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合肥工业大学《计算机控制技术》课程设计——电阻炉温度控制系统设计学院专业姓名学号＿_＿__＿_ _＿＿＿____ ＿完成时间摘要:电阻炉的类型根据其热量产生的方式不同，可分为间接加热式和直接加热式两大类。
间接加热式电阻炉,就是在炉子内部有专用的电阻材料制作的加热元件,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,是将电源直接接在所需加热的材料上,让强大的电流直接流过所需加热的材料，使材料本身发热从而达到加热的效果。
工业电阻炉,大部分采用间接加热式，只有一小部分采用直接加热式。
由于电阻炉具有热效率高、热量损失小、加热方式简单、温度场分布均匀、环保等优点，应用十分广泛.关键词:炉温控制；高效率;加热一、总体方案设计本次课程设计主要就是使用计算机以及相应的部件组成电阻炉炉温的自动控制系统，从而使系统达到工艺要求的性能指标。
１、设计内容及要求电阻加热炉用于合金钢产品热力特性实验，电加热炉用电炉丝提供功率,使其在预定的时间内将炉内温度稳定到给定的温度值。
在本控制对象电阻加热炉功率为8KW，有220Ｖ交流电源供电,采用双向可控硅进行控制。
２、工艺要求及要求实现的基本功能本系统中所选用的加热炉为间接加热式电阻炉，控制要求为采用一台主机控制8个同样规格的电阻炉温度;电炉额定功率为20 kＷ；)恒温正常工作温度为１000℃,控温精度为±１%;电阻炉温度按预定的规律变化,超调量应尽可能小，且具有良好的稳定性;具有温度、曲线自动显示和打印功能，显示精度为±１℃;具有报警、参数设定、温度曲线修改设置等功能。
3、控制系统整体设计电阻炉温度计算机控制系统主要由主机、温度检测装置、A/D转换器、执行机构及辅助电路组成.系统中主机可以选用工业控制计算机、单片微型计算机或可编程序控制器中的一种作为控制器,再根据系统控制要求,选择一种合理的控制算法对电阻炉温度进行控制。
１引言温度是工业过程控制中主要的被控参数之一，在冶金、化工、建材、食品、石油等工业中，工艺过程所要求的温度的控制效果直接影响着产品的质量。
对于不同场所、不同工艺、所需温度高低范围不同、精度不同，则采用的测温元件、测温方法以及对温度的控制方法也将不同，随着电子技术和微型计算机的迅速发展，微机测量和控制技术得到了迅速的发展和广泛的应用。
越来越显示出其优越性。
随着集成电路技术的发展，单片微型计算机的功能不断增强，许多高性能的新型机种不断涌现出来。
单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低和开发周期短等优点，成为自动化和各个测控领域中广泛应用的器件，在温度控制系统中，单片机更是起到了不可替代的核心作用。
在工业生产中，如用于热处理的加热炉、用于融化金属的坩锅电阻炉等，都用到了电阻加热的原理。
鉴于单片机技术应用的广泛性和优越性，温度控制的重要性，因而设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的。
本文就是根据这一思想来展开的。
1.1 系统设计的目的和任务1.1.1 系统设计的目的通过本次毕业设计,主要想达到以下目的：1. 增进对单片机的感性认识，加深对单片机理论方面的理解。
2. 掌握单片机的内部功能模块的应用，如定时器/计数器、中断、片内外存贮器、I/O口等。
3. 了解和掌握单片机应用系统的软硬件设计过程、方法及实现，为以后工作中设计和实现单片机应用系统打下基础。
4. 熟悉闭环控制系统的组成原理及单片机ＰＩＤ算法的实现方法。
1.1.2 系统设计的任务1．查阅资料，弄清楚所要解决的问题的思路，确定设计方案。
2．系统硬件电路设计。
