基于單片機的余熱鍋爐蒸汽溫度控制系統(tǒng)設計說明

1、 基于單片機的余熱鍋爐蒸汽溫度控制系統(tǒng)設計摘 要過熱蒸汽溫度是影響余熱鍋爐安全運行的重要參數(shù)，蒸汽溫度過高會使過熱器壁的金屬強度下降，容易燒壞過熱器。為了保證余熱鍋爐的正常運行，要針對余熱鍋爐的特點設計控制系統(tǒng)，使出口蒸汽溫度維持在一個設定值。1設計時采用單回路控制系統(tǒng)對余熱鍋爐的過熱蒸汽溫度進行控制，以AT89S51單片機為核心，包括溫度采集模塊、按鍵處理模塊、溫度顯示模塊、控制輸出模塊、執(zhí)行機構模塊和通信模塊等組成。12溫度控制的關鍵在于測溫和控溫兩個方面。溫度測量是溫度控制的基礎，這方面的技術比較成熟。但由于控制對象的越來越復雜，在溫度控制方面還存在許多問題。本論文采用PID算法鍋爐溫度

2、控制系統(tǒng)的設計，并利用仿真軟件MatlabSimulink對控制算法進行了仿真。21關鍵詞：單回路 過熱蒸汽 單片機 溫度控制53 / 63ABSTRACTThe superheated steam temperature is an important parameter that affects the safe operation of the waste heat boiler, the steam temperature is too high will make the metal strength superheater wall down, easy to burn out.

3、In order to ensure the normal operation of waste heat boiler, to design characteristic of the control system for waste heat boiler, the outlet steam temperature maintained at a set value. Designed with a single loop control system for waste heat boiler superheated steam temperature is controlled to

4、AT89S51 microcontroller as the core, including temperature acquisition module, the key processing module, temperature display module, the control output module, actuator modules and communication modules and other components. Temperature control is the key to both temperature and temperature. Temper

5、ature measurements are the basis for temperature control, this technology is more mature. However, due to more complex control object, the temperature control many problems still exist. This paper uses the PID algorithm boiler temperature control system design, and the use of simulation software MAT

6、LAB / SIMULINK simulation of the control algorithm.Keywords: single loop superheated steam microcontroller temperature control目 錄摘 要IABSTRACTII第1章 緒論11.1 設計的背景與意義11.2 國外研究現(xiàn)狀21.3 設計的目的4第2章 余熱鍋爐蒸汽溫度控制系統(tǒng)設計62.1 控制方案選擇62.1.1 影響過熱蒸汽溫度的因素62.1.2 單回路控制方案92.1.3串級控制方案102.1.4 前饋控制方案122.2 控制方案的比較和方案確定142.2.1 控制方

7、案的比較142.2.2 方案的確定15第3章 系統(tǒng)硬件設計173.1 系統(tǒng)結構框圖173.2 單片機與8155的接口電路173.3 信號輸入部分183.3.1 溫度信號采集與處理183.3.2 A/D轉(zhuǎn)換193.4 顯示電路設計193.5 信號輸出部分213.5.1 D/A轉(zhuǎn)換213.5.2 4-20mA標準信號輸出223.6 串口與上位機通信電路223.7 報警電路設計233.8 鍵盤電路設計243.9 穩(wěn)壓電源電路設計253.10 單片機最小系統(tǒng)263.10.1時鐘電路263.10.2復位電路27第4章 系統(tǒng)軟件設計284.1 軟件設計思路284.2 系統(tǒng)軟件流程圖284.2.1 主程序流

8、程圖284.2.2 采樣子程序304.2.3 數(shù)字濾波304.2.4 中斷服務314.2.5 顯示環(huán)節(jié)軟件設計334.2.6 上位機控制軟件設計344.2.7 PID子程序35第5章 系統(tǒng)的仿真385.1 仿真工具385.2 MATLAB與其模糊邏輯工具箱和仿真環(huán)境385.2.1 MATLAB概況385.2.2模糊邏輯工具箱395.3 PID算法的設計與分析405.3.1控制算法的確定405.3.2數(shù)學模型的建立415.4 基于Matlab仿真44結 論47致 48參考文獻49附錄1 設計系統(tǒng)部分源代碼.51附錄2 系統(tǒng)硬件圖.54CONTENTSABSTRACTIABSTRACTIIChap

9、ter 1 Introduction11.1 Design background and significance of a11.2 Research status21.3 Design Objective4Chapter 2 HRSG steam temperature control system design62.1 Control scheme selection62.1.1 Factors affecting the superheated steam temperature62.1.2 Single-loop control scheme92.1.3 Cascade Control

10、 Programme102.1.4 Feedforward control program122.2 Comparison of control schemes and programs identified142.2.1 Comparison of 11 control scheme142.2.2 The program identified15Chapter 3 Hardware Design173.1 System Block Diagram173.2 With 8155 microcontroller interface circuit173.3 Signal input sectio

11、n173.3.1 The temperature signal acquisition and processing183.3.2 A / D converter193.4 Shows the circuit design193.5 Signal output section213.5.1 D / A converter213.5.2 4-20mA standard signal output223.6 Serial Communication between PC Circuit223.7 Alarm Circuit Design233.8 Keyboard Circuit Design24

12、3.9 Regulated Power Supply Circuit Design253.10 Minimum System Microcontroller263.10.1 Clock Circuit263.10.2 Reset Circuit27Chapter 4 System Software Design284.1 Software design ideas284.2 System software flow chart284.2.1 The main program flow chart284.2.2 The sampling subroutine304.2.3 Software De

13、sign Display link304.2.4 Interrupt Service314.2.5 Digital Filter334.2.6 PC control software design344.2.7 PID subroutine35Chapter 5 System Simulation385.1 Simulation Tools385.2 MATLAB and fuzzy logic toolbox and simulation environment385.2.1 MATLAB Overview385.2.2 Fuzzy Logic Toolbox395.3 PID algori

