适合实践教学的新型温控系统设计

2015-05-03陈卫红邓晓刚

实验技术与管理 2015年11期

陈卫红，邓晓刚

（中国石油大学（山东）信息与控制工程学院，山东青岛 266580）

加热炉广泛应用于冶金、石油、石化、食品、化工等各类工业生产过程中，是一种较为典型的温度控制对象，也是生产过程中能量消耗的主要设备之一。研究加热炉装置的特性和控制方法，对于工厂节能降耗具有重要的意义，是目前工业界和学术界的关注焦点之一［1］。在石油院校的教学和实践过程中，开展与加热炉装置相关的实践教学，使学生初步了解实际的工业装置并掌握这类装置的基本工作原理和控制方法，具有十分重要的意义。本次设计的加热炉温控系统服务对象为学生的实践教学，这就要求该系统具有培养、训练学生能力的同时，还要能反映工业生产过程中温度控制系统的一些典型特性，同时要求安全、美观、接口方便实用等。

1 系统整体设计方案

温度控制系统是比较常见的典型的过程控制系统。电加热炉温度控制系统的工作原理框图见图1。由测温元件检测到电加热炉的温度，经过温度变送单元转换为电信号，经过控制器采集后与设定温度进行比较，控制器根据偏差信号计算出相应控制量并输出，经过控制可控硅的导通角来控制电阻丝中电流，进而控制电加热炉温度，使电加热炉的实际温度向着给定温度变化并最终达到给定温度，直到符合我们的要求为止［2］。

图1 电加热炉温度控制系统原理框图

2 温控加热炉系统硬件设计

一个简单的温控加热炉（简称温控炉）包括加热系统、温度测量单元和温度控制单元等几个主要部分。通过各个单元与控制软件的共同协调达到对温控炉的控制。考虑到在实验室中使用，加热系统可采用小型电阻加热丝加热即可，特性明显、检测方便、安全可靠，能满足使用要求。为了使加热炉对象特性更加丰富，增加了散热负载风扇设计。这样可以就一个温控炉系统，通过适当调整对象参数，展开多种控制方法研究，避免重复投资设计，具有一定的开放性。

2.1 温控加热炉的特性分析及设计

温度是反映温控炉性能的主要参数，然而温度控制过程是一个典型的非线性、纯滞后过程，过程存在时滞τ。

时滞τ的存在不利于系统控制。测量时有了时滞时，控制器无法及时发现被控变量的变化情况；控制对象有了时滞τ时，控制作用不能及时产生调节效果。经典控制理论的根轨迹法或频率法都同样可得出τ不利于控制的结论。τ/T是一个无量纲的值，它反映了时滞的相对影响。这就是说，在时间常数T大的时候，τ的值稍大一些也不要紧，过渡过程尽管慢一些，但很易稳定；反之，在T小的时候，即使τ的绝对数值不大，影响却可能很大，系统容易振荡。一般认为τ/T≤0.3的对象轻易控制，而τ/T＞（0.5～0.6）的对象较难处理，往往需用特殊控制规律。

温控炉正是符合上述时滞分析的对象，由于其温度受多个干扰影响，时滞τ为一个变值，这使得温控炉的控制更加复杂，更加容易产生较大超调或振荡。针对不同的控制方法，可以调整散热负载风扇的转速，改变时滞τ，使得τ/T在合适的范围。比较控制效果，这里通过算法和对象参数的组合可以衍生出多种比较，可研究内容极为丰富。

