山武温度控制基础.ppt

1、株式会社山武 产品事业本部,温度控制基础,2006年2月20日,山武公司的企业理念,我们通过“以人为中心的自动化”， 为人们创造“安心”、“舒适”和“满足”， 为保护地球环境做贡献。,什么叫控制？,为了让作为对象物的物体与某种目标相符合施加操作。,JIS Z8116(1994) 自动控制用语一般,【这回主题】 从节省资源、节省能量、节省力量的观点出发自动控制是必不可少的。从中采纳了有许多程序的温度控制，说明有关控制基础的思考方法。,控制种类,自动控制的起源,开端：世纪末英国产业革命,瓦特（James Watt 1736-1819）蒸汽机（1776年）被称为控制的起源。, 负载的增加； 蒸汽机的

2、旋转速度下降； 飞行负载的离心力下降； 根据设定值，弹簧阀杆螺 母向下方移动； 把蒸汽调节阀往打开的方 向操作； 蒸汽量增加； 蒸汽机的旋转速度增加。,自动控制和手动控制,固定水箱的温度,自动控制,手动控制,反馈控制？,根据反馈循环把控制的结果返回输入侧，与设定值做比较, 比较的结果直接影响下一次控制输出，这叫做反馈控制。 今天几乎所有的控制都采用此方法。,框图（block diagram） 根据系统构成，以方框图的形式将信号的传递方式表达出来的图形。,反馈控制的要素, 设定值 ：被控对象的目标値（水槽的设定温度） 调节部 ：比较设定温度和检测温度的偏差，为了让此时的偏差 减小向操作部发出操作

3、信号（温度调节器） 操作部 ：根据调节器的信号动作，操作控制对象的温度。 （操作端） 检测单元：检测控制对象的温度変化（温度检测器） 控制对象：被控制的对象（水箱温度） 外部干扰：直接影响控制对象的温度的因素（室温）,温度传感器,温度传感器的种类,温度传感器,接触式,非接触式,热电偶,测温铂电阻,机械式,电气式,热电阻,辐射温度计,双金属式,液体膨胀式,温度传感器的种类,辐射温度计,测温铂电阻,液体膨胀式,温度传感器,温度传感器的特点,热电偶的原理,两种不同的导体接触构成电路时，电路中将产生电势，这种电势的大小直接与两个接点之间的温度差有关，这种现象称为热电效应。利用热电效应制成的感温元件就是

4、热电偶，这个电势称为热电动势。,热电偶的种类,补偿导线,热电偶和仪表之间的连线必须是各热电偶专用的补偿导线。 使用普通导线连接，在导线与热电偶的连接处将产生电势差，将产生测量误差；为减小这个误差，选用补偿导线，补偿导线在常温下，具有和热电偶大致相同的特性。 补偿导线的型号要与热电偶的型号相对应。 补偿导线在连接到仪表之前不再经过中间的接线端子、接线盒等设备，直接与仪表的输入端相连接。,冷端补偿,热电偶的热电动势的大小是与热端t1（检测点）和冷端t2（测量点）的温差成一一对应的关系，如仪表的环境温度为t2=0（冷端为0），则此温差就是热端温度t1，但在实际的测量当中就不太可能，为了消除这个误差，

5、需在仪表输入端加上与热电势方向同向的电势（参考温度为0 ，热端温度为t2时），这个过程是冷端补偿。有机内补偿和机外补偿，山武的仪表采用机内补偿。,热电偶输入仪表的调校,热电偶的精度由制作厂的加工精度来保证，工厂在购买了热电偶后不再对其进行调校，如需调校需到专门的计量单位进行。 使用热电偶作为输入信号的仪表需定期做精度校准。 此时使用标准信号发生器作输入信号，查看仪表示值，下面以K型热电偶输入为例，介绍调校方法：,输入类型：K型 测量范围：0800 首先，查K型分度表，知热电势E； 测量室内环境温度t2，查修正值E0； 输入E-E0的毫伏信号，观察仪表显示值； 显示值与理论值的偏差在误差范围内，

6、仪表合格。,热电偶分度表,测温铂电阻的原理,原理 利用白金、镍、銅等金属的电阻值根据 温度変化而变化的原理。 把测定电流（通常）流入到测温 铂电阻中、从发生的电压（） 来测定温度。 一般使用白金（Pt100）。 Pt100的含义： 0时，阻值为100。 Pt100的测温范围： 400以下时使用，温度太高容易烧断。,温度（）,抵抗（）,0,100,热电阻的分度表,三线制配线, 使用线制配线的原因 测温热电阻安装于现场设备上，控制仪表安装在控制盘上，距离不等，线路电阻会因距离的长短发生变化，采用两线配线会产生误差；采用3线制配线，使线路电阻分别位于两个测量桥臂上，电桥平衡时R1、R2中流过的电流I