14、thm design and analysis405.3.1 Determination of the control algorithm405.3.2 Mathematical Model 415.4 Based on Matlab simulation 44Conclusion47Acknowledgements48References49Appendix 1 design system part of the source code.51Appendix 2 System hardware chart.54第1章 緒論1.1 設計的背景與意義余熱鍋爐是專門用于與轉(zhuǎn)爐配套的熱能利用轉(zhuǎn)換設備

15、，包括熱交換、鍋筒、除氧水箱等三部分。它利用轉(zhuǎn)爐吹煉過程中產(chǎn)生的高溫煙氣對鍋筒中的水循環(huán)加熱，并在鍋筒中進行汽水分離，把產(chǎn)生的蒸汽送往廠區(qū)熱力網(wǎng)。其中，鍋筒的給水來自除氧器，通過給水調(diào)節(jié)閥門來調(diào)整給水流量。11同時，鍋筒的水通過循環(huán)泵循環(huán)流經(jīng)熱交換器，吸取熱交換器中煙氣的熱量，以獲得能量。鍋筒的水溫遠高于水的沸點，由此產(chǎn)生蒸汽，經(jīng)過蒸汽流量調(diào)節(jié)閥門送入廠區(qū)熱力網(wǎng)，產(chǎn)生經(jīng)濟效益。9從轉(zhuǎn)爐來的煙氣通過熱交換器后，溫度達到旋風收塵和化工廠所能接受的數(shù)值，參與后續(xù)生產(chǎn)過程。盡管鍋爐系統(tǒng)種類繁多，各種類型鍋爐的工藝流程和操作控制各有特點，但對過程檢測、控制的要基本一樣的。這既包括對鍋爐產(chǎn)汽量和產(chǎn)汽壓力的

16、要求，也包括對鍋爐自身安全、穩(wěn)定運行的要求。鍋爐生產(chǎn)過程檢測控制應達到下述基本目的：鍋爐汽包水位必須保持在一定圍；鍋爐產(chǎn)汽量必須適應用汽設備用汽量變化的要求；鍋爐產(chǎn)汽壓力必須滿足用汽設備的要求；過熱蒸汽溫度必須根據(jù)用汽設備的要求保持在一定的圍；燃燒系統(tǒng)必須維持安全、經(jīng)濟的運行。過熱蒸汽溫度是火力發(fā)電廠鍋爐設備的重要參數(shù)，在熱電廠生產(chǎn)過程中，整個汽水通道中溫度最高的是過熱蒸汽溫度。過熱器正常工作的溫度，一般要接近于材料允許的最高溫度。如果過熱蒸汽溫度過高，則過熱器易損壞，還會使汽輪機部引起過度的熱膨脹，嚴重影響生產(chǎn)運行的安全；如果過熱蒸汽溫度偏低，則設備的效率將會降低，同時使通過汽輪機最后幾級的

17、蒸汽濕度增加，引起葉片的磨損。因此，在鍋爐運行中，保證過熱蒸汽的溫度在正常圍是非常重要的。另外，在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)中，電流、電壓、溫度、壓力、流量、流速和開關量都是常用的主要被控參數(shù)，人們都需要對各類加熱爐、熱處理爐、反應爐和鍋爐中的溫度進行檢測和控制。可以說幾乎80%的工業(yè)部門都不得不考慮著溫度的因素。因此，這就需要在現(xiàn)有鍋爐控制技術的基礎上進行一定的改進，設計一種性價比合理的、使用和維護方便的鍋爐過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)。此外，如果過熱蒸汽溫度變化過大，還會引起汽輪機轉(zhuǎn)子和汽缸的漲差變化，甚至會產(chǎn)生劇烈振動，危與到機組的運行安全。因此，必須相當嚴格地將過熱汽溫控制在給定值附近。一般中、高壓鍋爐

18、過熱蒸汽溫度的暫時偏差不允許超過±10，長期偏差不允許超過±5，這個要求對過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)來說是非常高的。所以對鍋爐蒸汽溫度的控制非常必要。1.2 國外研究現(xiàn)狀目前，國外利用余熱發(fā)電的新趨勢，是單機功率小，載熱體溫度低（即利用中低溫余熱發(fā)電）?；蛞灿幸恍├糜酂岚l(fā)電，如炭黑工業(yè)中的低熱值尾氣余熱和硫酸工業(yè)中的硫酸余熱發(fā)電等，所發(fā)的電能主要工廠自用。目前，已把如何利用中低溫的低品位余熱發(fā)電，作為開發(fā)節(jié)能新技術的重要課題。余熱鍋爐是一種理想的節(jié)能設備，它不但能節(jié)約能源，而且對提高主流程的質(zhì)量，減輕公害和滿足某些工藝流程要求，都起著十分重要的作用?，F(xiàn)有的余熱鍋爐按進鍋爐的介質(zhì)

19、特性，有以下幾種主要型式：1）廢煙氣不需要進一步處理的余熱鍋爐；2）廢煙氣需要進一步處理的余熱鍋爐；3）廢煙氣要進一步處理，且其冷卻在給定時間完成的余熱鍋爐；4）固體顯熱的余熱鍋爐。近十幾年，余熱鍋爐技術發(fā)展十分迅猛。七十年代初我國著手并開始實施發(fā)展余熱鍋爐的規(guī)劃。從1974年到1980年，先后投資擴建余熱鍋爐研究和制造基地，現(xiàn)已形成具有一定的余熱鍋爐研制能力以與科研基地。至今已開發(fā)并制造了涉與15個類別、74個品種、101個規(guī)格的余熱鍋爐2000余臺。我國余熱鍋爐產(chǎn)品技術水品，除少數(shù)接近或到達國際上同類產(chǎn)品的先進水平外，大多數(shù)相當于國外五、六十年代的水平，其主要差距反應在以下幾個方面：1）熱

