锅炉气泡液位控制系统(共21页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上辽 宁 工 业 大 学 计算机控制技术 课程设计（论文）题目： 锅炉气泡水位控制系统设计 院（系）： 电气工程学院 专业班级： 自动化083 学 号： 学生姓名： 陈旭东 指导教师： （签字）起止时间： 2011.12.14-2011.12.23 课程设计（论文）报告的内容及其文本格式1、课程设计（论文）报告要求用A4纸排版，单面打印，并装订成册，内容包括：封面（包括题目、院系、专业班级、学生学号、学生姓名、指导教师姓名、起止时间等）设计(论文)任务及评语中文摘要 （黑体小二，居中，不少于200字）目录正文（设计计算说明书、研究报告、研究论文等）参考文献2、课程设计（

2、论文）正文参考字数：2000字周数。3、封面格式4、设计（论文）任务及评语格式5、目录格式标题“目录”（ 小二号、黑体、居中）章标题（四号字、黑体、居左）节标题（小四号字、宋体）页码（小四号字、宋体、居右）6、正文格式页边距：上2.5cm，下2.5cm，左3cm，右2.5cm，页眉1.5cm，页脚1.75cm，左侧装订；字体：一级标题，小二号字、黑体、居中；二级标题，黑体小三、居左；三级标题，黑体四号；正文文字，小四号字、宋体；行距：20磅行距；页码：底部居中，五号、黑体；7、参考文献格式标题：“参考文献”，小二，黑体，居中。示例：（五号宋体）期刊类：序号作者1,作者2,作者n.文章名.期刊名

3、（版本）.出版年,卷次（期次）:页次.图书类：序号作者1,作者2,作者n.书名.版本.出版地:出版社，出版年:页次.专心-专注-专业课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院 教研室： 自动化学 号学生姓名陈旭东专业班级自动化课程设计题目锅炉汽包水位控制系统设计课程设计（论文）任务课题完成的设计任务及功能、要求、技术参数实现功能设计一个锅炉汽包液位闭环反馈控制系统。在工业生产中经常要对锅炉汽包的液位进行控制，为了能够精确控制液位高度，保证正常生产，要求设计液位闭环反馈控制系统，能抑制流量波动，且系统无余差。本设计要求采用单片机作为控制器，控制算法采用常规的PID控制，由键盘进行水位控制值

4、的选择，并显示水位。设计任务及要求1、确定系统设计方案，包括控制器的选择，输入输出通道，键盘显示电路；2、建立被控对象的数学模型；3、设计PID算法的程序流程图；4、仿真研究，验证设计结果；5. 按学校规定的书写格式，撰写、打印设计说明书一份；设计说明书应在4000字以上。技术参数测量范围：20100cm ；控制精度：0.5cm ；控制液位：80cm；最大偏差：1cm。进度计划1、布置任务，查阅资料，确定系统的组成（1天）2、对系统功能进行分析（1天）3、系统硬件电路设计（3天）4、系统软件设计（3天）5、撰写、打印设计说明书（2天）指导教师评语 平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师

5、签字： 年 月 日注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算摘 要本文主要设计了一种基于单片机的锅炉液位控制系统，它以89c51单片机作为核心控制器，通过89c51单片机，温度传感器、压力传感器和模数转换器，数码管显示等硬件系统和软件设计方法实现具有液位检测报警和控制双重功能.本系统在设计中主要有水位检测、温度检测、压力检测、按键控制、水位控制、显示部分、故障报警等几部分组成来实现液位控制。主要用液位传感器检测液位，用89c51温度传感器来检测水温，用三个控制按键来实现按健控制，用三位7段LED显示器来完成显示部分，用MOC3041双向可控硅来控制水泵的开关，用压力传感器检

6、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，即是否需要开启水泵，来实现对液位的控制,从而实现单片机自动控制液位的目的。本设计用单片机控制易于实现锅炉液位、温度和压力的控制,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。关键词：89c51单片机；液位控制；显示；目 录第1章 绪论锅炉是典型的复杂热工系统，目前，中国各种类型的锅炉有几十万台，由于设备分散、管理不善或技术原因，使多数锅炉难以处于良好工况，增加了锅炉的燃料消耗，降低了效率。锅炉的建模与控制问题一直是人们关注的焦点，

