北華大學(xué)過程控制實(shí)習(xí)——溫度控制

1、北華大學(xué)電氣信息工程學(xué)院過程控制系統(tǒng)課程實(shí)習(xí)報(bào)告班 級： 測 控 XX-X 學(xué) 號： XX 姓 名： X X X 專 業(yè) 名 稱： 測控技術(shù)與儀器 指 導(dǎo) 教 師： 宋文蕾 孟祥 目 錄1實(shí)習(xí)目的及任務(wù)11.1實(shí)習(xí)目的11.2實(shí)習(xí)任務(wù)12 系統(tǒng)簡介及工藝流程12.1系統(tǒng)簡介12.2雙向ZK-03可控硅22.3三相電阻爐（采用角接）32.4 K型熱電偶52.5 SWPD80數(shù)顯表62.6XZMA-200智能數(shù)字顯示調(diào)節(jié)儀82.7工藝流程圖93靜態(tài)特性及動態(tài)特性103.1 靜態(tài)特性及動態(tài)特性定義103.2控制步驟103.3積分飽和問題114參數(shù)整定及投運(yùn)124.1 PID參數(shù)整定124.2系統(tǒng)的投

2、運(yùn)13實(shí) 習(xí) 心 得14參 考 文 獻(xiàn)15教師評語16北華大學(xué)電氣信息工程學(xué)院 過程控制系統(tǒng)課程實(shí)習(xí)報(bào)告1實(shí)習(xí)目的及任務(wù)1.1實(shí)習(xí)目的在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中，隨著生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大、生產(chǎn)過程的強(qiáng)化、對產(chǎn)品質(zhì)量的嚴(yán)格要求以及各公司之間的激烈競爭，人工操作與控制已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)的要求。過程控制系統(tǒng)已成為工業(yè)生產(chǎn)中必不可少的裝備，為保證現(xiàn)代企業(yè)安全、優(yōu)質(zhì)、低消耗和高效益生產(chǎn)提供了有效的技術(shù)手段。生產(chǎn)實(shí)習(xí)是學(xué)生在學(xué)完了基礎(chǔ)課之后，在學(xué)習(xí)專業(yè)課期間或在學(xué)完了專業(yè)課之后而進(jìn)行的生產(chǎn)認(rèn)識教學(xué)環(huán)節(jié)通過生產(chǎn)實(shí)習(xí)，學(xué)生初步了解相關(guān)實(shí)習(xí)廠的實(shí)際生產(chǎn)過程，包括生產(chǎn)原材料、生產(chǎn)工藝及流程、生產(chǎn)工藝條件、生產(chǎn)設(shè)備及

3、控制、產(chǎn)品等;加深對專業(yè)理論和生產(chǎn)工藝原理及過程的理解，增加感性認(rèn)識，并學(xué)習(xí)簡單的生產(chǎn)技能；通過同老師與同學(xué)的共同探索和交流，增加對實(shí)踐的了解，并提早適應(yīng)社會。1.2實(shí)習(xí)任務(wù)本次實(shí)習(xí)任務(wù)是利用ZWK智能溫控儀和熱處理溫控柜實(shí)現(xiàn)對溫度的控制，要求在室溫下開始加熱到200攝氏度，分別記錄觀察溫度動態(tài)響應(yīng)過程以及靜態(tài)響應(yīng)過程的輸出曲線，并計(jì)算相應(yīng)的放大倍數(shù)、延遲時(shí)間，對動態(tài)響應(yīng)要進(jìn)行PID參數(shù)整定。2 系統(tǒng)簡介及工藝流程2.1系統(tǒng)簡介電阻爐溫度控制系統(tǒng)是以電阻爐內(nèi)溫度為被控對象，以PID自整定控制儀為調(diào)節(jié)器，可控硅三相調(diào)功器及可控制硅為執(zhí)行器，熱電偶及溫度變送器為測量變送器組成的單回路控制系統(tǒng)。其中

4、熱電偶及溫度變送器組成了系統(tǒng)中的反饋環(huán)節(jié)。整個(gè)系統(tǒng)采用數(shù)字PID控制器對電阻爐溫度進(jìn)行控制，通過實(shí)驗(yàn)利用4:1衰減曲線法來調(diào)節(jié)比例度、積分時(shí)間及微分時(shí)間，實(shí)現(xiàn)無偏差控制。由于單回路控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，控制迅速，對于控制精度要求不是太高的電阻爐溫度控制完全可以達(dá)到高速高效的控制效果，其安全性也能很好的滿足，故電阻爐溫控系統(tǒng)采用單回路控制。其系統(tǒng)框圖為：圖1 單回路控制系統(tǒng)框圖2.2雙向ZK-03可控硅2.2.1工作原理圖 2 雙向可控硅原理圖雙向可控硅屬于NPNPN五層器件，三個(gè)電極分別是T1、T2、G。因該器件可以雙向?qū)?，故除門極G以外的兩個(gè)電極統(tǒng)稱為主端子，用T1、T2。表示，不再劃分成陽極