20、利用率低；2）自控水平落后；3）積灰率高和清除效果差（特別是有色冶煉工藝中的余熱鍋爐）。實踐證明，余熱鍋爐在各企業(yè)的節(jié)能中發(fā)揮了相當有效的作用，獲得了較好的經(jīng)濟效益，其投資一般可在34年回收。余熱鍋爐的作用現(xiàn)已超越了單純的余熱利用，事實上它的作用與工藝流程現(xiàn)代化和防止環(huán)境污染方面已無法截然分開，所以各種類型的余熱鍋爐相繼問世。我國近幾年產(chǎn)量每年約在400500蒸噸之間，尚不能滿足市場的需要。據(jù)預測，1990年，全國余熱鍋爐需要量在1000蒸噸/年以上。隨著技術的進步，今后工業(yè)部門將普遍采用高能效的先進工藝流程，這樣能源的有效利用率提高，高溫余熱資源總量相應減少，而中、低溫余熱資源相應增長。因此

21、，余熱利用技術將由高溫余熱回收技術轉(zhuǎn)向中，低溫和固體顯熱的余熱回收利用技術，但在近期仍以發(fā)展高溫余熱回收的鍋爐產(chǎn)品為主。如干法熄焦余熱鍋爐，化鐵爐余熱鍋爐，轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐等。當然也必須為今后發(fā)展中、低溫和固體顯熱回收的余熱利用技術以與城市垃圾焚燒余熱鍋爐開展一些科研工作，以加快設計，制造各種類型、容量和參數(shù)的余熱鍋爐，來滿足是長的需求。余熱鍋爐是機械產(chǎn)品與余熱發(fā)電設備的一個重要組成部分，因此發(fā)展余熱鍋爐，振興余熱鍋爐行業(yè)，也是振興機械工業(yè)和電力工業(yè)，促進產(chǎn)品質(zhì)量、上品種和上水平不可缺少的環(huán)節(jié)。為實現(xiàn)上述目的，建議采取以下措施：1）改進老式產(chǎn)品，開發(fā)新產(chǎn)品，趕上世界先進水平；2）在產(chǎn)品發(fā)展中，科研

22、設計要與推廣應用相結合；3）加強與國外的技術交流，借鑒國外的先進經(jīng)驗；4）制定必要的技術和經(jīng)濟政策，發(fā)揮科研人員的工作積極性。1.3 設計的目的余熱鍋爐是燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電的主設備之一。和常規(guī)鍋爐不同，余熱鍋爐中不發(fā)生燃燒過程，也沒有燃燒相關的設備，從本質(zhì)上講，它只是一個燃氣水蒸汽的換熱器。其與燃氣輪機配合，燃氣輪機的排氣(溫度約在500600）進入余熱鍋爐，加熱受熱面中的水，水吸熱變?yōu)楦邷馗邏旱恼羝龠M入汽輪機，完成聯(lián)合循環(huán)。鍋爐是火力發(fā)電廠單元機組中的主要設備之一，它是一種系統(tǒng)復雜、體積龐大和昂貴上的能量轉(zhuǎn)換設備，其部發(fā)生的物理化學過程非常復雜，而且各種過程耦合，他們相互制約、相互影響。

23、對于余熱鍋爐動態(tài)的研究，往往借助于為它建立的某種簡化模型。然而，對于鍋爐部的某些工作機理，人們至今尚未充分掌握。因此，如何建立比較符合實際而又相當簡單的鍋爐數(shù)學模型，尚待研究和值得研究。本文的設計目的，就是針對過熱蒸汽溫度的特點，在深入分析過熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)的過程，過熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)對象的靜態(tài)特性、動態(tài)特性以與過熱蒸汽溫度控制的設計難的基礎上，確定在過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)中應用單回路控制的可行性，并考慮根據(jù)蒸汽溫度偏差和偏差的變化情況調(diào)整控制器的參數(shù)，以實現(xiàn)最優(yōu)控制。并且由控制系統(tǒng)輸出信號來控制執(zhí)行器，通過調(diào)節(jié)執(zhí)行器去控制減溫水閥門的開度，從而實現(xiàn)控制過熱蒸汽溫度。并且通過仿真驗證來控制效果。采用A

24、T89C51單片機來對溫度進行控制，可以大幅度提高被控溫度的技術指標，從而能夠大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。因此，單片機對溫度的控制問題是一個工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常會遇到的問題。第2章 余熱鍋爐蒸汽溫度控制系統(tǒng)設計2.1 控制方案選擇隨著控制理論的發(fā)展，越來越多的智能控制技術，如自適應控制、模型預測控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡等，被引入到鍋爐過熱蒸汽溫度控制中。但這些控制技術主要是為了改善和提高控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)，并沒有從引起過熱蒸汽溫度波動的源頭入手。通常，煙氣溫度過高是引起過熱蒸汽溫度過高的主要原因。一般，過熱蒸汽溫度在煙氣擾動下延遲較小，而在減溫水量擾動下延遲較大，這種特性將使過熱蒸汽溫度的控制滯后。蒸

25、汽溫度系統(tǒng)則是余熱鍋爐系統(tǒng)安全正常運行，確保蒸汽品質(zhì)的重要部分。本設計主要考慮的部分是余熱鍋爐蒸汽溫度系統(tǒng)的控制。蒸汽溫度系統(tǒng)包括一級過熱器、減溫器、二級過熱器。控制任務是使過熱器出口溫度維持在允許圍，并保護過熱器時管壁溫度不超過允許的工作溫度。2.1.1 影響過熱蒸汽溫度的因素影響過熱蒸汽溫度的因素很多，其中主要的有：過熱器是一個多容且延遲較大的慣性環(huán)節(jié)，設備結構設計與控制要求存在若矛盾，各種擾動因素之間相互影響，如蒸汽量、鍋爐給水溫度、流經(jīng)過熱器的煙氣溫度與流速的變化等。而對各種不同的擾動，過熱蒸汽溫度的動態(tài)特性也各不一樣。1、蒸汽流量擾動下的蒸汽溫度對象的動態(tài)特性引起蒸汽流量擾動的原因有

