第一章 绪论
1.1选题背景及意义
加热炉是利用电能来产生蒸汽或热水的装置。因为其效率高、无污染、自动化程度高，稳定性好的优点，冶金、机械、化工等各类工业生产过程中广泛使用电加热炉对温度进行控制。而传统的加热炉普遍采用继电器控制。由于继电器控制系统中，线路庞杂，故障查找和排除都相对困难，而且花费大量时间，影响工业生产。随着计算机技术的发展，传统继电器控制系统势必被PLC所取代。二十世纪七十年代后期，伴随着微电子技术和计算机技术的快速发展，也使得PLC具有了计算机的功能，成为了一种以电子计算机为核心的工业控制装置，在温度控制领域可以让控制系统变得更高效，稳定且维护方便。
在过去的几十年里至今，PID控制已在工业控制中得到了广泛的应用。在工业自动化的三大支柱（PLC、工业机器人、CAD/CAM）中位居第一。由于其原理简单 、使用方便、适应能力强，在工业过程控制中95%甚至以上的控制回路都采用了PID结构。虽然后来也出现了很多不同新的算法，但PID仍旧是最普遍的规律。
1.2国内外研究现状及发展趋势
一些先进国家在二十世纪七十年代后期到八十年代初期就开始研发电热锅炉，中国到八十年代中期才开始起步，对电加热炉的生产过程进行计算机控制的研究。直到九十年代中期，不少企业才开始应用计算机控制的连续加热炉，可以说发展缓慢，而且对于国内的温度控制器，总体发展水平仍不高，不少企业还相当落后。与欧美、日本，德国等先进国家相比，其差距较大。目前我国的产品主要以“点位”控制和常规PID为主，只能处理一些简单的温度控制。对于一些过程复杂的，时变温度系统的场合往往束手无策。而相对于一些技术领先的国家，他们生产出了一批能够适应于大惯性、大滞后、过程复杂，参数时变的温度控制系统。并且普遍采用自适应控制、模糊控制及计算机技术。
近年来，伴随着科学技术的不断快速发展，计算机技术的进步和检测设备及
性能的不断提升，人工智能理论的实用化。因此，高精度、智能化、人性化必然是国内外必然的发展趋势。
1.3项目研究内容
以PLC控制为核心，PLC将加热炉温度设定值与温度传感器的测量值之间的偏差，经过PID运算后得到的信号控制输出电压的大小，采用PID算法，运用PLC编程语言编程，从而调节加热器加热，实现温度的自动控制。
由两个或两个以上的控制器串联，一个控制器的输出是另一个控制器的设定而组成的串级控制系统。改善了主回路的响应速度。主调节器具有“细调”作用，副调节器具有“粗调”作用，从而改善了系统的品质。
第二章 系统设计
2.1系统的过程控制设计
在本系统中若采用以原料出口温度为被控量的单回路系统，由于在加热炉的过程控制中存在着时间滞后和容量滞后，系统不能立即感知。直到经过大容量滞后，才能反映到原料的温度变化。系统的控制作用才开始反映，但为时已晚。同样，控制器的动作也必须经过较大的容量滞后才能开始对输出的改变做出调整，导致系统的品质变差。
因此，增设炉膛温度作为另一个被控参量，构成串级控制系统，如图5-1
+ 主调节器 — + 副调节器 —副变送器 可控硅 炉膛 C2 出口 C1 主变送器 图5-1 串级系统控制框图
当原料温度变化时，首先使得炉膛温度C2发生变化。而出口处的原料温度C1还没有发生变化。因此，主调节器输出不变，炉膛温度测量值发生变化。通过副变送器反馈到副调节器。通过可控硅控制加热元件的电流大小，使电炉保持在设定的温度工作状态。
与此同时，炉膛温度的变化也会引起管壁的温度变化，从而影响出口C1温度的变化，使主调节器的输出发生变化。由于主调节器的输出就是副调节器的输入，而副调节器的输出直接控制可控硅导通角的大小，进一步加速了控制系统的调节过程，使主被控量即加热炉出口温度恢复到设定值。 2.1.1控制系统的性能［1］
