电阻炉温度控制系统的设计与实现

ScieTechnol ogy and Engineering

Vol17　No110　M ay2007

2007　Sci1Tech1Engng.

计算机技术

电阻炉温度控制系统的设计与实现

蔡春桥　王永军　王俊彪　李　峰

(西北工业大学机电学院,西安710072)

摘　要　设计和实现了一种采用工控机与温度模块、P WM输出卡、固态继电器及相关控制电路搭建的计算机电阻炉温度控制系统。该系统以P WM方式对执行器件(固态继电器)进行调节,实现了对电阻炉温度的精确控制。根据电阻炉升温单向性、大惯性、纯滞后的特点,改进了P I D控制算法,采用分段P I D结合积分分离或积分削弱算法的控制方案,实现了对电阻炉温度的大范围的连续调节,满足了复杂热处理工艺对温度的控制精度和控制规律的需要。

关键词　P I D控制算法　　温度控制　　电阻炉　　P WM方式

中图法分类号:TP272;文献标识码:A

近年来随着热处理工艺广泛应用于加工过程,热处理中温度的控制精度和控制规律的优劣直接影响到热处理工艺的好坏。电阻炉是热处理工艺中应用最多的加热设备,研究电阻炉温度控制方法具有重要意义。目前,电阻炉温度控制方法有常规的温控仪表控制、模拟控制和计算机智能控制。温控仪表不能满足热处理工艺的要求,温控仪表依赖实验者的调节,不能精确地按照给定的温度要求来控制;在模拟控制系统中,P I D调节是技术最成熟的、应用最广泛的一种控制方法。但P I D算法对大惯性、纯滞后、非线性、时变性大的电阻炉温度控制系统存在一定的缺陷,反映在控制曲线的超调量过大、动态性能不稳定。例如,其升温单向性是由于电阻炉的升温保温是依靠电阻丝加热,降温则是依靠环境自然冷却,当其温度一旦超调就很难用控制手段使其降温,因而很难用数学方法建立精确的模型和确定参数,无法达到温度智能调节控制的理想效果[1]。

以电阻炉温度为研究对象,采用数字P I D控制器对电阻炉温度进行控制,通过实验调节比例系数及积分系数来调节控制效果,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

　2006年12月27日收到

第一作者简介:蔡春桥(1969—),女,江西九江人,工程师,硕士研究生,研究方向:工业自动化,机电一体化,计算机应用。E-mail: caichunqiao@nwpu.edu.cn。加快升温过程,再进行P I D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,很好地满足了热处理工艺的要求。

1　系统的硬件设计

系统硬件结构如图1所示,由工控机、E型热电偶、温度调理模块ADAM4018、P WM输出板卡PCL836、报警板卡PCL725、固态继电器、限流、限压保护电路、报警电路、门开电路等组成。图1中控制电路部分包括限流、限压、固态继电器执行电路及门开关电路等。温度信号由E型热电偶采集,热电偶采集炉膛内温度后转换成相应的电信号,该电信号输入温度调理模块ADAM4018,由温度调理模块根据标准的热电偶标定库转换为温度数据,通过工控机的COM口输入计算机,进行数据处理运算。运行于工控机上的软件系统,根据烧成材料的工艺要求,结合相关的控制算法,得到相应的控制数据,通过P WM输出板卡PCL836,获得P WM控制信号,通过I/O接口输出到控制电路,实现对固态继电器的控制,从而控制回路的电流,调节加在电阻炉上的功率,达到调节温度的目的。当采集的温度超出设定的安全范围时,PCL725将被启动,一方面发送中断控制信号到固态继电器,以停止对炉膛继续加热;另

科　学　技　术　与　工　程　

7卷

一方面发送信号到蜂鸣器,提醒用户,以等待相应的处理

。图1　系统硬件结构图

2　系统的软件设计

该系统的软件是基于结构化、模块化思想,在VC ++平台下开发实现的,具有算法可扩展性、温度

可视化、用户界面友好、控制方案视工艺要求灵活组合等优点。提出了多温度连续可调的计算机控制方法,以满足复杂热处理工艺的要求。2.1　软件结构

软件系统结构如图2所示,总体可分为界面层、工具层、过程层和通信层。

界面层实现用户对系统硬件参数的设定,包括ADAM4018的采集通道、热电偶类型等参数的选择,PCL836控制通道的选定,PCL725报警限的设定

等;通过友好的用户界面,用户可进行温度控制方

式的选定(多温度/单温度方式),以及相应方式下控制要求、参数的设置;同时实现温度曲线的在线显示,通过动态的画面更新,可以实时、直观地观察到炉内温度的变化;对于控制过程中的温度以及控制参数进行实时记录并存储,通过历史数据管理模块对数据信息进行分析,以更好地研究电阻炉的控制特性。

工具层包括板卡控制模块、单温度/多温度控制模块、P /P I/P I D 等算法模块、全功率控制模块等。板卡控制模块根据用户对硬件的设置要求,通过调用板卡提供的库函数,可以快捷地实现对硬件的操作;单温度控制模块,在设定的频率下,以算法模块为核心,根据控制要求,实现对温度的控制过程;多