26、兩個：一是蒸汽母管的壓力變化，二是汽輪機調(diào)節(jié)閥的開度變化。結構形式不同的過熱器，在一樣蒸汽流量的擾動下，汽溫變化的特性是不一樣的。當鍋爐負荷擾動時，蒸汽流量的變化使沿整個過熱器管路長度上各點的蒸汽流速幾乎同時改變，從而改變過熱器的對流放熱系數(shù)，使沿整個過熱器各點的蒸汽溫度幾乎同時改變，因而汽溫反應較快。其傳遞函數(shù)可以表示為：(2-1)式中： 鍋爐負荷擾動時被控對象的放大系數(shù)；一負荷擾動后對象的滯后時間；對象的時間常數(shù)。從階躍響應曲線可知，其特點是：有延遲、有慣性、有自平衡能力，但其延遲和慣性都比較小，即時間常數(shù)和滯后時間都比較小，且較小。動態(tài)特性曲線如圖2-1所示。2、煙氣側(cè)熱量擾動下蒸汽溫度

27、對象的動態(tài)特性當燃料量、送風量或煤種等發(fā)生變化時，都會引起煙氣流速和煙氣溫度的變化，從而改變了傳熱情況，導致過熱器出口溫度的變化。由于煙氣傳熱量的改變是沿著整個過熱器長度方向上同時發(fā)生的，因此汽溫變化的遲延很小，一般在15-25s之間。煙氣側(cè)擾動的汽溫響應曲線如圖2-1所示，它與蒸汽量擾動下的情況類似。4煙氣熱量的擾動也幾乎同時影響過熱器管道長度方向各處的蒸汽溫度，故它是一個具有自平衡能力、滯后和慣性都不大的對象，其傳遞函數(shù)可表示為一個二階系統(tǒng)，即： (2-2)式中： 為煙氣溫度但對象特征總的特點是：有遲延，有慣性，有自平衡能力。圖2-1 蒸汽量D和煙氣傳熱量Q擾動3、蒸汽溫度在減溫水量擾動下

28、的動態(tài)特性當減溫水量發(fā)生擾動時，雖然減溫器出口處汽溫已發(fā)生變化，但要經(jīng)過較長的過熱器管道才能使出口汽溫發(fā)生變化，其擾動地點（過熱器入口）與測量蒸汽溫度的地點（過熱器出口）之間有著較大的距離，此時過熱器是一個有純滯后的多容對象。動態(tài)曲線圖如圖2-2所示。當擾動發(fā)生后，要隔較長時間才能是蒸汽溫度發(fā)生變化，滯后時間比較大，滯后時間約為30-60s。圖2-2蒸汽溫度在減溫水Ws擾動綜上所述，可歸納出以下幾點：（1）過熱器出口蒸汽溫度對象不管在哪一種擾動下都有延遲和慣性，有自平衡能力。而且改變?nèi)魏我粋€輸入?yún)?shù)（擾動），其他的輸入?yún)?shù)都可能直接或間接的影響出口蒸汽溫度，這使得控制對象的動態(tài)過程十分復雜。（

29、2）在減溫水流量擾動下，過熱器出口蒸汽溫度對象具有較大的傳遞滯后和容量滯后，縮減減溫器與蒸汽溫度控制點之間的距離，可以改善其動態(tài)特性。（3）在煙氣側(cè)熱量和蒸汽流量擾動下，蒸汽溫度控制對象的動態(tài)特性比較好。由圖可見，在減溫水流量擾動下，減溫器出口過熱汽溫的響應比過熱器出口汽溫快得多，可以肯定，在噴水減溫過熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，以減溫器出口過熱汽溫作為導前信號構成調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可大大改善控制系統(tǒng)的性能?？偟膩碚f，根據(jù)對過熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)對象做階躍擾動試驗得出的動態(tài)特性曲線可知，它們均為有延遲的慣性環(huán)節(jié)，但各自的動態(tài)特性參數(shù)值有較大的差別。因此，過熱蒸汽溫度控制的主要任務就是：（1）克服各種干擾因素，將過

30、熱器出口蒸汽溫度維持在規(guī)定允許的圍，從而保持蒸汽品質(zhì)合格；（2）保護過熱器管壁溫度不超過允許的工作溫度。本設計主要以控制減溫水流量的變化來闡述對蒸汽溫度的自動調(diào)節(jié)。2.1.2 單回路控制方案單回路控制系統(tǒng)是最基本的控制系統(tǒng)。由于其結構簡單，投資少，易于調(diào)整，操作維護比較方便，又能滿足多數(shù)工業(yè)生產(chǎn)的控制要求,應用十分廣泛。在運行過程中，改變減溫水流量，實際上是改變過熱器出口蒸汽的熱度，亦改變進口蒸汽溫度。25減溫器有表面式和噴水式兩種。減溫器盡可能德安裝在靠近蒸汽出口處，但一定要考慮過熱器材料的安全問題，這樣能夠獲得較好的動態(tài)特性。調(diào)節(jié)器和控制對象是單回路控制系統(tǒng)的兩個主要組成部分。它們的特性將

31、決定控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量，因此討論控制對象的特征參數(shù)和調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)參數(shù)對控制質(zhì)量的影響是非常必要的。對象動態(tài)特性是確定系統(tǒng)結構、調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律、設置調(diào)節(jié)器參數(shù)的依據(jù)，那么根據(jù)對象動態(tài)特性和生產(chǎn)過程對控制質(zhì)量的要求，確定調(diào)節(jié)參數(shù)的數(shù)值是控制系統(tǒng)投入前要做的一項重要工作。如圖2-3單回路方式原理圖所示，系統(tǒng)引入過熱蒸汽溫度作為反饋量，是典型的簡單控制系統(tǒng)。當過熱蒸汽溫度的測量值等于設定值時，噴水閥門不動，系統(tǒng)處在動態(tài)平衡狀態(tài)，此時，若爐膛燃燒工況發(fā)變化使蒸汽溫度上升，造成給定值和測量值產(chǎn)生偏差，則偏差信號經(jīng)過控制器的方向判斷與數(shù)學運算后，產(chǎn)生控制信號使噴水閥門以適當形式打開噴水流量。測量值最終回到

