工业锅炉的控制系统开题报告

理工学院毕业设计(论文)开题报告
题目：工业锅炉的温度控制系统
学生姓名：朱立君学号： 11L0851134
专业：电气工程及其自动化
指导教师：杨国福（副教授）
2015年 3 月 23 日
1.文献综述：
锅炉汽包燃烧系统是工业蒸汽锅炉安全、稳定运行的重要指标，温度过高，会使蒸汽带水过多，汽水分离差，使后续的过热器管壁结垢，传热效率下降，过热蒸汽温度下降，严重时将引起蒸汽品质下降，影响生产和安全；温度过低又将破坏部分水冷壁的水循环不能满足工艺要求，严重时会发生锅炉爆炸。

尤其是大型锅炉，一旦控制不当，容易使汽包满水或汽包内的水全部汽化，造成重大事故。

因此，在锅炉运行中，保证温度在正常范围是非常重要的。

由于锅炉的温度控制系统很难用数学的方式建立模型，所以对锅炉温度控制技术的研发及应用至关重要。

因而设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的。

下面对几种常用的温度控制技术做简单的分析。

（1）基于PID的锅炉温度控制系统
PID控制是迄今为止最通用的控制方法之一。

因为其可靠性高、算法简单、鲁棒性好，所以被广泛应用于过程控制中,尤其适用于可建立精确数学模型的确定性系统。

PID 控制的效果完全取决于其四个参数,即采样周期ts、比例系数Kp、积分系数Ki、微分系数Kd。

因而,PID参数的整定与优化一直是自动控制领域研究的重要课题。

PID在工业过程控制中的应用已有近百年的历史，在此期间虽然有许多控制算法问世,但由于PID算法以它自身的特点，再加上人们在长期使用中积累了丰富经验，使之在工业控制中得到广泛应用。

在PID算法中，针对P、I、D三个参数的整定和优化的问题成为关键问题。

该系统首先通过热电偶传感器监测锅炉的温度，收集的信息经过A/D电路送给PLC 控制器，PLC因此做出计算，并判断锅炉的温度，当温度处于上升状态时，就会继续加热，当温度处于稳定状态时PID会计算并输出控制信号，PLC传送信号给PC机，系统因此做出高温显示并发出警报。

PID控制是工业过程控制中最常用的一种控制方法,但常规的PID控制在被控对象具有复杂的非线性时,如锅炉的温度控制,不仅具有较大的纯延迟,而且模型也不确定时,对于这种对象往往难以达到满意的控制效果.BP神经网络PID控制具有逼近任意非线性函数的能力,通过神经网络自身的学习,找到最佳组合的PID控制参数,以满足控制系统的要求.
（2）基于DDC的锅炉的温度控制系统
直接数字控制DDC系统是工业生产计算机控制系统中用得做广泛的一种系统应用形式。

这类系统中的计算机除了经过输入通道对多个工业过程参数进行检测采集外，它不
容代替模拟调节系统中的模拟调节器，按预定的调节规定进行调节运算，然后将运算结果通过过程输出通道输出并作用于执行机构，以实现多回路调节的目的。

系统中除了输入和输出通道外,一般还有一个功能较强的控制操纵台,在操纵台上可调整被控参数的
给定值、显示或打印采样值、声光报警装置也在操纵台上。

DDC系统不仅可对一个回路进行控制，而且通过采样实现对多个回路的控制。

另外，DDC系统只要改变程序，还能实现串级，前馈等复杂的控制，直接数字控制系统可实现常规的PLD(比例、积分、微分)调节,也可实现其它复杂或先进的调节规律,调节规律的改变只需控制软件。

不同的是硬件部分除按需适当增减通道的数量外,一般不需作大的变动，所以使用比较灵活，DDC
系统是一个“在线”的半环控制系统。

微机DDC系统结生产过程的有关参量进行控制时,是以定时采样和阶段控制来代替常规仪表的连续则是和连续控制的。

因此,确定合适的采样周和A/D、D/A、转换器的字长是提高系统控制精确,减少转换误差的关键。

微机DDC系统的分时控制方式一台微机DDC系统要控制多个回路。

在每一个回路，微机要完成采样和A／D转换 ,运算 ,输出控制信号3个部分的工作。

为此，微机DDC 采用了分时控制的方法。

控制规律是一个控制系统性能优劣的关键根据控制规律制定的控制算法,是微机DDC系统对生产对象实行控制的运算依据。

随着控制理论和微机技术的飞跃发展，传统的DDC系统功能也不断扩大,应的控制规律和控制算式不断出现.根据控制对象的不同,目前的微机DDC控制方式,有简单,有复杂,从单参数的定值控制到多参数的相关控制,以至最优最佳控制等等，其控制功能已远远超出了早期的PID控制范围,尽管如此,PID控制的一些基本理论仍然是分析DDC系统控制规律的基础,PID控制规律仍然在相当多生产现场使用并能得到较为满意的效果,所以直到现在,PID仍是一中最基本的控制规律.随着生产的发展和工业自动化的提高,较简单的单回路参量的PID闭环已不能满足更高要求系统需要，所以，在微机DDC系统中常用到多参量控制如串级控制、比值控制、选择性控制、前馈控制等控制方式。

