锅炉压力控制系统设计

第1页共8页1绪论锅炉参数监控，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。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相应的操作，即是否需要打开鼓风机，从而实现单片机自动控制的目的。1.1系统的基本原理控制系统原理图如图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图1控制系统原理图1.2PID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。这里采用的是临界比例度法，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。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。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—第2页共8页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。为了得到双缓冲控制形式，用P2.6控制/CS，用P2.7控制/XFER，/WR同事控制/WR1和/WR2，输出锁存允许接高电平。可以看出数字量的输入锁存和D/A转换输出是分2步完成的。该接口电路采用单极性输出方式。图2D/A转换输出电路2.1.2A/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。中断方式是单片机启动A/D转换后即可转而处理其它的程序，则由A/D转换器发出一转换结束信号向单片机申请中断，单片机响应中断后，便读入数据。其工作效率高。在多回路数据采集系统中一般采用中断方式。图3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。由于ADC0809正在转换时EOC=0,转换结束时EOC=1，而如果设单片机的外部中断0为下降沿触发，则EOC需要进过反相器后连接/INT0。图中采用P2.5和/WR启动A/D转换器，在单片机的振荡频率不太高的情况下，若ALE引脚的输出频率范围满足ADC0809的要求，可以直接作为ADC0809的时钟输入。第3页共8页图3A/D转换输入电路2.2报警电路图4报警电路第4页共8页如图4，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。正常工作时绿灯亮出现异常时红灯亮。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。这里接的是0831单片机的外部中断T1口，当发生故障时中断且蜂鸣器响。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5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5键盘电路2.3.2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。这里用4个8段码显示器，4个非门。具体连接图如图6所示：第5页共8页图6显示电路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8: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。图7等幅simulink模型图第6页共8页图8等幅振荡图图9PID系统的simulink模型图图10单位阶跃响应第7页共8页3系统流程图YNYN图9锅炉压力控制系统流程图YN开始系统初始化键盘输入给定压力值信号检测开鼓风机加压关闭鼓风机减压送LED显示报警在给定值范围以内？低于下限？高于上限？系统输出结束第8页共8页4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相应的操作，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。参考文献资料[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]于长官.现代控制理论.北京：国防出版社，1996[15]黄忠霖.控制系统MATLAB计算及仿真.北京：国防工业出版社，2001