32、設定值，系統(tǒng)重新回到平衡狀態(tài)。圖2-3 單回路方式原理圖2.1.3串級控制方案過熱器出口蒸汽溫度串級控制系統(tǒng)采用兩級調(diào)節(jié)器，這兩級調(diào)節(jié)器串在一起，各有其特殊任務，形成了特有的雙閉環(huán)系統(tǒng)，由副調(diào)節(jié)器和減溫器出口溫度形成的閉環(huán)稱為副環(huán)。由主調(diào)節(jié)器和主信號-出口蒸汽溫度，形成的閉環(huán)稱為主環(huán)，可見副環(huán)是環(huán)在主環(huán)之中。如圖2-4所示為串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理圖。過熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)的主要困難在于引起蒸汽溫度變化的擾動因素很多，不容易控制。如蒸汽流量、火焰中心位置、燃燒工況、煙汽溫度和流速、爐溫變化。其中起主要作用的是蒸汽流量和減溫水流量兩個方面。由于被控對象(過熱器通道)具有較大的延遲和慣性以與運行中要求有較小的溫

33、度控制偏差。針對過熱蒸汽汽溫調(diào)節(jié)對象調(diào)節(jié)通道慣性延遲大、被調(diào)量信號反饋慢的特點，應該從對象的調(diào)節(jié)通道中選擇一個比被調(diào)量反應快的中間點信號作為調(diào)節(jié)的補充反饋信號，以改善調(diào)節(jié)通道的動態(tài)特性，提高調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制品質(zhì)。圖2-4 蒸汽溫串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理圖將圖2-4所示過熱蒸汽溫調(diào)節(jié)原理圖轉(zhuǎn)化為方框圖，即為圖2-5所示，由圖2-5所示可以看出，此串級控制回路是用兩個串聯(lián)的PID控制器和一個執(zhí)行器來控制主汽溫度的。其基本原理就是系統(tǒng)根據(jù)過熱汽溫度設定值和反饋值y1的偏差e，作為主調(diào)節(jié)器的輸入，主調(diào)節(jié)器經(jīng)過PID運算后的輸出u1作為副調(diào)節(jié)器的輸入設定值，此設定值與二級噴水減溫器的出口溫度反饋y2的偏差e2作為

34、二級過熱器出口溫度調(diào)節(jié)器的輸入，其輸出u2作為執(zhí)行器的輸入動作指令。圖2-5 串級PID控制圖一般在過熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，副調(diào)節(jié)回路的動態(tài)特性的遲延和慣性比較小，在這種情況下，副回路的調(diào)節(jié)過程快得多，當副回路消除噴水擾動時，過熱汽溫度基本上不受影響。因此，當副回路動作時主回路可以看作是開路，主回路動作時，副回路可以看作是迅速動作的隨動系統(tǒng)，即二級減溫器出口溫度基本上與校正信號e2成比例變化。2.1.4 前饋控制方案為改善調(diào)節(jié)品質(zhì)，引入導前氣溫微分信號，組成氣溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)的有一種策略。由氣溫被調(diào)對象的動態(tài)特性可知，導前氣溫可以提前反應擾動，取其微分信號引入調(diào)節(jié)器后，由于微分信號動態(tài)時不為零穩(wěn)態(tài)時

35、為零，所以動態(tài)時可使調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用超前，穩(wěn)態(tài)時可使過熱器出口溫度等于給定值，從而改善調(diào)節(jié)品質(zhì)。在過熱蒸汽溫度的控制中，擾動有很多如蒸汽流量擾動、煙氣側(cè)傳熱量的擾動、噴水量擾動等等。如果我們引入一個量來校正就構成了前饋控制系統(tǒng)。如圖2-6為前饋控制的原理圖與方框圖。圖2-6 前饋控制原理圖與方框圖將減溫器出口溫度的微分信號作為前饋信號，與過熱器出口溫度相加后作為過熱器溫度控制器測量，當減溫器出口溫度有變化時，才引入前饋信號。穩(wěn)定情況下，該微分信號為零，與單回路控制系統(tǒng)一樣。其中是原調(diào)節(jié)算法，是執(zhí)行元件和可能的其他環(huán)節(jié)?，F(xiàn)希望用完全抵消擾動的影響。把圖2-6等效為圖2-7，顯然,只有當=才能完全

36、抵消擾動的影響。圖2-7 等效的原理框圖2.2 控制方案的比較和方案確定2.2.1 控制方案的比較閉環(huán)控制系統(tǒng)是指控制器與被控對象之間既有順向控制又有反向聯(lián)系的控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)點是不管任何擾動引起被控變量偏離設定值，都會產(chǎn)生控制作用去克服被控變量與設定值的偏差。因此閉環(huán)控制系統(tǒng)有較高的控制精度和較好的適應能力，其應用圍非常廣泛。缺點是閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制作用只有在偏差出現(xiàn)后才產(chǎn)生，當系統(tǒng)的慣性滯后和純滯后較大時，控制作用對擾動的克服不與時，從而使其控制質(zhì)量大大降低。17在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，根據(jù)設定值的不同形式，又可分為定值控制系統(tǒng)，隨動控制系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)。串級控制系統(tǒng)由于副環(huán)的存在，

37、改善了對象的特性，使等效副對象的時間常數(shù)減小，系統(tǒng)的工作頻率提高。同時，由于串級系統(tǒng)有主、副兩只控制器，使控制器的總放大倍數(shù)增大，系統(tǒng)的抗干擾能力增強。主調(diào)節(jié)器為PID，副調(diào)節(jié)器為PI，在串級系統(tǒng)中，由于副回路可以很快的消除減溫水流量的自發(fā)性擾動和其他進入副回路的各種擾動，對過熱蒸汽溫度的穩(wěn)定起粗調(diào)作用，主調(diào)節(jié)器的作用是保證過熱蒸汽溫度趨于給定值。然而當工況變化時，對象特性發(fā)生變化，這將使得控制質(zhì)量變壞，一般控制效果不好。單回路控制系統(tǒng)的特點是將被控量的狀態(tài)測量出來并和給定值進行比較，有偏差就可以修正，因此必須知道被控量的準確狀態(tài)，如果不能正確的檢測出被控量的狀態(tài)，就不能進行控制，所以要求檢測