5、或陰極。其特點(diǎn)是，當(dāng)G極和T2極相對于T1，的電壓均為正時(shí)，T2是陽極，T1是陰極。反之，當(dāng)G極和T2極相對于T1的電壓均為負(fù)時(shí)，T1變成陽極，T2為陰極。雙向可控硅由于正、反向特性曲線具有對稱性，所以它可在任何一個(gè)方向?qū)ā?.2.2相關(guān)技術(shù)參數(shù)表1.雙向可控硅相關(guān)參數(shù)IT(AV)通態(tài)平均電流VRRM反向反復(fù)峰值電壓IDRM斷態(tài)重復(fù)峰值電ITSM通態(tài)周波不反復(fù)浪涌電流VIN通態(tài)峰值電壓IGT門極觸發(fā)電流VGT門極觸發(fā)電壓IH維持電流Dv/dt斷態(tài)電壓臨界上升率Di/dt通態(tài)電流臨界上升率Rthjc結(jié)殼熱阻VISO模塊絕緣電壓Tjm額定結(jié)溫VDRM斷態(tài)重復(fù)峰值電壓IRRM反向重復(fù)峰值電流IF(

6、AV)正向平均電流2.3三相電阻爐（采用角接）2.3.1定義及工作原理電阻爐是利用電流使?fàn)t內(nèi)電熱元件或加熱介質(zhì)發(fā)熱，從而對工件或物料加熱的工業(yè)爐。電阻爐在機(jī)械工業(yè)中用于金屬鍛壓前加熱、金屬熱處理加熱、釬焊、粉末冶金燒結(jié)、玻璃陶瓷焙燒和退火、低熔點(diǎn)金屬熔化、砂型和油漆膜層的干燥等。電阻爐的工作原理是利用電的熱效應(yīng)，以電為最基礎(chǔ)能源，通過電熱元件將電能轉(zhuǎn)化為熱能，在爐內(nèi)對金屬進(jìn)行加熱。電阻爐和火焰比，熱效率高，可達(dá)5080，熱工制度容易控制，勞動條件好，爐體壽命長，適用于要求較嚴(yán)的工件的加熱，但耗電費(fèi)用高。2）安裝需注意： 安裝前首先按基礎(chǔ)圖檢查地基是否符合要求。 檢查爐子附件是否齊全，運(yùn)輸過程有

7、否損壞，爐襯有無開裂和塌陷，電熱元件有否拆斷和脫離擱磚現(xiàn)象。 電阻爐烘干前，應(yīng)用萬用表測量電熱元件與爐殼間的電阻，不允許有短路現(xiàn)象。烘干后，應(yīng)用500V兆歐表測量冷態(tài)絕緣電阻值不小于0.5兆歐。 電阻爐的工作電壓超過36V時(shí)，應(yīng)有良好的接地裝置。爐殼外裸露的帶電部分和傳動裝置，應(yīng)加保護(hù)罩殼。為保證操作安全可靠，要設(shè)置必要的保護(hù)措施，如過流繼電器、壓力繼電器和自動斷路開關(guān)等。 電控、溫控柜應(yīng)安置在爐子一側(cè)，不能距爐子太遠(yuǎn)。控制柜后門距墻壁要大于600mm，元件板支架要用地腳螺栓固定。各種管路要按規(guī)定涂上不同顏色，以示區(qū)別。 易燃或有爆炸危險(xiǎn)的氣源，應(yīng)放在專用的安全隔離房間。并式電阻爐一般安裝在地

8、坑中，爐蓋標(biāo)高在地面上500mm左右。爐子主回路電纜和熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線應(yīng)敷設(shè)在地溝中，上面覆蓋板。3）角接法：角形接法連接是把三相繞組的首端和尾端依次相連。接法如下圖所示。 三角形接法，有助于提高電機(jī)功率，缺點(diǎn)，啟動電流大，繞組承受電壓（380V)大，對電阻絲的絕緣要求更高。圖3 角接法2.4 K型熱電偶2.4.1工作原理圖 4 熱電偶原理圖熱電偶是目前應(yīng)用廣泛、簡單的溫度傳感器，也是有源熱電傳感器的主要類型，他在很多方面具備了一種理想溫度傳感器的條件。熱電偶測溫時(shí)基于熱電效應(yīng)。在兩種不同的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）A和B組成的閉合回路中，如果他們兩個(gè)結(jié)點(diǎn)的溫度不同，則回路中產(chǎn)生以個(gè)電動勢，通常稱這種電動

