[發明專利]高溫高壓試驗裝置溫度串級PID控制系統及其控制方法

有效

• 申請號: 201010216370.0
• 申請日: 2010-07-02
• 公開（公告）號: CN101866190A
• 公開（公告）日: 2010-10-20
• 發明（設計）人: 張建華;樊新戰;李勇;郝佳
• 申請（專利權）人: 西安電爐研究所有限公司
• 主分類號: G05D23/24
• 分類號: G05D23/24;G05B11/42
• 代理公司: 西安新思維專利商標事務所有限公司 61114
• 代理人: 李罡

技術領域

本發明涉及高溫高壓試驗裝置溫度串級PID控制系統及其控制方法，主要針對電熱風加熱方式的高溫高壓釜溫度控制特殊工藝要求，提出溫度串級PID控制方法。

背景技術

試驗用高溫高壓釜用來模擬地層環境的溫度、壓力等參數，對工作于類似地層環境的儀器行性能進行檢測試驗，廣泛應用于石油、化工、煤炭、兵器、航天等領域。現有試驗裝置大多采用感應加熱或以類似導熱油為傳熱介質的強制循環加熱方式，這兩種加熱方式前者由于加熱原理限制，只能自然降溫，效率低下，應用范圍受限，后者加熱裝置設備復雜，運行管理成本較高，安全環保性能較差，同時受傳加熱原理和傳熱介質的限制，還具有試驗時間長，試驗溫度較低等缺點。對于電熱風加熱方式的高溫高壓釜溫度控制特殊工藝要求，采用常規控制方法升溫降溫速度控制困難，穩定性差，難以實現預期的控制目標。

發明內容

本發明所解決的技術問題是提供一種結構簡單，在保證釜壁密封溫度安全的前提下，既能快速準確達到升溫保溫目標，又能保證升溫過程高壓釜釜壁密封安全溫度，同時能夠有效解決爐膛升溫速度過快、超調大，溫度壓力耦合嚴重的高溫高壓試驗裝置溫度串級PID控制系統及其控制方法。

為解決上述的技術問題，本發明采取的技術方案：

本發明的特殊之處在于：所述的系統由以下模塊構成：

熱風混合加熱模塊包括加熱斧、導流筒、加熱筒、加熱體，加熱斧外徑依次套設導流筒、加熱筒構成加熱區，加熱體設置在導流筒與加熱筒之間；加熱電源模塊為加熱功率輸出控制的主回路，主要包括低壓斷路器、快速熔斷器、交流接觸器、三相過零調功裝置，并在主回路上連接有電能參數檢測裝置；風機循環模塊包括風機、變頻器、熱風閥、冷風閥、換向閥，換向閥與風機連接，且換向閥的兩端分別與熱風閥、冷風閥連接；溫度測控模塊包括設置在加熱區內的若干個熱電偶或熱電阻測溫元件、溫度變送器、外環主控PID控制回路、內環輔控PID控制回路、三相功率調節裝置、PLC、觸摸屏；所述的熱風混合加熱模塊的加熱體通過銅排與加熱電源模塊連接，加熱電源模塊與電氣控制模塊的PLC連接，風機循環模塊一路通過變頻器9與電氣控制模塊連接，另一路與熱風混合加熱模塊的加熱體連接；所述的熱電偶或熱電阻元件獲取的溫度變化信號通過變送器轉變成4-20mA的電流信號，傳輸到溫度測控模塊的外環主控PID控制回路、內環輔控PID控制回路，分別通過主控PID控制器、輔控PID控制器對輸出功率進行調節。

上述的系統的控制方法是將熱風混合加熱模塊的加熱區分為目標溫度A、安全溫度B、爐膛溫度C三個測溫區，目標溫度和通過外環主控PID控制回路運算處理后，其輸出信號傳輸到內環輔控PID控制回路和安全溫度進行比較運算處理，再經過溫控系數修正后轉化為模擬控制信號輸出到功率調節裝置，對加熱電源的輸出功率進行調整。

上述的的控制方法將熱風混合加熱模塊的加熱區分為A、B、C三個區域，其中A區為目標溫度測溫區即加熱工件所需要的試驗溫度，B區為安全溫度測溫區即該區的溫度不能超過罐內密封橡膠圈的安全極限溫度，C區為加熱體所處的導流筒爐膛溫度測溫區即循環空氣被加熱后的電熱風溫度，A、B、C三個區域均有三個測溫點分布在環形加熱區的上中下三個位置，分別為A1、A2、A3、B1、B2、B3、C1、C2、C3九個測溫點，測溫點均設置有熱電偶或熱電阻元件。

上述的控制方法以目標溫度A區為主控變量與加熱安全溫度B區為輔控變量構成串級控制系統，溫度控制以實現A區目標溫度穩定為主要控溫目標，通過串級控制方法，以B區的安全溫度和A區目標溫度作為加熱電源功率輸出的主要調節依據，C區溫度作為電熱風加熱控制過程中的監測值使用，在升溫、保溫、降溫各階段適時調整設定溫度，并切換被控溫度，來實現加熱試驗功能。

上述的控制方法根據信號傳遞關系，將電熱風加熱對象分為兩部分，一部分是高壓釜外壁以及外部電熱風導流筒等，其輸出變量為B區或C區溫度，即試驗過程中的安全溫度或導流筒內電熱風溫度；另一部分為加熱釜內液體，其輸出變量為A區溫度，即控制的目標溫度，風壓、風速、電源波動、溫度壓力耦合干擾變化，通過高壓釜外部電熱風溫度的波動影響釜內試驗目標溫度。