3．系统相关软件设计。
4．仿真实现温度参数设定、转换、显示等功能。
5．依据对象模型设计控制器参数，6．系统调试与分析；并依据调试结果予以完善。
1.2毕业设计论文安排1.论证系统设计方案，设计系统原理图。
2.系统硬件设计与测试。
3.绘制软件设计流程图，设计软件功能模块并调试。
4.系统仿真与调试。
摘要介绍了将达林算法用于电阻炉温度的计算机控制系统中的结构、原理。
阐述了大林算法作为一种直接数字设计法，适用于被控对象为滞后的系统。
电阻炉作为工业炉窑中的一种常用加热设备被广泛应用于工业生产中。
对电阻炉温度控制精确与否将直接影响到产品的质量和生产效率。
电阻炉是一种具有纯滞后的大惯性系统，开关炉门、加热材料、环境温度以及电网电压等都影响控制过程，传统的电阻炉控制系统大多建立在一定的模型基础上，难以保证加热工艺要求。
本文将PID控制算法引入到传统的电阻炉控制系统中，借此提高其控制效果。
设计一个控制精度高、运行稳定的电阻炉温度控制系统是很有必要的。
仿真结果表明，该算法优于常规PID算法，是一种较好的控制算法。
关键词：炉温控制、PID算法、大林算法AbstractThe paper introduces Dahlin Algorithm used in resistance furnace’s temperature computer control system. Dahlin Algorithm is a direct digital design method, it adapts to the plant with delay. Resistance furnace was widely used in industrial production, the effect of the temperature control of Resistance furnace has a direct impact on product quality and productivity. Therefore, the design of a high-precision control and stable operation of the resistance furnace temperature control system has a high application value. Simulations show this method is better than ordinary PID algorithm, it is a good control method.Key words: furnace’s temperature; Dahlin Algorithm; PID control;目录第1章绪论 (1)1.1 电阻炉的简介 (1)1.2 电阻炉温度控制研究的目的及意义 (2)1.3 电阻炉温度控制系统的研究状况 (2)1.3.1 国际发展现状 (3)1.3.2 国内发展现状 (3)1.4本论文的设计任务 (3)第2章控制系统分析 (5)2.1 被控对象分析 (5)2.1.1 纯滞后介绍 (5)2.1.2 控制器分析 (5)2.2 PID算法 (6)2.2.1 数字PID控制器 (7)2.2.2 数字PID的参数整定 (8)2.3大林算法 (9)第3章控制系统的设计与仿真 (12)3.1 PID控制器控制下的系统仿真 (12)3.2 大林控制算法下的系统仿真 (15)3.3 大林控制算法和PID控制器的比较 (16)第4章振铃现象及扰动分析 (18)4.1 振铃现象 (18)4.2 扰动下的系统性能分析 (18)第5章课程设计心得 (19)参考文献 (20)第1章绪论1.1 电阻炉的简介我们所讲的普通电阻加热炉属于工业炉，而非是锅炉，常见的锅炉不属于此类高温工业炉范畴，锅炉属于能源转化设备，例如：采暖锅炉是将煤转化为热能。
