畢業(yè)設計---電阻加熱爐

1、<p><b>　　前 言</b></p><p>　　電加熱爐是典型工業(yè)過程控制對象，其溫度控制具有升溫單向性，大慣性，純滯后，時變性等特點，很難用數(shù)學方法建立精確的模型和確定參數(shù)。而PID控制使其成熟，容易實現(xiàn)，并具有可消除穩(wěn)態(tài)誤差的優(yōu)點，在大多數(shù)情況下可以滿足系統(tǒng)性能要求，但其性能取決于參數(shù)的整定情況。且快速性和超調量之間存在矛盾，使其不一定滿足快速升溫、超調小的技術要求。

2、模糊控制在快速性和保持較小的超調量方面有著自身的優(yōu)勢，但其理論并不完善，算法復雜，控制過程會存在穩(wěn)態(tài)誤差。</p><p>　　將模糊控制算法引入傳統(tǒng)的加熱爐控制系統(tǒng)構成智能模糊控制系統(tǒng)，利用模糊控制規(guī)則自適應在線修改PID參數(shù)，構成模糊自整定：PID控制系統(tǒng)，借此提高其控制效果。 基于PID控制算法，以ADUC845單片機為主體，構成一個能處理較復雜數(shù)據(jù)和控制功能的智能控制器，使其既可作為獨立的單片機控制系統(tǒng)，

3、又可與微機配合構成兩級控制系統(tǒng)。該控制器控制精度高，具有較高的靈活性和可靠性。</p><p><b>　　1.1電加熱爐簡介</b></p><p>　　電加熱爐是利用電流通過電熱體元件將電能轉化為熱能來加熱或者熔化工件和物料的熱加工設備。 <

4、/p><p>　　電加熱爐由爐體、電氣控制系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)組成。爐體由爐殼、加熱器、爐襯（包括隔熱屏）等部件組成。電氣控制系統(tǒng)包括電子線路、微機控制、儀表顯示及電氣部件等。輔助系統(tǒng)通常指傳動系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等，雖爐種的不同而已。</p><p>　　電加熱爐的主要參數(shù)由額定電壓、額定功率、額定溫度、工作空間尺寸。生產率、空爐損耗功率、空爐升溫時間、爐溫控制精度及爐溫均勻性等。</p

5、><p>　　1.2電加熱爐的優(yōu)點</p><p>　　.熱效率高。電加熱爐不需要燃燒氣體，沒有排出因燃燒氣體而產生的廢氣造成的熱損失。爐膛室內熱強度高，能達到較高的溫度，使高熔點金屬易熔化。</p><p>　　.能滿足工件在各種工藝范圍中的要求，并使之成為可控。能用質量流量計對所控氣氛進行檢測。 由保護氣氛來保證爐內氣氛的清潔。比如保護氣氛改為真空，可以將爐

6、內的殘余氣體抽走，保護氣氛改為氫氣，各種可隨之運出。高純度的氫氣，氣含氧量可小于0.1ppm，氣露點小于－70℃</p><p>　　.能夠滿足工作空間溫度場均勻分布和恒溫的精度要求。比如在48小時內溫度漂移±0.5℃。</p><p>　　整個工藝過程能用微機和智能化程序控制。有利于連鎖保護，報警、防爆、數(shù)顯、曲線記錄</p><p>　　操作簡單，壽命

7、長，安全有保障。</p><p>　　場所利用率大，噪聲較穩(wěn)定。</p><p><b>　　1.3設計要求</b></p><p>　　1 系統(tǒng)具有較好動態(tài)特性。不僅升溫速度快，而且超調量很小；</p><p>　　2 系統(tǒng)具有比較理想的穩(wěn)態(tài)品質，穩(wěn)態(tài)過程沒有振蕩，溫度控制精度在±3℃以內；</p&g

