电阻炉温度控制系统设计 

武汉理工大学《过程控制系统与仪表》课程设计说明书

摘要

自动化技术在工业、农业、科技以及人们的日常生活中发挥着重要的作用，而过程控制通常是指连续生产的自动控制，是自动化技术最重要的组成部分。

过程控制系统与仪表在各个领域尤其是工业领域中有着及其广泛的应用。其应用范围覆盖石油、化工、制药、生物、医疗、水利、电力、冶金、轻工、纺织等许多领域。过程控制的主要任务是对生产过程的有关参数，如温度、压力等进行控制，使其保持恒定或按一定规律变化。在保证产品质量和生产安全的前提下，使连续生产过程自动地进行下去。

温度控制是控制系统中最为常见的控制类型之一。电阻炉在国民经济中有着广泛的应用，而大功率的电阻炉则应用在各种工业生产过程中。然而，大多数电阻炉存在着各种干扰因素，将会给工业生产带来极大的不便。因此，在电阻炉温度控制系统的设计中，应尽量考虑到如何有效地避免各种干扰因素而采用一个较好的控制方案，选择合适的芯片及控制算法是非常有必要的。本设计要求用单片机设计一个能在多种领域得到广泛应用的电阻炉温度控制系统。

关键字：过程控制、有关参数、温度控制、电阻炉

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电阻炉温度控制系统设计

1生产工艺和控制原理介绍

1.1生产工艺

电阻炉是工农业生产中常用的电加热设备,广泛应用于冶金、机械、建材等行业，而大功率的电阻炉则应用在各种工业生产过程中。然而，大多数电阻炉存在着各种干扰因素，将会给工业生产带来极大的不便。因此，在电阻炉温度控制系统的设计中，应尽量考虑到如何有效地避免各种干扰因素而采用一个较好的控制方案，选择合适的芯片及控制算法是非常有必要的。

电阻炉是利用电流通过电热体元件将电能转化为热能来加热或者熔化工件

和物料的热加工设备。

电阻炉由炉体、电气控制系统和辅助系统组成。炉体由炉壳、加热器、炉衬（包括隔热屏）等部件组成。电气控制系统包括电子线路、微机控制、仪表显示及电气部件等。辅助系统通常指传动系统、真空系统、冷却系统等，虽炉种的不同而已。 但电阻炉的主要参数由额定电压、额定功率、额定温度、工作空间尺寸。生产率、空炉损耗功率、空炉升温时间、炉温控制精度及炉温均匀性等。

.电阻炉的热效率高。电阻炉不需要燃烧气体，没有因排除燃烧气体而产生的废气造成的热损失。炉膛室内热强度高，能达到较高的温度，因此能是高熔点金属得熔化。除此之外，能满足工件在各种工艺樊为中的要求，并使之成为可控。能用质量流量计对所控气氛进行检测。由保护气氛来保证炉内气氛的清洁。比如保护气氛改为真空，可以将炉内的残余气体抽走，保护气氛改为氢气，各种可随之运出。高纯度的氢气，气含氧量可小于0.1ppm，气露点小于－70℃。能够满足工作空间温度场均匀分布和恒温的精度要求。比如在48小时内温度漂移±0.5℃。

整个工艺过程能用微机和智能化程序控制。有利于连锁保护，报警、防爆、数显、曲线记录。操作简单，寿命长，安全有保障。场所利用率大，噪声较稳定等特点。

在工业生产中，温度是极为普遍又极为重要的热工参数之一，为了保证生产

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过程正常安全的运行，提高产品的质量，减轻工人的劳动强度，同时节约能源,须要求加热用的各种电炉在一定的条件下保持恒温，不能随电压的波动而变化.或者有的电炉根据工艺要求按照某个指定的升温或保温律而变化，且超调量小或者无超调量，稳定性好，不振荡。根据工艺的要求不同，大体上可以归纳为以下几个过程：

（1）自由升温段，这一工艺过程要求执行元件向电阻炉输送最大能量，使加热炉全速升温到某一值，升温的时间和速度没有具体要求，这时单片机不需要进行控制工作，只需检测炉温。

