適合實踐教學的新型溫控系統(tǒng)設計

陳衛(wèi)紅，鄧曉剛

（中國石油大學（山東）信息與控制工程學院，山東 青島 266580）

加熱爐廣泛應用于冶金、石油、石化、食品、化工等各類工業(yè)生產(chǎn)過程中，是一種較為典型的溫度控制對象，也是生產(chǎn)過程中能量消耗的主要設備之一。研究加熱爐裝置的特性和控制方法，對于工廠節(jié)能降耗具有重要的意義，是目前工業(yè)界和學術界的關注焦點之一［1］。在石油院校的教學和實踐過程中，開展與加熱爐裝置相關的實踐教學，使學生初步了解實際的工業(yè)裝置并掌握這類裝置的基本工作原理和控制方法，具有十分重要的意義。本次設計的加熱爐溫控系統(tǒng)服務對象為學生的實踐教學，這就要求該系統(tǒng)具有培養(yǎng)、訓練學生能力的同時，還要能反映工業(yè)生產(chǎn)過程中溫度控制系統(tǒng)的一些典型特性，同時要求安全、美觀、接口方便實用等。

1 系統(tǒng)整體設計方案

溫度控制系統(tǒng)是比較常見的典型的過程控制系統(tǒng)。電加熱爐溫度控制系統(tǒng)的工作原理框圖見圖1。由測溫元件檢測到電加熱爐的溫度，經(jīng)過溫度變送單元轉換為電信號，經(jīng)過控制器采集后與設定溫度進行比較，控制器根據(jù)偏差信號計算出相應控制量并輸出，經(jīng)過控制可控硅的導通角來控制電阻絲中電流，進而控制電加熱爐溫度，使電加熱爐的實際溫度向著給定溫度變化并最終達到給定溫度，直到符合我們的要求為止［2］。

圖1 電加熱爐溫度控制系統(tǒng)原理框圖

2 溫控加熱爐系統(tǒng)硬件設計

一個簡單的溫控加熱爐（簡稱溫控爐）包括加熱系統(tǒng)、溫度測量單元和溫度控制單元等幾個主要部分。通過各個單元與控制軟件的共同協(xié)調達到對溫控爐的控制?？紤]到在實驗室中使用，加熱系統(tǒng)可采用小型電阻加熱絲加熱即可，特性明顯、檢測方便、安全可靠，能滿足使用要求。為了使加熱爐對象特性更加豐富，增加了散熱負載風扇設計。這樣可以就一個溫控爐系統(tǒng)，通過適當調整對象參數(shù)，展開多種控制方法研究，避免重復投資設計，具有一定的開放性。

2.1 溫控加熱爐的特性分析及設計

溫度是反映溫控爐性能的主要參數(shù)，然而溫度控制過程是一個典型的非線性、純滯后過程，過程存在時滯τ。

時滯τ的存在不利于系統(tǒng)控制。測量時有了時滯時，控制器無法及時發(fā)現(xiàn)被控變量的變化情況；控制對象有了時滯τ時，控制作用不能及時產(chǎn)生調節(jié)效果。經(jīng)典控制理論的根軌跡法或頻率法都同樣可得出τ不利于控制的結論。τ/T是一個無量綱的值，它反映了時滯的相對影響。這就是說，在時間常數(shù)T大的時候，τ的值稍大一些也不要緊，過渡過程盡管慢一些，但很易穩(wěn)定；反之，在T小的時候，即使τ的絕對數(shù)值不大，影響卻可能很大，系統(tǒng)容易振蕩。一般認為τ/T≤0.3的對象輕易控制，而τ/T＞（0.5～0.6）的對象較難處理，往往需用特殊控制規(guī)律。

溫控爐正是符合上述時滯分析的對象，由于其溫度受多個干擾影響，時滯τ為一個變值，這使得溫控爐的控制更加復雜，更加容易產(chǎn)生較大超調或振蕩。針對不同的控制方法，可以調整散熱負載風扇的轉速，改變時滯τ，使得τ/T在合適的范圍。比較控制效果，這里通過算法和對象參數(shù)的組合可以衍生出多種比較，可研究內容極為豐富。

