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关于间接加热电阻炉数字调节器温度控制的研究摘要本文用于间接加热电阻炉双位置（滞后）调节器、自整定PID控制器和PID控制器的温度控制。对于PID控制器有三种方式用来整定参数：齐格勒-尼克尔斯阶跃响应模型、科恩-库恩整定规则以及齐格勒-尼克尔斯整定规则。在实验中，运用一种间接加热的电炉，该电炉使用1kW/230V的有源电阻和一个安良电机产AT-500型数字温度调节器。当使用科恩-库恩整定规则方法时，会得到比齐格勒-尼克尔斯阶跃响应法和齐格勒-尼克尔斯整定规则法更好的温控效果。1.引言工业加热过程旨在处于多种目的提高物体温度，比如改变形状零件（通过铸造、轧制、锻造的方法）、热处理（正火、退火、消除应力退火、回火、再加热、捶打和表面处理）、熔融、钎焊和焊接。这些过程在不同的温度下执行，温度范围为100-1200摄氏度。对于所有的工业过程来说，温度控制是一个很重要的要求。加热物体或者部件可以通过多种方法实现。电炉将电能转换为热能，这个过程细分在电阻炉、电磁感应、电弧、等离子或者微波中进行，也有可能在容性加热、电子束或者激光中。如果间接加热电阻，热量从加热原件（电阻功率）电炉中获取，然后通过对流和辐射传送已加工材料（图1），这个过程将在加热或者发生物理或者化学变化后进行。除了加热（热源），电阻炉还包含了一个绝热的坚固外壳。根据所获得的室内温度强度，电炉分类如下：低温炉（高达400摄氏度）、中温炉（400-800摄氏度）和高温炉（800-1400摄氏度）。电炉具有安全性和灵活操作的性质（可以改变温度和载热体），十分高效且不会污染环境（无有害气体、无声）。电炉主要运用在金属业、陶瓷业、电子业和玻璃业的处理中。图1间接加热的电炉1-加热电阻2-耐火砖3-热绝缘墙4-支撑件测量、监测和温控局部使用于工业和家庭使用中。传感器和热电偶拥有很多尺寸，主要是不锈钢保护套保护转换器。对于温度传感器温度测量范围为200至600摄氏度，热电偶温度测量范围为400至1200摄氏度。这些传感器的输出大小在所测温度的依耐性上是近似线性的。在间接加热电炉的情况下，已处理材料在低于熔点的温度上被加热。电炉间接加热的温度-时间特性是指数函数，这个函数分为三个不同的区域（图2）：低温区特征曲线近似线性陡增；在平均温度区，温度强非线性增加；高温区温度特征是小斜率的饱和曲线。理论上，电阻炉是一个二阶延迟元件。其非线性很大程度上由于对流和辐射热传递。图2具有热电阻的电炉典型曲线一些工业过程要求精准的温度控制。在短时间获得一个恒定温度是间接加热炉温度控制的一个重要目标。基本上，闭环系统温度控制可以用模拟/数字控制器实现。实验发现，间接加热（缓慢过程）电炉确定参数需要花费很长时间，同时会产生较大的误差。有时，这些参数必须在线确定（通过使用自适应滤波器）。绝大多数使用温度控制的应用过程都有反馈控制系统，反馈反应的作用是根据温度设定值和测量值之间的差值，作用于系统输出调节。最常用的控制器类型是双位置控制器（具有滞后和死区的开关控制器）或者PID控制器。一般情况下，PID控制器控制的过程具有良好的性能：可靠性高、性能稳定、算法实现简单。PID参数的设置箱单困难（即需要更多的方法和时间）。2.推荐的控制算法和调节器整定实验方法精确确定缓慢过程的困难性导致了分析方法的有限应用，以及在自动控制系统中基于实验获得实用整定方法的运用。在操作中，实用方法运用在系统上，并保持参考参数和干扰变量恒定。通过改变调节器的整定参数达到稳定，这个方法可以确定振荡和振荡频率，保持输出值幅值不变。使用这些特征值，可以确定参数整定控制器的最优解。齐格勒-尼克尔斯法运用于具有确定的负载扰动和大过程时间的缓慢过程。对于一个具备常规PID控制器结构的自动控制系统，有如下传递函数形式：sTsTKsHdiRR11(1)内部影响因子q=0，整定过程如下：参数iT置于最大值（iT），参数dT置于最小值（0iT），这样就产生了一个比例型控制器。在系统达到稳定极限时，改变放大系数RK直到0RK。系统输出变为周期为0T的未摊销振荡形式。Offreins法用于PI调节器，用来针对扰动确定一个最优响应，即：003.0;5.0ioptiRoptRTTKK(2)这里的0iT是当系统超过稳定极限时iT的极值。其他确定最优参数的实用方法都是基于比值fT/，和fT分别是过程的特征量死区时间和时间常数：sfffesTKsH1(3)Kopelovi关系建立了一个最优整定参数，这些参数可以提供一个最小持续时间的非周期性瞬态响应，响应分别有20%的最大超调量。Chien-Hrones-Reswick关系针对输入量为阶跃信号的最优行为确定最优整定参数，保证了一个最小持续时间、非周期响应和20%的超调。