淺談?wù)婵諢崽幚頎t的溫度控制

趙興亮，劉鋒敏

（中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西 太原 030002）

溫度控制已成為工業(yè)生產(chǎn)、科研活動中很重要的一個環(huán)節(jié)，能否成功地將溫度控制在所需的范圍內(nèi)，關(guān)系到整個活動的成敗。由于控制對象的多樣性和復(fù)雜性，導(dǎo)致采用的溫控手段的多樣性。在真空熱處理設(shè)備的溫度控制系統(tǒng)中，首先將需要控制的被測參數(shù)溫度，由傳感器轉(zhuǎn)換成一定的信號后，再與預(yù)先設(shè)定的值進(jìn)行比較，把比較得到的差值信號，經(jīng)過一定規(guī)律的計算后，得到相應(yīng)的控制值，此時將控制量送給控制系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的控制，而且不停地進(jìn)行上述工作，從而達(dá)到自動調(diào)節(jié)的目的。

1 熱電偶簡介

1.1 原理

熱電偶的測溫原理是基于1821年塞貝克發(fā)現(xiàn)的熱電現(xiàn)象。如圖1 所示，把兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料A、B 連接成閉環(huán)回路，并將它們的兩個連接點(diǎn)，分別置于溫度為T 及T0（設(shè)T＞T0）的熱源中，該回路內(nèi)就會產(chǎn)生熱電動勢（簡稱熱電勢），可用EAB（T，T0）表示，這種現(xiàn)象即稱作熱電效應(yīng)。

圖1 熱電偶的測溫原理

我們把兩種不同導(dǎo)體或半導(dǎo)體的這種組合，稱為熱電偶，A 和B 稱為熱電極，溫度高的接點(diǎn)稱為熱端（或工作端），溫度低的接點(diǎn)稱為冷端（或自由端）。

1.2 對熱電偶電極材料的基本要求

從理論上講，任何兩種不同導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）都可以配制成熱電偶，但是作為實(shí)用的測溫元件，其要求是多方面的。為了保證工程技術(shù)的可靠性，以及有足夠的測量精度，并不是所有材料都能組成熱電偶，一般對熱電偶的電極材料基本要求是：

（1）在測溫范圍內(nèi)，熱電性質(zhì)穩(wěn)定，不隨時間而變化；有足夠的物理化學(xué)穩(wěn)定性，不易氧化或腐蝕；

（2）電阻溫度系數(shù)小，導(dǎo)電率高，比熱?。?/p>

（3）測溫中產(chǎn)生熱電勢要大，并且熱電與溫度之間呈線性或接近線性的單值函數(shù)關(guān)系；

（4）材料復(fù)制性好，機(jī)械強(qiáng)度高，制造工藝簡單，價格便宜。

1.3 常用熱電偶

（1）鎳鉻- 鎳硅（鎳鋁）熱電偶（K 型）。該熱電偶的正極，為鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的鎳鉻合金（KP），負(fù)極為硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的鎳硅合金（KN）。負(fù)極親磁，依據(jù)此特性，用磁鐵可以很方便地鑒別出熱電偶的正負(fù)極。其特點(diǎn)是，使用溫度范圍寬，高溫下性能較穩(wěn)定，熱電動勢與溫度的關(guān)系近似線性，價格便宜，是目前用量最大的一種熱電偶。該熱電偶適于在氧化性及惰性氣氛中連續(xù)使用，短期使用溫度為1 200℃，長期使用溫度為1 000℃，采用金屬或合金保護(hù)管。

（2）鎳鉻硅- 鎳硅鎂熱電偶（N 型）。該熱電偶是20 世紀(jì)70年代，由澳大利亞的Burley 等人首先研制出來的，是一種新型鎳基合金測溫材料。其主要特點(diǎn)是，在1 300℃以下，高溫抗氧化能力強(qiáng)，熱電動勢的長期穩(wěn)定性及短期熱循環(huán)的復(fù)現(xiàn)性好，耐核輻照及耐低溫性能也好。在- 200～1 300 ℃范圍內(nèi)，有全面取代廉價金屬熱電偶與部分替代S 型熱電偶的趨勢。