9、勢為熱電動勢，這就是熱電效應(yīng)。K（鎳鉻-鎳硅）型熱電偶和其它型號熱電偶的工作原理相同，如圖所示，K型熱電偶是以鎳鉻合金為正極，鎳硅合金為負(fù)極的兩導(dǎo)體的一端焊接而成的。這兩根導(dǎo)體的焊接端稱為K型的熱電極，其焊接端為熱端，非焊接端為冷端。在進(jìn)行溫度測量時(shí)，將熱端插入被測的物體介質(zhì)中，使其熱端感受到被測介質(zhì)的溫度，其冷端置于恒定的溫度下，并用連接導(dǎo)線連接電氣測量儀表。由于兩端所處的溫度不同，在回路中就會產(chǎn)生熱電勢，在保持冷端溫度不變的情況下，產(chǎn)生的熱電勢只隨其熱端溫度而變化，因此，用電氣測量儀表測得熱電勢的數(shù)值后，便可求出對應(yīng)的溫度數(shù)值。2.4.2使用場合及使用要點(diǎn)可測量01300的介質(zhì)溫度，適宜在

10、氧化性及惰性氣體中連續(xù)使用，短期使用溫度為1200，長期使用溫度為1000，其熱電勢與溫度的關(guān)系近似線性，價(jià)格便宜，是目前用量最大的熱電偶。型熱電偶是抗氧化性較強(qiáng)的賤金屬熱電偶，不適宜在真空、含硫、含碳?xì)夥占把趸€原交替的氣氛下裸絲使用；當(dāng)氧分壓較低時(shí)，鎳鉻極中的鉻將擇優(yōu)氧化，使熱電勢發(fā)生很大變化，但金屬氣體對其影響較小，因此，多采用金屬制保護(hù)管。使用要點(diǎn)： 熱電偶導(dǎo)體及套管的傳熱可能引起測溫誤差。為了減少此種影響，應(yīng)注意熱電偶在被測介質(zhì)中插入深度。 與熱電偶相配的儀表必須是高輸入阻抗的，保證不從熱電偶取電流，否則測出的是端電壓而不是電動勢。最好用直流電位計(jì)，或由場效應(yīng)管、運(yùn)算放大器等元件構(gòu)成

11、的電路與熱電偶相配合。 應(yīng)注意寄生電動勢引起的誤差。因?yàn)闊犭妱觿莺苄?，如果?dǎo)線、接線端子、切換開關(guān)等金屬材料不同而有接觸電動勢，或由于溫度分布不均而又溫差電動勢。都會對測量結(jié)果有影響。2.5 SWPD80數(shù)顯表2.5.1 SWPD80數(shù)顯表功能及時(shí)性；自動報(bào)警系統(tǒng)；在局部區(qū)域出現(xiàn)異常情況，可自動關(guān)閉相關(guān)閥門，防止事故發(fā)生；提高統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；系統(tǒng)維護(hù)量??；各項(xiàng)參數(shù)一目了然；后方作為數(shù)據(jù)服務(wù)器的計(jì)算機(jī)通過無線方式接收數(shù)據(jù)后，不但本機(jī)可以顯示、進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和報(bào)表打印，而且可通過網(wǎng)絡(luò)達(dá)到數(shù)據(jù)共享。雙重記錄功能。無紙記錄儀和后方計(jì)算機(jī)同時(shí)記錄，互為冗余，可較好的防止數(shù)據(jù)丟失，即使計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)由于各

