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第3章总体设计方案
3.1系统控制方案
随着控制理论的发展，越来越多的智能控制技术，如自适应控制、模型预测控
制、模糊控制、神经网络等，被引入到加热炉温度控制中，改善和提高控制系统的控制品质。
本加热炉温度控制系统较为简单，故采用数字PID算法作为系统的控制算法。
采用PID调节器组成的PID自动控制系统调节炉温。
PID调节器的比例调节,可产生强大的稳定作用；
积分调节可消除静差；
微分调节可加速过滤过程，克服因积分作用而引起的滞后。
控制系统通过温度检测元件不断的读取物料出口温度，经过温度变送器转换后接入调节器，调节器将给定温度与测得的温度进行比较得出偏差值，然后经PID算法给出输出信号，执行器接收调节器发来的信号后，根据信号调节阀门开度，进而控制燃料流量，改变物料出口温度，实现对物料出口温度的控制。
本加热炉温度控制系统采用单回路控制方案，即可实现控制要求。
在运行过程中，当物料出口温度受干扰影响改变时，温度检测元件测得的模拟信号也会发
生对应的改变，该信号经过变送器转换后变成调节器可分析的数字信号，进入调节器，将变动后的信号再与给定相比较，得出对应偏差信号，经PID算法计算后
输出，通过执行器调节燃料流量，不断重复以上过程，直至物料出口温度接近给定，处于允许范围内，且达到稳定。
由此消除干扰的影响，实现温度的控制要求。
3.2系统结构和控制流程图
根据控制要求和控制方案设计的加热炉温控制系统结构如图3-1所示，该系
统主要由调节对象（加热炉）、检测元件（测温仪表）、变送器、调节器和执行器等5个部分组成，构成单回路负反馈温度系统。
其中显示器是可选接次要器件，故用虚线表示；
0为物料出口温度，Qg为燃
料流量。
箭头方向为信号流动方向，温度信号由检测元件进入控制系统，经过一系列器件和运算后，由执行器改变燃料流量，进而实现温度控制。
□g
图3-1加热炉温度控制系统结构图
根据控制要求和结构图绘制得加热炉温度控制系统整体控制流程图如下图所
示:
图3-2加热炉温度控制系统整体控制流程图
其中，调节器采用数字PID算法，Qg为燃料流量，0为物料出口温度，加热炉作为控制对象。
第4章控制系统设计
4.1系统控制参数确定
单回路控制系统选择被控参数时要遵循以下原则：
在条件许可的情况下，首
先应尽量选择能直接反应控制目的的参数为被控参数；
其次要选择与控制目的有某种单值对应关系的间接单数作为被控参数;
所选的被控参数必须有足够的变化灵敏度。
综合以上原则，在本系统中选择物料的出口温度0作为被控参数。
该参数可直接反应控制目的。
4.1.2控制参数选择
工业过程的输入变量有两类：
控制变量和扰动变量。
其中，干扰时客观存在的,它是影响系统平稳操作的因素，而操纵变量是克服干扰的影响，使控制系统重新
稳定运行的因素。
而控制参数选择的基本原则为:
选择对所选定的被控变量影响较大的输入变量作为控制参数;
在以上前提下，选择变化范围较大的输入变量作为控制参数，以便易于控
制;
在①的基础上选择对被控变量作用效应较快的输入变量作为控制参数，使
控制系统响应较快;
综合以上原则，选择燃料的流量Qg量作为控制参数。
4.2PID调节器设计
对温度的控制算法，采用技术成熟的PID算法，对于时间常数比较大的系统来说，其近似于连续变化，因此用数字PID完全可以得到比较好的控制效果。
简单的比例调节器能够反应很快，但不能完全消除静差，控制不精确，为了消除比例调节器中残存的静差，在比例调节器的基础上加入积分调节器，积分器的输出值大小取决于对误差的累积结果，在差不变的情况下，积分器还在输出直到误差为零，因此加入积分调节器相当于能自动调节控制常量，消除静差，使系统趋于稳定。
积分器虽然能消除静差，但使系统响应速度变慢。
进一步改进调节器的方法是通过检测信号的变化率来预报误差，并对误差的变化作出响应，于是在PI调节器的基础上再加上微分调节器，组成比例、积分、微分（PID）调节器，微分调节器的加入将有助于减小超调,克服振荡,使系统趋于稳定，同时加快了系统的稳定速度，缩短调整时间，从而改善了系统的动态性能，其控制规律的微分方程为：
丫=Kp（X+丄fXdt+丁［3必）
Ti、dt
传递函数为:
1
G（s）=KP（1+——+Tds）
Tis
用PID控制算法实现加热炉温度控制是这样一个反馈过程：
比较实际物料出口温度和设定温度得到偏差，通过对偏差的处理获得控制信号，再去调节加热炉的燃料流量，从而实现对炉温的控制，由于加热炉一般都是下一阶段对象和带纯滞后的一阶对象,所以式中Kp、Kd和Ki的选择取决于加热炉的响应特性和实际
经验。
第5章控制仪表的选型和配置
5.1检测元件
温度的测量方式有接触式测温和非接触式测温两大类。
本系统选择接触式测
温元件。
其中较为常用的有热电偶、热电阻和集成温度传感器三种，本系统选择
热电偶作为测温元件，其电路原理图如下图所示:
图5-1热电偶电路原理图
5.2变送器
5.2.1变送器选型
本系统中的变送器用于温度信号变送，故选择温度变送器。
其中较为常用的
有模拟式温度变送器、一体化温度变送器和智能式温度变送器三种，本系统采用
典型模拟式温度变送器中的DDZ-III型热电偶温度变送器，属安全火花型防暴仪表，还可以与作为检测元件的热电偶相配合，将温度信号线性的转换成统一标准
信号。
变送器构成方框图如图5-2所示。
图5-2电动III型热电偶典型模拟温度变送器构成方框图
5.2.2变送器配置
本设计选用放入是KBV—1131型热电偶温度变送器。
1.主要技术参数:
表5.1热电偶温度变送器参数表
名称
性能
输入信号
最小量程》3mV最大量程＜80mV
输出信号
1~5VDC或4~20mADC
负载电阻
0~500Q
精度
±
0.5%（量程范围大》5mV
1.0%（5mV量程》3mV）
工作条件
环境温度：
5~40C
相对湿度：
10%~75%
供电电源：
24V±
2.4VDC
功率
2W
2.工作原理:
KBV—1131型热电偶温度变送器是由WS热电偶温度转换模块和GF750信号隔
离模块组成，见图5-3所示。
+输出I/V
24VDC
图5-3热电偶温度变送器原理框图
3.端子图:
1234
KBW1131
8765
图5-4热电偶变送器接线端子图
实现PID算法的控制仪表的主要类型大致分为电动或气动，电动I型、II型、
表较II型仪表操作、维护更为方便、简捷，同时III型仪表还具有完善的跟踪、
保持电路，使得手动切换非常方便，随时都可以进行切换，且保证无扰动。
所以
在本设计中选用电动山型仪表。
调节器的构成方框图如图5-4所示。
硬手操
电路
电动III型调节器构成方框图
作用方式选择：
对于单回路控制系统，调节器正、反作用的选择要根据控制
系统所包括的各个环节的情况来确定，这样只要根据被控参数与变送器放大倍数的符号及整个控制回路开环放大倍数的符号为“负”的要求，就可以确定调节器
的正、反作用。
在本系统中，被控参数的放大倍数为的符号为“正”，所以调节器应选“负”作用即反作用。
5.3.2调节器配置
1.本系统采用的DDZ-III型PID调节器TDM-400性能指标如下表所示:
表5.2DDZ-III型PID调节器性能指标
1~5V直流电压
外给定信号
4~20mA直流电流（输入电阻250?
）
4~20mA直流电流
250?
~750?
输入与给定指示
0~100%指示误差为±
1.0%
输出信号指示
0~100%指示误差为±
2.5%
整定参数
（F=1情况下）
比例带Xp=2~500%连续可调，最大值刻度误差±
2.5%;
积分时间Ti有两档0.01-2.5分与0.1~25分。
分别连续可调，最大值与最小值刻度误差为+50%
-25
微分时间Td=0.04~10分，连续可调，最大刻度误差为+50%
干扰系数F
F=1+Td/Ti
积分增益Kd
Kg10
闭环跟踪误差
<
±
0.5%
2.DDZ-III型调节器接线端子如下图所示:
3.
图5-6DDZ-III型调节器调节器接线端子
5.4执行器
5.4.1执行器选型
本系统中，执行器是系统的执行机构，是按照调节器所给定的信号大小和方向，改变阀的开度，以实现调节燃料流量的装置。
1.执行器的结构形式:
执行器在结构上分为执行机构和调节机构。
其中执行机构包括气动、电动和液动三大类，而液动执行机构使用甚少，同时气动执行机构中使用最广泛的是气动薄膜执行机构，因此执行机构的选择主要是指对气动薄膜执行机构和电动执行机构的选择，由于气动执行机构的工作温度范围较大，防爆性能较好，故本系统选择气动薄膜执行机构并配上电/气阀门定位器。
调节阀的开、关形式需要考虑到以下几种因素:
1生产安全角度：
当气源供气中断，或调节阀出故障而无输出等情况下，应
该确保生产工艺设备的安全，不至发生事故;
2保证产品质量：
当发生控制阀处于无源状态而恢复到初始位置时，产品的
质量不应降低;
3尽可能的降低原料、产品、动力损耗;
4从介质的特点考虑。
综合以上各种因素，在加热炉温度控制系统中，执行器的调节阀选择气开阀:
执行机构采用正作用方式，调节机构正装以实现气开的气动薄膜调节蝶阀。
执行
器由电/气阀门定位器和气动调节阀配合使用组成，其方框图如图5-7所示。
Mf
图5-7电/气阀门定位器和气动调节阀组成的系统框图
1.调节阀的流量特性:
调节阀的流量特性的选择，在实际生产中常用的调节阀有线性特性、对数特性、抛物线特性和快开特性四种，在本系统中执行器的调节阀的流量特性选择等百分比特性。
2.调节阀的口径:
调节阀的口径的大小，直接决定着控制介质流过它的能力。
为了保证系统有较
好的流通能力，需要使控制阀两端的压降在整个管线的总压降中占有较大的比例。
5.4.2执行器配置
1.电/气阀门定位器ZPD-01
表5.3ZPD-01参数表
4-20mA・DC
0-0.14MPa
图5-8ZPD-01端子图
4.