电阻炉炉温控制系统设计1课程设计规定1.1 课题内容应用计算机旳实时监控和温度测量技术，采用单片机、温度检测电路、温度控制电路等，采用比例环反馈、数字PID闭环调整两种方式实现电阻炉炉温旳实时监控。
1.2 规定和技术指标用单片机和对应旳构成部件构成电阻炉温旳自动控制系统，规定测温范围0～100℃，使其控制系统控制旳温度保温值旳变化范围为30～60℃。
规定：（1）完毕电阻炉温度控制系统设计，包括硬件电路设计和软件程序设计；（2）采用LED实时显示控温时旳实际炉温和设定炉温，如将炉温加热并控制在60℃；当炉温工作至设定温度时，蜂鸣器每2秒报警一次，绿色LED灯常亮。
当炉温超过设定温度5℃，过温保护电路动作，蜂鸣器常鸣，红色LED常亮。
（3）对其主电路和控制电路设计对应旳保护电路，使其安全可靠地工作。
（4）具有防干烧功能。
（5）具有定期功能，设定一段时间自动加温，如1分钟。
1.3 元器件清单另有剪刀、镊子等工具表1.1 元器件清单2电路设计2.1 总体设计方案基本方案：运用温度变送器和温度检测电路将电阻炉实际温度转换成对应旳数字信号，送入单片机，进行数据处理后，通过显示屏显示温度，并判断与否报警，同步将实际炉温与设定温度比较，根据对应旳算法(如PID)计算出控制量，通过控制对应旳加热电路实现对炉温旳控制。
本系统采用STC89C52作为系统旳主控芯片，负责加热炉旳温度检测与控制。
其重要任务是：1、读取DS18B20旳温度数据；2、控制继电器通断，保证温度到达设定值并保温；3、读取键盘设置旳温度值；4、在LED上显示设置旳温度、目前温度以和恒温时间；5、当温度抵达警戒值旳时候控制蜂鸣器报警。
图2.1 总体构造图由于加热炉仅能通过通断电路控制，不具有良好旳可控性，且加热所需旳速度和精度规定并不高，这里无需使用PID算法这样旳高速跟踪算法，只要使用二次线性化旳措施控制，就可以很好地实现炉子旳加热和恒温控制了。
高辐射覆层节能技术
技术适用范围
适用于工业炉窑节能技术改造。
技术原理及工艺
通过在蓄热体表面涂覆一层高发射率的材料，形成具有更高换热效率的复合蓄热体结构，提高蓄热体蓄热、放热速率，提高炉窑热效率；根据斯蒂芬-玻尔兹曼定律和基尔霍夫定律，辐射传热与物体表面发射率和温度的四次方成正比，并且材料的吸收率与发射率相等，当物体表面的发射率提高后吸收热量的能力也相应提高。
因此，将蓄热体表面发射率提高，则可增强蓄热体辐射传热效率，大幅度提高炉窑热效率。
应用示意图如下：
技术指标
（1）发射率≥0.89；
（2）附着力≥2 级；
（3）耐火度＞1700℃；
（4）提高蓄热体蓄热量10%。
技术功能特性
（1）可以在热风炉等高温窑炉冷热交替的环境下保持长期稳定使用不脱落；
（2）综合降低煤气消耗5%，节能效果稳定长久；
（3）改善耐材各项物理性能、延缓耐材渣化。
应用案例
首钢京唐（曹妃甸）2＃5500m3 高炉4 座热风炉及 2 座预热炉改造项目。
技术提供单位为山东慧敏科技开发有限公司。
（1）用户用能情况简单说明
节能改造前，高炉年均消耗高炉煤气257459 万m3。
（2）实施内容与周期
2#5500m3 高炉的4 座热风炉上部50 层、2 座预热炉上部25 层格子砖共计36.5 万块格子砖涂覆高辐射覆层。
实施周期 3 个月。
（3）节能减排效果及投资回收期。
加热炉设备介绍加热炉是将物料或工件加热的设备。
按热源划分有燃料加热炉、电阻加热炉、感应加热炉、微波加热炉等。
应用遍及石油、化工、冶金、机械、热处理、表面处理、建材、电子、材料、轻工、日化、制药等诸多行业领域。
在冶金工业中，加热炉习惯上是指把金属加热到轧制成锻造温度的工业炉，包括有连续加热炉和室式加热炉等。
金属热处理用的加热炉另称为热处理炉。