7、而汽包水位是工锅炉安全、稳定运行的重要指标，保证水位控制在给定范围内，对于高蒸汽品质、减少设备损耗和运行损耗、确保整个网络安全运行具有要意义。锅炉汽包水位高度，是确保安全生产和提供优质蒸汽的重要参数，对现代工业生产来说尤其是这样。因为现代锅炉的特点之一就是蒸发量显著提高，汽包容积相对变小，水位变化速度很快，稍不注意就容易造成汽包满水或者烧成干锅。在现代锅炉操作中，即使是缺水事故，也是非常危险的，这是因为水位过低，就会影响自然循环的正常进行，严重时会使个别上水管形成自由水面，产生流动停滞，致使金属管壁局部过热而爆管。无论满水或缺水都会造成事故，因此，必须严格控制水位在规定范围之内。维持汽包水位在

8、给定范围内是保证锅护和汽轮机安全运行的必要条件，也是锅炉正常运行的主要指标之一。水位过高，会影响汽包内汽水分离效果，使汽包出口的饱和蒸汽带水增多，蒸汽带水会使汽轮机产生水冲击，引起轴封破损、叶片断裂等事故。同时会使饱和蒸汽中含盐量增高，降低过热蒸汽品质，增加在过热器管壁和汽轮机叶片上的结垢。水位过低，则可能破坏自然循环锅炉汽水循环系统中某些薄弱环节，以致局部水冷管壁被烧坏，严重时会造成爆炸事故。这些后果都是十分严重的。随着锅炉容量的增加，水位变化速度愈来愈快，人工操作愈来愈繁重，因此对汽包水位实现自动调节提出了迫切的要求。汽包水位的控制是锅炉控制的一个难点，目前，对汽包水位控制大多采用常规PI

9、D控制方式，传统的常规PID控制方式是根据控制对象的数学模型建立，由于锅炉水位系统存在非线性、不确定性时滞和负荷干扰、非最小相位特征等，其精确的数学模型往往无法获得而且常规PID控制的参数是固定不变的，难以适应各种扰动及对象变化，其控制效果往往难以满足要求，控制效果不理想。第2章 课程设计的方案2.1 概述锅炉设备是一个多输入、多输出且相互关联的复杂控制对象，主要的控制系统包括锅炉汽包水位的控制、锅炉燃烧系统的控制、过热蒸汽系统的控制。水位高会导致蒸汽带水进入过热器并在过热管中结垢，影响蒸汽质量及传热效率，严重的将引起过热管爆管；水位过低又将破坏部分水冷壁的水循环，引起水冷壁局部过热而爆管，汽

10、包水位过高过低的后果非常严重，所以必须严格加以控制。，目前各种锅炉汽包水位绝大多数采用三冲量控制方案。由于锅炉系统的复杂性，很难精确描述其动态特性，可以利用模糊控制对模型的宽容性来提高控制性能，但模糊控制的不足之处是在蒸汽扰动下有静差。实际上，汽包水位控制的难点主要在于“虚假水位”现象，使得传统的控制策略参数整定比较困难，难以适应所有工况。2.2 系统总体结构设计图2.1为单片机锅炉汽包水位控制系统的总体设计方案AD转换键盘输入模块DA转换显示模块89C51图2.1 控制系统框图第3章 硬件设计3.1 3.1最小系统设计 图3.1为系统的最小设计图3.1 系统最小设计3.2 控制器的选择单片机

11、作为主控模块，使得在对单片机选型上有了较大的空间。单片机在30多年的发展历程中，形成了多公司、多系列、多型号“百家争鸣”的局面。因而，选择一个合适的单片机有时真的不太容易，要考虑的方面太多。大致总结出以下几点：1) 单片机的基本参数。例如速度、程序存储器容量、I/O引脚数量等。2) 单片机的增强功能。例如看门狗、双指针、双串口、RTC（实时时钟）、EEPROM、扩展RAM、CAN接口、I2C接口、SPI接口、USB接口。3) Flash和OTP（一次性可编程）。4) 封装：DIP（双列直插）,PLCC（PLCC有对应插座）还是贴片。5) 工作温度范围，工业级还是商业机。6) 功耗。7) 工作电

