鍋爐溫度自動(dòng)控制

1、綜述鍋爐汽包燃燒系統(tǒng)是工業(yè)蒸汽鍋爐安全、穩(wěn)定運(yùn)行的重要指標(biāo)，溫度過(guò)高，會(huì)使蒸汽帶水過(guò)多，汽水分離差，使后續(xù)的過(guò)熱器管壁結(jié)垢，傳熱效率下降，過(guò)熱蒸汽溫度下降，嚴(yán)重時(shí)將引起蒸汽品質(zhì)下降，影響生產(chǎn)和安全；溫度過(guò)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(shí)會(huì)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)的水全部汽化，造成重大事故。因此，在鍋爐運(yùn)行中，保證溫度在正常范圍是非常重要的。本文設(shè)計(jì)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(jī)及其相關(guān)硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)，利用傳感器測(cè)量溫度數(shù)據(jù)、CPU循環(huán)檢測(cè)傳感器輸出狀態(tài)，并用光柱和LED指示溫度的高

2、度。當(dāng)鍋爐溫度低于用戶設(shè)定的值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)打開燃料通道，當(dāng)溫度到達(dá)設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉燃料通道。通過(guò)定量的計(jì)算表明該控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理、可行。一.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)11 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)框圖如下所示：計(jì)算機(jī)控制溫度信號(hào)采集電路溫度控制接口電路繼電器控制與加熱電路繼電器控制與降溫電路圖1-1系統(tǒng)框圖12 單元電路方案的論證與選擇硬件電路的設(shè)計(jì)是整個(gè)實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵部分，我們?cè)谠O(shè)計(jì)中主要考慮了這幾個(gè)方面：電路簡(jiǎn)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(jì)過(guò)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。121 溫度信號(hào)采集電路的論證與選擇采用溫度傳感器DS18B20美國(guó)DALLAS公

3、司的產(chǎn)品可編程單總線數(shù)字式溫度傳感器DS18B20可實(shí)現(xiàn)室內(nèi)溫度信號(hào)的采集，有很多優(yōu)點(diǎn)：如直接輸出數(shù)字信號(hào)，故省去了后繼的信號(hào)放大及模數(shù)轉(zhuǎn)換部分，外圍電路簡(jiǎn)單，成本低;單總線接口，只有一根信號(hào)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(hào)存儲(chǔ)在其內(nèi)部的ROM存儲(chǔ)器中，故在一根信號(hào)線上可以掛接多個(gè)DS18820,便于多點(diǎn)測(cè)量且易于擴(kuò)展。DS 18 B2 0的測(cè)溫范圍較大，集成度較高，但需要串口來(lái)模擬其時(shí)序才能使用，故沒有選用此方案。輸入輸出通道及其接口設(shè)計(jì)1）溫度檢測(cè)模擬輸入通道設(shè)計(jì)圖1-2 輸入通道原理圖設(shè)VF變換器的額定輸出頻率為F，計(jì)數(shù)器對(duì)輸出脈沖的計(jì)數(shù)時(shí)間為Ts，AD轉(zhuǎn)換結(jié)

4、果的分辨率為i，則有：取Ts1s，則在VF的輸出頻率范圍010kHz內(nèi)，可以得到13位的AD轉(zhuǎn)換結(jié)果。2) 晶閘管數(shù)字觸發(fā)輸出通道設(shè)計(jì)晶閘管的工作方式有：調(diào)壓方式;調(diào)功方式調(diào)壓方式：是通過(guò)利用移相觸發(fā)脈沖調(diào)節(jié)晶閘管的導(dǎo)通角，使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(lái)實(shí)現(xiàn)控制目的。 圖1-3 調(diào)壓方式原理圖圖1-4 波形圖調(diào)功方式：觸發(fā)電路采用的是過(guò)零觸發(fā)方式，外加正弦電壓過(guò)零時(shí)控制信號(hào)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(gè)正弦波。調(diào)功方式輸入電爐的平均功率為：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)。當(dāng) n0時(shí)，電爐的輸入功率為零

5、；nN時(shí)，電爐的輸入功率為滿功率。由以上分析可得晶閘管數(shù)字觸發(fā)輸出通道設(shè)計(jì)圖1-4 過(guò)零檢測(cè)同步脈沖電路圖1-5 波形圖 3) 撥碼盤給定輸入通道撥碼盤作為數(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(shí)，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。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(dòng)電路；七段數(shù)碼管顯示器。5) 打印機(jī)輸出通道 包括：系統(tǒng)配置了通用打印機(jī)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(shí)間。二.系統(tǒng)框圖2.1系統(tǒng)原理圖2.2系統(tǒng)框圖由系統(tǒng)原理圖可畫出系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖為閉環(huán)控制系統(tǒng)是指控制器與被控對(duì)象之間既有順向控制又有反