温度控制模块,以单温度控制为基础,通过分割控制过程,提取各温度点的恒温时间,实现在连续时间里不同温度点的恒温控制过程。P /P I/P I D 等算法模块为温度控制过程的核心,以实验数据库为基础,通过分析不同材料、不同温度段、不同的调节时间下电阻炉温度控制性能,提取相应条件下,满足控制要求的控制方案以及控制参数,实现对温度调节过程的控制

。

图2系统软件结构图

过程层是一个相对集成的模块,接受温度模块

实时传递的温度数据,根据用户界面得到的控制要求,调用相应的控制算法对温度数据进行处理,并发送控制参数到控制卡,实现对固态继电器的控制,从而达到温度控制的目的。

通信层为控制系统的底层,以控制要求为基础,设定合适的时钟频率。在此条件下,在每一个时钟周期内,完成一次温度数据的读取,并完成一次控制

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蔡春桥,等:电阻炉温度控制系统的设计与实现

参数的发送;热电偶以电压信号表示温度信息,通过温度调理模块,根据热电偶的类型以及标定库,转换电压信号为温度数据;控制参数是以脉冲周期的占空比来表示,发送控制数据到输出板卡PCL836,以P WM的方式发送控制脉冲,控制固态继电器进行工作。

2.2　控制算法

为了达到热处理工艺要求的目的,电阻炉温度控制时结合多种控制算法,如P、P I、P I D、积分分离算法、积分削弱算法及不同温度段的全功率控制算法,这些算法均做成模块,视工艺要求将其中几种算法结合,以获得好的控制效果。在刚升温阶段采用全功率或比例算法加载,获得合适的动态响应曲线,视工艺要求的温度不同,全功率加载的百分比不同,获得的控温曲线不同。其后,再采用P、P I、P I D等传统算法,该系统以P I D为基础视具体情况结合积分分离和积分削弱算法进行改进,使控制曲线获得好的稳定性能。

2.2.1P I D控制算法的数字实现

在模拟系统中,P I D算法的表达式为

U(t)=K p e(t)+1

T I

∫e(t)d t+T D d e(t)

d t

(1)

(1)式中U(t)为控制器的输出信号(控制量), K p为控制器的比例系数,e(t)为控制器的偏差信号(控制量),T I为控制器的积分时间,T D为控制器的微分时间。

对(1)式进行离散化处理,用数字形式的差分方程代替连续系统的微分方程,则积分项和微分项可用求和及增量式表示:

∫n0e(t)d t=∑n

j=0E(j)Δt=T∑

n

j=0

E(j)(2)

d e(t) d t ≈E(k)-E(k-1)

Δt=

E(k)-E(K-1)

T

(3)

根据递推原理,可写出k次的P I D输出表达式:

U(k)=U(k-1)+K p E(k)-E(k-1)+ K I E(k)+K D[E(k)-2E(k-1)+E(k-2)](4)式中K

I

=K P T D/T为积分系数,K D=K P T D/T为微分系数。

由(4)式可知,要计算k次输出值U(k),只需知道U(k-1)、E(k)、E(k-1)、E(k-2)即可。设ΔU

P

(k)=K

P

[E(k)-E(k-1)],ΔU I(k)= K I E(k),ΔU D(k)=K D[E(k)-2E(k-1)]+ E(k-2)]。

代入(4)式得

U(k)=U(k-1)+ΔU(k)P+ΔU(k)I+ΔU(k)D

(5)

(5)式即为增量计算的P I D表达式

21212　数字P I D调节中存在的问题

在控制系统中,由于负载的突变或给定值的突变,短时间内输出很大的偏差,即|E(k)|大,造成P I D运算的积分积累,致使获得的控制量超过了执行机构最大动作范围的极限控制量,这就是控制系统执行机构的饱和;由于积分项的作用,进入饱和区。饱和引起输出超调,甚至产生震荡,使系统不稳定。为了消除积分饱和的影响,该系统研究了对P I D算法的改进方法,如积分削弱法、积分分离法等。

21213　数字P I D的改进

(1)积分分离法

在系统启动、结束或大幅度增减设定值时,可能出现积分饱和现象,这是某些生产过程中绝对不允许的。积分分离P I D控制算法运用计算机逻辑判断的功能,使偏差e(k)大于某个值时积分不起作用,直至偏差e(k)减小到一定值时,才使积分起作用。设积分分离值为ε,可表示为:

u(k)=

u p(k)+u I(k)+u D(k),当|e(k)|Φε

u p(k)+u D(k),　　　当|e(k)|>ε

(6)

采用积分分离法P I D算法,当系统输出在门限外时,该算法相当于P D调节器。只有在门限范围内,积分部分才起作用,以消除系统静差。由于减小了积分作用引起的超调和震荡,使整个过程进行的较快且平稳。

(2)积分削弱法

当控制变量进入饱和区后只执行削弱积分项的运算,即停止进行增大积分项的运算。具体地说,在计算u(k)时,将判断上一时刻的控制量u(k)是否已超出范围,如果已超出,那么将根据偏差的符号,判断系统输出是否在超调区域,由此决定是否将