初轧前加热钢锭或使钢锭内部温度均匀的炉子称为均热炉。
广义而言，加热炉也包括均热炉和热处理炉。
连续加热炉包括推钢式炉、步进式炉、转底式炉、分室式炉等连续加热炉,但习惯上常指推钢式炉。
连续加热炉多数用于轧制前加热金属料坯，少数用于锻造和热处理。
主要特点是：料坯在炉内依轧制的节奏连续运动，炉气在炉内也连续流动；一般情况，在炉料的断面尺寸、品种和产量不变的情况下，炉子各部分的温度和炉中金属料的温度基本上不随时间变化而仅沿炉子长度变化。
RJ2系列高温井式电阻炉结构简介：RJ2系列高温井式电阻炉结构，外壳由钢板和型钢制成圆柱形炉体，全部采用密封焊接。
炉衬采用超轻质0.6g/cm3节能真空球耐火保温砖砌筑。
炉衬与炉壳夹层置酸铝纤维毡保温，间隙填充膨胀保温粉。
电阻丝采用0Cr27Al7Mo2高电阻合金丝绕成螺旋状安装在炉膛的搁丝砖上。
炉盖采用手动或电动升降。
如用户提出需要气氛保护使工件减少氧化，可在炉盖上安装有不锈钢三头油注器，滴入甲醇或煤油，以产生简易保护气氛，在炉膛下部安装有氮气进气管道，可通入氮气保护或冲散可燃性气体，以防发生爆炸事故。
为保证操作安全在升降机构附近装有限位开关，此开关与高温井式电阻炉控制柜电源联锁，炉盖关闭时通电源。
当炉盖开启时限位开关即切断控制电源，因此加热元件的电源同时切断，以保证安全操作。
高温井式电阻炉出厂时配套自动控温柜，热电偶。
用途：RJ2系列高温井式电阻炉是国家标准节能型周期作业井式电阻炉，最高温度1200℃，工作温度1200℃，主要供合金钢、高速钢、高锰钢、高铬钢、轴类、管材等金属材料和机械零件在一般气氛或简易保护中进行正火、退火、淬火等热处理用。
一、电阻炉的工作原理电阻炉是以电流通过导体所产生的焦耳热为热源的电炉。
电阻炉以电为热源，通过电热元件将电能转化为热能，在炉内对金属进行加热。
电阻炉和火焰比，热效率高，可达50－80℅，热工制度容易控制，劳动条件好，炉体寿命长，适用于要求较严的工件的加热，但耗电费用高。
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℃。
按电热产生方式，电阻炉分为直接加热和间接加热两种。
在直接加热电阻炉中，电流直接通过物料，因电热功率集中在物料本身，所以物料加热很快，适用于要求快速加热的工艺，例如锻造坯料的加热。
这种电阻炉可以把物料加热到很高的温度，例如碳素材料石墨化电炉，能把物料加热到超过2500□。
直接加热电阻炉可作成真空电阻加热炉或通保护气体电阻加热炉，在粉末冶金中，常用于烧结钨、钽、铌等制品。
采用这种炉子加热时应注意：①为使物料加热均匀，要求物料各部位的导电截面和电导率一致；②由于物料自身电阻相当小，为达到所需的电热功率，工作电流相当大，因此送电电极和物料接触要好，以免起电弧烧损物料，而且送电母线的电阻要小，以减少电路损失；③在供交流电时，要合理配置短网，以免感抗过大而使功率因数过低。
大部分电阻炉是间接加热电阻炉，其中装有专门用来实现电-热转变的电阻体,称为电热体，由它把热能传给炉中物料。
这种电炉炉壳用钢板制成，炉膛砌衬耐火材料，内放物料。
最常用的电热体是铁铬铝电热体、镍铬电热体、碳化硅棒和二硅化钼棒。
根据需要，炉内气氛可以是普通气氛、保护气氛或真空。
一般电源电压220伏或380伏，必要时配置可调节电压的中间变压器。
小型炉（<10千瓦）单相供电，大型炉三相供电。
对于品种单一、批料量大的物料，宜采用连续式炉加热。
炉温低于700□的电阻炉,多数装置鼓风机，以强化炉内传热，保证均匀加热。
第39卷 第6期 2017-06
【43】
叠层控制技术在电阻炉加热控制中的应用
Application of stack control technology in heating control of resistance furnace