现场模拟量信号通过变送器转换成0-10mA.DC或
4-20Ma.DC或0-5V.DC的模拟量信号，通过有关端子输入计算机A/D板，或电阻信号通过电阻信号转换板与其它现场毫伏信号进入信号调理板，再输入A/D板，经A/D转换后以实际工程量屏幕显示气包水位、蒸汽压力等影响工业锅炉运行安全性、经济性的主要参数以及给水调节阀位、给煤机构转速等执行机构的位置信号，这些信号用来控制、打
印制表、数据存储、经济量累积核算等。

对工业锅炉主要参数进行直接控制是微机DDC 控制的主要功能之一。

参考文献
[1].杨国强. 基于模糊自适应控制的锅炉温度控制[J]. 轻工机械. 2013(02)
[2].周天沛,孙伟. 基于粒子群模糊规则优化的水煤浆气化炉温度控制系统
[J]. 计算机测量与控制. 2013(04)
[3]. Ajay Pratap Singh, Samrat Mukherjee, Michael Nikolaou. Debottlenecking level control for tanks in series[J]. Journal of Process Control, 2014, 24(3)..
[4] Christopher Basting, Dmitri Kuzmin. Optimal control for mass conservative level set methods[J]. Journal of Computational and Applied Mathematics, 2013.
[5].殷建华,张国斌,杜荣华,李民. 基于规则的模糊专家控制在火电厂过程控制中
的应用[J]. 内蒙古电力技术. 2014(06)
[6].张敏. 基于PLC技术的电阻炉温度控制系统的设计[J]. 科技风. 2014(11)
[7]. 王本琪. 基于组态王的PLC锅炉温度控制系统的设计[D]. 中国海洋大学 2012
２．本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段及途径：
（1）研究或解决的问题
a 了解工业锅炉温度控制系统的控制流程，对系统各个部分进行分析，完成对方案的整体设计。

b 根据分析及实际情况设计系统的硬件部分，包括单片机、温度采集电路、键盘和显示电路、电源模块、驱动电路、报警电路。

c 在硬件的基础上设计出软件部分，包括主程序模块、A/D转换模块、按键扫描及处理模块、LED显示模块、加热执行模块和PID算法模块等。

（2）拟采用的研究手段及途径
a 收集资料，研究并设计出总体方案。

b 根据方案和设计要求完成工业锅炉温度控制系统的模型并确定各部分参数。

c 根据方案和设计要求设计硬件电路的各个模块。

d 根据流程图进行程序编写，并对各模块进行编程、调试，再对整体系统进行调试。

（3）硬件系统
本设计系统硬件主要包括单片机、温度采集电路、键盘和显示电路、电源模块、驱动电路、报警电路、升降温装置等。

a 单片机
采用ATMEL89C51单片机，AT89C51单片机是一种低功耗、低电压、高性能的片内含有4KB快闪可编程/擦除只读存储器的八位CMOS微控制器，使用高密度、非易失存储编程器对程序存储器重复编程。

b I／0通道的硬件电路的设计
就本系统来说,需要实时采集锅炉温度数据,然后经过A／D转换为数字信号,送入单片机中的特定单元,然后一部分送去显示;另一部分与设定值进行比较,通过PID算法得到控制量并经由单片机输出去控制电热锅炉加热或降温。

c 温度采集电路和控制电路
为了达到测量高精度的要求，AD转换器选用高精度的12位AD574A。

温度传感器选用AD590,AD590具有较高精度和重复性(重复性优于0.1℃,其良好的非线形可以保证优于0.1℃的测量精度,利用其重复性较好的特点,通过非线形补偿,可以达到0.1℃测量
精度.)超低温漂移高精度运算放大器0P07将温度一电压信号进行放大,便于A／D进行转换,以提高温度采集电路的可靠性。

控制电路部分采用PWM控制可控硅的通断以实行对锅炉温度的连续控制。

由 PID 输出调节PWM脉冲的占空比，PWM脉冲作为单片机输出控制固态继电器的开通或关断，以调节电阻丝的加热程度，从而实现温度控制。

d 显示模块
本系统显示电路是由三个译码驱动芯片CD4511和三个LED（数码管）显示器构成。

e 电源模块
电源模块由220V交流电源经电磁干扰滤波器、电源变压器、整流滤波器和三端集成稳压器7805，提供5V电压给单片机和传感器。

f 驱动电路
驱动电路采用继电器驱动方式，继电器采用增强型固态继电器H220D15，其内部采用光电隔离方式。

g 报警设备
用无源扬声器作为系统异常工作时候的报警器使用。

有晶体管和扬声器组成。

h 温度升降装置
设计复位键、运行键、功能转换键、加一键、减一键。

AT89C51
单
片
机
温度采集
工业锅炉
控制电路温度显示报警设备键盘控制
传感器
（4）软件系统
软件设计包括主程序、A/D转换、按键扫描及处理模块、LED显示程序、加热执行模块和输出控制子程序等。

主程序设计包括初始化、初值设定程序、键盘扫描、温度显示等。

初值设定程序完成对温度初值的设定，通过A/D转换装置将读取到的数据通过LED 显示出来，输出控制子程序通过判断完成对输出的控制。