7、1=I2，线路电阻Rl1和Rl2由于使用相同的导线，且导线长度相同，所以阻值也相同，因此导线上的压降被抵消，从而消除配线电阻的影响。,R1/(Rl1+Rx)= R2/(Rl2+R3) 当I1=I2时，需 R1=R2 Rl1+RX=R3+Rl2 Rl1=Rl2 RX=R3,执行器,执行器的种类,控制电加热器,继电器,SSR,位相角控制电力调整器,控制水、蒸汽及燃气等流体,电磁阀,控制马达,电动阀,工业生产中的控制温度的方法,采用蒸汽加热,采用电加热,采用燃烧加热,固态继电器SSR,过零触发与随机触发功能 当输入端施加有效的控制信号时，随机型SSR输出端立即导通，而过零型SSR则要等到负载电压过零

8、区域时才开启导通。虽然，过零型可能造成大半个周期的延时，但减少了对负载的冲击和产生的射频干扰。山武生产的SSR是过零触发型。,固态继电器SSR是Solid State Relay的缩写，它是一种无机械式接点的半导体继电器。用于控制电气设备的启停，例控制电加热器（电热棒、板，电阻丝等）。,电压调整器SCR,晶闸管 1957年美国GE公司、RCA公司开发的，是晶体管的一种。 GE公司取名为可控硅( Silicon Controlled Rectifier)，有时取第一个字母SCR来代表。在IEC规格上统一为晶闸管。,通过控制信号的输入，控制交流电源波形的导通相位，从而控制负载的通电时间。控制动作从

9、波形过零时开始动作，其控制波形如图。通过减小负载设备的通电时间来控制负载设备上的有效电压。一般用于控制电加热设备。,中间继电器,控制电加热设备等电气设备，有时采用开关控制，但控制器的开关容量经常不足以驱动加热设备，此时通常是用控制器的开关先驱动中间继电器，再用中间继电器的触电来驱动电加热设备。中间继电器在此起扩大负载容量的作用。,控制流体的执行器阀门,电磁阀：ON/OFF动作，线圈通电阀门导通，线圈断电阀门截止。,电动阀：以电力驱动，接受控制器送来的控制信号，根据控制信号的大小决定阀门的开度大小。通常由阀门本体和执行器两部分组成。一般用来控制冷、热水，空气、煤气等无腐蚀性介质。,气动阀：以压缩

10、空气驱动，控制器输出的控制信号先经过I/P（电流/气压）转换器转换成气压信号，再根据气压的大小控制阀门的开度。控制有腐蚀性介质和防爆场所的阀门控制通常选用这种阀门。,温度调节器,调节器的种类,板块型,C30,模块型,DMC10,DMC50,C2001,15,35/36,25/26,40A,40,551/552,31/32,数字指示型,定值控制型,程序控制型,调节器的概述,调节器是控制的中心，接受变送器（传感器）送来的测量信号，与设定信号相比较，经过内部的控制算法，算出执行器的操作量，给执行器发出指令，构成控制回路。目前PID控制占控制算法的大部分。,调节器在刚刚问世时，其测量电路和内部的运算单

11、元均为模拟电路。上世纪七十年代出现了内置微处理器的数字调节器。现在出产的调节器几乎全部是数字式调节器。,数字式,模拟式,调节器的检测功能,SDC15系列：多种输入 SDC25/26/35/36等：全量程输入 调节器的精度：指测量精度（|误差|测量范围100%） SDC15 0.5级 SDC25/260.3级 SDC35/360.1级 调节器的输入信号：调节器的输入变量决定调节器的控制功能 温度热电偶、热电阻 压力差压变送器（420mA） 物位差压变送器、电容物位计、超声波物位计等（420mA） 流量差压变送器、电磁流量计、感热式流量计、涡街流量计（420mA） 调节器的测量功能的校验： 校验仪

12、器：热电阻输入电阻箱、热电阻分度表 热电偶输入毫伏信号发生器、热电偶分度表、温度计 （测温范围？Why？） 直流电流/电压输入信号发生器、高精度万用表 如何校验？,调节器的断线检测功能,传感器通常安装在所需的测量点，调节器安装在便于观察与操作的控制盘上，以导线进行连接。由于传感器工作环境恶劣、导线经过路径的人为原因及导线疲劳等原因，可能出现测量输入的断线故障，这将严重影响生产，因此调节器设有断线报警功能，以提醒操作人员迅速处理。,通常,SDC的控制算法与执行器,SDC系列仪表选型时需特别注意输出形式与执行机构和控制对象的配合。,ON-OFF控制？,对于加热控制系统，当加热到设定值后，加热器OF

