鍋爐溫度控制系統(tǒng)的設計

1、<p><b>　　綜述</b></p><p>　　鍋爐汽包燃燒系統(tǒng)是工業(yè)蒸汽鍋爐安全、穩(wěn)定運行的重要指標，溫度過高，會使蒸汽帶水過多，汽水分離差，使后續(xù)的過熱器管壁結垢，傳熱效率下降，過熱蒸汽溫度下降，嚴重時將引起蒸汽品質下降，影響生產(chǎn)和安全；溫度過低又將破壞部分水冷壁的水循環(huán)不能滿足工藝要求，嚴重時會發(fā)生鍋爐爆炸。尤其是大型鍋爐，一旦控制不當，容易使汽包滿水或汽包內的水全部汽

2、化，造成重大事故。因此，在鍋爐運行中，保證溫度在正常范圍是非常重要的。</p><p>　　本文設計了一種數(shù)字式鍋爐溫度控制系統(tǒng)，并給出了硬件原理圖。該控制系統(tǒng)是用MCS-51系列單片機及其相關硬件來實現(xiàn)，利用傳感器測量溫度數(shù)據(jù)、CPU循環(huán)檢測傳感器輸出狀態(tài)，并用光柱和LED指示溫度的高度。當鍋爐溫度低于用戶設定的值時，系統(tǒng)自動打開燃料通道，當溫度到達設定值時，系統(tǒng)自動關閉燃料通道。通過定量的計算表明該控制系統(tǒng)設

3、計合理、可行。</p><p><b>　　一.系統(tǒng)總體設計</b></p><p>　　1．1 系統(tǒng)總體設計方案</p><p><b>　　設計框圖如下所示：</b></p><p><b>　　圖1-1系統(tǒng)框圖</b></p><p>　　1．2

4、單元電路方案的論證與選擇</p><p>　　硬件電路的設計是整個實驗的關鍵部分，我們在設計中主要考慮了這幾個方面：電路簡單易懂，較好的體現(xiàn)物理思想；可行性好，操作方便。在設計過程中有的電路有多種備選方案，我們綜合各種因素做出了如下選擇。</p><p>　　1．2．1 溫度信號采集電路的論證與選擇</p><p>　　采用溫度傳感器DS18B20</p>

5、;<p>　　美國DALLAS公司的產(chǎn)品可編程單總線數(shù)字式溫度傳感器DS18B20可實現(xiàn)室內溫度信號的采集，有很多優(yōu)點：如直接輸出數(shù)字信號，故省去了后繼的信號放大及模數(shù)轉換部分，外圍電路簡單，成本低;單總線接口，只有一根信號線作為單總線與CPU連接，且每一只都有自己唯一的64位系列號存儲在其內部的ROM存儲器中，故在一根信號線上可以掛接多個DS18820,便于多點測量且易于擴展。</p><p>　

6、　DS 18 B2 0的測溫范圍較大，集成度較高，但需要串口來模擬其時序才能使用，故沒有選用此方案。</p><p>　　1.2.1輸入輸出通道及其接口設計 </p><p>　　1）溫度檢測模擬輸入通道設計 </p><p>　　圖1-2 輸入通道原理圖</p><p>　　設V／F變換器的額定輸出頻率為F，計數(shù)器對輸出脈沖的計數(shù)時間為Ts

7、，A／D轉換結果的分辨率為i，則有： </p><p>　　取Ts＝1s，則在V／F的輸出頻率范圍0～10kHz內，可以得到13位的A／D轉換結果。</p><p>　　2) 晶閘管數(shù)字觸發(fā)輸出通道設計</p><p>　　晶閘管的工作方式有：調壓方式; 調功方式</p><p>　　調壓方式：是通過利用移相觸發(fā)脈沖調節(jié)晶閘管的導通角，使

8、輸入到電加熱元件的電壓改變，達到調節(jié)用電器的輸入功率，來實現(xiàn)控制目的 。</p><p>　　圖1-3 調壓方式原理圖</p><p><b>　　圖1-4 波形圖</b></p><p>　　調功方式：觸發(fā)電路采用的是過零觸發(fā)方式，外加正弦電壓過零時控制信號才使晶閘管的觸發(fā)導通，則負載上得到的電壓是一個正弦波。</p><

9、p>　　調功方式輸入電爐的平均功率為： </p><p>　　P——輸入電爐的功率；R——負載有效電阻；U——電網(wǎng)電壓 ；n——允許導通的波頭數(shù)；N——設定的波頭數(shù)。</p><p>　　當 n＝0時，電爐的輸入功率為零；</p><p>　　n＝N時，電爐的輸入功率為滿功率。 </p><p>　　由以上分析可得晶閘管數(shù)字觸發(fā)輸出通