苏宗义1，薛煜骞2，胡祥龙3，周 瑶3
SU Zong-yi 1, XUE Yu-qian 2, HU Xiang-long 3, ZHOU Yao 3
（1.中国人民解放军驻石河子大学后备军官选拔培训工作办公室，石河子 832000；2.石河子大学 机电学院，石河子 832000；3.湖南顶立科技有限公司，长沙 410118）
摘 要：在热工装备加热过程中，电阻率随温度增加而降低，高温时的电阻率变化为低温时电阻率的50%～60%。
当电阻下降时要保持功率不变则需要增加电流值，高温区工作时，电流已经达
到了功率调节器的上限，无法输出更大的功率。
叠层控制技术将变压器分为两档电压，通过移相与过零两种调节方式相结合，实现两档电压间的无级调节，自动调节变压器的电流电压，减少谐波污染，提升设备功率因数和功率输出。
关键词：电阻率变化；叠层控制技术；无级调节；谐波污染；功率因数中图分类号：TP29 文献标识码：A 文章编号：1009-0134(2017)06-0043-02
收稿日期：2017-04-25
作者简介：苏宗义（1976 -），男，陕西岐山人，教授，硕士，研究方向为国防教育、电气自动化。
0 引言
热工装备高温加热时，电阻率会随温度变化而变化，加热元件在低温段，功率输出正常，输出的电压电流与加热电源的匹配性很好，但在高温段，功率输出异常，有时输出的功率甚至只有额定功率的30%，造成严重的大马拉小车现象。
为了解决这一问题，本文引进叠层控制技术进行改进。
1 叠层控制技术
1.1 控制基本模型
晶闸管是一种常用的电力电子器件，本文论述的电路是采用晶闸管来组成的交流调压电路。
如图1所示，把两个晶闸管反并联后串联在交流电路中，通过对晶闸管的控制就可以控制交流电力，这种电路不改变交流电的频率，称为交流电力控制电路。
在这种电路中晶闸管的触发控制方式分为：过零触发和移相触发。
由于过零触发电流冲击大，本文主要对移相触发进行研究。
U
i 图1 电阻负载的晶闸管交流调压电路模型
1.2 移相触发
在每半个周波内，通过对晶闸管开通相位的控制，可以方便地调节输出电压的有效值，这种电路称为交流
调压电路，晶闸管的触发方式叫移相触发。
图2 不同控制角的移相触发的输出波形
根据有效值的定义，可以计算阻性负载的移相触发的输出电压有效值U o 和功率因数η为：
（U i 为输入电压有效值，U o 为输出电压的有效值，
α为图2中的控制角）由功率因数η的计算公式，可以绘制出控制角α与η之间的关系曲线如图3所示。
在移相触发的控制方式下，晶闸管导通时，负载
的电流电压波形都是晶闸管移相调整过的波形，所以晶
闸管的这种触发方式会对电网造成谐波污染，如图3所示，当电源的移相深度越深（控制角α越大）时，电源系统的功率因数越差，相应地，注入电网的电流谐波含
量指标也会变差。
【44】 第39卷 第6期
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2 叠层电源
针对上述情况高谐波、低功率因数弊端，引进了叠层控制电源。
以叠层单相电源模型为例如图4
所示。
图4 原边叠层电源模型
如上图所示为变压器原边两叠层电源模型，进线电源每相采用2组可控硅分别连接到变压器原边的两个抽头。
实际运行中，输入到负载端的电压波形为两层电压的叠加，在很大程度上提高功率因数和减小谐波含量。
3 控制原理及应用
以石墨电炉为例，加热器的负载为石墨。
石墨的阻值是会随温度变化而变化的，通常高温阶段时其电阻率会降低到冷态时的一半左右。
石墨电炉一般采用恒功率运行，由于石墨的电阻率—温度特性，同样功率设定下，低温时需要高电压低电流，而高温时需要低电压高电流。
3.1
低温阶段
叠层波形
非叠层波形
图5 低温阶段输出波形
低温阶段时，由于石墨电阻率高。
此时要达到额定功率则需要高电压。