⑴对二次扰动的抑制能力强，当二次扰动产生后，副被控量首先检测到扰动的影响并及时控制操作变量，使副被控量恢复到设定值。从而使扰动对主被控量的影响减小，即副回路对扰动进行粗调，主回路对扰动进行细调。
⑵串级控制系统由于有副回路的存在改善副对象的动态特性，从而提高了整个系统的动态特性。
⑶串级控制系统由于副回路性能的改善，主控制器的比例带可以变得更窄，从而提高了系统的工作频率，即提高了系统的快速响应能力。
⑷有一定的自适应能力。在副回路的作用下，包括控制阀在内的副对象在
操作条件和负荷变化时，其特性变化对系统的影响显著地削弱了。
2.2 控制器的设计
2.2.1 控制器的控制规律选择
PID控制器是应用最广泛的一种控制器。包括P控制器、PD控制器，PI控制器及完整的PID控制器。P的作用是增加开环增益，降低系统的稳态误差，提高控制精度，但缺点是会使系统变得不稳定。I的作用是消除静差，但有过调现象且不及时。D的作用是增加系统的稳定性，但同时也放大了系统的高频噪声。可见，合理运用才能使系统的效益最大化。 1)比例（P）控制
比例控制是最简单的工作方式。其控制器输入与输出的误差信号成比例关系。比例控制器的传递函数为：
Gc(S)=KP （2.1）
其中：Kp称为比例系数或增益。其倒数称为比例带，也称比例度。
2）比例积分（PI）控制
具有比例加积分的控制规律的控制称为比例积分控制，即PI控制。可减少或消除系统的稳态误差，改善系统的稳态性能，但存在过调现象而且不及时，存在滞后。PI控制的传递函数及输出信号为：
Gc(S)=KP+KP/Ti·1/S=KP(S+1/Ti)/S (2.2) u(t)=Kpe(t)+KP/Ti∫0te(t)d(t) (2.3)
其中：Kp为比例系数 Ti称为积分时间常数 3）比例微分（PD）控制
具有比例加微分的控制规律的控制称为比例微分控制，即PD控制。它能改善系统的动态特性，但具有放大高频噪声的缺点。PD控制的传递函数及输出信号为：
Gc(s)=KP+KPτS (2.4)
u(t)=KPe(t)+KPτde(t)/dt (2.5)
其中：KP为比例系数 τ为微分时间常数 4)比例积分微分（PID）控制
具有比例加微分和积分的控制规律的控制称为比例积分微分控制，即PID控制。PID控制具有提高系统稳定性能的优点外，还可以还改善系统的动态性能，消除误差，缩小超调量，加快反映速度。PID控制的传递函数及输出信号为：
Gc(S)=KP+KP/Ti·S+KPτs (2.6)
u(t)=KPe(t)+KP/Ti∫0te(t)dt+Kpτde(t)/dt (2.7)
其中：KP为比例系数 Ti称为积分时间常数 τ称为微分时间常数 三者都是可调常数。
因为采用串级控制，所以有主副调节器之分。主调节器起定值作用，副调节器起随动作用。原料的出口温度是系统的重要指标，它的允许波动的范围小，且温度控制系统是容量滞后较大的系统，故主控制器选用PID控制，而副控制量采用P控制，因为副被控量的控制范围在工艺上要求不是太严格，允许有余差，故副控制器选用P控制就行。这时如果引入积分就可能会降低副回路反应的快速性影响控制效果。
2.2.2 主、副控制器的正反作用选择
副调节器作用方式的确定：从锅炉的设备和安全出发，一旦系统故障就应自动切断燃料供应。所以可控硅输出电压选用气开式，调节阀的静态放大系数Kv大于0。然后确定副被控过程的K2。当可控硅的导通角增大，电压增大，炉膛水温上升，被控对象为正作用，所以K2大于0。再确定副调节器，为保证回路是负反馈，各环节的静态放大系数极性相乘必须为负，所以副调节器K2小于0，副调节器的作用方式为反作用方式
主调节器作用方式的确定：炉膛水温升高，出口温度也升高，被控对象为正作用，所以K1大于0。为保证主回路为负反馈，各环节的放大系数相乘必须为负，所以主调节器的放大系数K1小于0。主调节器的作用方式为反作用方式。
课程设计基于PLC的电加热炉温度控制系统设计