38、環(huán)節(jié)的精度和靈敏度更高。另外，作為被控量的過程變量，如果不先改變其狀態(tài)而把它直接作為控制系統(tǒng)的信號，在大多數(shù)情況下是不適宜的。所以除了特別簡單的自動控制外，一般不采用對被控量直接控制的方式。在多數(shù)的過程控制中，一般都將通過檢測環(huán)節(jié)的信號變換成便于控制的信號。前饋控制系統(tǒng)是依據(jù)干擾的大小；其調(diào)節(jié)作用發(fā)生在過程輸出變量出現(xiàn)偏差之前，比單回路控制與時。前饋控制必須使用針對具體過程的干擾和受控輸出變量特性的專用控制器。不可能有專用的前饋控制器。這也給實際應用增加了麻煩和困難。一種前饋控制作用只能消除一種干擾的影響。前饋和反饋完全不同，前饋控制不是閉環(huán)而是開環(huán)系統(tǒng)。控制變量被調(diào)節(jié)后并不反過來影響干擾變量

39、；調(diào)節(jié)作用對受控輸出變量影響的結果也沒有反饋機制。相形之下，一個反饋回路有可能克服多種干擾的影響。由此可以看出，盡管前饋控制具有在理論上可以實現(xiàn)完美控制的吸引力，實際應用還仍然受到許多限制。2.2.2 方案的確定不同的控制方法都有自己的優(yōu)點與缺點，由于此系統(tǒng)干擾很小可以忽略不計，以上三種方案都能實現(xiàn)對過熱蒸汽溫度的控制，但是從成本上來看單回路控制更經(jīng)濟些，因此經(jīng)過分析采用單回路控制能滿足本設計的需要，而且單回路控制形式簡單，容易實現(xiàn)。根據(jù)控制要求，溫度單回路控制系統(tǒng)的控制參數(shù)是蒸汽溫度，測量便采用溫度傳感器，控制器是單片機，執(zhí)行器是調(diào)節(jié)閥，所以溫度單回路控制系統(tǒng)的結構框圖如圖2-8所示。圖2-

40、8 單回路控制系統(tǒng)方框圖第3章 系統(tǒng)硬件設計3.1 系統(tǒng)結構框圖余熱鍋爐蒸汽溫度控制系統(tǒng)的主控部分由單片機構成。通過按鍵電路進行溫度報警值的設定，并對鍋爐的過熱蒸汽溫進行采集與處理，然后與報警值比較，當過熱蒸汽溫度的測量值等于設定值時，噴水閥門不動，系統(tǒng)處在動態(tài)平衡狀態(tài)。8此時，若爐膛燃燒工況發(fā)變化使蒸汽溫度上升，造成給定值和測量值產(chǎn)生偏差，則偏差信號經(jīng)過控制器的方向判斷與數(shù)學運算后，產(chǎn)生控制信號使噴水閥門以適當形式打開噴水流量。測量值最終回到設定值，系統(tǒng)重新回到平衡狀態(tài)。下圖3-1為系統(tǒng)結構框圖。圖3-1 系統(tǒng)方案框圖3.2 單片機與8155的接口電路MCS-51單片機可直接和8155連接，

41、不需要任何外加邏輯電路，可以直接為系統(tǒng)增加256B外部RAM、22根I/O線與一個14位定時器。其基本硬件連接方法如圖3-2所示。由于8155片有鎖存器，所以單片機P0口輸出的低8位地址不需要另加鎖存器，直接與8155的AD7AD0相連，既作為低8位地址總線，又作為數(shù)據(jù)總線，利用8051的ALE信號的下降沿鎖存P0送出的地址信息。片選信號CE和IO/M選擇信號分別接P2.7和P2.0。圖3-2 51單片機與8155的連接方式3.3 信號輸入部分3.3.1溫度信號采集與處理采用構建橋式電路，電橋的四個電阻中三個是恒定的，另一個用Pt100熱電阻，當Pt100電阻值變化時，測試端產(chǎn)生一個電勢差，由

42、此電勢差換算出溫度。電路中使用的是1k（0）的鉑電阻，因為鉑電阻阻值高達1k所以不受布線溫度的影響。R0、R1、Rt構成橋式電路橋式電路的輸出電壓經(jīng)由差動放大器放大?？梢员硎緸椋?（3-1）在圖中所示參數(shù)的條件下，的靈敏度為1.395mA/;為了將他放大為10mA/的靈敏度，差動放大器的增益G必須為10/1.395=7.17倍。具體電路如圖3-3所示。該電路中為了使橋式電路的電阻不受影響，將輸入電阻選取了高達1M的數(shù)值，由此決定了運算放大器必須是低輸入偏置電流的場效應管晶體管輸入型。經(jīng)過儀器放大器放大后的電壓輸出送給A/D轉(zhuǎn)換芯片的INO口，從而把熱電阻的阻值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。18圖3-3 信號采

43、集與處理3.3.2 A/D轉(zhuǎn)換利用熱電阻PT100溫度傳感器具有抗振動、穩(wěn)定性好、準確度高、耐高壓、線性較好的特點作為溫度傳感器，然后通過運算放大器構建差分放大將溫度信號轉(zhuǎn)換成ADC0809模擬通道的輸入的0-5V標準信號，再將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，送入單片機。AD轉(zhuǎn)換器選ADC0809，ADC0809是一種逐次比較式的8路模擬輸入，部具有所存功能，故不需加地址鎖存器。ALE腳為地址所存信號，高電平有效，三根地址線固定接地，由于地址信號已經(jīng)固定，固將ALE接高電平。系統(tǒng)只需要一路信號，選擇IN-0作為輸入。START腳為AD轉(zhuǎn)換啟動信號，高電平有效，程序控制。AD采樣值為系統(tǒng)的偏差信號，固選