13、F，温度会自然冷却，下降DIFF后，加热器再次变成。 对于冷却控制系统，先进行制冷，当温度达到设定温度后，制冷OFF，温度会自然升温，当升温DIFF后，制冷再次变成ON。 ON-OFF控制的两个关键参数： 设定值SP 回差DIFF,ON-OFF控制的结果？,温度保持在一定的区域内波动，执行机构在不断地重复着ON、OFF。 DIFF增加，则波动的范围增加，控制精度降低。 DIFF减小，则波动的范围减小，控制精度升高，但将影响执行器的寿命。 在有些场合，不能达到工艺要求。,ON-OFF控制的执行器,比例控制？,ON/OFF控制的缺点是被控参数不能稳定在设定值上；原因就是操作量只能在ON（100%）

14、和OFF（0%）间切换，如我们让操作量在0%100%之间连续变化，是否能使被控参数稳定？ 比例控制：被控变量在一定范围内随测量值的大小成比例的连续变化。如右图所示：,比例控制的术语,比例带：比例动作的区域 （以百分比为单位）。 设定值：要控制的目标值。 在纯比例控制中，设定值位于比 例带的中央。 正作用与反作用： 正作用：测量值输出 反作用：测量值输出,比例控制的术语,测量范围：01200 比例带：20% 设定值：SP=500 纯比例、反作用 输出特性曲线？,时间比例输出,时间比例周期,操作量,100,OFF,ON,75,50,25,0,ON/OFF动作的执行机构，引入时间参数，实现比例输出的

15、一种输出形式，也叫占空比输出。 时间比例周期：执行ONOFF动作的循环周期。 ON的时间在整个控制周期中所占的比例来实现比例的输出。,时间比例周期 继电器输出：5240秒； SSR输出：160秒。 时间比例周期控制精度 时间比例周期执行器寿命,连续比例输出（420mAdc）,型号：C型。 连续比例输出是指：输出量（420mAdc）随操作量（0100%）连续地变化。 思考：MV=60% 输出电流=？ 可配接的负载设备及操作对象： SCR电气 ECM3000G2+电动调节阀冷/热水、蒸汽、空气 一体型电动阀门（ 420mAdc输入）冷/热水、蒸汽、空气 ECM3000G1+蝶阀燃气 I/P转换器+

16、气动调节阀腐蚀性流体 变频调速器电机、泵、风机、压缩机等,位置比例输出,位置比例输出：是输出用来驱动伺服马达正/反转的的专用继电器接点。 马达反馈（MFB）：调节器要判断电机的正转（或反转）需测量马达当前的位置，马达安装一个与转动轴连接的电位器，调节器接收电位器信号后计算出当前的阀位（MFB），调节器将MV值与当前位置进行比较； 当MVMFB时，正转ON，反转OFF MV=MFB时，正转、反转均OFF MVMFB时，反转ON，正转OFF,纯比例控制的特性,上图为某个加热炉的负载特性曲线和控制特性曲线图。最终得到的温度应该为负载特性与控制特性曲线的交点处的温度。 当SP=400时，最终PV=40

17、0，达到控制要求； 当SP=600时，最终PV=580，偏差20，有余差。,PID控制？,为了消除余差，引入积分动作；为了改善系统的调节品质，引入微分动作。（P=Proportion 、I=Integral 、D=Difference） 目前使用的调节器多为PID调节器。其算式： P比例动作 I积分作用 D微分作用 PID调节器的单位与范围： P：0.11000.0%（对应输入的量程范围） I：09999s（0时表示无积分动作） D：09999s（0时表示无微分动作,SDC15/25/26/35/36工厂出货时： P=5.0I=120sD=30s,PID控制的参数整定,节越响应曲线法 做出响应

18、曲线 测量参数 根据经验公式计算PID参数,PID控制的参数整定,经验整定,根据响应曲线进行人工调整 系统稳定性不好： 系统振荡、超调大；对策增大P、I参数，如为温度控制同时增大D。 系统调节速度慢： 系统到达目标值时间长，但到达后稳定性很好；对策减小P、I参数。,PID控制的参数整定,MV=100%,MV=0%,MV=0%,调整方法：增大P，增加比例作用的区域。,PID控制的参数整定,MV0%,调整方法：增大I，改善系统稳定性（D=1/4I）。,PV振荡,PID控制的参数整定,PV曲线、MV曲线均平滑、无振荡，控制效果好。,控制开始,控制结束,PID控制的参数整定,自整定 被控对象工作良好，测量元件检测良好，调节器工作在RUN、AUTO状态，执行机构工作工作正常； 确认调节对象允许自整定带来的干扰