6、向聯(lián)系的控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng) 優(yōu)點(diǎn)-不管任何擾動(dòng)引起被控變量偏離設(shè)定值，都會(huì)產(chǎn)生控制作用去克服被控變量與設(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。缺點(diǎn)-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(shí)，控制作用對(duì)擾動(dòng)的克服不及時(shí)，從而使其控制質(zhì)量大大降低。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(dòng)控制系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)3.溫度系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)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(jì)數(shù)字控制器D(z)。設(shè)采樣周期T=0.5s。3.1計(jì)算廣義對(duì)象的脈沖傳遞函數(shù)把T=

7、0.5s、 代入得3.2的計(jì)算由于此處N=0、T=0.5s，是整個(gè)系統(tǒng)（包括數(shù)字控制器和被控對(duì)象）的時(shí)間常數(shù)，代入上式得由于 所以 3.3數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)由數(shù)字控制器的公式把式（3）中的代入式（4）得數(shù)字控制器3.4消除振鈴現(xiàn)象由于直接用大林算法構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)時(shí)，數(shù)字控制器的輸出U（z）會(huì)以1/2的采樣頻率大幅度上下擺動(dòng)，我們把這種現(xiàn)象叫做振鈴現(xiàn)象。振鈴現(xiàn)象與被空對(duì)象的特性、閉環(huán)時(shí)間常數(shù)、采樣周期、純滯后時(shí)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(duì)象中慣性環(huán)節(jié)的低通特性，使得這種震蕩對(duì)系統(tǒng)輸出幾乎無(wú)任何影響，但是振鈴現(xiàn)象卻會(huì)增加執(zhí)行機(jī)構(gòu)的磨損。所以要想盡辦法消除振鈴現(xiàn)象。由于

8、令z=-1附近的極點(diǎn)會(huì)引起振鈴現(xiàn)象，為消除振鈴令現(xiàn)象，令z=-1附近的極點(diǎn)的z=1，代入上式得4. 硬件設(shè)計(jì)本控制系統(tǒng)原理框圖如圖1所示，它由以下幾個(gè)模塊構(gòu)成：信號(hào)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(dòng)電路和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。圖4-1系統(tǒng)硬件電路4. 1信號(hào)轉(zhuǎn)換及調(diào)理電路信號(hào)轉(zhuǎn)換調(diào)理就是將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，然后調(diào)理為可采集的電壓信號(hào)。具體電路參見圖。4.2 數(shù)據(jù)采集模塊通過(guò)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(guò)并行接口芯片將數(shù)字量送給計(jì)算機(jī)。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。MC14433是三位半十進(jìn)制(即11位二

9、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(wú)控制啟停信號(hào)，一旦上電，就不斷地轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換結(jié)果采用BCD碼動(dòng)態(tài)掃描輸出,它的千位、百位、十位、個(gè)位的BCD碼輸出為分別與DS1、DS2、DS3、DS4輸出高電平是相對(duì)應(yīng),由于它們無(wú)三態(tài)特性,不可與PC機(jī)直接相連,因此要通過(guò)并行接口芯片相連接。又因?yàn)镸C14433無(wú)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(lái)產(chǎn)生穩(wěn)定的參考電壓。圖4-3數(shù)據(jù)采集電路4.3數(shù)據(jù)顯示模塊PC機(jī)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(jī)總線接口實(shí)驗(yàn)裝置上的現(xiàn)有資源，在實(shí)驗(yàn)裝置上本模塊提供了六個(gè)

10、LED數(shù)碼管，CPU通過(guò)兩個(gè)端口來(lái)驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管，分別為段輸出選通端和位選通端。數(shù)據(jù)的輸出顯示采用動(dòng)態(tài)掃描方式，利用眼睛的視覺慣性來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的數(shù)字顯示。4. 4脈寬調(diào)制控制及驅(qū)動(dòng)電路脈寬調(diào)制控制及驅(qū)動(dòng)部分的原理圖（圖中包括執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分）如下：圖 4-4 脈寬調(diào)制控制及驅(qū)動(dòng)電路本電路用于完成反饋控制的功能，利用PC機(jī)輸出的經(jīng)PID控制算法處理后的誤差信號(hào)去控制產(chǎn)生具有一定占空比的脈沖，并送往驅(qū)動(dòng)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(guò)改變后級(jí)電路的導(dǎo)通與截止比來(lái)改變占空比。圖上所示各點(diǎn)的波形具體體現(xiàn)了

11、本電路的工作過(guò)程。4.5執(zhí)行機(jī)構(gòu)這部分電路比較簡(jiǎn)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(hào)減少甚至完全去掉，它仍然導(dǎo)通，只有當(dāng)陽(yáng)極電流減少到維持電流以下，管子才會(huì)截止。不過(guò)雙向可控硅則無(wú)所謂陰、陽(yáng)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5軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制程序的任務(wù)：a) 系統(tǒng)初始化。b) 多路模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)的切換控制。c) 溫度反饋信號(hào)采樣和數(shù)字濾波、線性化處理。d) 讀給定輸入值，且將BCD碼轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制碼。e) 完成系統(tǒng)的控制算法和控制輸出。開始f) 定點(diǎn)或巡回顯示溫度值和網(wǎng)帶速度值。給8051送控制