44、擇ADC0809的VREF接+5V和-5V。由圖可以看出，ALE信號和START信號聯(lián)系在一起，這樣連接可以在信號的前沿寫入地址信號，在其后沿啟動A/D轉(zhuǎn)換。START和ALE互連可以使ADC0809在接收模擬量路數(shù)地址時啟動工作。START啟動信號由89S51的WR和P2.5經(jīng)或非門產(chǎn)生。AD轉(zhuǎn)換結果由8155的PA0PA7口讀入，故將AD轉(zhuǎn)換器的輸出與8155的PA0PA7口相連，高地位依次相連。AD轉(zhuǎn)換器與單片機的接口電路如下圖3-4所示。圖3-4 ADC0809與單片機的接口設計3.4 顯示電路設計數(shù)碼管動態(tài)顯示實際是將所有數(shù)碼管的8個筆畫段ah的各同名段分別并接在一起，并把他們接在單

45、片機的字段輸出口上。為了防止各個數(shù)碼管同時顯示一樣的數(shù)字，各個數(shù)碼管的公共端COM還要收到另一組信號的控制，即把他們連到位輸出口上。這樣，一組數(shù)碼管顯示器需要由兩組信號來控制：一組字段輸出口輸出的字形代碼，用來控制顯示的字形，稱為段碼；另一組是位輸出口的控制信號，用來選擇第幾個顯示器工作，稱為位碼。所謂動態(tài)顯示就是利用循環(huán)掃描的方式，分時輪流宣統(tǒng)各個數(shù)碼管的公共端，使各個數(shù)碼管輪流導通，在導通的同時送上不同的段碼。當掃描速度達到一定程度時，人眼就分辨不出來了，即認為各個數(shù)碼管在同時顯示。12如圖3-5所示，8155的PB口作為段控制，PC口通過4個PNP型三極管8550控制數(shù)碼管的4個COM公

46、共端。如果要第一個數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)，PC0需要輸出低電平0，則此時第一個PNP三極管導通，通過第一位數(shù)碼管的COM公共端向第一個數(shù)碼管供電。以此類推，可以分時點亮4個LED數(shù)碼管。但是，需要注意的是不能讓PC0PC3中的2個或2個以上同時輸出低電平0，否則就會造成顯示混亂，除非2個數(shù)碼管上要顯示的容一樣。本例中數(shù)碼管選擇的是SM410364共陽極四位一體的LED顯示器。三極管采用PNP型8550，PB口接的限流電阻是8個470的；PC口上接的電阻是4個4.7K的；PB口接的8個上拉電阻都是4.7K的。圖3-5 數(shù)碼管動態(tài)顯示驅(qū)動電路3.5 信號輸出部分3.5.1 D/A轉(zhuǎn)換DAC0832的基本原

47、理是把數(shù)字量的每一位轉(zhuǎn)換成相應的模擬量，然后根據(jù)疊加定理將每一位對應的模擬分量相加，輸出相應的電流或者電壓。DAC0832是具有兩個輸入數(shù)據(jù)寄存器的8位DAC，可以直接與51單片機相連，參考電壓+5V，直接與供電電源相連。DAC0832是電流型輸出，在應用時外接運放使之成為電壓型輸出。CSDA：片選信號輸入線（選通數(shù)據(jù)鎖存器），低電平有效；WR：數(shù)據(jù)鎖存器寫選通輸入線，負脈沖（脈寬應大于500ns）有效。由ILE、CS、WR1的邏輯組合產(chǎn)生LE1，當LE1為高電平時，數(shù)據(jù)鎖存器狀態(tài)隨輸入數(shù)據(jù)線變換，LE1的負跳變時將輸入數(shù)據(jù)鎖存；DAC0832的數(shù)據(jù)口和單片機的P1口相連，片選信號CS為P2.

48、6。如圖3-6為DAC0832與單片機的連接電路。圖3-6 DAC0832與單片機的接口設計3.5.2 4-20mA標準信號輸出 LM324的5管腳與DAC0832的（IOUT2）12管腳相連，LM324的6管腳與DAC0832的（IOUT1）11管腳相連，LM324的7管腳與DAC0832的REF（9）管腳相連。第一級運算放大器的作用是將DAC0832輸出的電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號V1，第二級運算放大器的作用是將輸出的0-5V電壓轉(zhuǎn)換為4-20mA標準信號。從而控制輸出調(diào)節(jié)蒸汽溫度減溫閥，達到減溫的目的。4-20mA標準信號輸出如下圖3-7所示。圖3-7 4-20mA標準信號輸出3.6 串口與

49、上位機通信電路單片機與外部設備或單片機與單片機之間的數(shù)據(jù)傳輸稱為通信，其傳輸介質(zhì)稱為通信接口。按信號傳輸方式，通信可分為并行通信與串行通信兩種基本方式。14上位機的RS232串口標準為：正電平在+3V+15V，負電平在-3V-15V。也就是說對于RS232信號而言，當傳輸點評的絕對值大于3V時，電路可以有效地檢查出來，介于-3V+3V之間的電壓無意義，低于-15V或高于+15V的電壓也認為無意義。因此，實際工作時，應保證電平在±（315）V之間。而單片機使用的是TTL/COMS電平，與RS232串行借口標準是不兼容的，因此要實現(xiàn)上位機和單片機之間的通信，必須進行電平的轉(zhuǎn)換。這里采用電

50、平轉(zhuǎn)換收發(fā)芯片MAX232進行RS232與TTL/CMOS電平的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)單片機與計算機通信，51單片機與該芯片接口電路如圖3-8所示，T1IN、T2IN為TTL/CMOS電平輸入端，T1IN、T2IN可連接單片機的TXD（發(fā)送）引腳。R1OUT、R2OUT為TTL/COMS電平輸出端，R1OUT、R2OUT可連接單片機的RXD（接收）引腳。R1IN、R2IN為RS232電平輸入端，R1IN、R2IN連接DB9借口的3腳，接收上位機發(fā)來的數(shù)據(jù)。T1OUT、T2OUT為RS232電平輸出端，T1OUT、T2OUT連接到DB9的2腳，向上位機發(fā)送數(shù)據(jù)。1、3和4、5引腳之間分別接電容，Vcc和V+