（3）鉑銠10- 鉑電偶（S 型）。自1885年Le-chatelier 發(fā)明鉑銠10- 鉑熱電偶以來，已有120 多年的歷史。該種熱電偶正極的名義成分，為含銠10%的鉑銠合金（代號SP），負(fù)極為純鉑（代號SN），特點(diǎn)是，熱電性能穩(wěn)定，抗氧化強(qiáng)，宜在氧化性、惰性氣氛中連續(xù)使用，長期使用溫度為1 400℃，短期使用溫度為1 600℃。

在所有的熱電偶中，其準(zhǔn)確等級最高，通常用作標(biāo)準(zhǔn)或作為測量高溫的熱電偶；其使用溫度范圍廣，均質(zhì)性及互換性好。缺點(diǎn)是，價格昂貴，電極絲直徑很細(xì)，機(jī)械強(qiáng)度較低；與其他熱電偶相比，其熱電動勢比較小，需配用靈敏高的顯示儀；該種熱電偶不適于在還原性氣氛或含金屬蒸氣的條件下使用，尤其應(yīng)避免接觸有機(jī)物、鐵、硅、H2及CO 等；在真空下只能短期使用。鉑在不太高的溫度下，易發(fā)生再結(jié)晶及晶粒長大現(xiàn)象，不僅使高溫強(qiáng)度降低，而且容易引起污染，致使熱電性能不穩(wěn)定。

1.4 補(bǔ)償導(dǎo)線

由熱電偶測溫的原理可知，只有當(dāng)熱電偶冷端溫度保持不變時，熱電偶才是被測溫度的單值函數(shù)。在應(yīng)用時，熱電偶工作端與冷端距離很近，冷端又暴露于空間，容易受到周圍溫度波動的影響，因而冷端溫度難以保持恒定。

為此，我們將在一定溫度范圍內(nèi)（包括常溫），把具有與所匹配的熱電偶熱電動勢標(biāo)稱值相同的一對帶有絕緣層的導(dǎo)線與熱電偶的參考端相連，將其延長到遠(yuǎn)離熱源或環(huán)境溫度相對恒定的地方，以補(bǔ)償它們與熱電偶連接處的溫度變化所產(chǎn)生的誤差，該種導(dǎo)線我們稱之為補(bǔ)償導(dǎo)線。

其優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）改善熱電偶測溫線路的力學(xué)與物理性能。采用多股或小直徑補(bǔ)償導(dǎo)線，可提高線路的擾性，使接線方便，也可以屏蔽外界干擾。

（2）降低測量線路成本。當(dāng)熱電偶與儀表的距離很遠(yuǎn)時，可用補(bǔ)償導(dǎo)線代替貴金屬熱電偶。

（3）補(bǔ)償導(dǎo)線品質(zhì)的優(yōu)劣，將直接影響溫度測量與控制的準(zhǔn)確度。

把材質(zhì)與所配用熱電偶絲的化學(xué)成分相同的補(bǔ)償導(dǎo)線，稱為延長型補(bǔ)償導(dǎo)線（X）；把材質(zhì)與所配用熱電偶絲的化學(xué)成分不同，只能在一定的溫度范圍內(nèi)與熱電偶的熱電性能一致的補(bǔ)償導(dǎo)線，稱為補(bǔ)償型補(bǔ)償導(dǎo)線（C）。常用補(bǔ)償導(dǎo)線為SC、KC、NC 型。

2 PID 控制簡介

自動控制系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。一個控制系統(tǒng)包括控制器、傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及輸入輸出接口。控制器的輸出經(jīng)過輸出接口、執(zhí)行機(jī)構(gòu)，加到被控系統(tǒng)上；控制系統(tǒng)的被控量，經(jīng)過傳感器，變送器，通過輸入接口送到控制器。不同的控制系統(tǒng)，其傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)是不一樣的。比如壓力控制系統(tǒng)，要采用壓力傳感器。電加熱控制系統(tǒng)的傳感器，是溫度傳感器。

2.1 開環(huán)控制系統(tǒng)

開環(huán)控制系統(tǒng)，是指被控對象的輸出（被控制量）對控制器的輸出沒有影響。在這種控制系統(tǒng)中，不依賴將被控量反送回來以形成任何閉環(huán)回路。

2.2 閉環(huán)控制系統(tǒng)

閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，是系統(tǒng)被控對象的輸出（被控制量）會反送回來影響控制器的輸出，形成一個或多個閉環(huán)。閉環(huán)控制系統(tǒng)有正反饋和負(fù)反饋，若反饋信號與系統(tǒng)給定值信號相反，則稱為負(fù)反饋，若極性相同，則稱為正反饋，一般閉環(huán)控制系統(tǒng)均采用負(fù)反饋，又稱負(fù)反饋控制系統(tǒng)。

2.3 PID 控制的原理和特點(diǎn)

PID 控制是控制工程中技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛的一種控制策略，經(jīng)過長期的工程實(shí)踐，已形成了一套完整的控制方法和典型的結(jié)構(gòu)。其不僅適用于數(shù)學(xué)模型已知的控制系統(tǒng)中，而且對于大多數(shù)數(shù)學(xué)模型難以確定的工業(yè)過程也可應(yīng)用，在眾多工業(yè)過程控制中，取得了滿意的應(yīng)用效果。

（1）PID 的工作基理。由于來自外界的各種擾動不斷產(chǎn)生，要想達(dá)到現(xiàn)場控制對象值保持恒定的目的，控制作用就必須不斷地進(jìn)行。若擾動出現(xiàn)，使得現(xiàn)場控制對象值（以下簡稱被控參數(shù)）發(fā)生變化，現(xiàn)場檢測元件就會將這種變化采集后，經(jīng)變送器送至PID 控制器的輸入端，并與其給定值（以下簡稱SP值）進(jìn)行比較，得到偏差值（以下簡稱e 值），調(diào)節(jié)器按此偏差，并以我們預(yù)先設(shè)定的整定參數(shù)控制規(guī)律，發(fā)出控制信號，去改變調(diào)節(jié)器的開度，使調(diào)節(jié)器的開度增加或減少，從而使現(xiàn)場控制對象值發(fā)生改變，并趨向于給定值（SP 值），以達(dá)到控制目的。

如圖2 所示，其實(shí)PID 的實(shí)質(zhì)，就是對偏差（e值）進(jìn)行比例、積分、微分運(yùn)算，根據(jù)運(yùn)算結(jié)果，控制執(zhí)行部件的過程。

圖2 PID 工作基理圖

（2）比例（P）控制。其能迅速反應(yīng)誤差，從而減小穩(wěn)態(tài)誤差。但是，比例控制不能消除穩(wěn)態(tài)誤差。比例放大系數(shù)的加大，會引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。

（3）積分（I）控制。其作用是，只要系統(tǒng)有誤差存在，積分控制器就不斷地積累，輸出控制量，以消除誤差。因而，只要有足夠的時間，積分控制將能完全消除誤差，使系統(tǒng)誤差為零，從而消除穩(wěn)態(tài)誤差。但是積分作用太強(qiáng)，會使系統(tǒng)超調(diào)加大，甚至使系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩。

（4）微分（D）控制。其可以減小超調(diào)量，克服振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高，同時加快系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度，減小調(diào)整時間，從而改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。

根據(jù)不同的被控對象的控制特性，又可以分為P、PI、PD、PID 等不同的控制模型。

2.4 PID 控制器的參數(shù)整定

PID 控制器的參數(shù)整定，是控制系統(tǒng)的核心內(nèi)容。其是根據(jù)被控過程的特性，確定PID 控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。

PID 控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：

（1）理論計算整定法。主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計算數(shù)據(jù)，未必可以直接用，還必須通過工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。

（2）工程整定方法。主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡單、易于掌握，在實(shí)際工程中被廣泛采用。PID 控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。這3種方法各有其特點(diǎn)，其共同點(diǎn)都是通過試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無論采用哪一種方法，所得到的控制器參數(shù)，都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善。

3 結(jié)束語

PID 控制原理的優(yōu)點(diǎn)，在于能夠在控制過程中，根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的控制規(guī)律，不停地自動調(diào)節(jié)控制量，以使被控系統(tǒng)朝著設(shè)定的平衡狀態(tài)過渡，最后達(dá)到控制范圍精度內(nèi)的穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。根據(jù)實(shí)際情況確定PID 的各種參數(shù)，這項(xiàng)工作可能是費(fèi)時的,但做好了,將會提高控制器的使用效果，達(dá)到較高的控制精度。

[1]王魁漢. 溫度測量實(shí)用技術(shù)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[2]姜忠亮，陳秀云，編著.溫度的測量與控制[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[3]于常光主編.自動控制技術(shù)及應(yīng)用[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2007.