10、道設計</p><p>　　圖1-4 過零檢測同步脈沖電路 </p><p>　　圖1-5 波形圖 </p><p>　　3) 撥碼盤給定輸入通道</p><p>　　撥碼盤作為數(shù)字量的輸入設備，設定和修改碼盤值可作為控制系統(tǒng)的給定值。輸入非數(shù)字信息時，需要事先將非數(shù)字信息轉換為數(shù)字代碼，再由撥碼盤輸入。 </p><p

11、>　　4) 數(shù)碼顯示輸出通道 包括： 數(shù)字量輸出接口電路；鎖存譯碼驅動電路；七段數(shù)碼管顯示器。</p><p>　　5) 打印機輸出通道 包括： 系統(tǒng)配置了通用打印機接口電路； 打印內容包括表頭、制表、采樣數(shù)據(jù)和采樣時間。 </p><p><b>　　二.系統(tǒng)框圖</b></p><p><b>　　2.1系統(tǒng)原理圖<

12、;/b></p><p><b>　　2.2系統(tǒng)框圖</b></p><p>　　由系統(tǒng)原理圖可畫出系統(tǒng)的結構框圖為</p><p>　　閉環(huán)控制系統(tǒng)是指控制器與被控對象之間既有順向控制又有反向聯(lián)系的控制系統(tǒng)。</p><p>　　閉環(huán)控制系統(tǒng) 優(yōu)點----不管任何擾動引起被控變量偏離設定值，都會產(chǎn)生控制作用去

13、克服被控變量與設定值的偏差。因此閉環(huán)控制系統(tǒng)有較高的控制精度和較好的適應能力，其應用范圍非常廣泛。</p><p>　　缺點---閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制作用只有在偏差出現(xiàn)后才產(chǎn)生，當系統(tǒng)的慣性滯后和純滯后較大時，控制作用對擾動的克服不及時，從而使其控制質量大大降低。</p><p>　　在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，根據(jù)設定值的不同形式，又可分為定值控制系統(tǒng)，隨動控制系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)</p>

14、<p>　　3.溫度系統(tǒng)控制器的設計</p><p>　　由以上分析可知，鍋爐的溫度控制系統(tǒng)可以近似為二階系統(tǒng)，可表示為，以大林算法設計數(shù)字控制器D(z)。設采樣周期T=0.5s。</p><p>　　3.1計算廣義對象的脈沖傳遞函數(shù)</p><p>　　把T=0.5s、 代入得</p><p><b>　　3.2

15、的計算</b></p><p><b>　　由于 </b></p><p>　　此處N=0、T=0.5s，τ是整個系統(tǒng)（包括數(shù)字控制器和被控對象）的時間常數(shù)，代入上式得</p><p>　　由于 </p><p>　　所以 </p><p&g

16、t;　　3.3數(shù)字控制器的設計</p><p><b>　　由數(shù)字控制器的公式</b></p><p>　　把式（3）中的代入式（4）得數(shù)字控制器</p><p><b>　　3.4消除振鈴現(xiàn)象</b></p><p>　　由于直接用大林算法構成的閉環(huán)控制系統(tǒng)時，數(shù)字控制器的輸出U（z）會以1/2的

17、采樣頻率大幅度上下擺動，我們把這種現(xiàn)象叫做振鈴現(xiàn)象。振鈴現(xiàn)象與被空對象的特性、閉環(huán)時間常數(shù)、采樣周期、純滯后時間的大小等有關，振鈴現(xiàn)象中的震蕩是衰減的，并且由于被控對象中慣性環(huán)節(jié)的低通特性，使得這種震蕩對系統(tǒng)輸出幾乎無任何影響，但是振鈴現(xiàn)象卻會增加執(zhí)行機構的磨損。所以要想盡辦法消除振鈴現(xiàn)象。</p><p>　　由于令z=-1附近的極點會引起振鈴現(xiàn)象，為消除振鈴令現(xiàn)象，令z=-1附近的極點的z=1，代入上式得&l

18、t;/p><p><b>　　4. 硬件設計</b></p><p>　　本控制系統(tǒng)原理框圖如圖1所示，它由以下幾個模塊構成：信號轉換及調理電路、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、脈寬調制控制及驅動電路和執(zhí)行機構。</p><p>　　圖4-1系統(tǒng)硬件電路</p><p>　　4. 1．信號轉換及調理電路</p>&

