过程温度控制

摘要:本文主要介绍工业过程中以温度为被控量，对工业过程进行控制，以实现生产目

标所用的一种简单温度控制系统。该温控系统可以通过热敏电阻将温度信号转换成温度信号，再放大后输出检测以实现温度控制。

关键字：温控系统系统；控制；

1.温度控制概述

1.1．温度控制的发展现状及意义

温度是工业生产与日常生活中一个重要的物理量，在农业.现代科学研究和高新技术开发中也是一个非常普遍和常用的物理测量参数。例如钢铁生产过程中，按照工艺条件的规定保持一定的温度才能保证产品质量和设备的安全。

近年来，温度控制的发展尤为迅速。国内外市场上已出现了多种多样的温度控制仪表，应用于各个方面。例如，呢挂钩进行程序空文的智能多段温度控制仪表，能够实现数字PID和各种复杂控制规律的智能式温度调节器等。

1.2．温度控制系统的应用

温度控制应用广泛，无论是重工业中各种机器的制造，还是轻工业中的生产，或者日常生活中的衣食住行，都与温度关系重大，温度控制也就或直接或间接的应用于工业生产或者日常生活中。

2.温度控制系统

2.1．温度控制系统定义

保证环境控制系统中某部位或空间的介质温度或壁面温度在规定的范围内，以满足座舱或设备仓的热力要求的成套设备

2.2．温度控制系统组成

控制器，执行机构，仪表等测量工具，被控对象及其相关报警，保护和连锁组成过程控制系统。温度控制系统就是过程控制系统中以温度为被控量的过程控制系统。

图1 控制系统的组成

2.3．温度控制系统工作原理

在温度控制的闭环控制系统中，仪表等测量工具对被控变量即输出变量进行测量，将测量值与所需值进行比较，将反馈结果输送到控制器里，控制器将比较结果进行分析，然后发出指令到执行机构，再有执行机构工作以实现工作实际温度向理论温度靠拢。

3.温度控制系统设计步骤

3.1．按照要求选择控制目标跟被控变量，确定温度为系统变量

选择被控变量的基本原则为：选择对控制目标起重要影响的输出变量为被控变量；选择可直接控制目标质量的输出变量作为被控变量；在以上前提下，选择与控制变量之间的传递函数比较简单.动态和静态特性较好的输出变量作为被控变量；有些温控系统存在控制目标不可测的情况，则可选择其他能够可靠测量，且与控制目标有一定关系的输出变量，作为辅助输出变量。

3.2．建立数学模型。

过程控制系统建模有两种基本方法：机理法建模跟测量法建模。机理法建模就是根据生产过程中实际发生的变化机理，写出各种有关平衡方程如：物质平衡方程，能量平衡方程动量平衡方程以及反映流体流动.传热.传质.化学反应等基本规律的运动方程。 测量法建模一般只用于建立输出输入模型。它是根据工业过程的输入和输出的实测数据进行某种数据处理后建立的数学模型。

其中机理法建模过于繁琐，多过程细节要求极高，因此，在温控系统中一般选择测量法建模，即只建立输入输出模型。

信号发生器 调节阀 对象 测量仪 变换器 记录仪

图2 测试对象频率特性的方框图

3.3．确定控制方案。

控制方案包括控制结构和控制算法。最常用的控制结构为前馈控制和反馈控制。 前馈控制就是利用扰动量的直接测量值，调节控制变量，是被控变量保持在预期值如图。

控制器 控制变 量 过程 可测输出量 不可测输出量 图3 前馈控制原理图

反馈控制是利用被控变量的直接测量值调节控制变量，使被控变量保持在预期值，如图所示。

扰动 控制变 量 控制器 过程 可测输出量 不可测输出量

图4 反馈控制原理图

在要求温度要求严格时应选反馈控制，直接测量输出变量，以更准确地控制温度。如在电饭锅的煮饭过程就属于对温度要求严格，当过中水烧干了，就要停止前面的加热过程，所以选择了反馈控制。当生产过程对温度要求不是太严格时可选择前馈控制或者混合控制。同样在电饭锅的保温过程就是混合控制

3.4．选择硬件设备。

包括对控制装置，测量仪表，传感器，执行机构和报警，保护，连锁等的选择，一达到生产目标和控制方案的事实为选择原则。测量仪表和传感器的选型应遵从可靠性原则.实用性原则跟先进性原则

