大林算法在温度控制中的应用.ppt

内蒙古工业大学本科毕业设计说明书1引言随着现代科学技术水品格发展，与其是近年来，电力工业的迅速发展，工业电阻炉尤其是钟罩式真空电阻炉越来越受人们的青睐。工业钟罩式真空电阻炉是一种重要的热处理设备，它能使被加热零件脱气、脱氧、脱硫，以及能使有害杂质蒸发分离，避免零件氧化污染，而且它的温度容易调节，相对其它电阻炉来讲热惯性小升温时间短，它在工业中被广泛采用。他一般具有较大的时间常数和一定的纯滞后时间，且滞后时间比较长，我们知道这样的系统村不利于现代化工业生产自动化水平提高，不利于产品质量和生产效率的提高。但是一般来讲，对这样的系统在工业生产中要求没有超调量或超调量很小，调节时间希望在确定的采样时间内结束（虽然也希望尽快结束过渡过程，但是这是第二位的）。因此超调试主要的设计目标，用一般的控制系统设计方法是不行的，用模拟仪表控制算法效果也欠佳。IBM公司的大林于1968年提出一种针对工业生产过程中含有纯滞后的控制对象的控制算法，即大林算法。它具有良好的效果，采用大林算法的意义在于大林控制算法能在一些具有纯滞后环节的系统中兼顾动静两方面的性能，可做到小超调小稳态误差。控制效果比较理想。对工程实际应用具有很大的意义。内蒙古工业大学本科毕业设计说明书2第一章钟罩式真空电阻炉1.1钟罩式真空电阻炉钟罩式真空电阻炉所谓钟罩式系指炉膛位于工作台面以上，钟罩可以升降，由侧面装卸工件，所以又称侧装式。图1-1所示为双位钟罩式真空炉。这种型式的炉子其加热器有两种安装方式：一种是装在钟罩内，随钟罩升降，这时，固定在炉盖上的电极汇流排5也要随盖运动。另一种是固定在静止的台面板上，电极汇流排需从机架下方引入。钟罩式真空电阻炉的基本参数见表1-1所示。图1-1双位钟罩式真空电阻炉1-机架；2-真空系统；3-观察孔；4炉体；5-汇流排；6-电气部分；7-变压器；8-升降机构。内蒙古工业大学本科毕业设计说明书3表1-1钟罩式真空电阻炉的基本参数（SJ861-74）最高温度（℃）炉膛尺寸（工位直径高）（毫米）热态真空度（毫米汞柱）额定功率及相数恒温区尺寸及温差功率（千瓦）相数恒温区尺寸（沿高度方向）（毫米）温差（℃）10003002002510110310020350250215130030020025101153100203502502201.2钟罩式真空电阻炉的结构1.2.1钟罩式真空电阻炉的隔热屏隔热屏是一种炉衬形式，常用于周期作业真空电阻炉，其特点是热惯性很小而透热性很大。不仅能快速升温或冷却，而且还能提高上限炉温并允许在高真空状态下工作，但其热损耗要大两倍多。本设计采用的隔热屏为金属隔热屏。1.隔热屏的结构隔热屏一般内顶屏、侧屏和底屏三部分组成，构成圆筒形空间(见图1-2)，三者布置要便于进出料和遮住能直接辐射出热量的缝隙。内蒙古工业大学本科毕业设计说明书4图1-2金属隔热屏1-钼片；2-不锈钢片；3-钼垫圈；4-钼螺杆；5-套筒屏与屏的间隔由支持杆和套筒保证。支持杆即铜螺杆4的截面积应很小，以减少导热损失。屏上通孔与支持杆间应留足够的间隙，因为工作时内层屏的伸长较外层屏大，如间隙不足，支持杆受到很大的剪力易损坏。1）本设计中钟罩式真空电阻炉的隔热屏为5层。2）本设计中钟罩式真空电阻炉的隔热屏的厚度为0.4毫米。3）本设计中钟罩式真空电阻炉的隔热屏的层间距离8毫米。1.2.2钟罩式真空电阻炉的加热器钟罩式真空电阻炉即受控对象最高工作温度为600℃，炉膛结构如图1-2所示，炉膛尺寸见表1-2所示，隔层隔热屏的温度和黑度见表1-3所示，加热零件最大尺寸为7550毫米，额定功率P为15KW，工作电压220V，加热器为笼状，电热体采用2到U型钼丝，如图1-4（a），所示内电极为整环，外电极为两个半环，如图1-4（b)所示，图1-4（c）为接线原理图。