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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。 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）。 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：  (1)内部影响因子q=0，整定过程如下： 参数置于最大值（），参数置于最小值（），这样就产生了一个比例型控制器。在系统达到稳定极限时，改变放大系数直到。系统输出变为周期为的未摊销振荡形式。Offreins法用于PI调节器，用来针对扰动确定一个最优响应，即： (2)这里的是当系统超过稳定极限时的极值。 其他确定最优参数的实用方法都是基于比值，和分别是过程的特征量死区时间和时间常数：  (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