12、種原因丟失，可方便的從記錄儀中取回歷史數(shù)據(jù)。 本系統(tǒng)現(xiàn)場部分采用無紙記錄儀，集采集、控制、記錄、顯示于一體，結(jié)構(gòu)簡單，功能強(qiáng)大。2.5.2 SWPD80數(shù)顯表使用方法運(yùn)行前首先進(jìn)行儀表系數(shù)的設(shè)定，確定流量計(jì)接線無誤、接地良好后方可使用。定期對流量計(jì)管道進(jìn)行清洗、檢查和復(fù)校。設(shè)有潤滑油或清洗液注入口的流量計(jì)，應(yīng)按說明書的要求定期注入潤滑油或清洗液，以維護(hù)葉輪良好運(yùn)行。監(jiān)查顯示儀表狀況，評估顯示儀表讀數(shù)，有異常要及時(shí)檢查。過濾器清潔，不能被雜質(zhì)堵塞，可以從其入口、出口處壓力表讀數(shù)差的增大來判斷出，出現(xiàn)堵塞及時(shí)排除，否則，會嚴(yán)重降低流量。2.5.3相關(guān)技術(shù)參數(shù)表2.數(shù)字顯示儀表相關(guān)參數(shù)輸入種類量程測

13、量量程精度DVC020mV-9999199990.2%0100mV-9999199990.2%05V-9999199990.2%15V-9999199990.2%DCI0100mA-9999199990.2%420mA-9999199990.2%TCS-50.0100.03.7100.01768.02B01820.02K-50.01372.02E-50.01000.02J-50.01200.02T-199.90320.002Wer3-250.02300.05RTDPt100200.0850.01Cu50-50.00150.001電阻0350-999919999頻率010KHZ01999912.

14、6XZMA-200智能數(shù)字顯示調(diào)節(jié)儀其采用最新型的專用芯片制成、齊全的輸出和調(diào)節(jié)規(guī)律供選擇、具有掉電保護(hù)功能、精度等級±0.3%FS±1dig、具有全輸入功能，使儀表能起到一表多用、線性輸入時(shí)量程可隨意遷移、顯示清晰直觀、可靠而實(shí)用的儀表安裝結(jié)構(gòu)。產(chǎn)品特點(diǎn)采用先進(jìn)的SMT表面貼裝技術(shù)采用先進(jìn)的開關(guān)電源，使儀表更顯輕巧。具有全輸入功能，不但使儀表具備一表多用，具增加儀表的可塑性。具有掉電保護(hù)功能。精度為5%FS±1ding.二組斷電器輸出靈活使用，可用于報(bào)警，也可用于調(diào)節(jié)。線性輸入時(shí)量程可隨意遷移。具有極高的性能價(jià)格比。顯法清晰直觀?？煽慷鴮?shí)用的儀表安裝結(jié)構(gòu)。分辨力

15、為14bit.具有傳感器誤差修正功能。輸入形式熱電偶B:01800 S:01600 K:01300 E:0800 T:0300 J:0800 Wu-Re3-25 02000熱電阻:Pt100：-100200 -200600 Cu50：0150線性輸入mV輸入：0100mV.DC; 050mV.DC; 0100mV.DC;電壓輸入:05V.DC; 15V.DC;電流輸入：0100mA.DC; 420mA.DC;輻射感溫器：WFT-202（F1石英玻璃）4001200WFT-202（F2，K9玻璃）7002000輸出形式二組繼電器觸點(diǎn)輸出可任意組成以下方式：1） 上限報(bào)警2） 下限報(bào)警（二位式控制

16、）3） 上、下限報(bào)警（三位式控制）4） 上、上限報(bào)警5） 下、下限報(bào)警2.7工藝流程圖圖5工藝流程圖3靜態(tài)特性及動態(tài)特性3.1 靜態(tài)特性及動態(tài)特性定義3.1.1靜態(tài)特性靜態(tài)特性是指當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，系統(tǒng)的輸出與輸入的關(guān)系，它可以用一個(gè)相應(yīng)的代數(shù)方程來描述。靜態(tài)特性在過程控制系統(tǒng)中定義為穩(wěn)態(tài)時(shí)控制過程被控參數(shù)與控制變量之間的關(guān)系。靜態(tài)特性的主要技術(shù)指標(biāo)有線性度、測量范圍和量程、遲滯和重復(fù)性、靈敏度、分辨力和閾值、穩(wěn)定性、漂移和靜態(tài)誤差。3.1.2動態(tài)特性動態(tài)特性：當(dāng)被測量隨時(shí)間迅速變化時(shí)，輸出量與輸入量之間的關(guān)系稱為動態(tài)特性，可以用微分方程表示。無論復(fù)雜度如何，把測量裝置作為一個(gè)系統(tǒng)來看待。問題