内蒙古工业大学本科毕业设计说明书5图1-3钟罩式真空电阻炉炉膛结构简图表1-2炉膛结构材料尺寸加热器隔热屏内炉壳第一层第二层第三层第四层第五层材料钼丝钼不锈钢不锈钢不锈钢不锈钢A3直径（毫米）250285300310320330360高度（毫米）400470475480485490540表面积（米2）0.3140.420.4450.4660.4870.570.612表1-3隔层隔热屏的温度和黑度工作温度（℃）T0T1T2T3T4T5T614001200105095085065080黑度（）01234560.1780.1530.50.40.40.30.35内蒙古工业大学本科毕业设计说明书6图1-4钼丝加热器结构简图1.2.3钟罩式真空电阻炉的水冷电极本设计中被控对象采用的水冷电极为纯金属的，水冷电极(包括紫铜导电杆与紫铜集电环)是将电流引入给电热体的一种装置。电极能通过一千安培以上的大电流，满足绝缘、密封和冷却三个条件。1.2.4钟罩式真空电阻炉的水冷系统真空电阻炉的炉壳和真空系统都需要水冷，以保证炉子外壁及各真空零部件的温升在允许范围内，使密封部件能正常工作。炉壳的水冷包括炉筒体、炉底盘、顶盖、电极及观察窗等。真空系统的水冷包括扩散泵、水冷挡板、冷阱、增压泵、机械泵等。汇流铜排必要时也要通水冷却。钟罩式真空电阻炉的冷却系统如图1-5所示。内蒙古工业大学本科毕业设计说明书7图1-5钟罩式真空电阻炉的冷却系统1，3-阀门；2-连接管；4-水箱1.2.5真空系统真空系统是用来不断抽走炉膛及炉内零件和工件在升温时放出的气体的装置。本设计真空炉的工作真空度为10-2毫米·汞柱，采用带旋转泵的真空系统，如图1—6所示。内蒙古工业大学本科毕业设计说明书8图1-6带有旋转泵的真空系统1-炉膛；2，8热偶真空计；3，9-放弃阀；4-阀门；5-过滤器；6-冷凝器；7-波纹管；10-旋转泵1.2.6其他部件真空电阻炉还应设有升降机构，观察孔，热点阻，放弃阀和充气阀，真空计等各部分结构。内蒙古工业大学本科毕业设计说明书9第二章大林算法在钟罩式真空电阻炉温度控制系统中应用的总体设计工业钟罩式真空电阻炉是一种重要的热处理设备，它能使被加热零件脱气、脱氧、脱硫以及能使有害杂质蒸发分离，避免零件氧化、污染，而且它的温度容易调节，相对其它电阻炉来讲热惯性小、升温时间较短。它在工业生产中被广泛的采用。而温度是它的一项非常重要的控制指标，它将直接影响工业产品的质量。我们知道，钟罩式真空电阻炉具有较大的惯性时间常数和一定的纯滞后时间。所以本设计采用大林算法设计炉温度控制系统，此方法可以做到小超调、小稳态误差。图2-1为大林算法在钟罩式真空电阻炉温度控制系统中应用的总设计方案。图2-1大林算法在钟罩式真空电阻炉温度控制系统中应用的总设计方案图本设计中对钟罩式真空电阻炉温度通过温度变送器进行测量，通过电路转换为单片机可以处理的数字信号，经过软件运算，显示出温度的大小，并且将控制信号电路转换成模拟信号，通过控制器对电阻炉温进行控制。设计中温度变送器主要是采用铂电阻测温电路，因为其较大的测温范围，较高的精确性，使本设计的测量有了较高的准确性，由于铂电阻测温电路输出的是比较微弱的毫伏电压，所以需要对其进行信号放大，放大器的设计能够滤去高频信号，同时有输入输出保护，经放大器后输出的是0～5V标准电压，正好是A/D转换器接受的标准信号。由于温度的大小必须是同一时间在不同地点采集的温度信号，所以本设计用到4个采样保持器，选用的是LF398芯片，因为其转换速度内蒙古工业大学本科毕业设计说明书10快，易于控制，我们通过单片机进行逻辑控制，同时进行这4个信号的采样和保持，单片机发出命令时就可以进行转换，以便显示的是实时、瞬时温度。单片机采用现在比较常用的MCS－51系列中的8031单片机，8031单片机及其小系统的设计是本设计中重要的组成部分。4个模拟信号接到8031之前需要将模拟信号转换为数字信号，所以选用的是8个模拟量输入通道的A/D0809，输出是8位数字输出接到8031单片机上。