首页   关于我们   服务项目   新闻动态   诚聘英才   资料文案   客户须知   联系我们
科研立项
普通科研立项/部省市级/项目申报书/标书/计划书/评职称科研等
结题报告
结题报告/研究报告/阶段报告/成果报告/调研报告/开题报告等
科学基金
自然/社会科学基金/产学研/青年/教育/软科学/863/学科点等
论文成果
期刊论文/毕业论文/应用文/代写/发表/翻译/成果编撰/出版等
 
高温持久试验机微机控制系统
添加时间: 2010-1-13 21:31:40 文章来源: 文章作者: 点击数:1947
 
刘  昕
(机械工程学院   化机9801班)
摘  要:简述了一套适用于在高温持久试验和高温蠕变试验所用的炉温集散式控制系统。该控制系统由上位机和下位机组成,本次设计的主要部分是上位机设计,其主要任务是:计算机对多个被控参数进行巡回检测,并将检测结果与给定值进行比较,再按一定控制规律进行计算,计算结果经输出通道对生产过程进行控制。炉温控制采用了Dahlin算法和有效的控制参数整定方法。系统采用了全隔离通道采集和新型隔离放大器件新技术,使得热电偶可以完全满足试验标准规定,控制系统管理软件采用Borland C++语言编制,仿Windows全中文界面窗口,操作使用方便,现场操作人员容易掌握。
关键词:持久试验   炉温   测试系统
 
1  前言
我国冶金系统高温持久强度试验和高温蠕变试验的设备比较落后,特别是温度控制系统更是不能适应越来越高的材料技术发展的要求。金属高温拉伸持久试验方法的国家标准GB6395-86适用于在恒定温度和恒定拉力作用下,测定金属试样至断裂的持续时间和持久强度极限,并评定其缺口敏感性的持久试验。
由于试验的控制存在较高的复杂性和易产生误差,尤其是实验温度的控制、调节和记录,难以准确实现。利用微机控制技术和电子技术研制成功了FS-1型高温持久试验机集散测控系统。该系统性能比较完备,自动化程度高,可靠性好,完全符合国标GB6395-86“金属高温拉伸持久试验方法”对温度控制的要求,目前在抚顺钢厂已经正常运转两年,测量精度、控温精度及可靠性都超过国标和部标的标准。FS-1型高温持久试验机集散测控系统,用于高温强度试验室持久试验机和蠕变试验机高温拉伸试验的全过程控制,采用了目前比较流行的“分级分布”式控制理论,具有资源共享、任务分担、故障分散和投资成本低的优点。
2  集散式控制系统的组成
2.1 性能指标
2.1.1系统容量
系统同时控制32台机,每台机分上下部2个测控点,共控制64点。
2.1.2系统控温范围及精度
控制范围200~1200℃,控制精度在±1℃内,显示分辨率为0.1℃,热电偶冷端补偿误差在±0.5℃内。
2.1.3其它