12、压范围。例如设计电视机遥控器，2节干电池供电,至少应该能在1.83.6V电压范围内工作。8) 供货渠道畅通。9) 价格。10) 烧录器价格，能否ISP（在线系统编程）。根据以上因素：系统的实时性要求不高，因而运算速度无需很快，且系统规模不大，采用分时复用的方式使用总线，对I/O口的数量可以要求进一步降低。使用4路8位I/O接口即可满足设计要求；系统中需要扩展外部存储器对数据进行存储，数据存储量为32KB已满足要求，因此采用16位或准16位地址总线的单片机即可满足设计需要；由于是实验阶段，采用DIP（双列直插）封装的芯片便于实验，暂不考虑实际工业控制中的对外界环境的具体要求；系统采用AC220V

13、供电，且对功耗没有具体要求，使用DC5V为芯片供电，便于系统外围电路的设计；芯片支持ISP可节省仿真器的投入。综上所述，采用MCS-51系列中的8051单片机满足设计需求。51单片机与AD和DA的接口连接如图3.2所示：图3.2 89C51连接图3.3 A/D转换器和接口 本设计采用的A/D转换器为8位转换器ADC0809。ADC0809是与微处理器兼容的8通路8位A/D转换器。它主要由逐次逼近式A/D转换器和8路模拟开关组成。ADC0809的特点是：可直接与微处理器相连，不需另加接口逻辑；具有锁存控制的8路模拟开关，可以输入8个模拟信号。AD转换结束后，EOC脚输出高电平，此时单片机接收EO

14、C信号，读取AD转换的结果，将EOC脚经反相器与单片机的INT0脚相连。AD转换结果由P0口读入，故将AD转换器的输出与单片机P0口相连，高低位依次相连。 经以上分析，设计AD转换器的接口电路如图3.3所示：图3.3 ADC0809的接口电路3.4 D/A 转换器和接口本设计的D/A转换器为DAC0832。我们知道模拟量输出通道不论采用哪一种结构 形式，都要解决D/A转换器与微处理器的接口问题。D/A转换器要求数字量并行输入，并且其输入应在一定时间范围内保持稳定，以实现模拟量输出。8位或少于8位的D/A转换器，只需通过相应位数的锁存器与8位的微处理器总线连接。DA转换器选择DAC0832,DA

15、C0832是具有两个输入数据寄存器的8位DAC,它能直接与51单片机相连。DA转换器的电路设计：选择DAC为单缓冲方式，即输入寄存器工作于受控状态，DAC寄存器处于直通状态，由DAC0832的引脚特性，将DAC0832的引脚接发如下：CS：片选端，低电平有效，直接接低电平ILE：数据锁存允许控制端，高电平有效，直接接高电平。WR2：DAC寄存器写选通控制端，低电平有效，由于其处于直通状态，故直接接低。XFER：数据传送控制，低电平有效，故直接接地。WR1；第一级输入寄存器写选通控制，低电平有效。其输入为上升沿时，将输入数据锁存到DAC寄存器，故将该脚与单片机P2.2口相连，由程序控制。经以上分

16、析，设计DA转换器的接口电路如图3.4所示：图3.4 DAC0832的接口电路3.5 键盘电路设计为了便于实现各种的控制要求，智能调节器必须具备快速设置被控参数且操作方便，还必须增加键盘装置。键盘控制有矩阵式和独立式两中。 矩阵式键盘又有编码式和非编码式。单片机系统中普遍使用非编码式键盘，这类键盘应主要解决以下几个问题： 键的识别 如何消除键的抖动。在以上几个问题中，最主要的是键的识别，对于键的识别，既可以采用程序扫描的方法，也可以采用专用的可编程键盘显示接口8279.独立式按键就是各按键相互独立，每个按键单独占用一根I/O口线，每根I/O口线的按键工作状态不会影响其他I/O口线上的工作状态。