2.2 溫度檢測及信號處理單元設計

溫度的測量方法有很多［3－5］，根據(jù)測溫的方式可以分為接觸式和非接觸式測溫兩大類，兩種測量方式各有千秋，一般來說，接觸式測溫的測量精度高，應用廣泛，簡單、可靠，但由于測溫元件與被測介質需要進行充分的熱交換，需要一定的時間才能達到熱平衡，會存在一定的測量滯后，而且有可能與被測介質產(chǎn)生化學反應，特別對于熱容量小的被測對象，還會因傳熱而破壞被測物體原有的溫度場，測溫上限也受到感溫材料耐溫性能的限制，不能用于很高溫度的測量，另外對運動狀態(tài)的固體測量困難較大；非接觸式測溫目前在工業(yè)上還是以輻射式測溫為主，它的特點是測溫元件的任何部位均不與被測物體相接觸，而是通過被測物體與感溫元件之間的熱輻射作用實現(xiàn)測溫，因而其反映速度較快，測溫范圍較廣，原理上不受溫度上限的限制，但受到物體的發(fā)射率、對象到儀表之間的距離、煙塵和水蒸氣等其他介質的影響，故測溫的準確性一般不高，抗干擾性較差。當前用于溫控爐的溫度測量主要是采用接觸式熱敏電阻測量和熱電偶測量，對于小型電阻加熱爐采用熱敏電阻測溫更為簡便。熱敏電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測器，它的主要特點是測量精度高，且性能穩(wěn)定。本系統(tǒng)中采用MF58型高精度負溫度系數(shù)熱敏電阻器及其外圍電路，組成溫度信號采集電路。MF58型高精度負溫度系數(shù)熱敏電阻器有許多優(yōu)點：穩(wěn)定性好，可靠性高；阻值范圍寬（0.1～1 000kΩ），阻值精度高；由于玻璃封裝，可在高溫等惡劣環(huán)境下使用；體積小、重量輕、結構堅固；熱感應速度快、靈敏度高。

測溫電路為熱敏電阻與固定電阻串聯(lián)構成的一個簡單直流通路，由于熱敏電阻的阻值隨其周圍溫度而變化，因此測溫電路的輸出電壓也隨之發(fā)生一定幅度的變化，但在一定溫度范圍內測溫電路的輸出信號幅值較小且有脈動干擾，無法為數(shù)據(jù)采集卡提供準確的溫度信號，所以必須將溫度信號進行放大和濾波處理得到幅值符合要求、波形平滑的標準信號。利用放大器構建了信號轉換電路——兩級反相輸入加法運算放大電路，如圖2所示，同時考慮到測溫電路的輸出信號為電壓較低、電流較小、負載能力低的直流信號，所以選擇π形RC濾波電路，并且其中的R的阻值盡可能的小。經(jīng)過系列放大、濾波處理后，得到了線性度較好、符合要求的0～5V工業(yè)標準測量信號。

2.3 數(shù)據(jù)采集卡的選取與簡介

考慮到LabVIEW開發(fā)軟件環(huán)境和使用的便利，選用了美國國家儀器公司（NI）的 NI USB－6008數(shù)據(jù)采集 卡［6］，其為 LabVIEW 軟件的配套 產(chǎn) 品。NI USB－6008提供了4路模擬輸入通道（AI）、2路模擬輸出通道（AO）、12路數(shù)字輸入輸出通道（DIO）以及12位的全速USB通信端口。NI USB－6008特性數(shù)據(jù)見表1。

表1 NI USB－6008特性數(shù)據(jù)

NI USB－6008配備了一個可分離式模擬信號專用接線排和一個可分離式數(shù)字信號專用接線排。這些接線排提供了16個可使用16－28AWG線的接口。

（1）模擬輸入。NI USB－6008的I/O接口提供了模擬信號的輸入，圖3為NI USB－6008的模擬輸入電路示意圖。

MUX：NI USB－6008的模擬數(shù)字轉換器，該多路器（MUX）可以在同一時間發(fā)送AI至PGA。

PGA：在設置為微分測量時，程序增益放大器提供1、2、4、5、8、10、16、20的輸入增益；當設置為單精度終端測量時，程序增益放大器的增益為1。

A/D轉換器：模擬數(shù)字轉換器通過轉換模擬電壓至數(shù)字編碼提供數(shù)字化的AI信號。

AI FIFO：NI USB－6008能進行固定的或無限大值采樣的單路和多路A/D轉換；先入先出（FIFO）緩沖器可以在AI獲取數(shù)據(jù)時保存數(shù)據(jù)，保證了數(shù)據(jù)不會丟失。