12、字和初值顯示緩沖寄存器初始化打印緩沖區(qū)初始化設(shè)置堆棧結(jié)束設(shè)置中斷系統(tǒng)控制字設(shè)置控制算法程序的初始值設(shè)置時(shí)鐘系統(tǒng)初始值g) 定時(shí)打印時(shí)間、溫度和網(wǎng)帶運(yùn)行速度。按控制功能將程序分成三個(gè)程序模塊：5.1系統(tǒng)初始化程序模塊系統(tǒng)初始化包括：a) 設(shè)置堆棧；b) 清除動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)；c) 初始化打印緩沖區(qū)；d) 設(shè)置計(jì)數(shù)器的控制字和計(jì)數(shù)初始值；e) 設(shè)置時(shí)鐘系統(tǒng)的初始值；f) 設(shè)置控制算法程序的初始值；g) 系統(tǒng)中斷控制初始化等。圖5-1 初始化模塊流程圖5.2外部中斷服務(wù)程序模塊中斷服務(wù)程序的任務(wù)：1) 讀取AD轉(zhuǎn)換結(jié)果，以BCD碼的形式送到數(shù)碼管中顯示。2) 讀取溫度給定值并將BCD碼轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制碼。

13、3) 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(gè)通道。5.3定時(shí)打印程序模塊 實(shí)現(xiàn)任務(wù)：1) 實(shí)時(shí)時(shí)鐘程序2) 根據(jù)設(shè)定時(shí)間完成打印控制NYNNYN開始需要打印否？請(qǐng)停止打印標(biāo)志打印時(shí)間到？時(shí)鐘、爐溫及網(wǎng)帶速度送打印緩沖區(qū)表頭打印過(guò)？調(diào)打印頭程序設(shè)置表頭打印過(guò)標(biāo)志調(diào)打印數(shù)據(jù)程序停止打印標(biāo)志置位？停止打印、設(shè)停止打印標(biāo)志，走紙回行，設(shè)表頭未打印標(biāo)志圖5-2 定時(shí)打印程序模塊流程圖6.系統(tǒng)仿真分別進(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，整理得下圖6-1 燃燒系統(tǒng)的內(nèi)?？刂婆cPID控制的階躍響應(yīng)曲線由圖6-1可以看出，內(nèi)?？刂票绕胀≒ID控制更能獲得良好的動(dòng)態(tài)效應(yīng)，穩(wěn)定

14、速度快，超調(diào)量減小，抗干擾能力強(qiáng)。系統(tǒng)投入運(yùn)行之后，滿足了系統(tǒng)的控制要求。 該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)便，使用維護(hù)方便，性能可靠；采用 微機(jī)控制，提高了產(chǎn)品質(zhì)量；改善了勞動(dòng)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。結(jié)論本文針對(duì)鍋爐燃燒系統(tǒng)具有大時(shí)滯的特點(diǎn)，采用一階純滯后模型作為實(shí)際過(guò)程對(duì)象的模型，并根據(jù)內(nèi)模控制的原理設(shè)計(jì)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)?？刂票萈ID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?yàn)閷?shí)際工業(yè)中普遍存在大時(shí)滯系統(tǒng)，且內(nèi)?？刂破髟O(shè)計(jì)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(shí)滯的過(guò)程中。課程設(shè)

15、計(jì)體會(huì)通過(guò)這次計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)使我對(duì)所學(xué)的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)理論知識(shí)有了深層次的理解和掌握，增強(qiáng)了自己對(duì)所學(xué)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)理論知識(shí)的靈活運(yùn)用，增強(qiáng)了自己的獨(dú)立思考和創(chuàng)新綜合素質(zhì)能力，尤其是運(yùn)用理論知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)把自己所學(xué)的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)分散理論知識(shí)聯(lián)系起來(lái)，使自己所學(xué)的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)理論知識(shí)形成了一個(gè)體系。這次課程設(shè)計(jì)，也讓我更加清楚的認(rèn)識(shí)到理論與實(shí)踐的關(guān)系-只有把理論與實(shí)踐緊密結(jié)合起來(lái)，理論知識(shí)才能變成有應(yīng)用價(jià)值的靈活知識(shí)。認(rèn)識(shí)到理論知識(shí)只有運(yùn)用于實(shí)踐才能產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)利潤(rùn)和社會(huì)價(jià)值，而實(shí)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(shí)是推動(dòng)人類實(shí)踐活動(dòng)前進(jìn)的強(qiáng)大精神武器，而實(shí)踐活動(dòng)是檢驗(yàn)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(shí)踐緊密聯(lián)系，相互依存。同時(shí)這次課程設(shè)計(jì)，更是增強(qiáng)了自己的實(shí)踐動(dòng)手能力，尤其遇到問(wèn)題而深入實(shí)際生活加深了對(duì)理論的認(rèn)識(shí)，對(duì)實(shí)際生活的體會(huì)有助于以后專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)和研究，明白了科學(xué)理論的重