系统工作定时≥2000h,工作电压(220±10%)V,工作环境温度0~28℃。
3  集散式控制系统工作原理
3.1 控温系统的控制过程
试验机加热炉为220V电热丝加热,每台炉分上、下二段加热,温度传感器使用K型热电偶其数量对应于炉体加热炉段数。0~50 mV的热电势信号通过全隔离高速继电器多路转换开关送入新型隔离放大器,消除干扰后的信号放大100倍变成0~5V的电压信号送入14倍高精度A/D转换器,下位控制机将从A/D接收到的14位炉温数字量与室温值和设定值一起进行数学运算,得出某一时刻的误差量。再根据误差值和设定的PID参数,由特定的分析计算公式得出该时刻的控制脉冲时序,输出合适的调功控制信号到该点的固态继电器,控制电炉丝的电源通断比,以达到调整电炉输出功率的目的。
3.2控温系统控制算法
3.2.1 电丝加热炉的数学模型
采用目前较为流行的Dahlin算法,通过对实际被控对象电丝加热炉阶跃响应的飞升曲线测得数学模型可近似为纯滞后一阶惯性环节,其传递函数为
            Ke-θS
   Wd(S)=──────
           τ1S+1
其中   K - 对象的放大系数
      τ1- 对象的时间常数
      θ - 对象的纯滞后时间,且为采样周期的整数倍,即θ=NTS( N=1,2,…)
输入、输出可近似为采样开关和一零阶保持器,传递函数为W0=(1-e-TsS)/S,故系统是一具有零阶保持器的单变量调节系统。根据的Dahlin调节器的设计原理,闭环传递函数仍为一纯滞后一阶惯性环节,且整个闭环系统的纯滞后时间等于对象的纯滞后时间,即
             e-θS
   Fb(S)=────── 
           τS+1
式中  τ- 闭环系统的时间常数
           故对给定值的阶跃变化的闭环响应为
             e-θS     1
   Y(S)= ────·──        
           τS+1    S
其Z变换形式为
               e-θS        1            (1-e-Ts/τ
   Y(Z)=Z  ──────·──  =Z1-N ─────────
             τS+1       S         (Z-1)(Z-e-Ts/τ
而单位阶跃的Z变换形式为
           Z
   X(Z)=───
          Z-1
则对应的闭环传递函数应为
         Y(Z)    Z-N(1-e-Ts/τ)
        ───=───────
         X(Z)     Z-e-Ts/τ
数字调节器的传递函数为
       R(Z)       Y(Z)/X(Z)       1
D(Z)=────= ────── · ───
       E(Z)      1-Y(Z)/X(Z)    HG(Z)
             K(1- e-Ts/τ1)Z-N
先求得H(G)=────────,则
             Z- e-Ts/τ1
             (1- e-Ts/τ1Z-1 )(1- e-Ts/τ
D(Z)=──────────────────────
       K(1- e-Ts/τ1)[1- e-Ts/τ Z-1 -(1- e-Ts/τ)Z-N-1]
                       A-BZ-1
经简化得到D(Z)=────────── 
                  1-CZ-1-(1-C)Z-N-1
            (1- e-Ts/τ)    
式中   A=────────
           K(1- e-Ts/τ1
       B=A·e-Ts/τ1
       C=e-Ts/τ
根据   D(Z)=R(Z)/E(Z),得
       [1-CZ-1-(1-C)Z-N-1] R(Z)=(A-BZ-1)E(Z)  
对上式求Z反变换得Dahlin算法的最终表达式:
       r(k)=Ae(k)-Be(k-1)+Cr(k-1)+(1-C)r(k-N-1)
式中  r(k)- k时刻的输出值
      e(k)、e(k-1)- k时刻和k-1时刻的偏差值
      r(k-N-1)- k-N-1时刻的输出值
    用这个以差分方程表达的Dahlin算法,可以方便的用计算机对其进行编程。
3.2.2  A、B、C参数的确定及完善控制算法
    在以Dahlin差分方程表达式中,系数A、B、C参数的确定十分重要,其大小反映了表达式中差值与输出值的不同权重之分及制约关系。在知道了对象的纯滞后时间q,时间常数t后,选取合适的采样周期T,并由N=q/Ts确定出N值,则可以求得不同期望的闭环系统常数t的控制策略。不断调整t值,知道闭环系统的品质指标达到最佳。然后可代入A、B、C的不同公式,以确定其值。