8、t;<p>　　3 當被控過程參數(shù)發(fā)生變化時，控制系統(tǒng)仍能保持較好的適應能力和魯棒性。</p><p>　　第2章 溫度控制系統(tǒng)硬件設計</p><p>　　該系統(tǒng)設計的硬件設計主要由單片機主控、前向通道、后向通道、人機接口和接口擴展等模塊組成，如圖2所示。由圖2可見，以內含C52兼容單片機的ADUC845為控制核心．配有640 KB的非易失RAM數(shù)據(jù)存儲器、外擴鍵盤輸

9、人、320x240點陣的圖形液晶顯示器進行漢字、圖形、曲線和數(shù)據(jù)顯示，超溫報警裝置等外圍電路；預留微型打印機接口，可以現(xiàn)場打印輸出結果；預留RS232接口，能和PC機聯(lián)機，將現(xiàn)場檢測的數(shù)據(jù)傳輸至PC機來進一步處理、顯示、打印和存檔。</p><p>　　電加熱爐的溫度先由熱電偶溫度傳感器檢測并轉換成微弱的電壓信號，溫度變送器將此弱信號進行非線性校正及電壓放大后，由單片機內部A／D轉換器將其轉換成數(shù)字量。此數(shù)字量

10、經(jīng)數(shù)字濾波、誤差校正、標度變換、線性擬合、查表等處理后。一方面將爐窯溫度經(jīng)人機面板上的LCD顯示：另一方面將該溫度值與被控制值(由鍵盤輸入的設定溫度值)比較，根據(jù)其偏差值的大小，提供給控制算法進行運算，最后輸出移相控制脈沖，放大后觸發(fā)可控硅導通(即控制電加熱爐平均功率)。達到控制電爐溫度的目的。如果實際測得的溫度值超過了該系統(tǒng)所要求的溫度范圍，單片機就向報警裝置發(fā)出指令，系統(tǒng)進行報警。</p><p>　　2．1

11、 系統(tǒng)主控模塊</p><p>　　系統(tǒng)主控模塊電路如圖2.1所示，它主要由CPU及數(shù)據(jù)存儲器，晶體振蕩器、復位電路、圖形液晶顯示器(LCD)及控制電路、微型打印機接口控制電路、實時日歷時鐘，熱電偶信號處理電路等構成。這里，該系統(tǒng)設計可測量3點溫度。傳感器選擇K型(鎳鉻-鎳硅)熱電偶，可用于從室溫到1 200°C的溫度測量，測量范圍寬，精度高。在溫度測量范圍內K型熱電偶的輸出熱電勢只有0～45．119

12、mV，為了和ADUC845的A／D轉換器相匹配，采用ACl226和1B51作為信號調理電路，由AC1226、1B51構成熱電偶冷端溫度補償及信號調理器電路。當熱端距測溫儀表較遠時，需利用熱電偶匹配導線將冷端延長。CD4051為多路模擬開關，由ABC控制接通，當5～3接通時，輸入接地，UO輸出UOmin，用于零點校準；當4～3接通時，單片機1．25 V穩(wěn)定參考電壓Uref，再經(jīng)電阻R1、R2分壓，得到毫伏級參考輸入電壓，UO輸出UOmax

13、，用于增益校準；當2～3、1～3、12～3分別分時接通時，依次輸入3個熱電偶正常測溫所得變換電壓，UO從而輸出3個溫度點所對應的電壓UOA，UOB，UOC。在HI端與+UISO端之間串上一只</p><p>　　2．2 控制輸出驅動電路</p><p>　　對溫度的控制是通過可控硅調功器電路實現(xiàn)，如圖2.2所示。雙向可控硅管和硅碳棒串接在交流220 V、50 Hz交流電回路中，圖2.2中只

14、給出了A相。移相觸發(fā)脈沖由ADUC845用軟件在P1．3引腳上產生的，零同步脈沖同步后，經(jīng)光耦合管和驅動器輸出送到可控硅的控制極。過零同步脈沖由過零觸發(fā)電路產生，利用同步變壓器和電壓比較器LM311組成正弦交流電的正半波過零檢測電路，它在交流電每一個正半周的起始零點處產生上升沿．并在正半周回零處產生一個下降沿，電壓比較器LM311用于把50 Hz正弦交流電壓變成方波。方波的正邊沿和負邊沿分別作為兩個單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸入觸發(fā)信號，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)