2.2 温度检测及信号处理单元设计

温度的测量方法有很多［3－5］，根据测温的方式可以分为接触式和非接触式测温两大类，两种测量方式各有千秋，一般来说，接触式测温的测量精度高，应用广泛，简单、可靠，但由于测温元件与被测介质需要进行充分的热交换，需要一定的时间才能达到热平衡，会存在一定的测量滞后，而且有可能与被测介质产生化学反应，特别对于热容量小的被测对象，还会因传热而破坏被测物体原有的温度场，测温上限也受到感温材料耐温性能的限制，不能用于很高温度的测量，另外对运动状态的固体测量困难较大；非接触式测温目前在工业上还是以辐射式测温为主，它的特点是测温元件的任何部位均不与被测物体相接触，而是通过被测物体与感温元件之间的热辐射作用实现测温，因而其反映速度较快，测温范围较广，原理上不受温度上限的限制，但受到物体的发射率、对象到仪表之间的距离、烟尘和水蒸气等其他介质的影响，故测温的准确性一般不高，抗干扰性较差。当前用于温控炉的温度测量主要是采用接触式热敏电阻测量和热电偶测量，对于小型电阻加热炉采用热敏电阻测温更为简便。热敏电阻是中低温区最常用的一种温度检测器，它的主要特点是测量精度高，且性能稳定。本系统中采用MF58型高精度负温度系数热敏电阻器及其外围电路，组成温度信号采集电路。MF58型高精度负温度系数热敏电阻器有许多优点：稳定性好，可靠性高；阻值范围宽（0.1～1 000kΩ），阻值精度高；由于玻璃封装，可在高温等恶劣环境下使用；体积小、重量轻、结构坚固；热感应速度快、灵敏度高。

测温电路为热敏电阻与固定电阻串联构成的一个简单直流通路，由于热敏电阻的阻值随其周围温度而变化，因此测温电路的输出电压也随之发生一定幅度的变化，但在一定温度范围内测温电路的输出信号幅值较小且有脉动干扰，无法为数据采集卡提供准确的温度信号，所以必须将温度信号进行放大和滤波处理得到幅值符合要求、波形平滑的标准信号。利用放大器构建了信号转换电路——两级反相输入加法运算放大电路，如图2所示，同时考虑到测温电路的输出信号为电压较低、电流较小、负载能力低的直流信号，所以选择π形RC滤波电路，并且其中的R的阻值尽可能的小。经过系列放大、滤波处理后，得到了线性度较好、符合要求的0～5V工业标准测量信号。

2.3 数据采集卡的选取与简介

考虑到LabVIEW开发软件环境和使用的便利，选用了美国国家仪器公司（NI）的 NI USB－6008数据采集卡［6］，其为 LabVIEW 软件的配套产品。NI USB－6008提供了4路模拟输入通道（AI）、2路模拟输出通道（AO）、12路数字输入输出通道（DIO）以及12位的全速USB通信端口。NI USB－6008特性数据见表1。

表1 NI USB－6008特性数据

NI USB－6008配备了一个可分离式模拟信号专用接线排和一个可分离式数字信号专用接线排。这些接线排提供了16个可使用16－28AWG线的接口。

（1）模拟输入。NI USB－6008的I/O接口提供了模拟信号的输入，图3为NI USB－6008的模拟输入电路示意图。

MUX：NI USB－6008的模拟数字转换器，该多路器（MUX）可以在同一时间发送AI至PGA。

PGA：在设置为微分测量时，程序增益放大器提供1、2、4、5、8、10、16、20的输入增益；当设置为单精度终端测量时，程序增益放大器的增益为1。

A/D转换器：模拟数字转换器通过转换模拟电压至数字编码提供数字化的AI信号。

AI FIFO：NI USB－6008能进行固定的或无限大值采样的单路和多路A/D转换；先入先出（FIFO）缓冲器可以在AI获取数据时保存数据，保证了数据不会丢失。

图2 信号转换电路

（2）模拟输出。NI USB－6008有2路独立的 AO通道，可以产生0～5V的输出电压。所有AO输出都由软件控制。

DACs：DACs为数字模拟转换器，转换数字编码为模拟电压。

另外，NI USB－6008提供了5V、200mA的输出，可以用来驱动外部部件。

图3 NI USB－6008模拟输入电路示意图

2.4 温控执行单元设计

温控炉的控制电路［7－10］采用双向晶闸管斩波调压法来控制电热丝的供电，其原理电路见图4，双向晶闸管BT137是电热丝电路导通开关，其触发信号由光控晶闸管MOC3021导通的交流电源产生，MOC3021的触发端为发光二极管，发光二极管的正端与＋5V接通，控制端DO2只要发出一个低电平，发光二极管发光，MOC3021则会导通交流电源，其作用在双向晶闸管BT137的门极，使BT137导通交流电源，此时电热丝开始加热；相反DO2发出高电平就会使BT13 7关断，电热丝停止加热。控制系统根据测温信号计算出控制信号，适时送出高低电平PWM波即可对温控炉实现温度控制作用。