17、因此，通过检测输入线的电平状态可以很容易判断哪个按键被按下了。它的优点是：电路配置灵活，硬件结构简单。缺点是：每个按键需占用一根I/O口线，在按键数量较多时，I/O口浪费大，电路结构显得复杂。因此，此键盘是用于按键较少或操作速度较高的场合。 由于该设计中按键数量少，所以采用了独立式按键。按键电路如图3-5所示。图3.5 系统键盘电路3.6 显示电路设计可以提供单独锁存的I/O接口电路很多，且静态显示的软件设计比较容易。所以在设计中选择常用的串并转换电路87c51显示电路。87c51单片机串行口方式0为移位寄存器方式，外接3片87c51作为3位LED显示器的静态显示接口，把87c51的RXD作为

18、数据输出线，TXD作为移位时钟脉冲。87c51为TTL单向8位移位寄存器，可实现串行输入，并行输出。其中A、B（第1、2脚）为串行数据输入端，2个引脚按逻辑与运算规律输入信号，共一个输入信号时可并接。T（第8脚）为时钟输入端，可连接到串行口的TXD端。每一个时钟信号的上升沿加到T端时，移位寄存器移一位，8个时钟脉冲过后，8位二进制数全部移入87c51中。R（第9脚）为复位端，当R=0时，移位寄存器各位复0，只有当R=1时，时钟脉冲才起作用。Q1Q8（第3-6和10-13引脚）并行输出端分别接LED显示器的hga各段对应的引脚上。在给出了8个脉冲后，最先进入87c51的第一个数据到达了最高位，再

19、来一个脉冲，第一个脉冲就会从最高位移出。该电路中3片87c51首尾相串，而时钟端则接在一起，这样，当输入8个脉冲时，从单片机RXD端输出的数据就进入到了第一片87c51中了，而当第二个8个脉冲到来后，这个数据就进入了第二片87c51，而新的数据则进入了第一片87c51，这样，当第3个8个脉冲完成后，首次送出的数据被送到了最低位的164中，其他数据依次出现在第一、二片87c51中。显示电路图如图3.6所示：图3.6 系统显示电路第4章 软件设计4.1 三冲量控制图4.1中所示的三冲量系统,汽包液位是被控变量,是主冲量信号,蒸汽流量和给水流量是辅助冲量信号。系统将蒸汽流量和给水流量前馈到汽包液位调

20、节系统中去,一旦蒸汽流量或给水流量发生波动,不是等到影响到液位才进行调节,而是在这两个流量改变之时就能通过加法器立即去改变调节阀开度进行校正,故大大提高了液位这个被调参数的调节精度。图4.1 锅炉汽包液位的三冲量控制图在稳定状态下,液位测量信号等于给定值,液位调节器的输出,蒸汽流量及给水流量等三个信号,通过加法器得到的输出电流为:I0=K1I1-K2I2+K3I3式中,I1为液位调节器的输出电流；I2为蒸汽流量变送器的电流；I3为给水流量变送器的电流；K1、K2、K3分别为加法器各通道的衰减系数。设计K2I2=K3I3此时I0正是调节阀处于正常开度时所需要的电流信号(为了安全调节阀必须用气关阀

21、)。假定在某一时刻,蒸汽负荷突然增加,蒸汽流量变送器的输出电流I2相应增加,加法器的输出电流I0就减少,从而开大给水调节阀。但是与此同时出现了假液位现象,液位调节器输出电流I1将增大。由于进入加法器的两个信号相反,蒸汽流量变送器的输出电流I2会抵消一部分假液位输出电流I1,所以,假液位所带来的影响将局部或全部被克服。待假液位过去,水位开始下降,液位调节器输出电流I1开始减小,此时,它与蒸汽流量信号变化的方向相反,因此加法器的输出电I0减小,意味着要求增加给水量,以适应新的负荷需要并补充液位的不足。调节过程进行到液面重新稳定在给定值,给水量和蒸发量达到新的平衡为止。当蒸汽负荷不变,给水量本身因压