15、器輸出的2個窄脈沖經(jīng)二極管或門混合后通過可重復觸發(fā)集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器MC14528，單穩(wěn)態(tài)輸出的兩路窄脈沖再疊加，就可得到對應于交流電的100 Hz過零同步脈沖。脈沖寬度可由MC14528的外接電阻R4和外接電容C1、C2調節(jié)。此脈沖加到ADUC845的TO作為計數(shù)脈沖和INT1中斷口觸發(fā)INT1中斷?？煽毓璧倪^流、過壓保護采用一般阻容保護電路。R5是觸發(fā)器輸出限流電阻，R3用以消除漏電流，防止KP150的誤觸發(fā)。</p>

16、<p>　　第3章 溫度控制系統(tǒng)軟件設計</p><p>　　3．1 主程序及其功能</p><p>　　軟件設計采用模塊化設計原則?？刂瞥绦蛑饕蓽y量采樣操作，溫度參數(shù)設置界面的顯示，操作按鍵的管理，測量過程，數(shù)據(jù)算法處理，輸出控制的處理及測量結果顯示等模塊組成。主模塊是為其他模塊構建整體框架及初始化工作。調用運算和顯示構成一個無限循環(huán)圈，溫控的所有功能都在該循環(huán)圈中周而復始

17、有選擇執(zhí)行。除非掉電或復位，否則系統(tǒng)程序不會跳出該循環(huán)圈。因浮點數(shù)運算占用時間較多，應將其作為單獨模塊?？刂扑惴K包括：PID運算模塊和PID參數(shù)自整定模塊兩部分，主要是相應控制算法的初始化及運算程序。數(shù)學運算模塊主要包括諸如帶符號浮點數(shù)求補運算、帶符號浮點數(shù)乘法、無符號浮點數(shù)除法以及浮點數(shù)加減法等運算子程序，供其他模塊根據(jù)算法的需要隨時調用。顯示設定和操作界面由菜單顯示，用INTO中斷完成。界面中用線框框起來的符號和漢字表示當前起作

18、用的按鍵，用“上下左右”按鍵移動光標和改變數(shù)據(jù)，按下確認鍵后選中有效，開始執(zhí)行所選功能，按下返回鍵就回到上一級界面(菜單)。數(shù)據(jù)的采集及預處理模塊由TO計數(shù)定時產生中斷，包括數(shù)字濾波、標度變換、顯示刷新等部分，完成數(shù)據(jù)預處理及人機交互功能。過零同步由交流過零觸發(fā)產生INT1中斷，并確定</p><p>　　3．2 模糊自整定PID算法程序</p><p>　　模糊自整定PID算法程序程序的

19、總流程為：首先模糊整定，然后根據(jù)誤差和誤差變化率對PID的3個參數(shù)進行在線調整，把經(jīng)過模糊調整后的PID參數(shù)作為最終的控制參數(shù)進行PID控制。溫度誤差e和溫度誤差變化率△e的最壞情況值均取為100℃，在此建立的溫度誤差e和溫度誤差變化率△e的基本論域，數(shù)字量化確定e(k)的論域區(qū)間為[-128，128]。這樣就必須對溫度誤差e和溫度誤差變化率△e超過100°C．變換后的e和△e其動態(tài)范圍限幅壓縮，這樣就可以使溫度誤差和溫度誤差

20、變化率△e在整個測控溫度變化范圍[0℃，1 112°C]內，控制量都可以起到作用。圖3.2為模糊PID控制流程。</p><p><b>　　第4章 結語</b></p><p>　　將系統(tǒng)溫度設置不同的溫度值，觀測記錄溫度變化曲線。電加熱爐溫度控制系統(tǒng)實際輸出的響應曲線如圖6所示。</p><p>　　從電加熱爐溫度控制的實際效

