SIMULINK加热炉非线性控制知识分享.doc
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1、Good is good, but better carries it.精益求精,善益求善。SIMULINK加热炉非线性控制-基于Simulink的加热炉温度非线性控制系统设计摘要当前工业用加热炉的控制系统多采用PID控制,但是这种基础的控制算法并不能够适应现场的非线性的控制任务,因此对于非线性的控制,本文提出利用双曲余弦函数对传统的PI控制算法进行改进,让其能够对非线性控制系统进行更合理高效的控制,提高控制系统的各项指标。本文首先对加热炉测温适用的传感器进行了介绍,之后进行了控制器的设计,参数优化以及仿真实验。关键词:非线性控制系统双曲余弦加热炉控制系统仿真AbstractCurrentin
2、dustrialheatingfurnacecontrolsystemwithPIDcontrol,butthefoundationofthecontrolalgorithmcannotadapttothefieldofnon-linearcontroltasks,sofornonlinearcontrolisproposedinthispaperbyusinghyperboliccosinefunctionofthetraditionalPIcontrolalgorithmwasimproved,allowingittothenonlinearcontrolsystemforamorerat
3、ionalandefficientcontrol,improvethecontrolsystemofindicators.Thispaperfirstlyintroducestheapplicationoffurnacetemperaturesensor,thenthecontrollerdesign,parameteroptimizationandsimulationexperience.KeyWords:Simulationofcontrolsystemofhyperboliccosineheatingfurnacefornonlinearcontrolsystem第一章温度传感器测量原理
4、1.1温度传感器介绍1.1.1温度传感器温度传感器是通过检测外界温度来转化成温度数值的仪器,在温度测量中,温度传感器是最重要的器件,一般的温度传感器是通过将温度的高低转化为电阻大小或热电势大小,进而转化为温度信号,通过AD转换得到温度数值。以上两种原理分别称为热电阻温度器和热电偶温度器。同时,温度测量器还按照测量方式分为接触式和非接触式两种。1.1.2温度传感器分类1)接触式温度传感器接触式温度传感器多数通过温度的传导,让测量温度和温度传感器的温度一样,从而获得温度的数值。接触式温度计明显具有测量精度高的优点。图1-1接触式温度传感器温度传感器主要分为双金属温度计,压力温度计,热敏电阻式温度计
5、,玻璃液体温度计等。不同的形式用于不同的温度场合,比如农业,工业,商业等部门,具体行业包括国防,冶金,石油化工,电子,医药,食品等。这说明温度传感器的应用范围广,不仅测量物体内部的温度分布,甚至低温环境下也出现了温度传感器的应用。低温气体温度计,蒸气压温度计,量子温度计,低温热电阻温度计等,这些温度计的要求更高,具体表现在准确性高,器件体积小等。当然,在部分使用条件下测量误差较大,比如较小的,运动的测量目标。2)非接触式温度传感器非接触式的仪表,顾名思义,是测量元件与被测的目标不接触,它的应用主要集中在运动的物体,测量目标小,温度变化快,热容量小的情形。比如辐射测温仪表,利用的测量原理是利用黑
6、体的辐射定律进行温度的测量。非接触式测温仪表的优点主要是耐温范围大,可在高温环境下测量,同时当前温度仪表出现基于红外技术测温原理的仪表,提高分辨率,提高使用范围,测量精度也得到改善。图1-2非接触式温度传感器辐射测温法可以测量光度温度,辐射温度和闭塞温度,而其中想要测量真实温度就需要获得黑体温度,也就是吸收全部辐射而不反光的物体所测得温度。但是,这种测量方法精度不高。由于受到表面状态的影响,材料表面发射率的修正难以准确获得。辐射测温法是工业生产中常用的温度测量方法,应用于各种工业场合,比如用于金属加工,冶炼时的温度测量。其中,测量物体的表面发射率是该测量过程中的主要待解决问题。常见的方法是利用
7、光的反射进行有效辐射的提高,比如增加反射镜,让被测的表面形成一种空腔的结构,辐射次数的增加,能够提高有效的发射系数,这样利用该系数修正测得的温度,对获得温度进行修正,提高获得温度的精度。目前最常见的附加反射镜是半球式。通过半球表面的漫反射又重新通过镜反射到半球镜表面,经过多次辐射,获得有效发射系数高的反射结果。对于测量气体和液体,我们可以加入一些介质来改变有效发射系数,比如一些管状的耐高温材料,形成空腔结构。该空腔的温度值对空腔底部介质的温度进行修正即得到真实的温度。1.2温度传感器热电阻的应用原理热电阻温度传感器是测量精度较高,测量范围较广的一种测温手段,广泛制成标准仪表用于校对测温仪表,并