    尽管Dahlin算法对超调有很强的抑制能力,但由于控制对象的特殊性,如体积大、热分布不均匀等,上下段加热丝热源互相影响,有时控制调节仍显不得力,偏差上升,调整周期加长,甚至出现积分饱和现象,为解决这些问题,在Dahlin算法实际应用时,采用了非线性算法。设定系统允许温度的最大正偏差Emax和最小负偏差Emin,用以判断当温度设定值与实际温度值出现较大偏差时采用不同的控制方案,如下式所示:
         r(k-1)+C                                 e(k)≥ Emax
r(k)=    Ae(k)-Be(k-1)+Cr(k-1)+(1-C)r(k-N-1)   -Emin<e(k)< Emax
         r(k-1)-C                                 e(k)≤-Emin
式中  C – 常数
      r(k-1)+C  不超过控制脉冲输出的最大值
      r(k-1)-C  不小于0
    为保证恒温精度,在系统进入恒温阶段时,选择调动范围小的另一组参数A’、B’、C’,并根据分析及运行结果,减小A’与B’的差距能减小调整幅度,使得恒温精度始终保持在±1℃内。
4  现场实际应用问题的解决
控制系统在现场实际应用遇到许多问题,如试样的安装方示、系统的抗干扰、加热炉功率的控制方式等等。下面介绍几个曲型的问题和解决方法。
4.1控温系统的热电偶输入信号全隔离设计
按国家标准试验要求,控温系统的测温热电偶要直接接触金属试样,每台试验设备共地,造成所有的热电偶感温点接通,直接影响各个通道放大器的放大倍数变化,测量值不真实,这是控制系统的技术难题。为此,采用了全隔多路转换器设计,以保证每次瞬时只能接通一路热电偶。采用新型隔离放大器件AD202KY设计成分机放大电路,有效的提高了整个系统抗共模干扰能力,并消除了通道与通道之间、分机与分机之间的相互影响。
4.2控温系统的输出控制方式
原加热炉采用庞大的自耦调压器群控制炉温,体积大,耗电多,不适应新技术的应用。所以,本系统的控制器设计成调功输出方式。执行部件采用光隔离零触发型的SSR固态继电器,抗干扰能力强,动作可靠,无射频干扰。控制板是采用以8253定时计数器为核心自行设计的PC总线16路时序脉冲输出板。将工频50HZ电压波形在2 s内分成100等分,1/100为一个整周波即最小控制精度,100%为100个整周波。计算机算出每一时刻的调动值x %成正比的控制电压,使固态继电器在2 s通过x %周波电流,加到该段电炉丝上,达到调功目的。
4.3试样变形与拉断检测方法
在试验过程中需要随时监测试样变形情况,如果试样拉断,立即停止加热并结束试验。系统采用了非接触式的霍尔开关元件,反应迅速使用寿命长,完全满足试验要求。将一高性能的磁体贴在杠杆适当位置,当磁敏元件靠近磁体,由于杠杆的偏移带动磁体移动,使磁体和磁敏元件的相对位置发生变化,当二者接近到某一程度时,输出电平发生逻辑变化,送给计算机提示报警。
5  软件的设计说明
5.1 软件的设计
该软件是高温持久强度试验和高温蠕变试验试验机的上位机控制软件,共主要功能是控制和管理试验中所产生的各种数据。分为七个控制窗体,分别为:主控制窗口、输入窗口、炉组控制窗口、炉温曲线输出窗口、单炉控制窗口、操作人员输入窗口、数据列表窗口。
5.1.1 数据的管理
该软件对数据文件分为三类:系统炉温数据文件、操作数据文件和用户自定义炉温数据文件。
5.1.2 软件程序
程序设计主要包括初始化程序、数据采集与程序处理温度调节子程序,报警程序和显示/打印子程序等。
在初始化程序中设置堆栈,选择软件定时器。当软件定时器发出中断请求时,调用数据采集与处理子程序,获取炉温参数,在数据处理中调用PID子程序,进PID调节,确定需要升温还是降温。
显示子程序主要显示炉温。
打印程序可在需要时,随机打印炉温和有关报表。
5.2 报警函数程序
5.2.1 超温的判断
超温时当系统温度趋于稳定的时候,其炉温仍高于某一设定值时,系统认定炉温超温。
系统通过每隔一定的时间比较试验温度如实际温度的大小来判断是否超温,当Ctl[i]+S[i]<up[i]或Ctl[i]+S[i]<down[i]时,进行超温报警。
其中:up[i]为第i个炉的上炉温;
      down[i]为第i个炉的下炉温;
      Ctl[i]为第i个炉的试验温度;
      S[i]为第i个炉的电偶误差。
5.2.2.断偶的判断
当断偶发生时,传感器传回一个高电压,经过A/D转换器之后下位机会产生一个很高的温度数值(一般大于1500摄氏度),并将这个值传给上位机软件系统,而这个数值在正常试验中是不会出现的(即使超温也不会出现),所以断偶的判断方法为:
