基于可控硅温度控制器的电阻炉的设计应用

介绍可控硅温度控制器的组成和原理及实现方法，并着重介绍了pid功能的原理和实现，最后描述了系统的应用情况.

  在化验分析中，试样的温度要控制在适当的温度范围，有时还要按规定的温度曲线进行升温和降温如果采用传统的接触器通断控制方式不但温度控制精度低，而且能耗高，甚至很多控制温度无法满足规定要求。随着新产品开发的进一步加快，试样的分析对温度的要求越来越高。寻找节能环保的加热控温设备，可控硅温度控制器是目前行之有效的方法。

    1 可控硅温度控制器的组成与原理

    温度测量与控制是热电偶采集信号通过pid温度调节器测量和输出0～10ma或4～20ma控制触发板控制可控硅导通角的大小，从而控制主回路加热元件电流大小，使电阻炉保持在设定的温度工作状态。可控硅温度控制器由主回路和控制回路组成。主回路是由可控硅，过电流保护快速熔断器、过电压保护rc和电阻炉的加热元件等部分组成。

    控制回路是由直流信号电源、直流工作电源、电流反馈环节、同步信号环节、触发脉冲产生器、温度检测器和pid温度调节器等部分组成。

    2 可控硅温度控制器的实现方法

    2．1温度检测和pid调节器构成

    工业电阻炉是一类具有非线性、大滞后、大惯性的常见工业被控对象。电阻炉广泛应用于化验室样品熔样，热处理中工件的分段加热和冷却等。根据工艺对温度精度的不同要求可以选用不同类型的pid调节器控制温度在适当的范围。

    对于要求保持恒温控制而不要温度记录的电阻炉采用带pid调节的数字式温度显示调节仪显示和调节温度，输出0～10ma作为直流信号输入控制可控硅电压调整器或触发板改变可控硅管导通角的大小来调节输出功率，完全可以满足要求，投入成本低，操作方便直观并且容易维护。

    对于要求温度控制精度高，多点温度控制和记录的复杂控制系统采用小型计算机控制是比较理想的以普通pc机和以pci总线的输入输出模块组成控制系统可以取代以往的多个数字温度指示调节仪，不但实现了设备的升级换代，而且与以往的设备完全兼容。

    系统采用普通的pc机和康拓工控的模拟量输入和输出板。模拟量输入板采用pci总线dc／dc光隔32路12位a／d板（pci5413d），其量程设置为0～312．5mv，实现对热电偶温度信号的采集。模拟量输出板采用pci总线dc／dc光隔8路12位d／a板（pci5416d），其量程设置为0～loma。

    系统软件完成驱动程序的安装，板卡软件安装程序的初始化设置；热电偶毫伏对照表根据热电偶的型号将毫伏值转换成温度值，通过温度设定值或程序给定曲线值比较的偏差作为数字pid的输入。由于电阻炉纯滞后特点，数字pid设计采用大林控制算法，使系统的闭环传递函数具有带纯滞后的一阶惯性环节，使要求纯延迟时间等于被控对象的纯延迟时间。然而pid参数的整定比较复杂，基于工艺过程对炉温稳定性和精确度的要求，选择二维模糊控制器在软件设计和调试整定比较容易实现。模糊控制不需要建立控制对象的精确数学模型，只要求把人工操作的经验与数据归纳成较完善的语言控制规则，典型的二维模糊控制器的设计通常包括以下四个组成部分：

    （1）模糊化：采用正态分布确定模糊变量的赋值表，将温度误差和误差变化量的精确量转化成模糊量。

    （2）模糊推理：按照语言控制规则进行模糊推理，求出系统全部模糊关系所对应的控制规则并置于规则库。

    （3）模糊判决：用“最大隶属度法”、“加权平均判决法”等方法得到控制参数的模糊量。

    （4）去模糊化：把模糊判决后的结果由模糊量转化成为可以用于实际控制的精确量。
2．2触发电路

    可控硅触发电路应满足下列要求：触发脉冲的宽度应保证可控硅可靠导通；触发脉冲应有足够的幅度；不超过门极电压、电流和功率定额，且在可靠触发区域之内；应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。采用单结晶体管或三极管电路比较简单可靠而且容易调整，也可以用专业厂家生产的集成电路实现。

    系统可以采用zk一1可控硅电压调整器作为触发电路，这样可以方便地实现设备的手动和自动调节。

    2．3可控硅的选择

    可控硅主要参数：

    （1）额定电压

    断态重复峰值电压u。：在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压。反向重复峰值电压：在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。通常取可控硅的和中较小的标值作为该器件的额定电压。选用时，额定电压要留有一定裕量，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压2～3倍。

    （2）额定电流

    可控硅在环境温度为40～c和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。使用时应按实际电流与通态平均电流有效值相等的原则来选取可控硅并非应留一定的裕量，一般取1．5～2倍。

    2．4安装和操作

    由于可控硅温度控制器的主回路电流都比较大，因此选择合适的线路电缆直径线路是十分重要的，并且要确保线路的可靠连接，防止负载短路击穿可控硅；考虑到可控硅电流突变时较易损坏，开炉时要手动调节使电流缓慢上升，关炉时要关小电流。

    3 可控硅温度控制器的应用

    选择优良耐火材料如高级氧化铝、耐火纤维和轻质砖做成的炉体是关键的一环，以硅钼棒、硅碳棒等电加热元件提供热源的温度控制设备采用可控硅温度控制器，炉况稳定，炉温控制效果在实时性和控制精度方面有显著提高。而采用计算机和pci总线控制后，一台计算机可以同时控制多台电阻炉，不但实现了程序自动控制，而且可以多点温度显示记录贮存和报警等功能，系统使触发电路等大部份部件互换，可以使传统的设备得到升级。这样设备管理工作实现自动化，对设备的维护和维修比较简单。