8、大量应用于工业现场。其中铂元素制成的热电阻综合性能最好。1.2.1温度传感器热电阻测温原理及材料温度传感器热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。温度传感器热电阻大都由纯金属材料制成,目前应用最多的是铂和铜,此外,现在已开始采用甸、镍、锰和铑等材料制造温度传感器热电阻。1.2.2温度传感器热电阻的分类1)精通型温度传感器热电阻这种温度传感器热电阻的适用范围最广,通过热电阻的阻值变化来得到温度变化,这是一种简单实用的直接测量方法,由于没有较多的中间转换,因此精确度也较高。这种热电阻可能会由于导线上电阻的变化而出现测量误差,因此测量的时候多考虑补偿导线的方式减小
9、误差,同时采用三线制进行传感器和变送器的连接。2)铠装温度传感器热电阻铠型热电阻温度传感器是对热电阻部分增加了保护措施,具体表现为在热电阻外围包裹上一层不锈钢套管材料,大约直径在2-8毫米,这种结构的好处是减小热惯性引发的测量误差,同时可以抗氧化,抗外部力的破坏,抗震,耐冲击。此外安装方便和寿命长也是这种器件的优势。3)端面温度传感器热电阻端面温度传感器热电阻感温元件由特殊处理的电阻丝材绕制,紧贴在温度计端面,其结构如图2-1-8所示。它与一般轴向温度传感器热电阻相比,能更正确和快速地反映被测端面的实际温度,适用于测量轴瓦和其他机件的端面温度。端面型温度传感器热电阻主要测量端面的温度,外部结构
10、是通过电阻丝缠绕成感温元件,贴在测量元件的端面4)隔爆型温度传感器热电阻温度传感器为适应不同使用场景,会对原有装置进行改造,比如隔爆型热电阻是用来防止爆炸性混合气体在传感器变送端因为电子器件产生电弧而引起爆炸。它的原理是将热电阻的接线部分隔离,放在接线盒内,防止出现爆炸时引发工业现场的爆炸。隔爆型热电阻可以在B1aB3a级区的工业生产场所使用。1.2.3温度传感器热电阻测温系统的组成整套测温装置由感温元件,变送器,导线,显示装置组成,连接时采用三线制或四线制居多,通过变送器将检测到的温度信号转化成4-20mA电流信号。1.3温度传感器测量原理分类1)双金属片式传感器金属材料的传感器的原理是金属
11、在温度变化时,其结构会发生一个伸展的变化,通过检测这一变化换算成电流信号。双金属片传感器是通过金属片在温度变化下弯曲而进行温度检测的,它的原理类似于应变片的压力传感器,由两片金属片片合在一起,但两种金属的材料不同,受热膨胀的程度也不同。温度变化时金属片的两部分膨胀有差别,导致金属片发生弯曲,将弯曲程度转化为输出的电信号。2)双金属杆和金属管传感器这种传感器的原理与金属片类似,温度变化时金属杆(管)的膨胀系数不同,因此长度增加的程度不同,将长度的增加转化成电信号即可进行温度的测量。3)液体和气体的变形曲线设计的传感器液体和气体随着温度的变化,许多指数如气体膨胀,液体的流动性,感应偏差,挡流板等,
12、也会随之变化,其中主要是体积变化。例如气体随着温度升高而膨胀,发生位移变化,将这一变化转化成温度指示。从原理上我们可以推测这些传感器在温度变化不大的时候测量精度并不够高。4)热电阻传感器金属随着温度变化,其电阻值也发生变化。对于不同金属来说,温度每变化一度,电阻值变化是不同的,而电阻值又可以直接作为输出信号。电阻共有两种变化类型:正温度系数:温度升高=阻值增加温度降低=阻值减少负温度系数:温度升高=阻值减少温度降低=阻值增加5)热电偶传感器热电偶温度传感器由不同的金属导体线组成,由于不同材料的传热系数不同,金属加热导体后在两个不同的导体上产生热电势,一端焊接在一起放入测量的温度环境中,另一端放
13、在常温环境中,通过检测热电势的不同,根据热电偶分度表来获得对应的温度。热电偶的优势在于测量较为精准,因为温度变化与热电势的变化对应,灵敏度高。此外因为这种传感器的材质问题,可以有较好的延伸,因此在温度变化过快的环境中也能测量到对应的温度。一般热电偶的电势值在0-20mV左右变化,在温度变化1的时候大概能够变化20uV左右。第二章K型热电偶特性测试2.1K型热电偶简介金属热电偶传感器根据材质不同可分为S,T,K,N等十余种型号,其中K型热电偶是比较主流的一种,他的元素组成是镍铬正极-镍硅负极。当然目前国内还出现了镍-镍硅组成的新型热电偶。而国外多数是镍-镍铝型的热电偶。但是这些材质都属于K型热电