51、之間接電容，GND和V-之間接電容。DB9接口的5腳必須接地。圖3-8 單片機與MAX232的接口電路3.7 報警電路設計報警電路與8155的PC4口相連接，由于單片機的I/O口輸出的電流無法直接驅(qū)動蜂鳴器，所以設計了報警電路如圖3-9所示：當蒸汽溫度高于上限溫度、低于下限溫度或者在輸入錯誤時，單片機給8155的PC4口輸出一個低電平信號來導通三極管8550以驅(qū)動蜂鳴器和LED燈，進行系統(tǒng)報警，當溫度恢復到設置圍后，聲光報警自動撤銷。圖3-9 報警電路3.8 鍵盤電路設計鍵盤是由一組規(guī)則排列的按鍵組成，一個按鍵實際上是一個開關元件，也就是說鍵盤是一組規(guī)則排列的開關。本次設計中，按鍵較少，故而選

52、擇獨立式按鍵。進入系統(tǒng)之前首先對溫度報警值的設置。本系統(tǒng)有四個按鍵分別K1,K2,K3,K4。(1)K1功能鍵：選擇修改溫度設定值、上限值、下限值、顯示溫度。(2) K2確認鍵：對結果確認并保存。(3) K3加1鍵：設置余熱鍋爐鍋爐溫度報警值的溫度值增加按鍵；K3每按下一次，位選標志所指的當前位的值加比上一次值增加一。(4) K4減1鍵：設置余熱鍋爐鍋爐溫度報警值的溫度值減少按鍵；K4每按下一次，位選標志所指的當前位的值比上一次值減少一。如圖3-10所示四個按鍵分別與單片機的P2.1、P2.2、P2.3、P2.4相連，各個按鍵的開關處均采用了4*10K的上拉電阻，這是為了保證按鍵開關斷開時，各

53、I/O口線有確定的高電平。圖3-10 鍵盤電路3.9 穩(wěn)壓電源電路設計如下圖3-11所示是由變壓器、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電源等幾部分電路組成。變壓器的輸出端是三抽頭的，經(jīng)過兩組整流二極管整流，在通過電容C1、C6和C2、C7濾波后分別輸入到穩(wěn)壓片子7812和7912的輸入端，從7812 和7912的輸出端就可以得到比較穩(wěn)定的12V電壓和-12V電壓。12V電壓在通過兩個電容濾波后輸入到7805穩(wěn)壓芯片的輸入端，在7805的輸出端就可以得到5V的穩(wěn)定電壓。圖3-11中兩個發(fā)光二極管起到電源指示作用。圖3-11 穩(wěn)壓電源電路圖3.10 單片機最小系統(tǒng)3.10.1時鐘電路單片機雖然有部振蕩電路，

54、但要形成時鐘，必須外部附加電路。利用芯片部的振蕩電路，在第18腳XTAL1、第19腳XTAL2上外接定時元件，部的振蕩電路便產(chǎn)生自激振蕩，用示波器可以觀察到XTAL2輸出的時鐘信號。振蕩晶體可在1.2MHz12MHz之間選擇，電容值無嚴格要求，但在電容值取值對振蕩頻率輸出的穩(wěn)定性、大小、振蕩電路起振速度有少許影響，CX1、CX2可在20pF100pF之間取值。在外部晶體上選用晶體振蕩器，頻率為12MHz，為提高頻率穩(wěn)定性，CX1、CX2都為30pF。時鐘電路如圖3-12所示。圖3-12 時鐘電路3.10.2復位電路復位是單片機的初始化操作，在其上電后第9腳RESET出現(xiàn)24個振蕩周期以上的高電

55、平后，單片機部初始復位。如圖3-13所示是一個簡單的手動復位與上電復位綜合的復位電路。R1、R2構成手動復位電路，R2一般取15K.當R1=200時，R2=1K時，若按鍵按下，實現(xiàn)可靠復位其復位電壓為4.17V。當k閉合、Urst>3V時，是可靠的復位電平，則該電路的復位時間約為11ms。為保證可靠復位，一般選取復位時間為10ms即可。2圖3-13 復位電路第4章 系統(tǒng)軟件設計4.1 軟件設計思路本章詳細的介紹了基于AT89S51單片機的余熱鍋爐過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)的軟件設計。根據(jù)系統(tǒng)功能，可以將系統(tǒng)設計為若干個子程序進行設計，如溫度采集子程序、PID控制子程序、顯示子程序等。本章從設計

56、思路、軟件系統(tǒng)框圖出發(fā)，先介紹整體思路，在逐一分析各模塊程序算法的實現(xiàn)，最終編寫滿足任務需要的程序。本系統(tǒng)要完成溫度信號的采集與控制，需要實現(xiàn)溫度信號的采集與A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)傳輸?shù)然竟δ?。從功能上可以將其分為信號輸入、控制單元、信號輸出三大部分進行設計。4.2 系統(tǒng)軟件流程圖4.2.1 主程序流程圖在系統(tǒng)軟件中，主程序依次完成系統(tǒng)初始化、溫度信號采集與處理、PID控制算法、溫度顯示、上位機等.系統(tǒng)的初始化包括通信的初始化（串口的初始化，ADC0809的初始化，通信緩沖區(qū)的初始化），LED顯示的初始化，輸出端口的初始化，采集、累計數(shù)據(jù)的初始化。A/D轉(zhuǎn)換包括數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換（主要實現(xiàn)將測量電路監(jiān)測到的電壓信號轉(zhuǎn)換成LED顯示所需的數(shù)據(jù)類型）。顯示數(shù)據(jù)包括顯示溫度的上限值、下限值以與溫度數(shù)值顯示。其程序主流程圖如下圖4-1所示。設計時