锅炉温度控制系统的设计

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。

本文设计了一种数字式锅炉温度控制系统，并给出了硬件原理图。

该控制系统是用MCS-51系列单片机及其相关硬件来实现，利用传感器测量温度数据、CPU循环检测传感器输出状态，并用光柱和LED指示温度的高度。

当锅炉温度低于用户设定的值时，系统自动打开燃料通道，当温度到达设定值时，系统自动关闭燃料通道。

通过定量的计算表明该控制系统设计合理、可行。

一.系统总体设计1．1 系统总体设计方案设计框图如下所示：图1-1系统框图1．2 单元电路方案的论证与选择硬件电路的设计是整个实验的关键部分，我们在设计中主要考虑了这几个方面：电路简单易懂，较好的体现物理思想；可行性好，操作方便。

在设计过程中有的电路有多种备选方案，我们综合各种因素做出了如下选择。

1．2．1 温度信号采集电路的论证与选择采用温度传感器DS18B20美国DALLAS 公司的产品可编程单总线数字式温度传感器DS18B20可实现室内温度信号的采集，有很多优点：如直接输出数字信号，故省去了后继的信号放大及模数转换部分，外围电路简单，成本低;单总线接口，只有一根信号线作为单总线与CPU 连接，且每一只都有自己唯一的64位系列号存储在其内部的ROM 存储器中，故在一根信号线上可以挂接多个DS18820,便于多点测量且易于扩展。

DS 18 B2 0的测温范围较大，集成度较高，但需要串口来模拟其时序才能使用，故没有选用此方案。

1.2.1输入输出通道及其接口设计1）温度检测模拟输入通道设计图1-2 输入通道原理图设V ／F 变换器的额定输出频率为F ，计数器对输出脉冲的计数时间为Ts ，A ／D 转换结果的分辨率为i ，则有：sis F T 2取Ts ＝1s ，则在V ／F 的输出频率范围0～10kHz 内，可以得到13位的A ／D 转换结果。

2) 晶闸管数字触发输出通道设计晶闸管的工作方式有：调压方式; 调功方式调压方式：是通过利用移相触发脉冲调节晶闸管的导通角，使输入到电加热元件的电压改变，达到调节用电器的输入功率，来实现控制目的 。

图1-3 调压方式原理图图1-4 波形图调功方式：触发电路采用的是过零触发方式，外加正弦电压过零时控制信号才使晶闸管的触发导通，则负载上得到的电压是一个正弦波。

调功方式输入电炉的平均功率为：RU N n P 2P ——输入电炉的功率；R ——负载有效电阻；U ——电网电压 ；n ——允许导通的波头数；N ——设定的波头数。

当 n ＝0时，电炉的输入功率为零；n ＝N 时，电炉的输入功率为满功率。

由以上分析可得晶闸管数字触发输出通道设计图1-4 过零检测同步脉冲电路图1-5 波形图3) 拨码盘给定输入通道拨码盘作为数字量的输入设备，设定和修改码盘值可作为控制系统的给定值。

输入非数字信息时，需要事先将非数字信息转换为数字代码，再由拨码盘输入。

4) 数码显示输出通道包括：数字量输出接口电路；锁存译码驱动电路；七段数码管显示器。

5) 打印机输出通道包括：系统配置了通用打印机接口电路；打印内容包括表头、制表、采样数据和采样时间。

二.系统框图2.1系统原理图T12.2系统框图由系统原理图可画出系统的结构框图为z ）图2-2 系统原理图闭环控制系统是指控制器与被控对象之间既有顺向控制又有反向联系的控制系统。

闭环控制系统 优点----不管任何扰动引起被控变量偏离设定值，都会产生控制作用去克服被控变量与设定值的偏差。

因此闭环控制系统有较高的控制精度和较好的适应能力，其应用范围非常广泛。

缺点---闭环控制系统的控制作用只有在偏差出现后才产生，当系统的惯性滞后和纯滞后较大时，控制作用对扰动的克服不及时，从而使其控制质量大大降低。

在闭环控制系统中，根据设定值的不同形式，又可分为定值控制系统，随动控制系统和程序控制系统3.温度系统控制器的设计由以上分析可知，锅炉的温度控制系统可以近似为二阶系统，可表示为)1(1)(+=s s s G o ，以大林算法设计数字控制器D (z)。

设采样周期T=0.5s 。

3.1计算广义对象的脉冲传递函数)1)(1(])1()1[()1)(1()1)(1()1(1111)1(1111)1()1(1)1()1(11)(11111121111112112121)1()1(11z e z z e e e z z e zz ze zze zz e z z z z s z s ze T T T T TTTT Ts T T TT s s Z s Z s s s Z z G -----------------------------+-+=--+----=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-+--∙-=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡++-∙-=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡+∙-=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡+∙-=----把T=0.5s 、 607.05.0==--e e T 代入得)607.01)(1()832.01(107.0)(1111z z z z z G ------+=3.2 )(z Φ的计算由于 )1()1()(1//1z e e zT T N z -------=Φττ此处N=0、T=0.5s ，τ是整个系统（包括数字控制器和被控对象）的时间常数，代入上式得)1()1()(1//1z e e zT T z ------=Φττ由于 )(1)(z z G e Φ-=所以 )1()(1)(1/11z e z G T e z z ----=Φ-=-τ3.3数字控制器的设计由数字控制器的公式)()()()(Z z G z z D G e Φ=把式（3）中的)()(z z G e 和Φ代入式（4）得数字控制器z z e T z D 11/832.01)607.01)1(934.0)(---+--=（τ3.4消除振铃现象由于直接用大林算法构成的闭环控制系统时，数字控制器的输出U （z ）会以1/2的采样频率大幅度上下摆动，我们把这种现象叫做振铃现象。