Up[i]>1500或down[i]>1500,此时系统将认为断偶已经出现。
5.2.3.接反的判断
一旦出现接反现象时,系统会得到一个负的温度值,实际不允许这种情况发生。判断方法为:
up[i]<0或down[i]<0,此时系统自动进行接反报警。
5.2.4.到时的判断
系统会自动把用户输入的控制时间(即实验时间)、运行时间进行比较,一旦运行时间超出控制时间,系统会进行到时报警,提醒操作者,判断方法为: Utime[i]>Ctime[i]
注:无论在上面的哪一种情况的判断中,都有一个定时器控件支持,它的作用是确保系统每隔一定的时间自动检查是否发生以上情况,这个时间值是由系统设定的。
5.3 软件的调试
利用仿真工具,一边编软件,一边就可以进行程序调试,根据我们在计算机编辑环境里做的类似PAD图的程序注释,从时钟模块、示模块开始,一点一点往上加,为了不失整体性,对于没有编写或者调通的模块,用一些人为满足该模块入口出口条件的指令替代这一模块的功能,以建立起基本的程序框架,然后因为是模块化的程序结构,就可以采用编模块,调通一模块的方法来进行。在调试过程中,如果必要,可以在被调试的模块口加入一些专门为调试方便而写的指令。例如在指令在注释行打上“For fest” 的标志,这样等调试结束后我们就可用编辑工具中的字符串找功能,方便地找到这些为调试而加入的语句,把它们删除。
因为系统并不大,而一些模块单独测试又比较困难,因此我们把这些模块放入整个系统中来调试,采用由顶向下和由底向上的两种调试方法从两个方面来调试,直到最后调通为止。程序调通之后,可能或多或少地有一些隐藏的错误,对于测试出现的错误,把他们记录下来等全部测试完后,再统筹考虑,一并处理。最后,我们得到了一个较为完善的系统,但还要在生产应用中进一步改进完善。
 
 
 
参考文献
 
[1] 江秀汉,周建辉主编.计算机控制原理及应用.西安:西安电子科技大学出版社,1995年.
[2] 孙杰著.高温持久试验机集散式测控系统.抚顺石油学院学报,1999年.
[3] 黄一夫编著.微型计算机控制技术.北京机械工业出版社,1998年.
 
Abstract: This paper firstly introduced a set of furnace temperature control system,used to high temperature tensile strength tester.The control system is made up of the higher-layer control system and the lower-layer control system,the major designed part is the higher-layer control system,its function is:computer monitors the multiple control parameters,then counts them based on the concluded control methods.The product process are controlled by the counted results via output roads.Furnace temperature control applys Dahlin mathematics method,and valid control parameter method.Tth control system applys full segregate road collect and new segregate amplifier technology,while make heating sensor full satisfied the regulation of expriment standard.Control system manage software applys Borland C++programs,simulate Windows Chinese langage windows,oeration and use is very simple,and the current operaters can grasp it very easily.
Key words: tensile strength test   furnace temperature   masture control system
 
@Kcpaper 工作室 2009-2021 版权所有:科创工作室 1024*768显示最佳 皖ICP备12010335号-9 点击这里给我发消息