圖2 信號轉換電路

（2）模擬輸出。NI USB－6008有2路獨立的 AO通道，可以產(chǎn)生0～5V的輸出電壓。所有AO輸出都由軟件控制。

DACs：DACs為數(shù)字模擬轉換器，轉換數(shù)字編碼為模擬電壓。

另外，NI USB－6008提供了5V、200mA的輸出，可以用來驅動外部部件。

圖3 NI USB－6008模擬輸入電路示意圖

2.4 溫控執(zhí)行單元設計

溫控爐的控制電路［7－10］采用雙向晶閘管斬波調壓法來控制電熱絲的供電，其原理電路見圖4，雙向晶閘管BT137是電熱絲電路導通開關，其觸發(fā)信號由光控晶閘管MOC3021導通的交流電源產(chǎn)生，MOC3021的觸發(fā)端為發(fā)光二極管，發(fā)光二極管的正端與＋5V接通，控制端DO2只要發(fā)出一個低電平，發(fā)光二極管發(fā)光，MOC3021則會導通交流電源，其作用在雙向晶閘管BT137的門極，使BT137導通交流電源，此時電熱絲開始加熱；相反DO2發(fā)出高電平就會使BT13 7關斷，電熱絲停止加熱?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)測溫信號計算出控制信號，適時送出高低電平PWM波即可對溫控爐實現(xiàn)溫度控制作用。

圖4 加熱爐溫控原理電路

雙向晶閘管BT137的門極觸發(fā)信號由其所控制的交流信號AC來提供，這樣的電路特點是門極信號可以根據(jù)主電路的信號波形及時變換方向，使雙向晶閘管及時改變導通方向。

3 溫控爐控制系統(tǒng)軟件設計

溫控爐控制系統(tǒng)的軟件設計完全由LabVIEW軟件制作完成［11－12］。LabVIEW 是一個功能強大而且靈活的圖形化編程軟件，使用圖形化程序設計語言，用框圖代替了傳統(tǒng)的程序代碼，編程的過程即是使用圖形符號表達程序行為的過程，源代碼不是文本而是框圖。利用LabVIEW編程稱為視覺設計（VI），1個VI有3個主要部分組成：框圖、前面板和圖標/連接器，框圖是程序代碼的圖形表示。在學生完成軟件設計過程中，不僅鞏固了自動控制多方面知識，同時新學了一門實用化的編程技能，達到了很好的鍛煉效果。

軟件設計分為前面板部分（見圖5）和后臺程序部分（見圖6），前面板為界面部分，是一個基本控制器的操作面板，主要分為控制參數(shù)設置區(qū)、報警值設置區(qū)、手/自動控制開關區(qū)、控制曲線顯示區(qū)?？刂茀?shù)設置區(qū)放置一些用于調節(jié)和設定控制器參數(shù)的文本輸入框，可以根據(jù)控制要求和即時控制狀況調整控制參數(shù)；報警值設置區(qū)放置有高低報警設定值輸入框及高低報警燈，可以隨時調整報警值，顯示系統(tǒng)危險狀態(tài)；手自動控制開關區(qū)放置有手/自動切換開關和正/反作用開關，用于隨時調整手/自動控制和正/反作用；控制曲線顯示區(qū)放置有一個實時顯示示波器，可以及時、準確地顯示系統(tǒng)參數(shù)，體現(xiàn)系統(tǒng)控制效果。

圖5 控制器前面板

圖6 控制器后臺程序

前面板的設置僅僅是保證了視覺效果上的方便、簡易，實際控制的完成還需要對前面板中添加的各個圖標、模塊進行連接，包含有框圖、圖標/連接器等，所有這些工作都是在后臺程序中完成。