14、偶,测量时都可以使用这种型号热电偶的分度表。使用时,K型热电偶两导体接触的一段放入被测量的温度环境下,另一端则放置于常温环境下,由于温度不同,导体间产生热电势差,因此通过电位计测量电压值,再对照分度表就可以得到当前测量的温度。2.2K型热电偶特点和适用范围K型热电偶的特点如下:1) 适用温度范围广,一般能耐1000-1200度的高温。2) 抗氧化性强,多数在工业现场中氧化性强的场合中使用,有时还在电极上附着Mg元素的抗氧化添加剂,提高抗氧化能力。3) 抗还原性差,在有还原性的环境下只能测量几百度的介质,否则会出现腐蚀现象。如果在这种环境下使用需增加保护装置改装成铠型传感器。4) 价格较低,性价
15、比高。为了提高精度甚至可以考虑多组热电偶同时使用,得到数据进行处理在获得温度值,更加精准。5) 测量时具有良好的线性特性。6) 当温度变化时,同一温度先后两次测量的值不同,这说明在温度变化过程中虽然灵敏度高,但是稳定性较差。2.3K型热电偶在阶跃温度变化条件下的时间响应特性K型热电偶具有许多特性,比如具有良好的线性特性,对K型热电偶有许多实验进行了特性的研究,如阶跃温度下热电偶的时间特性。投入法是温度传感器实验的常见手法,其方法是将温度传感器快速放入一个介质中,相当于给温度传感器一个阶跃的温度信号变化,通过观察传感器的输出值,来获得整个过程的变化曲线,称之为动态特性。该实验依据二阶闭环控制系统
16、的阶跃特性数学模型,设计了变量来进行对比研究,如是否增加电极表面的抗氧化性,是否进行等阶跃变化,是否增加外部的套管等。在不同的方式下获得了较好的实验结果,记录了不同条件下响应特性的变化。3.铂热电阻特性测试热电阻的原理:铂丝电阻值会随着温度的变化而展现不同的阻值。如果按照0摄氏度时阻值的大小可以有多种型号,Pt100阻值100欧,Pt10阻值10欧等,Pt100测量范围比较大,一般在-200850摄氏度。而Pt10热电阻的感温元件是采用比较粗的铂丝电阻经过绕制而制作成的,所以他的耐温性能明显比PT100好得多,主要适用于在650度的环境下使用,同样的PT100能够在这样的环境下使用,但是不能够
17、产生A级错误。纵观热电阻的原理以及使用途径,热电阻就是把实际环境的温度转化成一种数字型号可以用来监控或者测量某种物体的温度的原件,一般工业过程中就需要把热电阻与计算机控制系统通过引线连接起来,或者也可以连接在一般的仪表之上,那么在实际工业现场,热电阻就必须能够实施的传输现场的温度,就是安装在现场或是在高温度锅炉中也或是在液体中,一般都会与计算机或者控制室有一定的距离,这也成为影响热电阻测量精度的主要因素之一。热电阻的引线模式有三种:1) 二线制:在热电阻的两端各自连接一根导线用来引出信号。这虽然这种方法很是简单,但有一个问题,这么长的导线必然会有引线电阻R,那么导线电阻R就和长度以及材料有关,
18、所以此种方法只能是用于测量精度要求精度较低的场合。2) 三线制:除了像上文那样两节连根导线以外,还要在热电阻的底部连接一根引线,它的作用就是这样的模式一旦与电桥巧妙的结合,就能达到较好的引线电阻影响,这也是工业现场大多数应用这种线制的原因。3) 四线制:就是在三限制的基础上,又在底部加装一根引线,在低端的两边,这样构成的四线制,一种有两根是为热电阻提供电流,完成R到电压的转换,另外的两根导线就可以吧U引出来引导上级仪表,由此可以看到,不断的增加引线就是为了消除热电阻传输过程中带来的误差影响,这种四线制热电阻主要适用于更高精度的测量。本次设计中,我们采用了三线制,原因就是为了消除而限制过程中引导
19、线过长而引起的电阻方面的误差。那么就要结合电桥电路来消除三线制方面带来的误差了,我们把三线制热电阻作为了电桥的一个桥臂,成为桥臂电阻的一部分,导线部分会随着外界不断不变化的温度,造成测量误差。采用三线制以后,其中一根导线与电桥的电源连接,其余的两根与电桥的桥臂连接,这样就是为了消除到现代的误差。从电路的原理上来看,两边的电桥桥臂是对称的,所以他们在电路上的特性就是相反的,运用这个原理就可以在很大程度上消除误差。热电阻分类以及特点:(1) 热电阻的测温系统一那么就是有热电阻,导线还有对应的显示仪表组成。同时应该值得注意的是:1. 热电阻与仪表必须保持一致的分度号;2. 为了消除连接导线的误差,即
20、导线随温度电阻变化,必须采用三线制测温。(2) 铠装热电阻:它是由感温元件,导线,绝缘材料以及不锈钢的套管组合成的坚固的实体,一般尺寸为外径18mm,最小的有1mm,相对于普通的热电阻,他有很多优点,比如说:1. 体积较小,所以内部构造没有空气的影响,而且测量反应速度快没有滞后;2. 机械性能好。兼顾能够抵御足够的冲击力;3. 灵活性高,可以弯曲适合不同形状的现场;4. 寿命长,可以长期使用。(3) 端面热电阻。这个元件是由经过特殊处理的电阻丝绕制而成,他的电阻丝紧紧地贴在温度计的表面。星队以一般的轴向热电阻,它能够更加快速的反映当时的温度,这样的热电阻适用于测量轴瓦以及其他机件的端面温度,这
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