一种整定关系（齐格勒-尼克尔斯、Oppelt、Kopelovici、Chien-Hrones-Reswick等等）的采用取决于自动控制系统工作条件下的特定条件。实际准则的多样性强调，对于缓慢过程的控制器整定非常复杂，取决于过程的知识、选择中获得的知识和给定的调节器。为了突出影响自动控制系统反应的调节器类型，系统响应曲线绘制如图3，同时有输入阶跃变化的自动控制系统输出大小，1tyref和所用P、PI、PID控制器。比较反应曲线后，做出以下结论：P控制器明显减少超调量，产生较短的过渡时间rt，但是引入了一个较大的稳态误差sr。通过引入分量I，针对输入的阶跃信号，PI控制器消除了稳态误差，但导致了比P控制器更大的超调和很大的响应时间rt。通过引入分量D，PD控制器提高了动态特性（超调量和过渡时间rt都很小），但是维持了一个很大的稳态误差。PID控制器结合了P、I和D分量的作用，无论在稳态还是暂态都产生了更优良的反应性能。到目前为止，人们依旧还未确定一个精准的方法来整定控制器。现在已知P、PI和PID控制器的温度控制。P控制器的设定值与误差呈比例关系。使用此控制器，会得到一个连续的稳定误差，这个误差可以通过引入积分作用使用PI控制器消除。通过引入旨在预测误差的微分作用，控制器可以获得更好的改进。如果整定无误，PID控制器可以用来控制温度。控制器的整定代表了过程要求的参数调整。如果这个调整可以根据一定的标准（比如最小持续时间的瞬态过程、干扰量影响最小等等）考虑过程变化，那么可以选择这个整定。3.使用AT-503型（ANLY）数字调节器在间接加热电阻炉的温度控制实验经过一段时间，人们发明了几个针对PID控制器的参数整定方法（良好增益法、Ziegler-Nichols、Cohen-Coon、Tyreus-Luyben、Oppelt、Kopelovici等等），这些方法设计到不同时间的整定。上述这些方法，没有一个给出了最好的性能指标（超调量、响应时间、稳态误差）。PID控制器可以用于已知数学模型的线性系统。但是电炉的温度控制是非线性的，因为延迟时间不恒定（在加热过程中一直改变）。通常，数字温度控制器能够使用自整定PID控制器，但有时不能提供很好的性能（图4）。绝大多数的自整定数字控制器不允许引入电炉的主要参数：时间延迟、时间常数、设定点温度。尽管双位置控制器更容易使用（未知电炉时间常数），但鉴于其超调量（很大值）、响应时间和稳态误差，它的性能较低。通过使用这些控制器，被控量在设定值（温度）附件振荡。系统对误差微小改变的过度反应，会产生振荡。这些振荡可以运用PID控制器减少。本文包含了针对使用三种调节器整定方法控制间接加热热电阻炉的温度控制分析，Z-N阶跃响应法（图6,7,8），Cohen-Coon整定规则法（图9,10,11）和Z-N整定规则法（图12,13,14）。实验中使用一种含有1kW/230V交流电阻的间接加热电炉。炉壳呈三角形状，外形尺寸为：320（高）*435（宽）*420（深）毫米，内部装配了45毫米厚度的耐火砖砌体。外壳由5毫米厚金属片制成。炉温通过使用铬-镍铝热电偶测量。实验中使用精准数字温度调节器AT-503，ANLY。Ziegler-Nichols阶跃响应法从阶跃响应中测量A和L。pT预测闭环系统时间常数Cohen-Coon整定规则法。计算过程参数：1t，，del，K，r计算如下2ln12ln321ttt；13tt；01ttdel；ABK；delrZiegler-Nichols整定规则法T=2585.79s,L=113.8sPID控制器控制非线性元件没有良好的性能。但是，间接加热电炉的加热曲线取决与操作模式（空闲或者负载）。电炉参数的确定由于不精确，从而PID控制器参数不能准确设置。有时（比如热处理），考虑到响应时间，温度的超调必须消除或者减少。4.结论比较由Z-N阶跃响应法（表3）、Cohen-Coon整定规则法的最优参数（表4）和Z-N整定规则法的最优参数（表5）使用得到的实验响应曲线，可以得到一下观点：Cohen-Coon整定规则方法得到的响应曲线超调比Z-N阶跃响应法得到的响应曲线超调小。在实验Cohen-Coon整定规则法的曲线中得到的响应时间（最小是PID控制器的13分钟，最大是PI控制器的20分钟）比Z-N阶跃响应法和Z-N整定规则法的曲线得到的响应时间晓得多。从Cohen-Coon整定规则法曲线获得的稳态误差比Z-N阶跃响应法（图6,7,8）比Z-N（图12,13,14）曲线获得的稳态误差小的多。研究发现，间接加热电炉数值AT-503温度控制器，使用Cohen-Coon整定规则获得参数的温度控制比Z-N阶跃响应法和Z-N整定规则的方法更好。使用模糊控制器将是间接加热电炉温度控制的重要替代。模糊控制器可以实现控制非线性过程，非线性过程难以确定数学模型和随时间变化的时间常数。在运用模糊控制器中的规则将能正确地实现最佳性能。