21、果來看，F(xiàn)uzzy-PID復合控制器具有以下特點：①系統(tǒng)具有較好動態(tài)特性。不僅升溫速度快，而且超調量很?。虎谙到y(tǒng)具有比較理想的穩(wěn)態(tài)品質，穩(wěn)態(tài)過程沒有振蕩，溫度控制精度在±3℃以內；③系統(tǒng)的抗干擾能力增強，對生產現(xiàn)場的各種噪聲和干擾具有較好的抑制作用；④當被控過程參數(shù)發(fā)生變化時，控制系統(tǒng)仍能保持較好的適應能力和魯棒性。</p><p>　　4.1主要的技術特性</p><p>　　

22、電加熱爐消耗電能轉換來的熱能．一部分由電爐構筑材料及傳熱的各種因素而散失到空間去了，另一部分則用于對爐內工件的加熱，前面的一部分形成了電爐損失功率，后一部分形成了電爐有效功率。 </p><p>　　當電加熱爐開始升溫時，爐內砌磚體大量地吸收熱量，以提高本身溫度，在停爐冷下來時又把這一部分熱量散失到空間去；這一部分形成爐體蓄熱損失。一臺先進的電加熱爐應具有低的空爐損失及高的有效功率。較少蓄熱相失。空爐損失的大小是

23、衡量電爐效率好壞的重要指標，空爐損失小的電爐，可以得到高的技術生產率及低的單位電能消耗比。一般工業(yè)電加熱爐的效率。小型電爐較低一些．大型電爐 </p><p>　　較高一些，從10—100千瓦的箱式電爐效率約為65-85%，空爐損失約占總功率的35--15％。 電爐從室溫升到工作溫度的時間對電爐的經(jīng)濟指標是有明顯影響的，升溫時間短則爐子投入正常使用的時間就較長每天的生產率就較高，每公斤工件的電耗量就降低，所以要盡

24、量采用熱慣性小的爐襯材料并降低爐體蓄熱量來加快電爐的升溫速度：爐體的蓄熱量對周期作業(yè)爐影響很大，尤其是每天一班或二班生產的電爐。 </p><p>　　對連續(xù)作業(yè)爐其影響就不明顯。加熱能力是一臺電爐的主要技術指標，加熱能力是指電爐的有效功率，從理論計算上在一個小時內能把指定的材料加熱到額定溫度的最大重量數(shù)，以公斤／小時計算。</p><p>　　4.2電阻加熱爐基本結構及型式</p&

25、gt;<p>　　電加熱爐是隨著機械工業(yè)的發(fā)展而發(fā)展起來的，由于各種加熱工藝及冶煉工藝上的需要，電加熱爐是一個品種很多的產品。電加熱爐爐體結構，分周期式及連續(xù)式二個型式來分別介紹。周期式作業(yè)爐。如箱式電爐，臺車式電爐、井式電爐等箱式電爐，外殼一般是用型鋼、鋼板焊接而成的，小型電爐由于需保持工作面的一定高度，一般均做成帶支架的，在箱型殼體下邊，有支持爐體的腿或支架。中型電爐因本身重量大及加入爐內的工件重量也大，所以一般均直接

26、在底盤上焊接爐體及砌磚。大型電爐可以在特定的專用的地基上設計成無鋼性底盤的結構，而就地焊接砌磚，但這種電爐在安裝后不能吊運及移動。</p><p>　　中小型電爐的爐門可用配重及手動裝置來開閉，下部一般均有砂封槽，有些爐門上邊也設有砂封槽，以保證良好的密封性，爐門關閉時，用壓緊裝置使爐門緊密的與門框接觸，減少漏氣。大型電爐可以用電動或氣動、液壓開閉爐門，電加熱元件一般可以在爐膛內左右側墻上及底面上布置，為了得到良

