锅炉压力控制系统设计

课程设计报告书

课程名称：专业综合课程设计

题目：锅炉压力控制系统设计

系（院）：电子信息工程

学期：2012-2013-1

专业班级：D自动化091

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1 绪论

锅炉作为重要的动力设备，已广泛应用于化工、炼油、发电等工业生产中，同时锅炉又是工业生产及采暖供热中一次能源转换为二次能源的重要设备。从某种意义上讲，锅炉控制效果的好坏对企业的经济效益和人民的生活质量有着直接的影响。由于锅炉本身具有多输入、多输出并且各个参数之间还具有相互关联性的特点，所以对锅炉的控制始终是各国技术人员不断探索研究的一个重要课题。 传统的锅炉控制系统大多采用手动操作或仪表控制，控制精度低，生产效果差。操作者与管理层之间的通信基本上采用电话联系，管理层难于及时全面了解控制现场的情况，信息不但反馈时间长而且有遗漏，管理时效性差，企业的生产效益和经济效益低，不能满足企业的发展需要。

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。

1.1 锅炉控制系统概述

锅炉控制系统就是其工作过程是根据工艺及负荷的要求，生产具有一定压力和温度的蒸汽或者热水。锅炉控制系统是对锅炉热工参数进行检测与显示、对锅炉的运行进行控制并实施保护与联锁控制、保证锅炉运行的安全性和经济性的计算机监控系统。

1.2 压力控制系统的基本原理

控制系统原理图如图1.1所示，设给定值为5.4Mpa,广义被控对象的传递函数为1()(1)(5)d W s s s s =

++。

成绩：

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单片机 D/A 执行机构 被控对象

广义被控对象 给定值

—

图1.1 控制系统原理图

1.3 PID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。

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

2.1.1 D/A转换器的选择

DAC0808 图 2.1 所示为权电流型 D/A 转换器 DAC0808 的电路结构框图。用 DAC0808 这类器件构成的 D/A 转换器，需要外接运算放大器和产生基准电流用的电阻。DAC0808 构成的典型应用电路如图2.2 所示。在此控制系统中用于输入电路。

图2.1 DAC0808 的电路结构

DAC0832 它是采用CMOS 工艺制成的单片直流输出型8位数/模转换器。它由倒T型R2R电阻网络、模拟开关、运算放大器和参考电压 VREF 四大部分组成。DAC0832 的逻辑框图和引脚排列如图2.3和图2.4所示。DAC0832 的分辨率为 8 位；电流输出，稳定时间为 1ms；可双缓冲输入、单缓冲输入或直接数字输入；

单一电源供电（+5～+15V）。在此系统中将用于输出电路。

图2.2 DAC0808 的典型应用

图2.3 DAC0832 的逻辑框图

图2.4 DAC0832引脚排列

2.1.2 D/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2.5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。

图2.5

图2.6

2.1.3 A/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。图2.6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。

图2.7

2.2报警电路

如图2.7，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。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。

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2.8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2.8

图2.9

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。具体连接图如图2.9所示。

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2.10。

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2.11：

a.等幅simulink 模型图