由于8031单片机本身数据存储器很小本身且无程序存储器，所以需要扩展这两个存储器。本设计中由于扩展的芯片和接口电路较多，所以数据存储器采用的是两片6264，程序存储器采用的是两片2764，这样可以节省出较多的地址线。通过软件计算，可以得到瞬时温度的大小，并与给定值进行比较，控制软件发出控制指令进行控制，由于8031I/O接口有限，所以需要进行I/O接口扩展，我们用的是8255进行扩展，来接入显示器，显示温度的大小，本设计还有一个模拟信号输出接口，用以对实时温度的大小进行控制，这中间需要一个将数字信号转换为模拟信号的环节，选用的是8位的D/A0832，在经过相应的电路转换可以得到1～5V的标准电压，实现对输出控制器进行控制，完成了整个电路的设计。内蒙古工业大学本科毕业设计说明书11第三章大林温度控制系统3.1数学模型在本设计中，被控对象含有较大的纯滞后特性。被控对象的纯滞后时间使系统的稳定性降低，动态性能变坏，如容易引起超调和持续的振荡。对象的纯滞后特性给控制器的设计带来困难。一般的，当对象的滞后时间与对象的惯性时间常数Tm之比超过0.5时，采用常规的控制算法很难获得良好的控制性能。因此，具有纯滞后特性对象属于比较难以控制的一类对象，对其控制需要采用特殊的处理方法。因此，对于滞后被控对象的控制问题一直是自控领域比较关注的问题。1968年美国IBM公司的大林针对被控对象具有纯滞后特性的一类对象提出了大林算法这一控制算法。大林算法要求在选择闭环Z传递函数时，采用相当于连续一节惯性环节的W（z）来代替最少拍多项式。如果对象含有纯滞后，W（z）还应包含有同样纯滞后环节（即要求闭环控制系统的纯滞后时间等于被控对象的纯滞后时间）。图3-1钟罩式电阻炉的控制系统设在图3-1所示的计算机控制系统中，钟罩式真空电阻炉可近似为一带有纯滞后的一节惯性环节，其传递函数为：1)(10SKesGqs（3-1）式3-1中1为对象的时间常数且1=50s；q为对象的纯滞后时间且q=60s，K为对象的放大倍数且K=5，为了简化，设：NTq（3-2）即为采样周期的N倍，N为整数。对一节惯性对象，大林算法的设计目标是设计一个合适的数字控制器，使整个闭环系统的传递函数相当于一个带有纯滞后的一节惯性环节的串联，其中纯滞内蒙古工业大学本科毕业设计说明书12后环节的滞后时间与被控对象的纯滞后时间完全相同，这样就能保证使系统不产生很小的超调，同时保证其稳定性。整个闭环系统的传函为：1)(sesWNT（3-3）3.2在本设计中，对象的控制要求1）稳态误差：1℃2）超调量：Mp%≤2%3）上升时间：tr≤110s3.3采样周期的选择一般要求在系统上升时间tr内的采样点数204TtNrr（3-4）式3-4中：T为采样周期（s）;tr为期望的阶跃响应的上升时间（s）;本系统要求tr=110(s),当Nr值取22时，则采样控制周期T=5(s)。3.4确定期望闭环传递函数大林控制的期望闭环传函为sesWqs1)(其中纯滞后时间取电阻炉的纯滞后时间，即q=60(s);时间常数由期望上升时间tr确定，因为一节系统的上升时间tr与时间常数的关系是2.2rt,所以2.2/rt=110/2.2=50（s）。N=12。本设计中系统中采用的保持器为零阶保持器，采用加零阶保持器的Z变换，则与W（s）相对应的整个闭环系统的闭环Z传递函数为：11)1(]11[)(/)1(/zezesesesWTNTNTsTs（3-5）由此，可得出大林算法所设计的控制器D（z）为：)(])1(1[)1()()](1[)()()1(/1/)1(/zGzezezezGzWzWzDNTTNT（3-6）其中)](1[)(0sGsezGTs（3-7）又因为内蒙古工业大学本科毕业设计说明书131/)1(/101)1(])1()1([)](1[)(zezekss