該程序從視覺上可以明顯看出formula node（公式結點）作為控制器程序的核心，所有圖標全部圍繞著formula node（公式結點）進行放置和連接。在formula node中可以根據(jù)加熱爐的溫度特性，編寫不同的算法程序，進行常規(guī)的PID控制或各種先進控制算法研究，開放性非常好，讓不同需求的學生都有較好的鍛煉效果。

4 控溫爐系統(tǒng)測試效果分析

為了驗證溫控爐整體系統(tǒng)性能，分別作了無散熱系統(tǒng)常規(guī)PID控制效果測試和有散熱系統(tǒng)常規(guī)PID控制效果測試及有散熱系統(tǒng)模糊PID控制效果測試［12－13］，分別得到下列測試結果曲線（負特性，電壓下降溫度上升，反之則溫度下降）。

無散熱系統(tǒng)常規(guī)PID控制效果曲線見圖7（a），可以看出，由于溫控爐具有很大的滯后特性，并且升溫快、降溫慢等，導致了PID控制效果不佳，測量值跟蹤慢且不易穩(wěn)定，調節(jié)時間長。

從圖7（b）可以看出，設計有散熱系統(tǒng)的溫控爐常規(guī)PID控制時滯性有所改善（風扇轉速不一樣，系統(tǒng)特性也不一樣，可根據(jù)要求隨時調節(jié)），測定值PV追隨給定值SV時間縮短，最終可平穩(wěn)地控制在SV處。

有散熱系統(tǒng)模糊PID控制效果曲線見圖7（c）所示，可以看出，溫控爐的快速升溫導致的極大超調被明顯削弱了，PV（測定值）迅速地追隨SV（給定值），并較為平緩、穩(wěn)定的控制在SV處，無較大超調和振蕩，控制誤差保持在5%范圍內，符合控制要求，較好地克服了溫控爐大滯后特性，控制效果改善明顯。

5 結束語

通過實踐證明，這套自行設計的溫控系統(tǒng)非常適合高校與控制相關的專業(yè)實踐教學，特別適合課程設計、綜合實踐、畢業(yè)設計等課時集中、周期較長、動手較多的教學環(huán)節(jié)使用，讓學生從硬件、軟件、系統(tǒng)結構、理論應用等各方面得到全方位的鍛煉。該系統(tǒng)不但適合本科教學使用，同樣也適合部分研究生針對溫度這一典型工業(yè)參數(shù)進行先進控制算法研究，為今后的工作打下良好的基礎。

圖7 加熱爐控制效果

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［1］王樹青，載連奎，于玲.工業(yè)過程控制工程［M］.北京：化工工業(yè)出版社，2003.

［2］賴壽宏.微型計算機控制技術［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2004.

［3］陳輝，陶中幸，楊小川.半導體熱敏電阻在溫度控制中的應用［J］.甘肅聯(lián)合大學學報：自然科學版，2011，25（1）：48.

［4］王魁漢.溫度測量實用技術［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2007.

［5］高 冰 張 萍.一種新型溫控系統(tǒng)設計［J］.廣東技術師范學院學報，2008（12）：72－74，94.

［6］National Instruments.NI USB－6008/6009User Guide and Specifications［Z］.National Instrments：2008.

［7］劉樹林.低頻電子線路［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2007.

［8］林輝，王輝.電力電子技術［M］.武漢：武漢理工大學出版社，2010.

［9］靳含飛.基于新型脈寬調制技術的溫控系統(tǒng)的熱設計［J］.電訊技術，2011（5）：119－122.

［10］鄭莉莎.電阻加熱爐電控系統(tǒng)中晶閘管的控制及選型［J］.有色金屬加工，2006（12）：55－56.

［11］程學慶，薪莘，房曉溪.LabVIEW圖形化編程與實例應用［M］.北京：中國鐵道出版社，2005.

［12］鄭榮，黎建鋒，行耿順.預估模糊控制在溫度控制中的應用［J］.自動化技術與應用，2007，26（6）：36－37.

［13］王春艷.模糊PID在加熱器溫控系統(tǒng)中的應用［J］.化工自動化及儀表，2012，39（3）：366－368.