-+
输入
薄膜气动调节阀ZMBS-16K
表5.4ZMBS-16K参数表
0.02-0.1MPa
开度（%
ZMBS/6K
2
图5-9执行器接线端子图
6.1端子接线图见附录。
6.2仪表配接说明:
接线图主要由接线板W温度变送器K（KBW-1131、电动III型调节器T
（TDM-400、电/气阀门定位器Z（ZPD-01）和气动薄膜调节阀S（ZMBS-16K五个部分组成。
温度变送器KBW-1131的输入信号由W1（+）,W2（-）接入K1,K2;
输出信号由K5,K6接至W10（+）,W11（-）;
24V直流电源由W5（+）,W7（-）接至K7,K8。
电动III型调节器TDM-400的输入信号由W10（+）,W11（-）接入T1,T2;
输出信号由T13,T14接至W8（+）,W9（-）;
24V直流电源由W3（+）,W4（-）接
至T19,T20;
W3接W5W4接W7
电/气阀门定位器ZPD-01的输入信号由W8（+），W9（-）接入Z1,Z2;
输出
信号由Z3,Z4接至W12（+），W13（-）。
气动薄膜调节阀ZMBS-16K勺输入信号由W12（+），W13（-）接入S1,S2。
第7章元件清单
表7.1元器件清单
产品名称
型号
数量
备注
电/气阀门定位
器
ZPD-01
1台
4-20mA・DC
0.14MPa
阀行程
40mm
气动薄膜角型调
节阀
ZMBS-16K
0.02-0.1M
Pa
正作用方
式
热电偶温度变送
KBW-1131
0-1300r
1~5VDC
配EU-2热
电偶
电动III型调节
TDM-400
1-5V
4-20mADC
PID调节
第8章收获和体会
8.1设计总结
本设计是基于单回路控制系统的加热炉温度控制系统的设计，对物料出口温
度的良好控制是保证系统输出蒸汽温度稳定的前提。
采用PID算法控制，可以极
大地消除控制系统工作过程中的各种扰动，使系统工作在良好的状态下，满足基本的控制要求。
8.2心得体会
本设计综合运用了自动检测技术、自动控制理论以及过程控制理论。
为了更好的完成设计，我将以前的一些教科书籍重新找出，认真阅读，从中不仅查找到了设计中需要的知识点，还发现了一些以前学习中忽略了的知识，在完成设计的同时得到了额外的收获。
在做这个课程设计之前，我一直以为自己的理论知识学的很好了。
但当我拿到设计任务书的时候，却不知道如何下手。
开始了我又总是被一些小的，细的问题挡住前进的步伐，让我总是为了解决一个小问题而花费很长的时间。
最后还要查阅其他的书籍才能找出解决的办法。
并且我在做设计的过程中发现有很多东西,我都还不知道。
其实在设计的时候，基础是一个不可缺少的知识，但是往往一些核心的高层次的东西更是不可缺少的。
设计中遇到了很多自己无法解决的问题，我于是向老师、同学求助，在指导老师的点拨以及同学们的建议下，我完美的解决了遇到的问题。
由此我意识到，任何时候任何事情，闭门造车都是不可取的，要一直向周围的师长、同学求教，以取得新鲜的知识。
对生产过程进行控制是我们工作中非常重要的一项任务，通过此次课程设计我比较清楚地明白了控制过程的设计，以及优化控制系统的思想，对我以后的工作将产生很深远的影响。
[1]
金以慧主编.过程控制.北京：
清华大学出版社2010年
[2]
[3]
乐嘉谦主编.仪表工手册.北京：
化学工业出版社，2004年；
张毅、张宝芬、曹丽、彭黎辉编著.自动检测技术及仪表控制系统
.北京：
化学
工业出版社，2009年
周泽魁主编.控制仪表与计算机控制装置.北京：
化学工业出版社,工业自动化仪表手册编辑委员会编.工业自动化仪表手册.第三册
分
（二）。
北京：
机械工业出版社,
1986年
[6]
年
高金生责任编辑.仪器仪表产品目录
（第二册）.北京：
机械工业出版社，1991
[7]刘小慧责任编辑.仪器仪表产品目录年
（第三册）.北京：
[8]刘迎春主编.传感器原理设计与应用[M].长沙：
国防科技大学出版社，1997年
[9]李亚芬主编.自动化仪表与过程控制.北京：
电子工业出版社，2003年
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