17、簡化為處理輸入量x(t)、系統(tǒng)傳輸特性h(t)和輸出y(t)三者之間的關(guān)系。3.2控制步驟3.2.1 P（純比例）控制需要將控制器的積分作用和微分作用全部切除，將比例系數(shù)Kc從小到大變化，對于每一個(gè)Kc值做小幅度的設(shè)定值階躍變化，在實(shí)際操作中是使比例度%在20%60%之間變化，由中間到兩邊調(diào)節(jié)，縮小調(diào)節(jié)范圍，每一次改動，打開爐子或放入東西作為擾動。得出4：1的衰減振蕩新的曲線的比例度%，以及曲線周期。3.2.2 I（積分）和D（微分）控制根據(jù)經(jīng)驗(yàn)法確定PID參數(shù)，% =0.8×%（純比例時(shí)），Ti=0.3×，=0.1×。將新的參數(shù)輸入設(shè)備，觀察曲線是否為4：1衰減

18、振蕩曲線，若不是，利用PID參數(shù)整定口訣來微調(diào)及的值使其得到4：1衰減振蕩曲線。3）計(jì)算出相關(guān)參數(shù)：控制器增益Kc：%=超調(diào)量：%=3.3積分飽和問題3.3.1積分飽和產(chǎn)生原因1. 當(dāng)偏差產(chǎn)生躍變時(shí)，位置型PID算式的輸出將急劇增大或減小，有可能超過執(zhí)行機(jī)構(gòu)的上（下）限，而此時(shí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)只能工作在上限。2. 系統(tǒng)輸出需要很長時(shí)間才達(dá)到給定值，在這段時(shí)間內(nèi)算式的積分項(xiàng)將產(chǎn)生一個(gè)很大的積累值。3. 當(dāng)系統(tǒng)輸出超過給定值后，偏差反向，但由于大的積分積累值，系統(tǒng)不穩(wěn)定。3 .3 .2積分飽和現(xiàn)象及消除方法積分飽和想象是指若系統(tǒng)存在一個(gè)方向的偏差，PID控制器的輸出由于積分作用的不斷累加而加大，從而導(dǎo)致u

19、(k)達(dá)到極限位置。此后若控制器輸出繼續(xù)增大，u(k)也不會再增大，即系統(tǒng)輸出超出正常運(yùn)行范圍而進(jìn)入了飽和區(qū)。一旦出現(xiàn)反向偏差，u(k)逐漸從飽和區(qū)退出。進(jìn)入飽和區(qū)愈深則退飽和時(shí)間愈長。此段時(shí)間內(nèi)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)仍停留在極限位置而不能隨著偏差反向立即做出相應(yīng)的改變，這時(shí)系統(tǒng)就像失去控制一樣，造成控制性能惡化。這種現(xiàn)象稱為積分飽和現(xiàn)象或積分失控現(xiàn)象。消除積分飽和的方法：對控制器限幅，與閥門調(diào)節(jié)范圍相對應(yīng)；限制積分部分輸出；積分切出法。4參數(shù)整定及投運(yùn)4.1 PID參數(shù)整定室溫保持在20,在3min內(nèi)沒有變化，則延遲時(shí)間為3min，溫度從20升到穩(wěn)態(tài)200為28min，則時(shí)間常數(shù)為25min，此時(shí)手動設(shè)

20、置的功率為50%。達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，加干擾信號，將手動功率設(shè)置為0，此時(shí)溫度從穩(wěn)態(tài)值升溫一段時(shí)間后又達(dá)到新平衡，這段時(shí)間為20min。放大倍數(shù)K為穩(wěn)態(tài)值減去室溫值，與功率變化的比值，180/50%=360.在這升溫過程中每隔5min記錄一次數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)如下：表3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí) 間/min271217222732374247溫度/203267134182193230243231219時(shí)間/min52576267727782879297溫度/212208206212214213205203201201輸出曲線如下圖：圖6 輸出曲線4.2系統(tǒng)的投運(yùn)經(jīng)過控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，儀表調(diào)校，安裝后，接下來的工作就是控制系統(tǒng)的投運(yùn)，也就是將工業(yè)生產(chǎn)從手動操縱狀態(tài)切入自動控制狀態(tài)。在一 些實(shí)際贏用場合投運(yùn)控制系統(tǒng)必須做到心細(xì)而大膽，其步驟如下： 詳細(xì)地了解工藝，對投運(yùn)可能出現(xiàn)的問題有所估計(jì)。 理解控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)意圖。 在現(xiàn)場，通過簡單的操作隊(duì)有關(guān)儀表的功能是否可靠且性能是否基本良好做出判斷。 設(shè)置好控制器的正、反最用和P,I,D參數(shù)。 按無擾動切換（手、自動切換時(shí)控制信號基本不變）的要求將控制器切入自動。實(shí)