22、力波动而变化时,加法器的输出相应变化,去调节阀门开度,直至给水量恢复到所需的数值为止。由于引进了蒸汽流量和给水流量两个辅助冲量,起到了“超前信号”的作用,使给水阀一开始就向正确的方向移动,因而大大减小了液位的波动幅度,抵消了虚假液位的影响,并缩短了过渡过程时间。图4.2为三冲量液位调节方案图图4.2 三冲量液位调节方案图从上面分析可以看出三冲量调节系统能及时克服负荷(蒸汽量)和给水流量的干扰作用,调节精度高,适用于汽包容积较小、负荷和给水干扰较大的场合。单冲量适合在汽包容积较大、负荷变化比较小的场合。双冲量调节适合于锅炉容积较小,给水压力波动不大的场合。锅炉汽包液位采用三冲量调节系统,证明效果

23、良好。4.2 PID 控制实际工业控制中，大多数被控对象通常都有储能元间存在，这就造成系统对输入作用的相应有一定的惯性。另外由于管道和传输等原因会引入一些时间上的滞后，往往会导致系统的响应变差，甚至不稳定。因此，通常在系统中引入偏差的比例调节，以保证系统的快速性。引入偏差的微分调节来消除系统惯性的影响，这就形成了按偏差PID调节的系统。其控制结构如图4.3所示：图4.3 PID算法控制结构图4.3 PID算法控制结构（1）比例P调节在P调节中，调节器的输出信号与偏差信号成比例，即 。 。比例调节是有差调节，比例调节的残差随着比例带的加大而加大d 称为比例带，其中KP为比例系数。人们希望尽量减小

24、比例带，然而，减小比例带就等于加大调节系统的开环增益，其后果是导致系统的激烈振荡甚至不稳定。稳定性是任何闭环系统的首要要求，比例带的设置必须保证系统具有一定的稳定裕度。比例带具有一个临界值，此时系统处于稳定边界的情况，进一步减小比例带系统就不稳定了。（2）积分I调节在I调节中，调节的输出信号的变化速度 与偏差信号e成正比，即 称为积分速度，其中TI为积分时间常数。增大积分速度将会降低控制系统的稳定程度，直至出现发散的振荡过程。I调节是无差调节，只有当被调量偏差为零时，I调节的输出才保持不变。I调节的稳定作用比P调节差,如果只采用I调节不可能得到稳定的系统，且振荡频率较低。（3）微分D调节D调节

25、中的输出与被调量或其偏差对于时间的导数成正比，即 。TD为微分时间。微分的作用在于改善系统的动态特性。单纯的微分调节器是不能工作的。因此微分调节只能起辅助的调节作用，与P结合PD或与PI构成PID调节。总之，PID控制器中，比例环节主要减少偏差；积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度；微分调节能加快系统的动作速度，减少调节时间。4.3 PID 参数设定控制器的参数整定对系统的控制质量起到了决定性的作用。确定控制器最佳过渡过程中的比例带，积分时间TI和微分时间TD的数值称为控制器参数整定。控制器参数整定的方法，在工程上常用的有以下几种工程整定法。（1）经验法：其整定参数的顺序是，先整定比例带

26、，待过渡过程稳定后再加入积分作用以消除余差，最后加入微分，以加快过渡过程，进一步提高控制质量。PID控制器的经验法整定：先将TD置为0，置TI为，先整定比例带使之达到4：1衰减过程，然后将比例带放大（10%-20%），而积分时间TI由大到小逐步加入，直至达到4：1的衰减过程，然后将比例带减小到比原值小（10%-20%）的位置，而积分时间也适当减小，再把TD由小到大加入，观察曲线，直到满意的过程为止。（2）稳定边界法：这是一种闭环的整定方法。具体步骤如下：置控制器积分时间逐渐减小比例带，直到系统出现等幅振荡，即临界振荡过程如图4.1。录此时的临界比例带K及两个波峰的时间TK利用K和TK值，按稳定

