锅炉温度控制系统的设计

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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。

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：

s

i

s 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：

R

U N n P 2

P ——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

系统原理图

T1

系统框图

由系统原理图可画出系统的结构框图为

z）

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=。 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)(11111

1

2

1

1

1

1

1121

1

21

21

)

1()

1(11z e z z e e e

z z e z

z

z

e

z

z

e z z e z z z z

s z s z e T T T T T

T T

T Ts T T T

T s s Z s Z s s s Z z G -----------------------------+-+=

--

+--

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⎤⎢⎢⎣⎡-+--•-=⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎣⎡++-•-

=⎥⎥

⎦⎤⎢⎢⎣⎡+•-=⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎣⎡+•-=----

把T=、 607.05.0==--e e T 代入得

)

607.01)(1()832.01(107

.0)(1

1

1

1

z z z z z G ------+=

)(z Φ的计算

由于 )

1()1()(1//1

z e e z

T T N z -------=Φττ

此处N=0、T=，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