对于非叠层电源其输出的波形为完整正弦波，此时功率因素高、谐波小。
对于叠层电源其高压档输出波形为完整正弦波，此时功率因素高、谐波小。
因此在冷态时，两种电源效果一样。
3.2 中温阶段
叠层波形
非叠层波形
图6 中温阶段输出波形
中温阶段时，此时负载电阻率较冷态时有小幅下降。
此时要达到额定功率则需要的电压较冷态时有所降低。
对于非叠层电源，此时晶闸管导通角α角度比叠层电源晶闸管导通角α大。
α角度越大，电源产生的谐波越高、功率因素越低。
因此在中温阶段时，叠层电源在
指标上比非叠层电源指标更优。
3.3
高温阶段
叠层波形
非叠层波形
图7 高温阶段输出波形
高温阶段时，石墨电阻率进一步降低，基本达到冷态时的一半。
因此要达到额定功率，输出的电压要求更低。
如果按电阻率下降一半计算。
那么要达到额定功率，此时的电压需要降低到冷态电压的0.7倍。
若叠层电源低电压档电压按照高电压档的0.7倍设计。
那么在高温时，低电压档为完整正弦波输出及能达到额定功率。
此时基本谐波含量极少、功率因素高。
而非叠层电
源要达到额定功率，晶闸管导通角α角度很大，产生的
图3 单相晶闸管移相控制功率因数曲线
【下转第51页】
第39卷 第6期 2017-06
【51】
入液位控制画面，画面有调节阀B 开度和液位高低设定对话框，有调节阀B 开度和液位反馈的实时显示数据，画面还有PI （比例积分）的自学习功能按钮，启动自学习功能，系统会根据工况自动寻找最佳的PI （比例积分）参数，减少人为干预，达到自动精确控制。
并且，自学习完成后，PI 参数自动显示在屏幕上，方便控制。
如果需要手动，则点击画面上的PI 按钮即可。
完成自学习功能后，设定好所需液位，有效PI 功能，超声波液位变送器A 会检测液位数值，并将数值实时传送给控制器PLC ，控制器将实时数据和设定液位数值进行比较，当实时液位大于设定值，控制器发出指令将调节阀B 减小开度或关闭，当实时液位小于设定值，（图1），控制器发出指令，调节阀B 开度增大，补充上浆液到液位槽，维持恒定液位高度。
4 结论
本系统为一种改进的碳纤维上浆工艺，是PI （比例积分）控制，属于智能型的控制功能。
PLC 控制器会根据实际液位数值与设定值之间差值大小来控制调节阀B 开度的大小，当实际数值远低于设定值时，调节阀B 会
被控制全开，当实际数值逐渐接近设定值时，调节阀B 开度也会跟随逐渐变小，直至实际值与设定值相等时，调节阀B 也会完全关闭。
环境温度的变化会影响上浆液的稳定性，因此上浆槽设计加装夹层（如图1所示），夹层中通入恒温水，温度控制在25°C ±2范围内，位于恒温水槽中的水，夏天通过冷冻机冷却，冬天通过流体加热器加热，保证液位槽内的浆液温度维持恒定，不超过25°C ±2范围。
此上浆系统，系统解决了碳纤维上浆工艺问题，保证碳纤维的质量，为碳纤维的应用奠定坚实基础，产品合格率提升了30%。
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谐波很高、功率因素很低。
因此在高温阶段时，叠层电源较非叠层电源优势更加明显。
4 结果检验
以150kW 的石墨电阻炉为实例，用单层电源和叠层电源分别对设备进行加热，数据拟合曲线如图8所示。
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图8 功率因数对比
5 结论
叠层控制技术主要是通过在电源的运行过程中根据实际使用电压等级的情况实现电压等级的自动切换，从而使晶闸管可以长时间以接近全导通的状态工作。
综上
图8～图9曲线可以得出，与单层电源方案相比，叠层控制方案的功率因数、谐波等电源指标效果更优。
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图9 谐波畸变率对比
【上接第44页】。
