锅炉压力控制系统设计

课程设计报告书课程名称：专业综合课程设计题目：锅炉压力控制系统设计系（院）：电子信息工程学期：2012-2013-1专业班级：D自动化091姓名：学号：评语：1绪论锅炉作为重要的动力设备，已广泛应用于化工、炼油、发电等工业生产中，同时锅炉又是工业生产及采暖供热中一次能源转换为二次能源的重要设备。从某种意义上讲，锅炉控制效果的好坏对企业的经济效益和人民的生活质量有着直接的影响。由于锅炉本身具有多输入、多输出并且各个参数之间还具有相互关联性的特点，所以对锅炉的控制始终是各国技术人员不断探索研究的一个重要课题。传统的锅炉控制系统大多采用手动操作或仪表控制，控制精度低，生产效果差。操作者与管理层之间的通信基本上采用电话联系，管理层难于及时全面了解控制现场的情况，信息不但反馈时间长而且有遗漏，管理时效性差，企业的生产效益和经济效益低，不能满足企业的发展需要。锅炉参数监控，是过程控制的典型实例。锅炉微计算机控制，是近年来开发的一项新技术，它是微型计算机软、硬件、自动控制、锅炉节能等几项技术紧密结合的产物，我国现有中、小型锅炉30多万台，每年耗煤量占我国原煤产量的1/3，目前大多数工业锅炉仍处于能耗高、浪费大、环境污染等严重的生产状态。提高热效率，降低耗煤量，用微机进行控制是一件具有深远意义的工作。1.1锅炉控制系统概述锅炉控制系统就是其工作过程是根据工艺及负荷的要求，生产具有一定压力和温度的蒸汽或者热水。锅炉控制系统是对锅炉热工参数进行检测与显示、对锅炉的运行进行控制并实施保护与联锁控制、保证锅炉运行的安全性和经济性的计算机监控系统。1.2压力控制系统的基本原理控制系统原理图如图1.1所示，设给定值为5.4Mpa,广义被控对象的传递函数为1()(1)(5)dWssss。成绩：签名：日期：单片机D/A执行机构被控对象反馈环节A/D广义被控对象给定值—图1.1控制系统原理图1.3PID控制PID控制是自动控制中最基本的控制方式，其实质是根据输入的偏差值，按比例、积分、微分的函数关系进行运算，运算结果用于控制输出。在实际应用中，根据被控对象的特性和控制要求，可以灵活地改变PID的结构，常用的结构有：比例（P）调节、比例积分（PI）调节、比例积分微分（PID）调节。为了提高控制性能，可以对PID算法进行改进，比如积分分离PID算法、不完全微分PID算法、变速积分PID算法等。2硬件电路和控制算法（PID控制器）仿真设计2.1输入、输出通道扩展2.1.1D/A转换器的选择DAC0808图2.1所示为权电流型D/A转换器DAC0808的电路结构框图。用DAC0808这类器件构成的D/A转换器，需要外接运算放大器和产生基准电流用的电阻。DAC0808构成的典型应用电路如图2.2所示。在此控制系统中用于输入电路。图2.1DAC0808的电路结构DAC0832它是采用CMOS工艺制成的单片直流输出型8位数/模转换器。它由倒T型R2R电阻网络、模拟开关、运算放大器和参考电压VREF四大部分组成。DAC0832的逻辑框图和引脚排列如图2.3和图2.4所示。DAC0832的分辨率为8位；电流输出，稳定时间为1ms；可双缓冲输入、单缓冲输入或直接数字输入；单一电源供电（+5～+15V）。在此系统中将用于输出电路。图2.2DAC0808的典型应用图2.3DAC0832的逻辑框图图2.4DAC0832引脚排列2.1.2D/A转换输出电路数字量输出通道的主要任务是把计算机输出的数字量信号转换成模拟电压或电流信号，以便驱动相应的执行机构，达到控制的目的。这个任务主要由D/A转换器来完成的。图2.5所示为DAC0832与80C51单片机的双缓冲方式接口电路。由于DAC0832内部有锁存器，所以不需其他接口芯片，便可与80C51数据总线相连，亦不需保持器，只要没有新的数据输入，它将保持原来的输出值。图2.5图2.62.1.3A/D转换输入电路模拟量输入通道的任务是把被控对象的过程参数压力模拟量信号转换成计算机可以接收的数字量信号。A/D转换器的作用就是把模拟量转换为数字量，是模拟量输入通道必不可少的器件。图2.6采用的是中断方式硬件接口，需要将EOC引脚与单片机的外部中断引脚连接。图2.72.2报警电路如图2.7，包括闪光报警和鸣音报警。闪光报警最简单也是最常用的一种报警方式，发光二极管反相连接，其正端接+5V，负端通过限流电阻与I/O口线相连。鸣音报警采用的单频音报警，接口电路简单，其发音元件通常可采用压电蜂鸣器，当蜂鸣器2引脚上加3-15V直流工作电压就能产生3KHZ左右的蜂鸣振荡音响。2.3人机交互（键盘、显示）2.3.1键盘电路独立式键盘接收各按键相互独立，每个按键各接一根输入线，一根输入线上的按键工作状态不会影响其它输入线上的工作状态。因此，通过输入线的电平状态可以很容易判断哪个按键被按下了。图2.8为查询方式的独立式按键工作电路，按键直接与8031的I/O口线相连，通过读I/O口，判定各I/O口线的电平状态，即可识别出按下的按键。图2.8图2.92.3.2显示电路由于需要显示的内容只是数码和某些字符，所以使用的显示器是LED（发光二极管显示器）。这种显示器成本低廉，配置灵活，与微机连接方便。