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)低乂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®環(huán)檢測(cè)傳感器輸出狀態(tài)，并用光柱和LED指

2、示溫度的高度。當(dāng)鍋爐溫度低丁用戶設(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)1.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)框圖如下所示：圖1-1系統(tǒng)框圖1.2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。1.2.1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

3、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儲(chǔ)器中，故在一根信號(hào)線上可以掛接多個(gè)DS18820便丁多點(diǎn)測(cè)量且易丁擴(kuò)展。DS18B20的測(cè)溫范圍較大，集成度較高，但需要申口來(lái)模擬其時(shí)序才能使用，故沒(méi)有選用此方案。1.2.1輸入輸出通道及其接口設(shè)計(jì)設(shè)V/F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,A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的分辨率為i,則有：2il=Fs取Ts=1s,則在V/F的輸出頻率范圍010kHz內(nèi)，可以得到13位的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。

4、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。導(dǎo)通角波形圖圖1-3調(diào)壓方式原理圖調(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)n=0時(shí)，電爐的輸入功率為零；n=N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1-5波形圖3）撥碼盤給定輸入通道撥

5、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)原理圖出口溫度T1T2原料油圖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(z)圖2-2系統(tǒng)原理圖閉環(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乂有反向聯(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

6、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，乂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Go（s）=（1）,以大林算法設(shè)計(jì)數(shù)字控制器D（z）。設(shè)采樣周期T=0.5s3.1計(jì)算廣義對(duì)象的脈沖傳遞函數(shù)G(z)=z1-JTses(1_1一z)=(1*s(s+1)-sSD一一1-2ss1

7、=(1Tz_1十1121-11n-1-d)z"ez_111T-12z(1-ez)-(1-z)(1-ez)(1-z。(z-1)(e-Tz_1)z'eTt-1)(1-e-TeCz1(1-z-1)(e-Tz_1)把T=0.5s、/=e-0.5=0.607代入得0.107G(z):(1-1-1z(10.832)z-1-1-z)(1-0.607z)3.28(z)的計(jì)算由丁、（z）-N-1T/.、匕(項(xiàng)')(1一ez)此處N=QT=0.5s,i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)，代入上式得丁/'：、(z)=z(1；ei)(i-ez)Ge(z)(Z)1所以Ge

8、(Z)-(Z(e：TZ/.z_1)3.3數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)由數(shù)字控制器的公式D(z)=(-)G(z)Ge(Z)把式(3)中的小(z)和Ge(z)代入式(4)得數(shù)字控制器_T/_1D(z)0.934(1-e*Xi-0.607z)Zi10.832z13.4消除振鈴現(xiàn)象由丁直接用大林算法構(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，并且由丁被控對(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

9、。所以要想盡辦法消除振鈴現(xiàn)象。由丁令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D(z)=0.510(1-eT«X1-0.607z1)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)。2AD590-T"5，可控硅MOC30614在屏幕上顯示控制曲線脈寬轉(zhuǎn)換電路模256計(jì)數(shù)器Lf鍋爐i_220V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。+2.5VA

10、D590-3.5V圖4-2信號(hào)轉(zhuǎn)換及調(diào)理電路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勺典型電路圖。MC14433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(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、白位、十位、個(gè)位的BC況輸出為分別與DS1DS2DS3DS4輸出局電平是相對(duì)應(yīng)，由丁它們無(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。乂因?yàn)镸C1443西內(nèi)部參考電壓源，因此

11、利用低溫漂的集成化的精密電源MC1403fe產(chǎn)生穩(wěn)定的參考電壓。圖4-34.3數(shù)據(jù)顯示模塊罵這哥28led!據(jù)白瞳4.4脈寬調(diào)SL將采集到盟;DJ函如用PC嗽DEPA（稱，CPL®MPB0跖示采用成RM!PKCTPB5.脈寬淵PCD"空制及驅(qū)滿PC3PC#沖PCEPC7-ii-鄲原13-12ni15:模捉提供了六個(gè)端*搗*卜端。數(shù)LED數(shù)碼管界腳U14*腳鍬癱慣惟DDfl申路H倉(cāng)播執(zhí)行凰盤其實(shí)驗(yàn)裝置上KICU銅為段輸出選通rl+，O性E分）如立IKQE1o_脈感嘛控剝及驅(qū)動(dòng)電路本電路用丁完成反饋控制的功能,利用PC機(jī)輸出的經(jīng)PI圖4-4號(hào)去控制產(chǎn)生具有一定占空比的脈沖，并送

12、往驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行脈沖放血財(cái)政變占空比的調(diào)節(jié)-ALHC1方法有脈寬調(diào)ypWMfPFM?!旱不變，通過(guò)j變野匕路的導(dǎo)通與截止比改片祜本電路的工作過(guò)程。4.5.執(zhí)彳亍卸售|這部分電路比聳簡(jiǎn)用、揀硅（晶閘管管子就導(dǎo)通，耳控制仰號(hào)至完全去掉，流以下，管子才會(huì)截止。不過(guò)血可可控硅則無(wú)所謂陰、陽(yáng)卓<1FLQIFlOffCEFCE1>CLKPEU3L,即工作頻率fflBT1件，E土8600E,見圖，其中T1主端子T2:T1T2GdPtiZrtXlkrITT-KIST=-UTCAP就KE舞=-15軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制程序的任務(wù):a)系統(tǒng)初始化0b)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

13、、線性化處理。d)e)讀給定輸入值，且將BC況轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制碼完成系統(tǒng)的控制算法和控制輸出。f)定點(diǎn)或巡回顯示溫度值和網(wǎng)帶速度值。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)c)活除動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)緩沖區(qū);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）圖5-1初始化模塊流程圖系統(tǒng)中斷控制初始化等。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A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，以BCES5的形式送到數(shù)碼管中顯示。2）讀取溫度給定值并將BC況轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制碼。3）外部

14、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)模控制比普通PID控制更能獲得良好的動(dòng)態(tài)效應(yīng)，穩(wěn)定速度快，超調(diào)量減小，抗十?dāng)_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

15、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)定速度及抗十?dāng)_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)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)，也讓我更加活楚的認(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