微型机控制系统应用实例-温度控制.doc
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1、Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date微型机控制系统应用实例-温度控制微型机控制系统应用实例-温度控制微型机控制系统应用实例 在工业生产过程中,微型机控制已得到了广泛的应用,在石油、化工、钢铁、汽车、医药、电力、煤炭、轻工等各领域都有很多成功应用的实例。下面仅就生产过程中经常遇到的温度控制系统的应用实例作一介绍。温度在很多工业生产过程中是主要的被控参数之一,因为任何物理变化和化学反应的过程都与温度有关。在
2、钢铁、机械、石油化工、医药、电力及轻工各类工业中的很多生产环节要求按照一定规律控制温度。现以电阻炉炉温控制系统为实例,说明微型机直接数字控制系统的一般设计步骤和具体方法。1工艺要求(1)电阻炉选用型号:CKS一70一1型 使用电压范围:0220V(AC) 允许最高温度:256 功率:700W(2)电阻炉温度控制通过PWM脉冲调宽功率放大器,再经SSR固态继电器,来提供电阻炉炉丝的供电电压。(3)工艺要求炉温的控制过程包括两个阶段。 自由升温段:要求炉温快速升温到90。 保温段:炉温升至90后要求温度维持90基本不变。升温段用自由升温的办法,即对升温速度没有限制,当升温到90时,要求保温4h,然
3、后打开炉门,让其自然冷却。整个系统的升温、保温、降温过程如图11 (a)所示。炉温的检测元件采用铂电阻,放在炉中的隔板正中,所检测的炉温用u来表示。对保温段的控制要求:超调量p15,过渡过程时间ts120min,一2 静态误差es+2。为了满足上述要求,就要对控制系统进行设计,这就要求了解被控系统的特性。首先了解被控系统的特性,建立系统的数学模型,作为设计自动调节系统的依据。炉温控制系统是常见的确定性系统,采用飞升曲线测量方法,测出炉温控制系统的飞升曲线,即可得到控制对象的数学模型,如图11(b)所示,由图可知它是带有纯滞后的一阶惯性环节,其图11 飞升曲线传递函数为 Wd= =式中:纯滞后时
4、间; T1对象的时间常数; C(s)对象输入信号c(t)的拉普拉斯变换; y(s)对象输出信号y(t)的拉普拉斯变换; K系统的放大倍数。 K=其中:Cmax,Cmin调节器输入信号可能取的最大值与最小值; ymax,ymin对象输出的最大值与最小值。这样就求出了一阶对象炉温系统的三个参数K,T1。这里要说明的是:在测试飞升曲线时,一般阶跃信号不从零开始。这样会使系统造成很大的非线性,影响被测对象正常工作。一般的作法是给调节对象输人到c1使对象开环稳定运行于实际工况附近(如70),并以此输出值作为纵坐标的原点(0值)。然后在:t=t0时加一正阶跃输入,使对象输出随之向上变化,最后稳定在某一值(
5、如对应为90 ),定此值为1(即为100)。在t=t1,时,再加一负阶跃输人一,使对象输出随之向下变化,最后又稳定在0值处(比如又回到70)。从这过程开始,我们按照一定时间间隔,把函数yi=f(t)和ci=f(t)的数据记录下来,并画出如图12所示的飞升曲线。这样就可以根据上升曲线和下降曲线得到被控对象电阻炉的纯滞后时间和系统的时间常数及。将所测的两个纯滞后时间和两个时间常数分别取平均值,确定为对象的纯滞后时间和时间常数。系统的放大倍数K为控制对象的输出稳态值 (输入增量)与输入阶跃值 (输入增量)之比,即图12 飞升曲线2控制算法的选择和参数的计算要使系统满足上述提出的控制要求,有很多种控制
6、方法,如PID调节规律、纯滞后补偿、大林算法及最优化控制等。选用PID调节规律对炉温进行控制,调节的灵活性较大,只要在程序上稍加改变就可以达到改善控制质量的目的。针对不同的被控对象,除PID调节外还可采用一些不同的运算方法,如只选用积分、比例积分或比例微分等。对于本例电阻炉炉温的控制来说: (1)当T9 0时为自由升温段,只要求升温越快越好,所以应将加热功率全开足,即全量输出。为避免过冲,将自由升温上限定为80 。即当T80时,Pi最大(全量输出)。也就是说在自由升温段,采用全量输出对系统进行开环控制。(2)当T80 时,已接近需要的保温值9 0。此时采用保温段控制方法,如采用比例控制,因炉丝
7、电压尸的变化和炉温变化之间存在很大的时间延迟,因此当以温差来控制输出,即比例控制时,系统只有在炉温与给定值(保温温度)相等时才停止输出。这时由于炉温变化的延迟性质,炉温并不因输出停止而马上停止上升,从而超过给定值。而且只有在炉温上升到一定高度后,才开始下降,并继续下降到略小于给定值时,系统才重新输出。同样由于炉温变化落后于输出,它将继续下降。从而造成温度的上下波动,即所谓振荡。考虑到电阻炉上述的滞后影响,调节规律必须加入微分成分,即PD调节。PD调节系统输出不仅取决于温度大小,还取决于温差的变化率。所以当炉温还小于给定值时,由于温差逐渐减小,即其变化率为负,系统则可提前减少或停止输出,使炉温不
8、致于出现过大的超调,从而改善了炉温调节的动态品质。积分作用,可以减小控温的静态误差,适当选择积分的作用,可在不影响动态性能下减小控温的误差。所以保温段控制通常采用闭环的PD控制方法,也可以采用闭环的PID控制方法。 连续系统PD校正的控制可表示为 P=Kp(E+ )式中:e=uo- ui; uo给定值; ui反馈值。 PD离散算法可表示为 Pk=Kp+M式中:M常数项,作为稳定值时所需的保温功率。在编制控制算法程序时,可用下面的实际算法: Pk=A+M =式中:A=Kp(1+TdT); B=Kp TdT; Ek=uok- uik; Td微分时间常数; Kp一一比例系数; T一一采样周期。根据如
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