27、边界法计算表给出的相应公式求出控制器的稳定参数、TI、TD。（3）衰减曲线法：它是在经验法和稳定边界潜藏顾虑，针对它们的不足，反复实验而得出的一种参数整方法。具体步骤如下：将控制器积分时间TI为最大值，微分时间为0，在纯比例作用下，系统试运行。待系统稳定后，作设定值阶跃扰动。若系统响应衰减太快，则减小比例带，反之，则增大比例带。直到系统出现4：1的衰减振荡过程，记下此时的比例带和TS的数值。利用4：1衰减整定参数表求得控制器的PID数值。将比例带放到比计算值大一些的数值上，然后把积分时间按计算值加入，再把微分时间加入，最后把比例带减小到计算值，观察过渡过程曲线，调整到满意的结果。对于单冲量系统

28、来说，只要调节器是比例积分动作的，那么，在控制过程结束以后被调量就没有静态偏差。对于三冲量系统则不然，即使采用比例积分调节器，也不一定能保证无差，还必须解决一个输入信号系统的静态配合问题。4.4 程序流程系统的软件程序可分为主程序和定时器T0中断服务程序两大模块，其中，主程序模块包括89C51本身的初始化、液位差显示和键盘扫描等程序，其流程如图4.4（a）（b）所示：(a)系统主程序(b)系统子程序图4.4 程序流程第5章 系统设计仿真根据图5.1的三冲量控制系统的方框图可以在MATLAB中仿真得到如图5.1的串级三冲量控制系统SIMULINK仿真模型：图5.1串级三冲量控制系统SIMULIN

29、K仿真模型由上面的仿真模型可以在MATLAB中得到的响应曲线如图5.2所示图5.2串级三冲量控制系统响应曲线第6章 课程设计总结本设计是锅炉汽包水位控制系统的设计，锅炉汽包水位的良好控制是保证系统输出蒸汽温度稳定的前提。经分析后采用三冲量的控制方式，这是基于串前馈-串级复合控制系统，副回路调节器通过副回路快速消除给水环节的扰动对汽包水位的影响，主调节器通过副调节器对水位进行校正，使水位保持在设定值，使系统工作在良好的状态下，可满足系统的控制要求。接着分析了PID对系统的影响，及PID的参数整定，然后MATLAB中进行了仿真，能够更好分析锅炉汽包水位的情况。通过分析证明了汽包水位是工业锅炉安全、

30、稳定运行的重要指标，保证水位控制在给定范围内，对于提高蒸汽品质、减少设备损耗和运行损耗、确保整个网络安全运行具有重要意义。参考文献1高锋 单片微型计算机原理与接口技术M 北京：科学出版社.20032郑风翼 电工仪表与测量M一E 北京：人民邮电出版社.19993房小翠，王金凤 单片机实用系统设计技术M 北京：国防工业出版社.19994肖洪兵.李朝晖吴新峰等 单片机控制的自来水节能加热装置J自动化博览，1999(3)：20-225王化祥，张淑英传感器原理及应用M 天津：天津大学出版社2004 (编辑明涛)6于凤明主编. 单片机原理及接口技术M. 中国轻工业出版社.1998年9月版7赵佩华主编. 单

31、片机接口技术及应用M. 机械工业出版社.2003年1月版. 8王福瑞主编. 单片微机测控系统设计大全M. 北京航天航空大学出版社.9潘新民,王艳芳. 微型计算机控制技术M. 高等教育出版社.10李广第编著. 单片机基础M. 北京:北京航空航天大学出版社.1998.11刘光武等编著.单片机系统抗干扰技术.北京:人民邮电出版社.2003.12张良仪等编著. 工业锅炉微机控制M.上海:上海交通大学出版社.1999.13高文焕等编著.模拟电路的分析与设计M.北京:清华大学出版社.2002.14彭军编著.传感器与检测技术M.西安:西安电子科技大学出版社.2002.15杨小川编著.ProtelDXP设计指导教程M.北京:清华大学出版社.2003.