1832相应偏差计入积分项。该系统采用增量式P I D算法得到增量值,再在算法外将计算的增量值进行累加得到控制量的一种综合算法。但是在增量式控制算法中不需要累加,控制增量ΔU(k)仅与最近的k次采样有关,误动作时影响小,所以获得比较好的控制效果。

213　软件工作流程

该系统主程序运行后,通过用户界面设定系统参数和硬件参数进行初始化。初始化后系统调用采样模块对炉内温度进行采样,得到温度数据后进行数据预处理。此后调用报警模块检测是否需要报警。如果采集到的温度超过设定的报警温度,则采取报警行动并且结束后面所有处理,关闭信号输入输出,给出提示。如果温度在设定报警限之内则不做任何动作,直接将预处理的数据传给数据处理模块即算法模块,进行偏差处理得到控制量返回给主程序。如果该信号超出控制范围,则设定算法模块,采取相应措施使下一次的计算得到矫正,并且对超出控制范围的信号进行后再输出,比如控制得到的控制量超过100%,则以100%输出;控制量小于0%则关断信号等。主程序通过调用输出模块将得到的有效控制量传给PCL836模块,经PCL836模块处理后给出P WM信号控制固态继电器电路,这个过程以一定的采样周期周而复始的进行,从而调节炉温获得一个满足工艺要求的稳定的控温曲线。

3　实验结果

图3为温度设定为500℃,K

P =2,K

I

=0.8,全

功率加载到99%时的实验温度曲线。由图3可知,采用多种算法相结合能获得很好的控制效果,稳定阶段的温度可控制在±1℃以内,超调量小,动态响应时间短。在100℃～1000℃的范围内,各个温度点都能得到较好的稳定效果,能自我调整稳定在﹤±1℃。且可按工艺要求编程,连续调节电阻炉温度,很好地满足复杂工艺的要求。但目前降温系统靠自然冷却,降温曲线有待进一步改进

。

图3　500℃的实验温度曲线

5　结语

实际运行的经验和理论的分析都表明,运用P I D控制算法对许多工艺过程进行控制时,都能得到满意的效果。用计算机实现P I D控制,不仅要把模拟P I D控制规律数字化,且要进一步与计算机的逻辑判断功能相结合,使P I D控制更加灵活,更能满足生产过程提出的工艺要求。对于大惯性、纯滞后电阻炉温度控制系统,采用传统的P I D调节,针对积分饱和情况进行改进,灵活运用积分削弱法及积分分离法相结合,可获得满意的控制效果,具有工程实际推广价值。

参　考　文　献

1　杜　静,王振民.模糊P I D在电阻炉温度控制系统中的应用.机械管理开发,2005:(4):47—48

2　毛一心,鲁亿方,王　顺.电阻炉的计算机优化控制.工业加热, 2004;(3):49—52

(下转第2386页)Research on M et ada ta Repository of eGovernm en t I nforma ti on Resources

YI N G Ying,ZHANG J ia-sheng1

(College of s oft w are,Northwestern Polytechnical University,Xiπan710065,P.R.China;

College of aviati on,Northwestern Polytechnical University1,Xiπan710072,P.R.China)

[Abstract]　The methods of managing metadata with metadata reposit ory have been exp l ored.After identifying the data require ment of the metadata reposit ory f or eGovern ment infor mati on res ources and its functi onal require ments, the type of database selected have been set up.Further more,the me morial strategy and index strategy of metadata reposit ory has been summarized.The relati onshi p f or mapp ing the relati onal database and document syste m has been addressed.Finally,the future devel opment tendency of metadata reposit ory by discussing a si m p le case has exp l ored.

[Key words]　inf or mati on res ource　　government infor mati on res ource　　metadata　　metadata reposit ory (上接第2382页)

D esi gn and I m plem en t of the Resist ance Furnace

Tem pera ture Con trol System

CA I Chun-qiao,WANG Yong-jun,W ang Jun-biao,L I Feng

(Machinery and Electr onics Engineering College,Northwestern Polytechnical University,Xiπan710072,P.R.China)

[Abstract]　Te mperature co mputer contr ol syste m of a resistance furnace is designed with industry pers on comput2 er(I PC),te mperature input module,P WM out put card,s olid state relay(SSR)and interrelated circuit.To achieve p recise contr ol,the P WM mode is used t o contr ol the executi on component(SSR)t o adjust the resistance furnace te mperature.According t o the one-way,large inertia and delay nature of a resistance furnace,the P I D contr ol algorith m is i m p r oved in the syste m.The contr ol mode combined subparagraph P I D and integral separati on or integral weaken is used t o realize wide range continuous regulati on of the resistance furnace te mperature.There2 by,it meets the needs of the resistance furnace te mperatures contr ol accuracy and contr ol la w on the comp lex p r o2 cessing of heat treat m ent.

[Key words]　P I D contr ol algorithm　　te mperature contr ol　　resistance furnace　　P WM mode