19、lt;p>　　信號轉換調理就是將溫度信號轉化為電信號，然后調理為可采集的電壓信號。具體電路參見圖。</p><p>　　4.2 數(shù)據(jù)采集模塊</p><p>　　通過A/D轉換器將輸入的模擬電壓量轉換為數(shù)字量，并通過并行接口芯片將數(shù)字量送給計算機。本控制系統(tǒng)A/D轉換器采用高精度的MC14433，圖為MC14433的典型電路圖。</p><p>　　MC144

20、33是三位半十進制(即11位二進制數(shù))的雙積分式模數(shù)轉換器,轉換速率為4-10Hz,它無控制啟停信號，一旦上電，就不斷地轉換。轉換結果采用BCD碼動態(tài)掃描輸出,它的千位、百位、十位、個位的BCD碼輸出為分別與DS1、DS2、DS3、DS4輸出高電平是相對應,由于它們無三態(tài)特性,不可與PC機直接相連,因此要通過并行接口芯片相連接。又因為MC14433無內部參考電壓源,因此利用低溫漂的集成化的精密電源MC1403來產(chǎn)生穩(wěn)定的參考電壓。<

21、;/p><p>　　圖4-3數(shù)據(jù)采集電路</p><p><b>　　4.3數(shù)據(jù)顯示模塊</b></p><p>　　PC機將采集到的溫度值經(jīng)處理后送往LED數(shù)碼管上顯示，并在屏幕上打印出控制曲線。這部分可利用PC微機總線接口實驗裝置上的現(xiàn)有資源，在實驗裝置上本模塊提供了六個LED數(shù)碼管，CPU通過兩個端口來驅動LED數(shù)碼管，分別為段輸出選通端和位

22、選通端。數(shù)據(jù)的輸出顯示采用動態(tài)掃描方式，利用眼睛的視覺慣性來實現(xiàn)穩(wěn)定的數(shù)字顯示。 </p><p>　　4. 4．脈寬調制控制及驅動電路</p><p>　　脈寬調制控制及驅動部分的原理圖（圖中包括執(zhí)行機構部分）如下：</p><p>　　圖 4-4 脈寬調制控制及驅動電路</p><p>　　本電路用于完成反饋控制的功能，利用PC機輸出的

23、經(jīng)PID控制算法處理后的誤差信號去控制產(chǎn)生具有一定占空比的脈沖，并送往驅動電路進行脈沖放大。改變占空比的調節(jié)方法有脈寬調制(PWM)和脈頻調制(PFM)。由原理圖可知本系統(tǒng)采用PWM方式，即工作頻率不變，通過改變后級電路的導通與截止比來改變占空比。圖上所示各點的波形具體體現(xiàn)了本電路的工作過程。</p><p><b>　　4.5．執(zhí)行機構</b></p><p>　　

24、這部分電路比較簡單，由雙向可控硅（晶閘管）及電路組成，見圖所示。晶閘管一旦觸發(fā)，管子就導通，把控制信號減少甚至完全去掉，它仍然導通，只有當陽極電流減少到維持電流以下，管子才會截止。不過雙向可控硅則無所謂陰、陽極。本電路可控硅采用BT138 600E，見圖，其中T1：主端子 T2：主端子 G：門極</p><p><b>　　5軟件設計</b></p><p>　

25、　系統(tǒng)控制程序的任務：</p><p>　　系統(tǒng)初始化。 </p><p>　　多路模擬轉換開關的切換控制。 </p><p>　　溫度反饋信號采樣和數(shù)字濾波、線性化處理。</p><p>　　讀給定輸入值，且將BCD碼轉換為二進制碼。</p><p>　　完成系統(tǒng)的控制算法和控制輸出。 </p>

26、<p>　　定點或巡回顯示溫度值和網(wǎng)帶速度值。</p><p>　　定時打印時間、溫度和網(wǎng)帶運行速度。</p><p>　　按控制功能將程序分成三個程序模塊：</p><p>　　5.1系統(tǒng)初始化程序模塊</p><p><b>　　系統(tǒng)初始化包括： </b></p><p><

27、b>　　設置堆棧；</b></p><p>　　清除動態(tài)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)；</p><p><b>　　初始化打印緩沖區(qū)；</b></p><p>　　設置計數(shù)器的控制字和計數(shù)初始值；</p><p>　　設置時鐘系統(tǒng)的初始值；</p><p>　　設置控制算法程序的初始值；</

28、p><p>　　系統(tǒng)中斷控制初始化等。 </p><p>　　圖5-1 初始化模塊流程圖</p><p>　　5.2外部中斷服務程序模塊</p><p>　　中斷服務程序的任務：</p><p>　　讀取A／D轉換結果，以BCD碼的形式送到數(shù)碼管中顯示。 </p><p>　　讀取溫度給定值并將BC