27、好的熱場，最好在護頂上也布置電加熱元件，因為爐內工件一般堆放高度不會超過寬度，所以以上下兩個方面加熱比左右兩個方面加更為有效。大型及中型電爐可以在護門上及后墻上適當?shù)牟贾靡恍╇娂訜嵩?，以減少爐內的溫差，為了保證爐門口的熱損失能得到更好的平衡，可以在較大的箱型電爐上靠爐門口的爐膛長度1/3處作為一個控制區(qū)。</p><p>　　通保護氣體的爐子應設有保證安全運行的必要裝置及良好曲密封性。井式電爐一般均為園筒形爐膛

28、，內徑一般最小為600毫米，大小了，安裝維修時不方便；爐殼用型鋼作為骨架再焊上鋼板，小型爐蓋可用手動機構開閉，大型及中型的可用電動或液壓等機構開閉，高度與直徑好比在1一1.5的電爐工件一般放管在爐膛底部，高度與直徑比在2以上時。工件大部用吊掛方式，吊于爐口內或爐上外部的專用吊架上，控制區(qū)的設置一般以直徑的1—1．5倍為一個。在溫度控制要求不高時．有時一個控制區(qū)長度達到直徑的2倍。</p><p>　　可控氣氛箱形

29、多用爐。一般在結構上是分為前室及爐膛、冷卻槽，前室由型鋼及鋼板焊成的密封空間下邊與冷知槽相連，上邊為設有水冷壁的空氣冷卻室。中間有通過工件的軌道及上下升降的料架，由頂上的氣缸來操作(可電氣動或液動)下降時工件進入冷卻槽，進行快速冷卻或等溫淬火、上升時工件在上邊氣氛中緩冷。</p><p>　　爐膛在前室后邊，中間 有一個爐門隔開，進料出料時。爐門由上部氣缸打開。爐膛由抗?jié)B碳砌成。電加熱器兩種形式，一種是由高電阻合

30、金板材制成；為了消除表面積炭形成短路，加熱器面涂上專用的高溫絕緣釉；另一種為輻射管式的，水平或垂直的插入爐賭中，管中用大切面園形電阻線組成金屬發(fā)熱器。爐內具有強通的風扇，爐子前面為一個推料裝置，用以向爐內進出料，電爐附有氣體發(fā)生器或直接向護內滴注有機液及碳勢控制設備。</p><p><b>　　4.3用途</b></p><p>　　電加熱爐是工業(yè)爐的一種。它在機械

31、、電子、航天、航空、兵工、冶金、化工、食品、輕工、建材、陶瓷、醫(yī)藥等多種工業(yè)領域，都有著廣泛的應用。工業(yè)加熱設備，即工業(yè)爐，按加熱能源和能量轉換方式，分為電加熱與燃料加熱的兩種，亦即電爐與火焰爐?；鹧鏍t主要應用于鋼鐵、冶金和汽車等工業(yè)部門；在電子工業(yè)中，對零件、材料的加熱工藝規(guī)范，如除氣、定形、退火、凈化、提純、燒結、被覆、黑化、封裝等，則多采用電爐。在天然氣能源充足的地區(qū)得到廣泛的應用。工業(yè)電加熱爐的主要用途是供機械工業(yè)對原材料、毛坯

32、、機械零件加熱用。如板材軋制前的坯料加熱，鍛件的加熱。機械零件及半成品的熱處理以改善其機械性能，如進桿淬火、回火、退火、正火、氣體滲碳、氮化等。亦有用于燒結、釬焊，部份電加熱爐用于低熔點金屬的熔煉及陶瓷玻璃工業(yè)的加熱。</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　在論文即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進入課題到論文的順利完成，有多少尊敬的

33、師長、同學、朋友給了我無言的幫助，在這里請接受我誠摯的謝意！</p><p>　　本課題在選題及研究過程中得到xx老師的悉心指導。老師多次詢問研究進程，并為我指點迷津，幫助我開拓研究思路，精心點撥、熱忱鼓勵。xx老師一絲不茍的作風，嚴謹求實的態(tài)度，踏踏實實的精神，不僅授我以文，而且教我做人，雖歷時兩載，卻給以終生受益無窮之道。對xx老師的感激之情是無法用言語表達的。</p><p>　　在