鍋爐溫度控制系統(tǒng)的設(shè)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(biāo)，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(jié)垢，傳熱效率下降，過熱蒸汽溫度下降，嚴(yán)重時將引起蒸汽品質(zhì)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(yán)重時會發(fā)生鍋爐爆炸。尤其是大型鍋爐，一旦控制不當(dāng)，容易使汽包滿水或汽包內(nèi)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(shè)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(guān)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(dāng)鍋爐溫度低于用戶設(shè)定的值時，系統(tǒng)自動打開燃料通道，當(dāng)溫度到達(dá)設(shè)定值時，系統(tǒng)自動關(guān)閉燃料通道。通過定量的計算表明該控制系統(tǒng)設(shè)

3、計合理、可行。</p><p><b>　　一.系統(tǒng)總體設(shè)計</b></p><p>　　1．1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案</p><p><b>　　設(shè)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(shè)計是整個實驗的關(guān)鍵部分，我們在設(shè)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(shè)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(nèi)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(zhuǎn)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(nèi)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(shè)計 </p><p>　　1）溫度檢測模擬輸入通道設(shè)計 </p><p>　　圖1-2 輸入通道原理圖</p><p>　　設(shè)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(zhuǎn)換結(jié)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(nèi)，可以得到13位的A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果。</p><p>　　2) 晶閘管數(shù)字觸發(fā)輸出通道設(shè)計</p><p>　　晶閘管的工作方式有：調(diào)壓方式; 調(diào)功方式</p><p>　　調(diào)壓方式：是通過利用移相觸發(fā)脈沖調(diào)節(jié)晶閘管的導(dǎo)通角，使

8、輸入到電加熱元件的電壓改變，達(dá)到調(diào)節(jié)用電器的輸入功率，來實現(xiàn)控制目的 。</p><p>　　圖1-3 調(diào)壓方式原理圖</p><p><b>　　圖1-4 波形圖</b></p><p>　　調(diào)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(dǎo)通，則負(fù)載上得到的電壓是一個正弦波。</p><

9、p>　　調(diào)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(fù)載有效電阻；U——電網(wǎng)電壓 ；n——允許導(dǎo)通的波頭數(shù)；N——設(shè)定的波頭數(shù)。</p><p>　　當(dāng) 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(shè)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(shè)備，設(shè)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(zhuǎn)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(qū)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(nèi)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(jié)構(gòu)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(shè)定值，都會產(chǎn)生控制作用去

13、克服被控變量與設(shè)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(yīng)能力，其應(yīng)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(dāng)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(zhì)量大大降低。</p><p>　　在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，根據(jù)設(shè)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(shè)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(shè)計數(shù)字控制器D(z)。設(shè)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(shè)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(gòu)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(guān)，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(gòu)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(shè)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(gòu)成：信號轉(zhuǎn)換及調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、脈寬調(diào)制控制及驅(qū)動電路和執(zhí)行機構(gòu)。</p><p>　　圖4-1系統(tǒng)硬件電路</p><p>　　4. 1．信號轉(zhuǎn)換及調(diào)理電路</p>&

19、lt;p>　　信號轉(zhuǎn)換調(diào)理就是將溫度信號轉(zhuǎn)化為電信號，然后調(diào)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(zhuǎn)換器將輸入的模擬電壓量轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jìn)制(即11位二進(jìn)制數(shù))的雙積分式模數(shù)轉(zhuǎn)換器,轉(zhuǎn)換速率為4-10Hz,它無控制啟停信號，一旦上電，就不斷地轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換結(jié)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(yīng),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(nèi)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(qū)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(diào)制控制及驅(qū)動電路</p><p>　　脈寬調(diào)制控制及驅(qū)動部分的原理圖（圖中包括執(zhí)行機構(gòu)部分）如下：</p><p>　　圖 4-4 脈寬調(diào)制控制及驅(qū)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(qū)動電路進(jìn)行脈沖放大。改變占空比的調(diào)節(jié)方法有脈寬調(diào)制(PWM)和脈頻調(diào)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(dǎo)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(gòu)</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(dǎo)通，把控制信號減少甚至完全去掉，它仍然導(dǎo)通，只有當(dāng)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(shè)計</b></p><p>　

25、　系統(tǒng)控制程序的任務(wù)：</p><p>　　系統(tǒng)初始化。 </p><p>　　多路模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)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(zhuǎn)換為二進(jìn)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(shè)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(shè)置計數(shù)器的控制字和計數(shù)初始值；</p><p>　　設(shè)置時鐘系統(tǒng)的初始值；</p><p>　　設(shè)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(wù)程序模塊</p><p>　　中斷服務(wù)程序的任務(wù)：</p><p>　　讀取A／D轉(zhuǎn)換結(jié)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(zhuǎn)換為二進(jìn)制碼。</p><p>　　外部中斷產(chǎn)生ls鐘內(nèi)，將多路模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)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(wù)：</b></p><p><b>　　實時時鐘程序</b></p><p>　　根據(jù)設(shè)

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(jìn)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(nèi)模控制與PID控制的階躍響應(yīng)曲線</p><

31、;p>　　由圖6-1可以看出，內(nèi)?？刂票绕胀≒ID控制更能獲得良好的動態(tài)效應(yīng)，穩(wěn)定速度快，超調(diào)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(hù)方便，性能可靠；采用 微機控制，提高了產(chǎn)品質(zhì)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(zhì)量分析。</p><p><b>　　結(jié)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(nèi)?？刂频脑碓O(shè)計了控制器進(jìn)行仿真，并與普通PID控制進(jìn)行比較。仿真控制效果表明，內(nèi)模控制比PID控制超調(diào)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(nèi)?？刂破髟O(shè)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(shè)計體會</b></p><p>　　通過這次計算機控制技術(shù)課程設(shè)計使我對所學(xué)的計算機控制技術(shù)理論知識有了深層次的理解和掌握，增強了自己對所學(xué)計算機控制技術(shù)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(zhì)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(shè)計把自己所學(xué)的計算機控制技術(shù)分散理論知識聯(lián)系起來，使自己所學(xué)的計算機控制技術(shù)理論知識形成了

34、一個體系。</p><p>　　這次課程設(shè)計，也讓我更加清楚的認(rèn)識到理論與實踐的關(guān)系-----只有把理論與實踐緊密結(jié)合起來，理論知識才能變成有應(yīng)用價值的靈活知識。認(rèn)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(xué)正確理論指導(dǎo)下才能取得成功和碩果?？茖W(xué)正確的理論知識是推動人類實踐活動前進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(shè)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(rèn)識，對實際生活的體會有助于以后專業(yè)知識的學(xué)習(xí)和研究，明白了科學(xué)理論的重要性。</p><p>　　當(dāng)然在這次課程設(shè)計，也發(fā)現(xiàn)了自己的很多不足之處，比如對所學(xué)計算機控制技術(shù)原理掌握的還不夠牢固，知識應(yīng)用不夠靈活，不能觸類旁通舉一反三等。在以后的學(xué)習(xí)中一定要腳踏實地、一絲不茍的對待

36、所學(xué)專業(yè)知識，認(rèn)真學(xué)習(xí)、精益求精為將來的學(xué)習(xí)、研究和工作奠定堅實的理論基礎(chǔ)，在以后的學(xué)習(xí)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(xué) 號：0506040118</p><p>　　日 期：2008.6.22  </p><p><b>

37、　　參 考 文 獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 姜學(xué)軍主編.計算機控制技術(shù). 清華大學(xué)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(dá)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]