加熱爐溫度控制系統仿真設計

張歆彤

（西北民族大學電氣工程學院， 甘肅 蘭州 730124）

引言

在現代工業生產和科學實驗中，溫度控制已經成為了一個非常重要的環節，在機械、化工、食品、冶金等工業生產中要廣泛地用到加熱爐對產品進行不同程度的熱處理，在不同的生產過程中經常需要將溫度控制和保持在一定的范圍內。但是在實際生產的過程中，由于工業現場的環境比較惡劣，影響因素眾多，而且溫度控制比較復雜，所以很難將溫度時刻保持在一定范圍內。本文提出的加熱爐溫度控制系統仿真設計，采用PID控制器對加熱爐進行溫度控制，對于整個系統的控制采用串級控制方式進行控制，有效地消除了靜差，減少了調節時間，最重要的是提高了控制精度和系統的可靠性。

1 加熱爐溫度控制系統的工作原理

本加熱爐溫度控制系統采用電加熱方式進行加熱，加熱器所產生的熱量與調壓器電壓uc的二次方成正比關系，若uc增高，則爐溫上升，調壓器電壓uc的高低由調壓器滑動觸點的位置所決定，該觸點的位置通過可逆轉的直流電動機的驅動而改變。加熱爐的實際溫度用熱電偶測量，其輸出電壓為uf。uf作為系統的反饋電壓與給定電壓ur進行比較，從而得出偏差電壓ue，偏差電壓經電壓放大器、功率放大器放大成ua后，可以作為控制電動機的電樞電壓。爐溫自動控制系統的原理圖1所示。

在正常情況下，爐溫（℃）等于某個期望值T，熱電偶的輸出電壓uf正好等于給定電壓ur。此時，ue=ur-uf=0，故u1-ua=0，則可逆電動機兩端電壓為0，轉軸不轉動，調壓器的滑動觸點停留在某個合適的位置上，使uc保持一定的數值。這時，爐子散失的熱量正好等于從加熱器吸取的熱量，形成穩定的熱平衡狀態，溫度保持恒定。

圖1 爐溫自動控制系統原理圖

當爐膛溫度T℃由于某種原因突然下降時（例如爐門打開造成的熱量流失），則出現以下的控制過程：

該控制過程的結果是使爐膛溫度回升，直至T℃的實際值等于期望值為止。

2 加熱爐溫度控制系統的總體設計

本文為加熱爐溫度控制系統的仿真設計，該系統的總體設計要求如下。該系統以加熱爐出口的溫度作為主變量，以爐膛溫度作為副變量，對于整個系統的控制采用串級控制方式。系統整體確定后，要對系統進行細化，接下來要選擇控制器和調節閥的作用方式。在設計系統時，應采用一步整定法整定主、副控制器PID的參數，求出比例度與衰減振蕩周期，從而得出系統的性能。設計完成后，應參照自動控制原理中該系統所對應的公式求得主、副控制器的最佳參數值，然后設定系統參數為最佳參數值，保證系統具有穩定的動態性能和穩態性能。在系統運行的過程中，應求出系統的階躍響應曲線，從而實時監測系統的運行狀態。若要檢測系統的穩態性能，則可以求出設定值為0時，施加幅值為30%的一次階躍擾動信號，得出系統的輸出曲線。串級控制原理如下頁圖2所示。

圖2 串級控制原理圖

3 溫度控制系統的具體控制過程

首先，向系統輸入期望的溫度值，系統讀取到期望溫度數據后驅動可逆電機轉軸轉動，從而使調壓器的觸點處于合適的位置，這樣就可以使加熱爐中的電熱絲兩端電壓為期望溫度所需的電壓。此外，爐溫控制系統方框圖3所示，在系統輸出位置有回路將系統輸出量通過熱電偶引到放大器前與給定電位進行比較，這有利于系統通過輸入量與輸出量的電壓差自動調節調壓器觸點的位置，使加熱爐保持一個穩定的溫度值。該系統為閉環控制系統，輸入與輸出之間存在反饋通路，當輸出存在偏差時反饋通路可以將偏差信息返回并使系統及時作出調整，且該系統的穩定性好，抗干擾能力較強。

圖3 爐溫控制系統方框圖

該系統采用PID控制器進行控制，PID控制器稱為比例—積分—微分控制器，它是由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）構成的，通過 Kp、Ki和Kd三個參數對系統進行控制，是在工業控制應用中常見的反饋回路部件。在控制系統中，PID控制器把收集到的數據和輸入的期望值進行比較，然后利用兩者之間的差值計算新的輸入值，將新的輸入值輸入系統進行控制，可以讓系統的數據達到或者保持在期望值。PID控制器具有原理簡單、使用方便、性價比高、適應性強等特點，其最大的特點是可以根據歷史數據和差別出現的頻率來調整輸入值，使系統更加準確，運行更加穩定。

4 結語

本文提出了加熱爐溫度控制系統的仿真設計，該設計采用閉環系統，利用PID控制器對系統進行控制，整個系統的控制采用串級控制方式。溫度系統在這種控制方式的運行下，其運行效率和控制精度都會得到明顯的提高，并且系統的反饋通路會不斷地將輸出量返回到輸入端進行比較，從而保證系統輸出的穩定。本文所提出的仿真設計具有廣闊的應用前景，在實際開發的過程中，本文中加熱爐溫度控制系統的工作原理可作為重要參考依據。