具体连接图如图2.9所示。2.4控制算法（PID控制器）及仿真设计临界比例度法适用于已知对象传递函数的场合。在闭合的控制系统里，将调节器置于纯比例作用下，从小到大逐渐改变调节器的比例度，得到等幅振荡的过渡过程。此时的比例度称为临界比例度Kp，相邻2个波峰见的时间间隔称为临界振荡周期Tk。采用临界比例度法时，系统产生临界振荡的条件是系统是3阶或3阶以上。断开系统微分器的输出连线和积分的输出连线，Kp值从小到大进行试验，观察示波器的输出，直到输出等幅振荡曲线为止，记下此时的比例度Kp=30，临界振荡周期Tk=2.8。具体如图2.10。根据表1选择比例度Kp，积分时间Ti,微分时间t对系统进行PID控制整定。得到单位阶跃响应曲线如图2.11：a.等幅simulink模型图b.等幅振荡图图2.10控制器类型比例度积分时间常数微分时间PIDKp/1.70.50Tk0.125Tk17.6471.40.35表1临界比例度法整定控制器参数表需要进行微调这里取比例度41.17�积分时间常数1.88�微分时间0.7。a.PID系统的simulink模型图b.单位阶跃响应图2.113主要元器件原件型号标号个数C51单片机8031U11片DA转换器DAC0832U21片AD转换器ADC0808U41片锁存器74LS373U3，U52片8段码显示器DPY_7-SEG_DPDS1-DS44片三极管NPNQ11个发光二极管IN4007D1，D22个蜂鸣器YSLS11个晶振CPYSTALY11个电解电容30pF/5VC1，C22个电解电容10pF/5VC31个运算放大器LM158U1A1个非门74LS04U12，U14-U186个与非门74LS00U131个或非门U10，U112个按键开关SW-P8S0-S89个晶片电阻100（0402）R11个晶片电阻350（0402）R3,R42个晶片电阻200（0402）R10-R17，R21-R2816个碳膜电阻10K(0402)R21个碳膜电阻2K(0402)R51个表24系统流程图NNY高于上限？关鼓风机减压报警YPID控制系统输出结束Y在给定值范围以内？N开始系统初始化键盘输入给定压力值信号检测送LED显示低于下限？开鼓风机加压压报警5实习总结经过三周的实习，我对锅炉压力控制系统有了很大的了解。主要运用了微机原理、单片机原理及应用、DSP原理及应用、计算机控制技术、控制理论与系统的等理论知识。掌握控制系统的设计方法与步骤，了解控制系统构造的特点、组成和接口电路。本系统是基于单片机的锅炉压力控制，在设计中主要有压力检测、按键控制、循环控制、压力控制、显示部分、故障报警等几部分组成来实现压力控制。主要用压力传感器检测锅炉压力，用三位显示器来完成显示部分，用压力传感器检测锅炉内部压力。并且通过模数转换把这些信号送入单片机中。把这些信号与单片机中内部设定的值相比，以判断单片机是否需要进行应的操作，即是否需要打开鼓风机，从而实现单片机自动控制的目的。本设计用单片机控制易于实现锅炉压力控制、而且有造价低、程序易于调试、一部分出现故障不会影响其他部分的工作、维修方便、等优点。本系统通过给定值给单片机，然后进行信号检测通过D/A转换将模拟量转换成数字量给执行机构进行PID整定。这里采用的是临界比例度整定方法将调节器置于纯比例作用下，从小到大逐渐改变调节器的比例度，得到等幅振荡的过渡过程。得到相应的比例度和振荡周期，根据经验公式得到PID整定下的系数，得到单位阶跃响应曲线。在压力控制时，看是否在给定范围内，若在继续测量，若低于下限压力值，打开鼓风机加压一段时间看是否在给定值范围以内，若高于上限压力值，关闭鼓风机一段时间看是否在给定值范围以内。参考文献[1]范立南，李雪飞.计算机控制技术.北京：机械工业出版社.2009[2]陈夕松，汪木兰.过程控制系统.北京：科学出版社,2005[3]潘新民.微型计算机与传感器技术.北京：人民邮电出版社,1996[4]刘玉强，刘晓为等.高温扩散炉恒温区温度的自动控制.哈尔滨工业大学学报,1999[5]黄胜军.微机控制应用实验与实例.第一版.北京：清华大学出版社,1999[6]曹天汗.单片机原理与接口技术.第一版.北京:电子工业出版社,2003[7]胡汉才.单片机原理及其接口技术.第二版.北京:清华大学出版社,2003[8]杨光友，朱宏辉.单片微型计算机原理及接口技术.第一版.北京:中国水利水电出版社,2002[9]陈伟人.MCS-51系列单片机实用子程序集锦.第一版.北京:清华大学出版社,1999[10]张俊漠.单片机中级教程-单片机原理及应用.北京:航空航天大学出版社,2001[11]童诗白.模拟电子技术基础.北京：高等教育出版社，1993[12]阎石.数字电子技术基础.北京：高等教育出版社，1993[13]胡寿松.自动控制原理.北京：国防工业出版社，1990[14]黄俊.半导体变流技术.北京：冶金出版社，1986[15]于长官.现代控制理论.北京：国防出版社，1996[16]黄忠霖.控制系统MATLAB计算及仿真.北京：国防工业出版社，2001[17]陈夕松.过程控制系统.北京：科学出版社，2009[18]陈伯时.电力拖动自动控制系统.北京：机械工业出版社，1991