振铃现象与被空对象的特性、闭环时间常数、采样周期、纯滞后时间的大小等有关，振铃现象中的震荡是衰减的，并且由于被控对象中惯性环节的低通特性，使得这种震荡对系统输出几乎无任何影响，但是振铃现象却会增加执行机构的磨损。

所以要想尽办法消除振铃现象。

由于令z=-1附近的极点会引起振铃现象，为消除振铃令现象，令z=-1附近的极点的z=1，代入上式得)607.01)1(510.0)(1/z e T z D ----=（τ4. 硬件设计本控制系统原理框图如图1所示，它由以下几个模块构成：信号转换及调理电路、数据采集模块、数据显示模块、脉宽调制控制及驱动电路和执行机构。

图4-1系统硬件电路4. 1．信号转换及调理电路信号转换调理就是将温度信号转化为电信号，然后调理为可采集的电压信号。

具体电路参见图。

图4-2信号转换及调理电路4.2 数据采集模块通过A/D转换器将输入的模拟电压量转换为数字量，并通过并行接口芯片将数字量送给计算机。

本控制系统A/D转换器采用高精度的MC14433，图为MC14433的典型电路图。

MC14433是三位半十进制(即11位二进制数)的双积分式模数转换器,转换速率为4-10Hz,它无控制启停信号，一旦上电，就不断地转换。

转换结果采用BCD码动态扫描输出,它的千位、百位、十位、个位的BCD码输出为分别与DS1、DS2、DS3、DS4输出高电平是相对应,由于它们无三态特性,不可与PC机直接相连,因此要通过并行接口芯片相连接。

又因为MC14433无内部参考电压源,因此利用低温漂的集成化的精密电源MC1403来产生稳定的参考电压。

图4-3数据采集电路4.3数据显示模块PC机将采集到的温度值经处理后送往LED数码管上显示，并在屏幕上打印出控制曲线。

这部分可利用PC微机总线接口实验装置上的现有资源，在实验装置上本模块提供了六个LED数码管，CPU通过两个端口来驱动LED数码管，分别为段输出选通端和位选通端。

数据的输出显示采用动态扫描方式，利用眼睛的视觉惯性来实现稳定的数字显示。

4. 4．脉宽调制控制及驱动电路脉宽调制控制及驱动部分的原理图（图中包括执行机构部分）如下：图 4-4 脉宽调制控制及驱动电路本电路用于完成反馈控制的功能，利用PC机输出的经PID控制算法处理后的误差信号去控制产生具有一定占空比的脉冲，并送往驱动电路进行脉冲放大。

改变占空比的调节方法有脉宽调制(PWM)和脉频调制(PFM)。

由原理图可知本系统采用PWM方式，即工作频率不变，通过改变后级电路的导通与截止比来改变占空比。

图上所示各点的波形具体体现了本电路的工作过程。

4.5．执行机构这部分电路比较简单，由双向可控硅（晶闸管）及电路组成，见图所示。

晶闸管一旦触发，管子就导通，把控制信号减少甚至完全去掉，它仍然导通，只有当阳极电流减少到维持电流以下，管子才会截止。

不过双向可控硅则无所谓阴、阳极。

本电路可控硅采用BT138 600E，见图，其中T1：主端子 T2：主端子 G：门极5软件设计系统控制程序的任务：a)系统初始化。

b)多路模拟转换开关的切换控制。

c)温度反馈信号采样和数字滤波、线性化处理。

d)读给定输入值，且将BCD码转换为二进制码。

e)完成系统的控制算法和控制输出。

f)定点或巡回显示温度值和网带速度值。

g)定时打印时间、温度和网带运行速度。

按控制功能将程序分成三个程序模块：5.1系统初始化程序模块系统初始化包括：a)设置堆栈；b)清除动态数据缓冲区；c)初始化打印缓冲区；d)设置计数器的控制字和计数初始值；e)设置时钟系统的初始值；f)设置控制算法程序的初始值；g)系统中断控制初始化等。

图5.2外部中断服务程序模块中断服务程序的任务：1)读取A／D转换结果，以BCD码的形式送到数码管中显示。

2)读取温度给定值并将BCD码转换为二进制码。

3)外部中断产生ls钟内，将多路模拟转换开关切换到下一个通道。

5.3定时打印程序模块实现任务：1)实时时钟程序2)根据设定时间完成打印控制图5-2 定时打印程序模块流程图6.系统仿真分别进行给定值变化和干扰变化仿真，并与PID控制的变化加以比较，整理得下图6-1 燃烧系统的内模控制与PID控制的阶跃响应曲线由图6-1可以看出，内模控制比普通PID控制更能获得良好的动态效应，稳定速度快，超调量减小，抗干扰能力强。