29、D碼轉換為二進制碼。</p><p>　　外部中斷產(chǎn)生ls鐘內，將多路模擬轉換開關切換到下一個通道 。 </p><p>　　5.3定時打印程序模塊 </p><p><b>　　實現(xiàn)任務：</b></p><p><b>　　實時時鐘程序</b></p><p>　　根據(jù)設

30、定時間完成打印控制</p><p>　　圖5-2 定時打印程序模塊流程圖</p><p><b>　　6.系統(tǒng)仿真</b></p><p>　　分別進行給定值變化和干擾變化仿真，并與PID控制的變化加以比較，整理得下</p><p>　　圖6-1 燃燒系統(tǒng)的內?？刂婆cPID控制的階躍響應曲線</p><

31、;p>　　由圖6-1可以看出，內?？刂票绕胀≒ID控制更能獲得良好的動態(tài)效應，穩(wěn)定速度快，超調量減小，抗干擾能力強。</p><p>　　系統(tǒng)投入運行之后，滿足了系統(tǒng)的控制要求。 該系統(tǒng)操作簡便，使用維護方便，性能可靠；采用 微機控制，提高了產(chǎn)品質量；改善了勞動條件，消 除了人為因素；易于現(xiàn)代化管理和產(chǎn)品質量分析。</p><p><b>　　結論</b><

32、;/p><p>　　本文針對鍋爐燃燒系統(tǒng)具有大時滯的特點，采用一階純滯后模型作為實際過程對象的模型，并根據(jù)內模控制的原理設計了控制器進行仿真，并與普通PID控制進行比較。仿真控制效果表明，內?？刂票萈ID控制超調小，提高了穩(wěn)定速度及抗干擾能力，且兼顧了魯棒性和穩(wěn)定性。因為實際工業(yè)中普遍存在大時滯系統(tǒng)，且內模控制器設計方便，因此這種控制方法不僅用于鍋爐燃燒系統(tǒng)，還可推廣用于其他具有大時滯的過程中。</p>

33、<p><b>　　課程設計體會</b></p><p>　　通過這次計算機控制技術課程設計使我對所學的計算機控制技術理論知識有了深層次的理解和掌握，增強了自己對所學計算機控制技術理論知識的靈活運用，增強了自己的獨立思考和創(chuàng)新綜合素質能力，尤其是運用理論知識解決實際問題的能力。通過本次課程設計把自己所學的計算機控制技術分散理論知識聯(lián)系起來，使自己所學的計算機控制技術理論知識形成了

34、一個體系。</p><p>　　這次課程設計，也讓我更加清楚的認識到理論與實踐的關系-----只有把理論與實踐緊密結合起來，理論知識才能變成有應用價值的靈活知識。認識到理論知識只有運用于實踐才能產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟利潤和社會價值，而實踐只有在科學正確理論指導下才能取得成功和碩果。科學正確的理論知識是推動人類實踐活動前進的強大精神武器，而實踐活動是檢驗理論正確與否的唯一標準也是理論產(chǎn)生的源泉。理論與實踐緊密聯(lián)系，相互依存

35、。</p><p>　　同時這次課程設計，更是增強了自己的實踐動手能力，尤其遇到問題而深入實際生活加深了對理論的認識，對實際生活的體會有助于以后專業(yè)知識的學習和研究，明白了科學理論的重要性。</p><p>　　當然在這次課程設計，也發(fā)現(xiàn)了自己的很多不足之處，比如對所學計算機控制技術原理掌握的還不夠牢固，知識應用不夠靈活，不能觸類旁通舉一反三等。在以后的學習中一定要腳踏實地、一絲不茍的對待

36、所學專業(yè)知識，認真學習、精益求精為將來的學習、研究和工作奠定堅實的理論基礎，在以后的學習中多參與實際生活問題的思考，多參加實踐活動！</p><p>　　姓 名：劉向明</p><p>　　學 號：0506040118</p><p>　　日 期：2008.6.22  </p><p><b>

37、　　參 考 文 獻</b></p><p>　　[1] 姜學軍主編.計算機控制技術. 清華大學出版社，2005</p><p>　　[2]潘永湘，楊延西，趙躍編著.過程控制與自動化儀表.機械工業(yè)出版社，2007</p><p>　　[3] 張明達主編.電力拖動控制系統(tǒng). 北京：冶金工業(yè)出版社，1983</p><p>　　[4]