪表共分做网 路，每路的1 6 块仪表的通讯接口端子串联，通过r s 4 8 5 2 3 2 转换器，联接到计算 机的串臼。上国中只简要的画两块仪表作为示意。软件采用宇光公司的h i f c s 组 态软件。 智能工业调节器的作用是采集现场数据，提供复杂的控制功能，输出控制鼙 并同上位机进行通讯，所有基础控制级的操作都是在智能工业调节器a 1 7 0 8 仪表 中进行的。 9 东北大学硕士学位论袁 第二章持久试验相计算机控制系统结构及功能设计 监控和优化控制在工业控制计算机中运行，监控画面负责流程画面显示、工 况显示、各种参数调节、曲线显示、打印报表、监控报警及各种管理功能等，由 监控软件a i f c s 组态实现。 2 1 1 控制系统硬件构成 系统硬件设备主要包括： ( 1 ) u p s 稳压电源、净化电源； ( 2 ) 1 7 寸显示器； ( 3 ) 工业控制计算机； ( 4 ) 打印机； ( 5 ) 智能工业调节器单元； ( 6 ) 通讯转换器： ( 7 ) 固态继电器。 控制调节单元包括6 4 块智能工业调节器，其主要用于数据采集、同上位机通 讯、控制等。 智能工业调节器属于应用广泛的普及型仪表，精度等级0 2 级，可编程输入， 具各位式调节和人工智能调节功能，多种报警模式及变送、通讯等功能。采用先 进的模块化设计，最多允许安装5 个模块，通讯接口装有光电隔离的r s 4 8 5 通讯 接口。其模块化输出可支持时间比例( 继电器触点开关、s s r 电压、可控硅无触点 开关及单相三相可控硅过零触发信号等) 、线性电流( 包括0 - - l o m a 及4 2 01 1 1 a 等) 及可控硅移相触发等多种输出方式。适合在化工、石化、火电、制药、冶金等行 业高精度测量盟示、交送、二、三、四位式调节或报警等用途，或在轻工、机械、 热处理及实验设备等行业用于温度控制，其人工智能调节可实现极为理想豹温度 控制。 智能工业调节器技术规格： ( 1 ) 输入规格： 热电偶：k 、s 、e 、j 、t 、b 、n ( 2 ) 测量范围： k ( 一5 0 + 1 3 0 0 ) 、s ( 一5 0 + 1 7 0 0 ) 、r ( - 5 0 一+ 1 6 5 0 ) 、t ( 一2 0 0 + 3 5 0 ) 、j ( o _ 一l 0 0 0 ) 、b 、( o _ 一1 8 0 0 ) 、n ( o _ 一1 3 0 0 ) 、c u 5 0 ( 5 0 斗1 5 0 ) 、p t l 0 0 ( 一2 0 0 一十6 0 0 ) ( 3 ) 测量精度： 0 2 级( 热电阻、线性电压、线性电流及热电偶输入且采用铜电阻补偿或 - 1 0 东北大学硕士学位论文第二章持久试验初计算机控悄系统结构及功能设计 冰点补偿冷端时) o 2 f s 2 o ( 热电偶输入且采用仪表内部元件测温补偿冷端时) ( 4 ) 响应时间：4 0 5 秒( 设置数字滤波参数d l = o 时) ( 5 ) 调节方式： 位式调节方式( 回差可调) 人工智能调节，包含模糊逻辑p i d 调节及参数自接定功能的先进控制算 法。 ( 6 ) 输出规格( 模块他) ： 继电器触点开关输出( 常开+ 常闭) ：2 5 0 v a c 1 a 或3 0 v d c 1 a 可控硅无触点开关输出( 常开或常闭) ：1 0 0 一2 4 0 v a c o 2 a ( 持续) ，2 a ( 2 0 m s 瞬时，重复周期大于5 s ) s s r 电压输出：1 2 v d c 3 0 i i l a ( 用于驱动s s r 固态继电器) 可控硅触发输出：可触发5 - 5 0 0 a 的双向可控硅、2 个单向控硅反并联连 接或可控硅功率模块 线性电流输出：o - l o m a 或4 - 2 0m a 可定义( 安装x 模块时输出电压 1 0 5 v ；x 4 模块输出电压7 v ) ( 7 ) 报警功能：上限、下限、正偏差、负偏差等4 种方式。 ( 8 ) 电磁兼容：i e c 6 1 0 0 0 - 4 4 ( 电快速