图4 加热炉温控原理电路

双向晶闸管BT137的门极触发信号由其所控制的交流信号AC来提供，这样的电路特点是门极信号可以根据主电路的信号波形及时变换方向，使双向晶闸管及时改变导通方向。

3 温控炉控制系统软件设计

温控炉控制系统的软件设计完全由LabVIEW软件制作完成［11－12］。LabVIEW 是一个功能强大而且灵活的图形化编程软件，使用图形化程序设计语言，用框图代替了传统的程序代码，编程的过程即是使用图形符号表达程序行为的过程，源代码不是文本而是框图。利用LabVIEW编程称为视觉设计（VI），1个VI有3个主要部分组成：框图、前面板和图标/连接器，框图是程序代码的图形表示。在学生完成软件设计过程中，不仅巩固了自动控制多方面知识，同时新学了一门实用化的编程技能，达到了很好的锻炼效果。

软件设计分为前面板部分（见图5）和后台程序部分（见图6），前面板为界面部分，是一个基本控制器的操作面板，主要分为控制参数设置区、报警值设置区、手/自动控制开关区、控制曲线显示区。控制参数设置区放置一些用于调节和设定控制器参数的文本输入框，可以根据控制要求和即时控制状况调整控制参数；报警值设置区放置有高低报警设定值输入框及高低报警灯，可以随时调整报警值，显示系统危险状态；手自动控制开关区放置有手/自动切换开关和正/反作用开关，用于随时调整手/自动控制和正/反作用；控制曲线显示区放置有一个实时显示示波器，可以及时、准确地显示系统参数，体现系统控制效果。

图5 控制器前面板

图6 控制器后台程序

前面板的设置仅仅是保证了视觉效果上的方便、简易，实际控制的完成还需要对前面板中添加的各个图标、模块进行连接，包含有框图、图标/连接器等，所有这些工作都是在后台程序中完成。

该程序从视觉上可以明显看出formula node（公式结点）作为控制器程序的核心，所有图标全部围绕着formula node（公式结点）进行放置和连接。在formula node中可以根据加热炉的温度特性，编写不同的算法程序，进行常规的PID控制或各种先进控制算法研究，开放性非常好，让不同需求的学生都有较好的锻炼效果。

4 控温炉系统测试效果分析

为了验证温控炉整体系统性能，分别作了无散热系统常规PID控制效果测试和有散热系统常规PID控制效果测试及有散热系统模糊PID控制效果测试［12－13］，分别得到下列测试结果曲线（负特性，电压下降温度上升，反之则温度下降）。

无散热系统常规PID控制效果曲线见图7（a），可以看出，由于温控炉具有很大的滞后特性，并且升温快、降温慢等，导致了PID控制效果不佳，测量值跟踪慢且不易稳定，调节时间长。

从图7（b）可以看出，设计有散热系统的温控炉常规PID控制时滞性有所改善（风扇转速不一样，系统特性也不一样，可根据要求随时调节），测定值PV追随给定值SV时间缩短，最终可平稳地控制在SV处。

有散热系统模糊PID控制效果曲线见图7（c）所示，可以看出，温控炉的快速升温导致的极大超调被明显削弱了，PV（测定值）迅速地追随SV（给定值），并较为平缓、稳定的控制在SV处，无较大超调和振荡，控制误差保持在5%范围内，符合控制要求，较好地克服了温控炉大滞后特性，控制效果改善明显。

5 结束语

通过实践证明，这套自行设计的温控系统非常适合高校与控制相关的专业实践教学，特别适合课程设计、综合实践、毕业设计等课时集中、周期较长、动手较多的教学环节使用，让学生从硬件、软件、系统结构、理论应用等各方面得到全方位的锻炼。该系统不但适合本科教学使用，同样也适合部分研究生针对温度这一典型工业参数进行先进控制算法研究，为今后的工作打下良好的基础。