（2）恒温段，这一工艺过程是温度控制的主要工艺过程，它要求控制系统保证炉温在各种干扰下能稳定在允许范围内。

（3）自由降温段，这一工艺过程中执行元件不再向炉子输送能量，让其自然冷却到某一温度，此时单片机只需监测炉温即可，有时甚至无须做任何工作。

电阻炉温度控制工艺曲线如图1-1所示。

图1-1 电阻炉温度控制的工艺曲线 自由升温 恒温 自然降温 时间 t( s ) 温度θ( °C ) 1.2控制原理

电阻炉温度控制系统是闭合的反馈系统。温控系统主要由温度传感器、温度调节仪、执行装置、被控对象四个部分组成，其系统结构图如图1-2所示。被控制对象常常是大容量、大惯性的电热炉温度对象，是典型的多阶容积迟后特性，在工程上往往近似为包含有纯滞后的二阶容积迟后。

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干扰f+e-给定值控制器执行器被控对象被控量测量值变送器

图1-2 系统控制结构框图

电阻炉按热量产生的方法不同，可分为间接加热式和直接加热式二大类。间接加热式电阻炉、就是在炉子内部有专用的电阻材料做的发热元件。电流通过加热元件时产生热量，再通过热的传导、对流、辐射而使放置在炉中的炉料被加热。直接加热式电阻炉，电源直接接在所需加热的材料上，使强大的电流直接流过所需加热的材料而使材料自己发热达到加热效果。工业电阻炉，大部分是采用间接加热式的，只有一部分因加热工艺人的特殊需要而采用直接加热式。按传热方式，电阻炉分为辐射式电阻炉和对流式电阻炉。辐射式电阻炉以辐射传热为主，对流传热作用较小；对流式电阻炉以对流传热为主，通常称为空气循环电阻炉，靠热空气进行加热，炉温多低于650℃。

电阻炉温度控制往往不是直接控制系统的温度，直接控制系统温度也是不太可能实现的，经常是直接控制电阻炉的电压或电流从而控制电阻炉的温度，进而控制电阻的产热，通过电阻的产热来控制温度。随着生产过程中被加热物料的变化，电阻炉内的温度必然变化，所以必须经温度检测与变送装置及时测得温度，以便温度控制器作用于执行结构从而使电阻炉内的温度满足需要。

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2控制方案设计

要进行控制系统设计必须先明确过程控制系统方案设计的基本要求，生产过程对过程控制系统的要求可简要归纳为安全性、稳定性和经济性三个方面。控制系统的技术要求与性能指标一般由生产过程设计制造单位或用户提出，这些技术要求与性能指标是控制系统设计的基本依据，设计者必须全面、深入的了解与掌握。技术要求与性能指标必须科学合理、切合实际。其次要知道过程控制系统设计的主要内容即包括控制系统方案设计、工程设计、工程安装和仪表调校、调节器参数整定等四个主要内容。其中控制方案设计是控制系统设计的核心。

2.1被控参数选择

被控参数又称作被控变量，是指生产过程中希望借助自动控制保持恒定值（或按一定规律变化）的变量。合理选择被控变量，关系到生产工艺能否达到稳定操作、保证质量、保证安全等目的。

被控变量的选择依据：

（1）根据生产工艺的要求，找出影响生产的关键变量作为被控变量。 （2）当不能用直接工艺参数作为被控变量时，应选择与直接工艺参数有单值函数关系的间接工艺参数作为被控变量。

（3）被控变量必须有足够大的灵敏度且容易被测量。 （4）选择被控变量时，必须考虑工艺合理性。

显然对于电阻炉温度控制系统被控参数基本上都是电阻炉内的温度值，控制的目标就是使电阻炉内的温度恒定在某个允许的范围内或者是按某种规律变化。

2.2控制变量选择

控制变量又称操纵变量，把用来克服干扰对被控变量的影响，实现控制作用的变量称为控制变量或操纵变量。最常见的操纵变量是介质的流量，也有以转速、电压等作为操纵变量的。被控变量选定以后，应对工艺进行分析，找出所有影响被控变量的因素。在这些变量中，有些是可控的，有些是不可控的。在诸多影响被控变量的因素中选择一个对被控变量影响显著且便于控制的变量，作为控制变量；其它未被选中的因素则视为系统的干扰。

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