3.5．选择控制算法，进行控制器设计。 3.5.1．控制算法分类

主要有PID调节，串级控制，比值控制系统，均匀控制系统，分成控制系统，自动选择控制系统，补偿控制，关联分析和解耦控制，模糊控制等控制算法。在温度控制系统中，模糊控制占主要位置。

3.5.2．模糊控制系统

模糊控制首先根据人的思维方式，总结人的操作经验，然后用模糊语言和一系列的模糊条件语句，描述控制策略，最后通过计算机或专用模块实现控制作用。模糊控制系统由模糊控制器，输入/输出接口装置，广义被控对象和传感器组成，如图5：

A/D 模糊控制器 执被控对象 D/A 行机构 传感器

图5 模糊控制系统的组成

3.6．软件设计。

4.工业电阻炉温度控制系统设计

4.1．系统简介

工业电阻炉是一类具有严重非线性、大滞后、大惯性的常见工业被控对象。可控硅控制输出板根据CPU板的信息，改变双向可控硅的触发角，以控制电阻炉的加热电压，从而调节炉温的高低。智能测温板直接与炉内的热点偶连接，采集电阻炉的炉温，作为系统的反馈信号。

4.2．电阻炉温度模糊控制器设计

根据电阻炉温度控制系统的特点，采用二维模糊控制器。模糊控制器的数日信号为电阻炉温度偏差e和偏差变化率r。在本系统中偏差e指实际测得的炉温与炉温设定值之差；偏差变化率r反映了实测陆文的变化速度和变化方向，输出u为控制加热电压的增量，这就形成了模糊控制器的基本结构。

表1 模糊规则表

r e u NB NM NS NO PO PB PB PM PM PM PB PB PM PM PM PB PB PM PS PS PB PB PS O O PM PM O NS NS O O NS NM NM O O NS NM NM NB NM NS O PS PM PB PS PM PB PS O O PS O O O NM NM NS NB NB NM NB NB NM NB NB NM NB NB 用最大隶属度法对U进行模糊判决，可得总控制表2。将该表存入计算机，便可用查表法进行控制。图6是电阻炉温度控制模糊示意图，其中K3是U的量化因子。

表2 总控制表

U EC E -6 -5 -4 -3 -2 -1 -0 +0 1 2 3 4 5 6 7 7 7 7 4 4 4 4 2 2 0 0 0 0 7 7 7 7 4 4 4 4 2 2 0 0 0 0 7 7 7 7 4 4 4 4 2 1 0 0 0 0 7 7 7 7 4 4 3 3 1 1 -3 -3 -3 -3 7 7 7 7 4 4 1 1 0 0 -3 -3 -3 -3 7 7 7 7 4 4 1 1 0 0 -4 -4 -4 -4 7 7 7 7 2 2 0 0 -2 -2 4 4 4 4 4 4 4 4 0 1 -1 -1 -4 -4 -7 -7 -7 -7 4 4 4 4 0 0 -1 -1 -4 -4 -7 -7 -7 -7 3 3 3 3 -1 -1 -3 -3 -4 -4 -7 -7 -7 -7 0 0 0 0 -1 -2 -4 -4 -4 -4 -7 -7 -7 -7 0 0 0 0 -2 -2 -4 -4 4 -4 -7 -7 -7 -7 0 0 0 0 -2 -2 -4 -4 -4 -4 -7 -7 -7 7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 图6 电阻炉温度模糊控制示意图

模糊化 模糊算法 判决 Uij K1 控制表 K3 过程 K2 4.3.控制效果

用以上设计的模糊控制器对电阻炉温度控制进行实时控制，控制目标为573K，电阻炉温度控制系统的实际误差是（-27K,573K）。为提高控制精度，将误差范围设定为（227K,309K）,误差变化率设定为（267K,279K），如超出此范围，取最大控制量。

5.总结

从古至今，温度一直是人们生活中最常见的物理量。以前是去适应它，但现在人们开始控制它，随着技术的发展，温度控制将越来越简单，越来越完善。

现在，温度控制技术与理论已经达到了一定高度，但仍需我们努力，向更高方向迈进。

参考文献:

1．《过程控制系统》——方康玲、王新名等编著——武汉理工大学出版社 2．《模糊系统与模糊控制》——王立新著，王迎军翻译——清华大学出版社 3．《温度控制系统》——乐建波著——化学工业出版社 4．《温度的测量与控制》——姜忠良——清华大学出版社